虛擬現實技術在認知障礙康復評定和治療中的應用

王佳音，高蓓瑤，鄭鈞升，江 山*

(1.中日友好醫院 康復醫學科，北京 100029；2.北京中醫藥大學，北京 100029)

據統計，我國當前60 歲及以上人群認知障礙患者達5 300 多萬，其中癡呆患者1 507 萬，輕度認知障礙的患者3 877萬，對我國社會與經濟造成沉重的負擔[1]。認知障礙是一組以認知功能受損和運動能力下降為主要特征的臨床綜合征，包括譫妄、癡呆、遺忘和其他認知障礙，分為輕度認知障礙和重度認知障礙。輕度認知障礙（mild cognitive impairment，MCI）是指處于正常衰老預期的認知能力下降與癡呆后更加嚴重的認知能力下降之間的一個階段。其特征為記憶、語言、思考或判斷能力下降。重度神經認知障礙也稱為癡呆。癡呆是一種以認知功能減退為特征的疾病，可累及一個或多個認知領域，如學習和記憶、語言、執行功能、復雜注意力、知覺運動功能和社會認知功能等。這種缺陷是比既往功能水平下降，并且嚴重到足以干擾日常功能和獨立性。

目前尚缺乏治療神經認知障礙的有效藥物，越來越多的研究顯示非藥物干預方式在治療神經認知障礙中具有優勢。對認知障礙患者在早期進行針對性的康復治療，不僅可以改善認知功能障礙，還可以改善患者的預后。

虛擬現實技術（virtual reality，VR）是利用計算機技術和感知器技術模擬虛擬環境的交互手段，讓用戶產生身臨其境的感覺。VR 的硬件設備主要包括頭戴式顯示設備、主機系統、追蹤系統和控制器，而軟件則多以VR游戲或視頻為主。1993 年Wann 首次提出將VR 技術應用于康復治療的可能性。近年來，隨著VR技術的不斷進展以及VR在認知康復中的應用，將VR 與認知康復結合是一個熱點研究方向，不僅如此，VR 技術還可以與其他康復方式結合應用于各認知域[2]。本文主要綜述國內外學者應用VR 在認知康復評估、認知康復治療、多種康復方式結合治療等方面的進展。

1 VR應用于認知障礙評估

傳統的認知障礙評定方法主要依賴于臨床神經心理學檢查。Meir Plotnik 等證實了將神經心理學測試從二維紙筆轉換為基于VR的三維格式是可行有效的[3]，并且三維格式保留了神經心理學測試的核心特征，這提示了基于VR的認知測試可以作為一種有效的新型認知評價方法。

1.1 VR應用于記憶障礙評估

記憶是認知功能的重要組成部分，分為回顧性記憶和前瞻性記憶?；仡櫺杂洃浭侵富貞涍^去事件的能力，雖有多種神經心理測試可用于評估，但傳統臨床測試缺乏現實環境的刺激，影響評估結果，而基于VR的記憶評估可彌補這一缺陷[4]。前瞻性記憶與回顧性記憶不同，是指在將來某一時刻實施目的行為的記憶。目前，最常用的前瞻性記憶評估量表是里弗米德行為記憶測驗（Rivermead Behavioral Memory Test，RBMT），但其與前瞻性記憶相關的內容較少[5]。Banville等[6]發現，基于VR的前瞻性任務評估可以顯示RBMT 評估中未能顯示的損傷，說明了基于VR 的評估工具敏感性更高。此外，VR 在改善MCI 患者空間認知和情景記憶方面有臨床應用的價值[7]。

1.2 VR應用于執行障礙評估

執行功能包括多個自上而下的認知過程，它們共同促進了目標導向的行為。認知靈活性、反應抑制和工作記憶被認為是負責執行功能的主要機制。虛擬現實功能能力評估工具（virtual reality functional capacity assessment tool，VRFCAT）可用于測量4 種不同場景下的執行能力，以此評估在高度真實的環境中執行現實世界任務的熟練程度[8]。Turner[9]分析了使用VRFCAT 和所有神經心理學評估30例帕金森（Parkinson’s disease，PD）患者的測試數據，發現VRFCAT 可作為執行功能的測量方法，測試時間遠低于經典評估方法，且不受PD運動癥狀的影響。

1.3 VR應用于注意障礙評估

注意障礙是指注意力容易分散，不能持續放在一項任務上，嚴重影響患者認知和肢體功能康復，同時降低了患者學習能力和工作效率。Aula Nesplora 測試是一項基于VR 的持續表現測試，該測試允許存在虛擬干擾物。Areces[10]招募了50 名注意缺陷與多動障礙的學生和30 名正常學生，并將受試者的傳統神經心理學測試表現和基于VR的注意功能測試結果進行比較，結果顯示，Aula Nesplora測試可以作為注意障礙評價的工具，且準確性高于傳統認知加工療法（cognitive processing therapy，CPT）測試。

1.4 VR應用于整體認知障礙評估

整體認知障礙意味著多認知域的損傷。目前已有證據表明不同的認知領域可能具有共同的神經元損傷基礎，說明認知損傷并不是獨立存在的，如MCI和阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）都可以存在多項認知域受損的臨床表現[11]。Zygouris[12]分析MCI 患者使用虛擬超市進行認知訓練的表現，并與神經心理學測試表現相比較，數據顯示，VR 認知訓練應用程序的正確分類率為91.8%，對MCI 診斷的靈敏度和特異性分別為94%和89%，表明基于VR的認知測試用于評估MCI是可行的。

目前用于評估MCI和AD 的傳統神經心理學測試較為成熟，但從MCI 患者中鑒別前驅期AD 的認知測試仍然依賴于神經病理學檢查和血清生物標志物檢查，其檢查成本高、檢查手段有創，應用于人群早期篩查仍有一定的局限性。David Howett[13]招募了45 名MCI 患者和41 名健康對照者，并以腦脊液AD生物標志物作為鑒別前驅期AD的金標準，研究人員檢測其中26 名MCI 患者的腦脊液狀態，確定12 名為生物標志物陽性，14 名為生物標志物陰性，再分別對受試者進行基于VR 的路徑整合測試、神經心理測試和MRI 采集（包括內嗅皮質在內的多個相關腦區體積）。該研究結果表明，基于內嗅皮層的虛擬現實導航任務可以從MCI 癥候群中鑒別前驅期AD 患者，其準確性優于被認為對前驅期AD高敏感度和特異性的參考認知測試。

除將VR 應用于MCI 和AD 認知評估，還有研究發現VR 也可以應用于其他疾病認知障礙的診斷和評估。Limoncu[14]通過虛擬超市鑒別腦小血管病(cerebral small vessel disease，SVD)患者和健康受試者，研究表明，虛擬超市可作為區分SVD患者與健康人的認知篩查工具。

2 VR應用于認知障礙治療

認知障礙雖難以治愈，但認知康復訓練對改善患者功能障礙和提高生活質量具有臨床意義。已有研究通過fMRI 證明了VR 可以對中樞神經系統產生影響[15]。研究發現，與傳統紙筆訓練相比，沉浸式VR康復技術能夠增強患者的感知覺，減少焦慮和疲勞，提高依從性、參與度和享受度，還可根據訓練目的、患者愛好和病情特點設計多種有效的訓練方式，并生成各種模擬日常生活的VR環境，并伴有及時反饋和激勵措施，提升認知訓練的個性化。

2.1 VR應用于記憶障礙治療

目前，VR 在記憶障礙訓練領域的研究逐漸增多，具體可分為前瞻性記憶以及空間和情景記憶的訓練。Yip進行了基于VR的前瞻性記憶訓練對腦損傷患者康復效果的研究[16]，結果顯示患者在虛擬環境和現實環境的前瞻性記憶結果具有明顯改善。Park[17]通過對24 名MCI 患者進行基于VR 的社會認知訓練（social cognitive theory，SCT），即VR-SCT 訓練發現，VR-SCT 可通過增強海馬功能而增強MCI 患者的空間記憶和情景記憶。Caglio 等[18]運用虛擬游戲對腦損傷患者進行導航訓練，對訓練前后進行神經認知功能評估并隨訪了1 年，運用功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，FMRI）觀察大腦區域激活的改變，結果發現通過VR訓練，患者的空間記憶能力在訓練后有提高，海馬和海馬旁回區域被明顯激活。

2.2 VR應用于執行障礙治療

在一項對MCI 的基于VR 的干預計劃研究中，Thapa[19]使用腦電圖分析發現，基于VR 的干預可以讓MCI 患者在靜息狀態下表現出顯著改善的執行功能和大腦功能。Park[20]進行了一項長期VR 治療效果的研究，將32 名MCI患者隨機進行共16 個療程虛擬購物訓練或傳統認知訓練，并在訓練前后進行了韓國版執行功能性能測試（EFPT-K）和韓國日常生活工具活動(K-IADL)測試，結果虛擬購物訓練有益于增強MCI 患者的執行功能和工具性日?；顒幽芰α勘恚╥nstrumental or domestic activities of daily living, IADL）。

2.3 VR應用于注意障礙治療

Ben-Yishay 等[21]認為注意功能是認知功能的基礎，并且在認知功能康復中需要把注意障礙的康復作為基礎和優先的訓練。有研究表明，VR 的認知訓練可以使認知障礙患者的注意力功能出現顯著改善[22]。此外，有研究將VR 注意力訓練與功能性近紅外光譜成像技術（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）同時用于注意缺陷多動障礙（attention deficit/hyperactivity disorder，ADHD）患者，結果顯示ADHD兒童的癥狀得到了顯著改善[23]。

2.4 VR應用于整體認知障礙治療

認知障礙并不是獨立存在的，不同的認知域共同受到皮質和皮質下共同的神經元調控[11]。而VR 技術應用于整體康復可以同時改善多領域的認知障礙，并可取得較傳統認知康復更好的效果[24]。Maggio[25]的研究表明，基于VR 的認知訓練具有復雜性和多樣性，可以刺激患者多個腦區，訓練可以使不同的神經系統疾病患者在執行、視空間、言語、注意力和記憶等多領域都有顯著改善。另一項研究認為，VR 對MCI患者認知功能的改善，同時伴隨了患者心理健康和情緒水平的提高[26]。在MCI 患者中的一項隨機對照試驗中，研究者發現在12 周的訓練時間內，VR 組的蒙特利爾認知評估（Montreal Cognitive Assessment，MoCA）評分高于同一時間節點的對照組[27]。上述結果提示VR 訓練在改善整體認知方面可能較傳統常規訓練更顯著。此外，也有多項研究表明VR 也可以用于PD[28]、腦卒中[29]、顱腦損傷[30]、癌癥[31，32]、腦癱[33]患者的認知障礙治療。

3 VR技術與其他治療方式/檢測設備相結合

目前，已有越來越多的研究關注VR 結合其他治療方式的應用，有望取得更好的治療效果。有研究發現，在多發性硬化患者中，VR 結合有氧運動訓練改善認知功能和糾正情緒障礙的效果好于單獨有氧運動[34]。認知功能與軀體功能兩者為“共現關系”，并不獨立存在，肢體運動功能和認知功能的改善可能會相互促進。一項研究表明，虛擬皮劃艇運動相比常規治療可以更好地改善MCI 患者的姿勢平衡、肌肉表現和認知功能[35]。Hsieh 對60 名患有認知障礙的老年人進行隨機對照實驗，結果發現基于VR 的太極拳訓練可以改善認知障礙患者認知和身體功能[36]。

3.1 VR技術與康復機器人相結合

VR 結合上肢、下肢、手部康復機器人也是目前的研究前沿。VR 輔助上肢機器人訓練不僅在改善上肢運動功能和認知功能的效果上都優于常規治療，并且VR 輔助上肢機器人訓練對認知功能的改善與上肢運動功能的改善存在正相關[37]。Maggio[38]在一項VR 與下肢康復機器人相結合的研究中發現，VR 與機器人共同訓練會讓腦損傷患者在整體認知、執行和注意力功能方面有顯著改善。Michele[39]通過研究發現，基于VR 的手部康復機器人不僅增強了癱瘓手臂的運動功能，而且增強了腦卒中后患者的整體和特定認知能力。而“強化學習”機制是指一種基于獎賞或懲罰的反饋來學習和優化行為的機制，它在人工智能和神經科學中都有廣泛的應用。在神經科學中，強化學習理論也被用來解釋神經系統中的學習和決策現象，如多巴胺神經元的活動與預測誤差信號的相似性，以及基底神經節、杏仁核等腦區在強化學習過程中的作用。因此，Maggio[38]認為，結合VR 和Lokomat 的訓練可以形成感知、認知和行動之間的相互整合，并回憶記憶的運動計劃，激活了人腦中的“強化學習”機制，因此可以提高腦卒中患者的步行康復效果。

3.2 VR技術與非侵入性腦刺激相結合

虛擬現實能夠將用戶沉浸在一個受控、生態和安全的環境中，而非侵入性腦刺激已經成為MCI和阿爾茨海默病治療中一種有前途的認知治療方法。Mancuso 等[40]建議將這兩種方法整合起來，提供一種多模態刺激，以增強認知訓練，使康復更加高效。Cheng[41]將40例PD 和MCI患者隨機分為3 組，即rTMS-VR 組13 例、rTMS 組11 例和假rTMS組16 例，rTMS 處方是在左背外側前額葉皮層連續10 次間歇性爆發性θ 波刺激（iTBS）。在基線、干預后和3 個月隨訪時，使用可重復神經心理測查系統（RBANS）和MoCA 測量認知功能，發現rTMS-VR 組在干預后RBANS 的延遲記憶評分以及MoCA 的視覺空間和執行功能評分高于rTMS組，并且RBANS在3個月后的延遲記憶評分方面仍表現出顯著改善。

3.3 VR技術與腦機接口相結合

腦機接口（brain-computer interface，BCI）可以直接連接，實現大腦與外部設備之間的信息交流?，F在有技術將非侵入式腦機接口與虛擬現實結合，實現了虛擬現實接口。Rohani等[42]使用了一種基于腦電圖（electroencephalography，EEG）信號的BCI 系統，可以實時監測兒童在VR 教室中的注意力狀態。BCI 系統包括了一個頭戴式EEG 采集設備，一個信號處理模塊，一個注意力分類器，一個VR教室場景和一個反饋控制模塊。該研究對12 名健康兒童（平均年齡10.5 歲）和6 名ADHD 兒童（平均年齡9.8 歲）進行了實驗。每個兒童都要參與2 個實驗條件：BCI-VR 教室和非BCI-VR 教室。在BCI-VR 教室中，兒童要戴上EEG 設備，并根據VR 教室的反饋進行學習任務。在非BCI-VR 教室中，兒童不戴EEG 設備，在VR 教室中進行相同的學習任務，但是沒有反饋控制。實驗前后，兒童要完成一個注意力評估表（CPT），以測量他們的注意力水平。研究結果顯示：注意力分類器的準確率在健康兒童組和ADHD兒童組分別為86.7%和83.3%，表明BCI系統可以有效地區分2 組兒童的注意力水平；VR 教室的反饋控制效果在健康兒童組、ADHD兒童組分別為0.67、0.72，表明BCI系統可以根據兒童的注意力變化調整VR教室的難度和刺激程度；兒童的學習成績在BCI-VR 教室中比非BCI-VR教室中有顯著提高，健康兒童組和ADHD 兒童組分別提高了13.3%和18.3%；兒童的注意力評估表得分在BCI-VR教室中比非BCI-VR 教室中有顯著提高，健康兒童組和ADHD 兒童組分別提高了9.2%和12.5%。因此，Rohani 認為這種BCI-VR 教室的結合是一種有前景的工具，可以用于ADHD兒童的注意力評估和訓練。

4 VR技術的局限性

實際應用中，多數虛擬現實技術只能模擬聽覺、視覺、觸覺和運動感知，設備成本高且可用樣本有限。沉浸式虛擬現實技術使用大型屏幕或頭戴設備生成虛擬環境，但由于技術不夠成熟，可能會引發暈動癥和其他健康問題，例如頭痛、惡心、嘔吐和方向障礙等。

有研究表明，使用VR后可能會出現眼睛疲勞、視力模糊、手柄不易操作和頭盔顯示器不舒適等反饋[43]。Albani等[44]在一項研究的長期隨訪結果中發現，在23名隨訪患者中有6 名患者偶然出現過視覺幻覺，即虛擬環境中不存在的圖像。也有一些研究對VR應用于認知康復的有效性提出了質疑。Waleed 等在一項對老年MCI 和輕度癡呆患者的研究中發現，VR 訓練在整個治療過程中MoCA 評分在治療前后沒有明顯變化[45]。

目前，雖然多數研究都支持患者會容易接受VR 認知康復并起到更好的治療效果，但對于治療效果的客觀評估仍不一致，可能與具體的VR應用以及評估方式有關，未來需要更多的對照研究進行驗證。