虛擬現實技術緩解急性疼痛的作用機制及應用進展

張 揚，林燕珊，安春燕，林潔慧，鄧華好

疼痛是臨床上常見的疾病癥狀之一，根據持續時間的長短將疼痛分為急性疼痛和慢性疼痛，相較于慢性疼痛，急性疼痛在日常生活中更為常見。急性疼痛是指因物理、化學、創傷和感染等引起的急劇、短暫性疼痛，一般持續時間≤6周[1]。相關文獻指出，臨床上84%的病人因為急性疼痛尋求醫療幫助[2]。目前，臨床上病人疼痛管理的首選方案是采用鎮靜類藥物，然而藥物治療存在較多副作用，如藥物依賴性、耐藥性、過度鎮靜、惡心嘔吐，甚至侵入性鎮痛方式存在感染和呼吸抑制的風險[1]。因此，美國疼痛協會和麻醉師協會建議盡快找到能緩解急性疼痛的替代方式[3]。虛擬現實技術(virtual reality,VR)是一項新興技術，用戶可以通過沉浸于虛擬環境中的方式起到分散注意力的作用[1]。該項技術最早于20世紀90年代被國外學者用于燒傷病人疼痛管理，并有效緩解了病人的疼痛感[4]。然而，該項技術在我國還處于臨床應用起步階段。現從VR技術簡介、緩解急性疼痛的作用機制、急性疼痛評估工具以及應用現狀方面進行綜述，以期為VR技術在病人急性疼痛管理中的推廣和應用提供理論參考和依據。

1 VR技術簡介

1.1 VR技術相關概念 VR技術是一種模擬真實世界創造出3D虛擬環境的計算機仿真系統[5]。將該系統與硬件設備結合，如頭盔式和眼鏡類顯示器，體驗用戶可以通過輸出設備沉浸于模擬環境中，讓用戶真真切切地感受到虛擬環境中物體，仿佛身臨其境[5]。VR應用涉及多個學科，應用領域不同，其相應的作用功能也不同。根據沉浸式體驗角度分為交互式體驗和非交互式體驗，兩者區別在于非交互式體驗的所有內容均為提前規劃好，體驗用戶不能通過任何操作去改變環境，也就是不能與模擬環境進行交互和互動；而交互式體驗系統用戶可以在體驗中通過游戲手柄、數據手套、模擬戰斗機等去感受環境的變化，沉浸感更強烈[6]。VR根據系統功能角度分類，包括規劃設計、展示娛樂、訓練演練等，規劃設計可用于新產品的實施，減少實驗支出；展示娛樂適用于觀賞體驗，如災難現場體驗、3D游戲；訓練演練包括情景教學、術前訪視、手術訓練等，用戶可以根據自身需要進行功能選擇[7]。

1.2 VR技術發展史 VR最早始于20世紀60年代。1957年，Morton Heilig首次提出可以多感官體驗的全影電影，標志著沉浸式體驗技術的開始[7]。1961年，菲爾特公司推出了一款頭戴式顯示器，用于軍事訓練中的監視與跟蹤項目[7]。1965年Ivan Sutherland開發了第一臺與電腦相連的頭盔式顯示器，率先實現用戶可以與仿真環境進行交互[7]。1989年VR概念由Jaron Lanier首次提出，并創造了“虛擬現實”一詞。隨后逐漸被國內外學者應用于軍事、娛樂、醫學、航空和教育等多個領域，并取得了良好的成效[8]。

2 VR技術緩解急性疼痛的作用機制

VR技術在病人疼痛管理中的有效性雖然已經得到大部分學者的認同，但其作用機制尚不明確[9]。以往較多學者認為VR技術在緩解疼痛方面發揮的作用主要歸結于沉浸式體驗較傳統的注意力分散方法，具有更強的注意力分散作用[10]。目前，國內外學者共提出了2種作用機制，包括認知加工機制和情緒加工機制，認知和情緒是調節疼痛知覺的重要因素[11-12]。認知加工機制的理論基礎是認知資源有限理論，即當疼痛與其他刺激或任務同時出現時，多種刺激相互競爭，疼痛所占據的注意力資源就會被削弱，痛感也會因此減弱[11]。伴隨著急性疼痛的病人，一般存在緊張和焦慮情緒，而消極的情緒又會加重痛感[12]。VR技術沉浸式和交互式體驗特點可以讓病人通過感受仿真的輕松美好環境去改善不良情緒，從而達到緩解疼痛的目的[13]。

腦神經層面也支持了兩種調節機制，研究顯示專注于疼痛感的病人較注意力被削弱的病人其腦成像顯示疼痛相關腦區(前扣帶回、初級軀體感覺皮層及腦島)活動更強[14]。神經影像學結果顯示，情緒的改變會影響疼痛相關腦區皮層活動[15]。有研究顯示，當病人在體驗消極模擬環境時，病人的疼痛腦區皮層活動更明顯，痛感也隨之加強。這一原理也解釋了市場上的虛擬現實環境大多都是溫暖美好的。也有研究者提出一個有趣的機制，認為VR技術能有效緩解疼痛，是因為佩戴的VR設備一定程度上阻止了疼痛的刺激[16]。

3 VR技術對急性疼痛治療的應用現狀

3.1 急性疼痛評估工具 準確評估是控制疼痛的第一步。疼痛的評估常常受到評估時機、外界環境、主觀性偏差、個體差異等因素影響，且急性疼痛因反應劇烈、持續時間短等特點加大了評估難度。因此，掌握急性疼痛各類評估工具特點和適用范圍對于臨床病人的疼痛管理尤其重要。查閱近10年國內外文獻顯示，VR技術對急性疼痛治療的效果研究中常用的急性疼痛評估工具主要分為3類，包括生理指標評估，如心率、血壓、血氧飽和度；阿片類藥物使用總量以及疼痛評估量表，其中包括面部表情量表，如Wong-Baker量表、面部表情疼痛量表(Faces Pain Scale，FPS)、面部情感尺度(Facial Affective Scale，FAS)，視覺模擬量表(Visual Analog Scale，VAS)、色彩模擬量表(Color Analog Scale，CAS)、數字評定量表(Number Rating Scale,NRS)、兒童疼痛評估量表(Children′s Eastern Ontario Hospital Pain Scale,CHEO)、行為評估量表(Face,Legs,Activity,Cry,Consolability Behavioral Scale,FLACC)[1]。

面部表情評估量表是由評估對象選擇能代表疼痛強度的面部表情進行疼痛評分，此類量表由于形象生動、簡單易懂及評估時間短等特點，最初用于兒童病人的疼痛評估[17]。后由Backer等修改后用于老年病人的評估[18]。NRS量表是在VAS量表基礎上發展而來，兩者均廣泛應用于成人病人[1]。VAS量表需要病人具有較好的抽象思維，需要病人用筆做標記，不適合感知覺能力及運動協調能力差的病人，需要隨身攜帶筆和尺子，而NRS只需要病人說出或寫下數字即可，較VAS更加方便，但不足之處是該量表難以捕獲具有復雜性和特異性疼痛感受。CAS量表即在VAS基礎上加入了色彩成分，使得量表展示形式更加鮮明。CHEO量表是國外一種兒童疼痛評估專用量表，CAS和CHEO兩種量表目前尚未在國內相關研究中查到。FLACC量表是一種簡單有效的評估工具，適合于不能進行主觀評估或行為受限的危重癥病人，量表內容包括面部表情、腿部、活動、哭及安慰維度。建議將此量表納入全麻病人術后疼痛強度的常用量表[19]。

3.2 VR技術在手術病人中的應用 手術病人由于醫源性操作在術中或術后會經歷一段時間的急性疼痛。部分門診小手術病人因各種原因常常會選擇局部麻醉，甚至不使用鎮痛藥物[20]。術后的傷口痛以及手術過程中的操作痛是病人術前恐懼焦慮，術后一段時間生活質量下降的重要因素。因此，找到有效的非藥物鎮痛方式非常必要。多項研究證明VR技術可作為有效緩解手術相關疼痛與焦慮的輔助工具[14]，尤其在局部麻醉手術和骨科手術術后的鎮痛效果突出[14]。Jahanishoorab等[21]將VR技術應用在會陰切開術的初產婦中，結果顯示術中和術后干預組疼痛程度低于對照組，且具有統計學差異。Chan等[22]的一項類實驗研究中將選擇局部麻醉方式的骨科手術病人采取非隨機的方式分為VR組和常規組，VR組在手術開始前5 min戴上VR設備，病人在術中通過設備可以聽到舒緩的古典音樂，看到唯美的“冰雪世界”畫面。結果顯示，手術結束后干預組使用鎮靜藥物總量遠遠少于常規組。另一項研究將VR作為成年男性病人全膝關節置換術前置入導管時的鎮痛方式，也取得了良好的效果[23]。

此外，VR在減輕術后疼痛方面也取得了不錯的療效[24]。有研究發現，VR在心臟手術術后傷口疼痛管理方面療效突出，術后待病人病情穩定后予頭戴式VR顯示器，里面包括夢想城堡、魔法森林、冰雪世界以及開車、步行、騎自行車等虛擬現實畫面，結果顯示VR有效緩解了術后疼痛和焦慮，且生命體征也較未佩戴VR設備的病人穩定[24]。VR不僅在成人手術病人疼痛管理中發揮了重要作用，在兒童病人中也取得了不錯的成效[25]。國外一項個案研究報道，為一名16歲腦癱兒童進行物理治療時，佩戴VR設備時兒童的情緒和依從性更好[25]。以上說明VR可作為手術病人疼痛管理的有效輔助工具。但尋找方便手術病人佩戴的VR設備及合適的虛擬場景仍有待研究。

3.3 VR技術在牙科病人中的應用 盡管近年來牙科技術得到了較快發展，但仍然有部分病人由于畏懼治療中的疼痛而延遲就醫，甚至是拒絕治療。治療拖延會增加牙齒問題，導致所需侵入性操作更多，畏懼就醫感更強[26]。牙科治療常用的止痛方法是采用局部給予鎮痛藥，但據相關研究顯示鎮痛藥對于牙痛的效果并不明顯[27]。VR可以從視覺和聽覺上隔離病人對于疼痛感的注意力，在兒童和成人牙科治療方面均起到了良好效果[28]。Tanja-Dijkstra等[29]邀請69例研究對象參與一個模擬的牙科體驗，隨機分為主動組、被動組以及對照組，主動組佩戴VR眼鏡，被動組觀看大屏幕電影，對照組予常規的牙科操作，實驗結束后1周對69例病人進行調查，結果顯示主動組表示是一次愉快的體驗，對于牙科手術并不排斥。被動組表示有輕微的畏懼牙科治療中的疼痛，對照組表示拒絕牙科操作。一項隨機對照研究中，試驗組采用VR輔助4～6歲兒童進行牙科操作，對照組采用常規的心理指導和情感支持，結果顯示試驗組的兒童術中疼痛程度和術后恐懼感遠遠低于對照組[28]。

VR作為一種分散注意力工具，可以緩解牙科手術中的疼痛和焦慮。但也有研究指出，部分兒童在佩戴VR眼鏡和頭罩時感到恐懼、孤獨，原因可能是視覺和聽覺與外界隔離導致兒童缺乏安全感[30]。未來的研究可以從以下兩點進行探討：①不同種類VR對兒童情感支持的影響；②VR是否可以降低因畏懼疼痛而選擇延遲治療的病人比例。

3.4 VR技術在燒傷病人中的應用 為預防感染及促進傷口愈合，嚴重燒傷病人需日常進行傷口的護理，包括去除繃帶、傷口清潔/清創(即死亡組織和異物清除)、消毒傷口及綁繃帶[10]。日常傷口護理之余，為防止皮膚攣縮及關節活動減退，需定期進行物理康復治療[10]。阿片類鎮痛藥是燒傷病人疼痛的主要治療方法，但藥物止痛存在較多副作用，如便秘、惡心、嘔吐、嗜睡、頭暈和瘙癢等，由于病人個體化差異，很難保證止痛藥的鎮痛效果[1]。兒童病人常常由于不能忍受疼痛拒絕治療，導致發生感染、傷口難愈合等問題。Hoffman等[31]于1998年首次將VR應用在3例兒童燒傷病人疼痛管理中，研究結果顯示VR不僅可以減少燒傷引起的纖維肌肉痛，還能緩解傷口換藥的劇烈痛。隨后多項研究也證實了該觀點[14]。另有研究顯示，VR不僅能緩解燒傷病人的疼痛，還能減輕焦慮和改善積極情緒[32]。在物理治療過程中，使用VR不僅能緩解疼痛，還能幫助病人進行肢體運動康復[32]。

盡管VR在燒傷病人的疼痛和康復管理中益處多多，但也存在著局限和不足。例如現有的VR設備均不適合頭部燒傷病人，需設計一種頭部燒傷病人專用設備。大多數關于燒傷病人的研究中采用的都是傳統的VR系統，尚未開發專門用于燒傷病人的VR場景。燒傷病人應采用“冰雪世界”等模擬冰冷環境，這樣可以與燒傷事故場景記憶形成對比，從而緩解燒傷疼痛。另外，還可以設計適合兒童體驗的3D游戲，例如“迪士尼小雞”“速度需求”等，根據不同的年齡和智力設計不同的場景[14]。以上將是未來研究的方向。

3.5 VR技術在注射鎮痛中的應用 皮下注射、肌肉注射、靜脈穿刺以及抽血等注射痛是診療過程中常見的急性操作性疼痛。因疾病原因需長期注射治療的病人不僅承受著生理上創傷，心理上也會產生應激性恐懼，甚至治療結束后較長一段時間仍然存在疼痛記憶。由于注射痛具有急性、作用時間短等特點，并未引起醫護人員的重視。近年來，隨著VR技術的發展與推廣，國外陸續有學者嘗試將其應用在注射病人中。Gold等[33]將VR應用在兒童中心靜脈導管置入術中，20名兒童被隨機分到兩組，試驗組為VR+局部麻醉，對照組僅局部麻醉，在穿刺前和穿刺后對兩組進行疼痛評估，結果顯示，試驗組穿刺后的疼痛評分較穿刺前無明顯變化，但對照組穿刺后疼痛評分較穿刺前增加了4倍。在一項早期的研究中，發現VR干預并沒有顯著減少兒童病人在常規抽血期間的疼痛和焦慮[34]，但是在近期的一項隨機對照試驗中發現VR技術在兒童和成人抽血病人均起到了顯著的鎮痛效果[35]。分析原因可能是早期研究中選用的VR場景比較單一，不足以吸引病人的注意力，而近期研究中VR場景更豐富，交互性更強，病人沉浸式體驗更好。另外，也有研究分析了VR鎮痛效果與年齡、性別和注射次數的相關性，結果顯示無顯著性差異[14]。說明VR技術在注射痛中的應用具有一定的普適性，但是需要選擇適合有效的虛擬場景，目前并未查到關于注射痛中虛擬場景設計相關文獻，這將是下一步研究方向。

4 不足與建議

VR技術在病人疼痛管理方面的作用雖然已被多項研究證實，但作為一項新興技術仍存在很多不足。首先，VR技術在急性疼痛方面的作用機制尚存很多爭議[9]，現有的神經影像學研究較少，未來還需要大樣本量研究來證實腦神經機制。現有的評估工具主要以疼痛評估量表為主，主觀性太強，評估結果容易受到評估時間、評估方式和環境因素影響，缺乏客觀指標的評估。未來研究可以嘗試使用情緒識別系統、生物反饋系統等識別病人的生理和情緒變化，客觀地反映病人的疼痛程度。由于VR干預的特殊性，試驗研究幾乎難以實現雙盲，未來需要單盲、完全隨機對照試驗研究，并對病人進行重復干預，以評估VR的長期效果。另外，還需要進一步研究來確定VR干預效果的預測因素，幫助選擇可能獲益最大的病人人群VR硬件供給及資源選擇也存在較多問題。

目前最普遍的VR顯示器是頭戴式顯示器，盡管頭戴式顯示器大小可調節，但不適合所有病人人群，例如頭部受損病人。另外，頭戴式顯示器在醫療機構使用中也會增加醫源性感染發生概率。如增加VR設備數量，又會增加醫療成本。因此，VR設備的創新與成本控制是未來研究首先需要解決的問題。隨著VR技術的發展，VR資源越來越豐富，但虛擬場景未根據不同病人需求進行專門研發。不同場景對病人的有效性可能存在偏差，建議未來資源開發研究將病人需求及年齡、性別、文化和喜好風格納入考慮因素。