虛擬現實在神經病學中應用現狀及進展

唐銘陽， 張亞男， 王 棟， 王 穎綜述， 王 贊， 王玉平審校

虛擬現實(virtual reality，VR)技術是一種以計算機技術為核心，并融合了人工智能技術、多媒體技術、傳感器技術、人機交互技術、行為學等多方面知識，以交互性、沉浸性、想象性為特征的環境仿真技術。其通過相應的輔助設備可以實現有效的人機交互，從視覺、聽覺、觸覺等方面創造逼真的虛擬情境，讓患者體驗身臨其境的效果[1，2]。隨著計算機算法、顯示設備等的不斷進步，VR技術正日趨成熟，并已經與多個學科形成了交叉，在很多領域發揮著自己的作用。在神經內科領域，VR技術在睡眠調節、神經心理、神經康復等方面發揮作用，并且隨著“互聯網+”及遠程醫療模式的興起，可以預見VR未來將發揮更大作用。本文對VR在神經內科學中的應用現狀及進展進行總結和展望。

1 VR的特點、作用機制及優勢

1.1 VR的特點 VR以多感知性、交互性、沉浸性、想象性、自主性為主要特點[1，3，4]。

多感知性指的是VR具有多種感知，包括視覺感知、聽覺感知、力學感知、觸覺感知、運動感知等，甚至目前的技術正努力實現嗅覺感知及本體內臟感知等，理論上理想的虛擬現實技術應該具有一切人在現實世界中所具有的感知功能。

交互性指的是VR通過計算機硬件和軟件創建的交互式界面，為用戶提供參與及影響虛擬環境的機會，并且這些環境的外觀和感覺類似于真實世界中的物體和事件。受試者在虛擬環境中的行動可以得到實時的感官反饋。沉浸性是指用戶感知到他們在虛擬環境中而不是在現實世界中的程度，是通過虛擬環境創造的“在場”的錯覺，并且與軟件和硬件的設計有關。可以根據沉浸的程度將VR分為非沉浸式、半沉浸式和全沉浸式。非沉浸式指的是受試者通過鍵盤和鼠標等在3D環境中進行操作，半沉浸式則是受試者處于平臺等，通過周圍顯示器或投影顯示虛擬環境，同時可以通過手勢或位置感應等進行交互。全沉浸式則大多是通過頭戴顯示器，虛擬環境充滿整個視野，并通過多種感應器實現對受試者行動的實時感應。

想象性是指VR是人想象出來的，VR所提供的虛擬環境及其底層的代碼邏輯等都依賴于人的設計，依靠人的想象和創造，并且可以超脫現實世界中客觀規律及受試者本身條件的限制，同時這種想象體現出設計者相應的思想，因而可以用來實現一定的目標。

自主性是指通過運算，虛擬環境中的物體在受到外力干預后能夠根據預設好的物理定律等進行運動。例如，當受到力的作用時，環境中的物體會按照受力的方向發生移動。

1.2 VR的作用機制 VR與大腦擁有相近的基本機制：分層預測模型。根據神經科學，大腦為了有效地調節和控制軀體，根據既往的經驗創建了一個包含了本體感覺、內臟感覺、以及視覺、聽覺等感官感覺的對真實世界的預測模型，用于表示和預測行動、概念和情緒，并且這一模型的構建使人們產生了一種確切的、擁有身體的感知，也就是所謂的“具體化”，這與自我意識的構建相關。面對真實世界的傳入刺激，大腦中的高層處理中樞既往的經驗作為先驗，預測出個體可能因此產生的感覺和處理相應感覺的最佳行動，并提前產生相應的效應信號，將刺激轉換為意識中的感知，使人產生對應的聽覺、視覺等感覺，同時根據下層處理中樞反饋的現實情況中與預測不同的部分進行效應信號的調整，并對模型進行校正，從而減少處理外界刺激過程中的能源消耗并提高處理效率[5，6]。虛擬現實工作方式與之類似：VR試圖預測個人在虛擬環境中的行動將獲得的感官體驗，并向他/她提供與現實世界中相一致的場景反饋。因此VR通過與大腦類似的運作模式，通過視覺、聽覺等多種感官感覺以及虛擬世界對受試者行動的實時反饋，使受試者自覺身臨其境，達到“沉浸”的效果。當受試者以第一人稱視角體驗虛擬化身的同步動作時，其對身體所有權的認知發生了改變，會對虛擬化身產生一種主體感覺和“存在”[7，8]，將與自己特質相同或不同的虛擬化身同樣視為自己的一部分，由虛擬化身執行的行動在主觀上認為是自己產生的，并且在真實身體中產生與虛擬化身行為相對應的運動、生理和認知反應。研究已經證實觀看虛擬化身進行運動可以引起受試者發生心率的增快，將愛因斯坦的形象作為虛擬化身的受試者在認知任務中表現得更好，并且受試者在VR中進行的操作也引起了大腦對應皮質區域的激活并可以引起神經重塑[9～15]。以上受試者都證實了虛擬世界中的行為和事件將引起現實世界中真實的反饋，這是VR應用于醫學領域可行性的基礎。因此沉浸性是VR的核心概念，受試者在虛擬世界中的沉浸程度決定了VR的效果。

1.3 VR的優勢 首先，VR能夠為患者提供安全、標準化、可重復和可控制的訓練環境，并且可以通過計算機技術，對患者的訓練任務進行可視化和量化，還可以利用人工環境為患者提供增強的刺激，使患者得到實時的成果或錯誤反饋，增強其訓練動機并強化學習。醫生也可以跟蹤患者達成的訓練指標，從而協助建立個性化的治療計劃。甚至現有技術可以根據患者的能力水平自動調整任務的難度及參數，自動形成個體化的神經康復計劃[16，17]，這或許將減輕康復醫生的壓力，使更多人能獲得康復治療。其次，對大多數人來說，VR比傳統康復或心理治療更加輕松和有趣，并且VR能使患者全方位投入虛擬現實，脫離現實世界，達到沉浸式體驗，從而忽略現實生活中的失能及心理上的低效能，有助于患者堅持和主動參與治療計劃，從而取得改善睡眠和心理障礙的治療效果[18，19]。

再次，VR的環境可以人為設定，患者既可以處于虛幻的不存在的瑰麗世界，獲得非現實的經驗，改變自己的認知及心理狀態[20]，也可以沉浸在真實的生活場景中，使他們能夠以一種現實的方式對虛擬刺激做出反應，從而可以將虛擬環境中習得的技能和訓練成果完全在現實生活中復刻[21，22]。最后，VR為遠程治療和康復帶來了技術支持和新的希望。通過技術平臺，治療者和患者可以出現在同一虛擬環境里，即使彼此遠隔數千里，同時VR可以通過程序和治療師的設定來達成自動或半自動化的治療，使患者在家中也能擁有治療資源，有助于提供大規模和更長時間的治療[23]。

2 VR在睡眠和神經心理治療中的作用

2.1 VR在睡眠中的作用 睡眠占據了人一生中三分之一的時間，是人重要的生理過程，睡眠質量直接影響著人的情緒、日間功能以及身體健康。隨著社會壓力的增大，睡眠問題的發生率逐年上升，已經成為了一大公共問題，其中尤以失眠為著。失眠患者在睡眠質量、啟動或維持睡眠方面存在困難，同時可伴有嚴重的痛苦和日間功能障礙。目前睡眠的認知行為療法已被公認為是治療失眠障礙的首選方法[24]，同時，正念冥想、白噪音[25]、光學療法[26]等也被證實可以輔助改善失眠患者的睡眠質量。白噪音可以調節患者的血壓、呼吸以及心率，并可以掩蔽外界聲音的干擾[25]，從而幫助患者入睡。而研究證實，如果在最低體溫點后出現后使受試者接受早晨光線的照射，會導致下一個睡覺周期的時間前移，而在最低體溫點前接受夜晚光線的照射，將導致睡眠時相的后移。光療法正是利用這一原理，通過人工模擬不同時間段的自然光線，來刺激視交叉上核，影響褪黑素的生成，從而人為調整受試者的晝夜節律，幫助其在適當的時間進入睡眠[26]。而研究者目前正在將VR與上述輔助原理相結合，通過沉浸式的體驗聯合人為構建的聲、光環境，來輔助改善患者的睡眠質量。隨機對照研究已經證實，重癥監護室的患者利用VR進行冥想后可以改善其睡眠質量[27]。多導睡眠監測研究顯示[28]，在睡前體驗30 min VR營造的沉浸式助眠環境，睡眠潛伏期縮短，覺醒指數下降，達到與藥物治療相近的治療效果，有效改善腦卒中患者睡眠質量。特殊設計的VR程序聯合生物反饋療法，可以有效改善高血壓伴失眠的患者的睡眠質量、日間功能以及焦慮抑郁情緒，并對他們的血壓控制起到積極的影響[29]。將VR硬件設備與特殊設計的助眠軟件程序相結合來創造便攜式的促眠設備也是目前的一個新思路。目前已產生了一個將VR、催眠、正念冥想、白噪音、光學療法以及睡眠腦電相結合的助眠系統，包括：特殊設計的適用于睡眠期佩戴的VR眼鏡、結合催眠、正念等治療方法的VR環境、視頻及音效，以及可以通過深度學習形成睡眠分期的特殊程序等，利用聲、光環境調節患者睡眠質量的同時，通過睡眠分期結果來對VR程序的設定進行個體化的調整。在實驗中給予受試者海灘日落的場景、長波長的紅色光照射以及放松的背景音樂，實驗結果顯示這一系統在促進睡眠方面有確切效果。這為未來的失眠治療提供了確實可行的新選擇以及新的探索方向。老年人是失眠的高發人群，并且隨著社會老齡化，改善老年人的情緒及生活質量已成為人們關注的熱點之一。臺灣的一項對照研究顯示，VR與芳香療法相結合，可以顯著改善老年人的睡眠質量及抑郁[30]。規律運動也可以改善睡眠質量及減少老年人群的心理壓力，Chang等利用VR的獨特機制，巧妙地通過在虛擬世界中進行模擬鍛煉，改善了殘疾老年人的睡眠質量，為改善失能老年人群的睡眠質量提供了新的方法[31]。

2.2 VR在神經心理疾病治療方面的作用 虛擬現實是一種“具體化”的技術[6]，在VR中可以通過程序的編寫創造出有針對性的虛擬環境[6]，并且也可以通過人為設計，使受試者接受與自身并不相同的虛擬化身，并與之通感[7，8]，從而有可能促使患者改變認知模型，并改善其情緒[32]。利用上述原理，VR技術也被廣泛應用于神經心理疾病的治療。VR被廣泛應用于行為健康治療中。有研究者利用VR營造的逼真、與患者恐懼充分匹配，同時可控、安全的虛擬環境來進行暴露療法，使患者能循序漸進地面對恐懼，盡可能減少回避，以治療患者的恐懼癥，如恐高癥[33]、牙醫恐懼癥[34]、飛行恐懼癥[35]。也有研究利用VR模擬虛擬觀眾，以通過鍛煉緩解自閉癥譜系患者在公共場合下演講時所面臨的壓力[36]。VR在治療創傷后應激障礙方面也有顯著的效果[37，38]。VR用于心理壓力的控制，其效果優于傳統的認知行為療法[39]，為心理壓力管理提供了新的可能的方向。VR技術也被應用于疼痛管理中，通過利用沉浸式的體驗分散患者的注意力使其對疼痛的敏感性下調[40]，以及將患者帶入其虛擬化身來改變患者的疼痛感知等原理[41]，VR，尤其是沉浸性交互式VR，已被證實在急、慢性以及醫源性有創性操作造成的疼痛的緩解中都可以發揮作用[42]，并且可以起到與阿片類藥物相近的效果，改善睡眠和心理障礙。

3 VR在神經康復中的作用

早在20多年前，就已經有人開始嘗試將VR應用于康復領域，經探索和嘗試，VR已經被證實在軀體以及高級神經功能康復方面有著確切的療效。研究顯示，VR在腦卒中的康復中可以起到與傳統康復相同的效果[43]。早期的VR康復可以改善急性腦卒中患者的肢體力量以及日常生活能力[19]，而對于陳舊性腦卒中的患者[44]，VR也可以改善其功能狀態。VR也可以改善腦卒中患者的步行和平衡能力，有些研究發現其治療甚至效果優于傳統康復[45，46]。2017年一項納入了72項臨床研究，2470例參與者的Cochrane數據庫系統綜述也證實，將VR作為傳統康復的補充手段可以進一步改善腦卒中患者的上肢功能恢復[47]。VR也被證實有助于減少腦卒中患者的失能并改善其日常生活能力，A. Giachero等利用VR營造的虛擬日常環境作為腦卒中后患者語言康復的輔助手段，使患者可以在類日常生活的背景下進行對應主題的語言訓練[22]，以更好應對日常生活。Dehn等[48]通過VR在模擬日常場景中對腦卒中后視野缺損患者進行訓練，使患者的視覺掃描策略逐步適應其受限的視野，從而達到有效補償其視野損失的目的。VR也被用于腦卒中后失語患者的遠程語言康復，并取得了明確的臨床效果[49]。帕金森病患者也可以從VR治療中獲益，有研究者利用VR聯合跑步機訓練，改善了帕金森病患者的姿勢穩定性，并減少了伴有“凍結”現象患者的跌倒發生[50，51]，系統綜述也證實VR在帕金森病患者步態及平衡康復方面有著明確的效果[52]。Abou和Araújo等[53，54]進行系統綜述和meta分析后證實VR可以改善脊髓損傷患者平衡、步態及運動能力。研究者[55，56]嘗試將VR用于改善多發性硬化患者的步行能力[57]、平衡以及上肢力量，改善多發性硬化患者的認知能力，尤其體現在執行和視覺空間能力、語言、注意力以及記憶等方面。研究證實，VR對多發性硬化患者的康復有效[58，59]。研究證實VR應用于腦性癱瘓兒童的康復，其療效優于傳統康復[60，61]。

隨著VR設備的普及以及科技的進步，VR已在睡眠、神經心理疾病治療、康復等多個領域發揮著自己的作用，并且有望成為新的輔助手段及替代療法。同時VR也有助于推進遠程醫療，解放和替代部分治療師資源，降低患者就醫成本，減輕人力不足，使更多患者獲得更充足的醫療資源和更佳的治療體驗[18]。目前也有人嘗試將VR與經顱磁刺激、經顱直流電[62]、功能磁共振[63]、腦電圖[64]等技術相結合，進一步研究某些疾病的機制，改善其治療效果。目前的最新技術已經由單純的VR升級到了包括VR、AR(增強現實，Augmented Reality)、MR(混合現實，Mediated Reality)在內的XR(擴展現實，Extended Reality)，即將虛擬的數字信息疊加到真實的物理世界中，或將整個物理世界都納入虛擬環境中，徹底打破虛擬和真實的界限，從而允許使用者采取更多的人機交互方式。XR已經被嘗試用于醫療教育以及介入手術，相信未來XR將在醫療中有更豐富多彩的的應用[65]。

能否將傳統治療方式有效地轉變為VR程序是VR治療效果的關鍵，而這也對程序工程師以及治療醫師的適應和接受能力提出了考驗，大部分VR還停留在現實環境的適度模擬，如何充分利用VR的想象性來創造出全新的依托于VR的治療體系，仍是目前的一大難題。并且VR儀器本身存在一定操作難度，這對患者的認知能力和文化水平提出了一定要求，VR的操作過程中也可能會發生惡心、頭暈、頭痛等不良反應[66]，甚至有部分人會產生狀態解離，影響其對現實世界的感知[67]，在一定程度上限制了VR的使用。并且目前仍需要大樣本的臨床試驗來獲得關于VR有效性的高等級循證證據。但總體來說，VR預示了一種新的醫療模式的出現，值得我們去進一步的探索及利用。