虛擬現實技術在輕中度認知障礙老年人群中的應用進展

葉毓琪 朱愛勇 王欣國 梅花

(1.上海中醫藥大學,上海 200000;2.上海健康醫學院,上海 200000)

輕度認知障礙(mild cognitive impairment,MCI)是介于認知正常與癡呆之間認知功能損害的臨床階段,表現為記憶力顯著降低,語言能力和時空分類等方面存在部分障礙。研究認為,MCI是癡呆的重要前期階段[1],患有MCI的老年人群進展為癡呆的可能性是正常人群的10～15倍[2],約46%的MCI患者在3年內由中度認知障礙進展為癡呆[3],出現記憶力、定向力和語言等多領域障礙,嚴重干擾日?；顒?并增加家庭和社會負擔。預計到2050年,癡呆患者將增加到1.52億,即每10名60歲以上人群中就有1人患有癡呆癥[4]。有研究[5]表明,老年人認知功能的下降是不可逆的,因此,對老年人認知功能早期的篩查和干預是關鍵,及時有效的采取預防措施至關重要。虛擬現實(virtual reality,VR)技術的出現為研究者提供了一種在臨床上創造環境的新方法,即將認知刺激元素與虛擬沉浸相結合,用于臨床上篩查輕中度認知障礙、改善老年人群認知功能及提高日常生活能力等[6]。本文就VR的概述與分類、應用及效果進行綜述,并在總結的基礎上提出建議,為后期相關部門構建VR干預方案提供理論支持。

1 VR的概述與分類

1.1VR的概念和起源 VR的概念起源于20世紀五六十年代計算機領域,被應用于醫學領域則始于1994年,亞特蘭大克拉克大學的人機交互小組首次使用VR治療心理障礙[7]。隨即引起了臨床醫生和研究人員的關注,研究者將其作為心理評估和神經康復的工具。VR是一種計算機應用程序,參與者通過不同的感官進入導航與3D計算機共同生成的虛擬環境。VR與人腦采用相同基本機制——實體化模擬,借助實體化技術設計虛擬環境,來模擬外部和內部世界[8]。隨著醫學的發展,VR技術越來越多地應用于醫療和保健領域,如手術模擬和訓練、康復、心理治療和醫學教育等。

1.2VR的分類 根據VR帶來的沉浸感體驗將其分為：非沉浸式系統 (non-immersive systems,NI)和沉浸式系統(immersive virtual reality,IVR)[9],IVR包含完全和半沉浸式2種類型。NI一般是利用1臺電腦模擬2D或3D影像,參與者使用鼠標或鍵盤來完成虛擬任務,目前已較少使用;IVR的特點是模擬3D環境,參與者一般佩戴頭戴式顯示器 (head-mounted display,HMD),研究者將屏幕安裝在參與者的眼前,保證參與者可看到高保真圖形。上述2個類型的虛擬與現實的交互性是通過系統跟蹤參與者頭部的運動并結合計算機控制、跑步機和游戲手柄等工具來實現的,當參與者移動頭部環顧四周時,即在虛擬環境中360°移動視野;半沉浸式系統是運用大屏幕顯示器或多層次高性能圖形計算的系統,給參與者提供比非沉浸式系統更好的沉浸體驗[10]。

2 VR的應用

2.1干預步驟及原理 (1)選擇使用工具。早期的VR設備在創造自然互動能力方面受到限制,人工環境的設計依賴于2D顯示器和控制器,參與者需要練習才能有效操縱桿和鼠標設備[11],但隨著科學技術的不斷提高,現已進入模擬3D環境的時代。VR最簡單的形式是3D圖像,參與者在電腦上通過按鍵和鼠標進行交互性探索,使圖像向某個方向移動或放大或縮小[12]。最新的VR設備是VR HMD,帶有2個高像素的顯示器,每個顯示器的視角穩定并連接到1臺高性能電腦及2個用于運動跟蹤的基站,再有2個用于輸入的運動控制器和1個屏幕用來復制參與者的視圖,便于護理人員和研究團隊觀察。老年參與者通過佩戴HMD和手持控制器來實現虛擬環境的沉浸體驗,佩戴手腕和胸部等傳感器記錄心電活動,進入狀態后,研究者向參與者發送音頻或視覺指令來確保執行不同的任務,并記錄其任務表現,再進行各項表現的結果評估。VR硬件系統包括智能手機、耳機和VR HMD。(2)根據研究目的設計虛擬環境。研究者模擬設計老年參與者熟悉的生活環境或現實世界地標,如中國長城和埃及金字塔等,使參與者相信自身沉浸在合成空間中,感受到“存在”或“在那里”的感覺;研究者也可設計虛擬的情景,如現實中并不存在的地方,來刺激患者大腦相關功能受損領域,包括刺激短期記憶、注意力、警覺性、時間和空間定向力、工作記憶力、視覺空間導航能力、運動協調能力和執行功能,如抽象力、計算力和決策能力等[13]。針對不同的模擬場景研究者再細化步驟,增強受試者參與感。

2.2干預方式 虛擬技術的干預一般遵循上述步驟,根據不同研究目的,臨床中應用的干預方式如下。

2.2.1虛擬任務方式 研究者設計虛擬環境后,老年參與者需完成任務選項,研究者根據參與者完成任務的結果對參與者進行認知能力評估。干預地點通常在醫療中心,選擇安全、安靜且私密性好的房間,由護理人員從旁協助參與者進行。如研究者[14]將虛擬場景設定為海灘、田野和森林,則先使用高清相機拍攝一段真實世界360°鏡頭視野并制作成虛擬場景;使用VR硬件系統,當老年參與者感覺佩戴舒適后護理人員啟動VR系統,研究者遵循詳細的指南,在VR播放期間觀察參與者的語言和表情,結束后使用相關量表對老年參與者進行認知能力測試。虛擬場景也可設置為花園[15],研究者先使用攝像機拍攝幾個高清視頻再使用專業構圖軟件進行渲染,老年參與者佩戴VR HMD,手持控制器,站或坐在指定位置完成以下任務(沿著小徑行走、觸摸花朵、喂鴨子和將石頭扔進池塘等),參與者還可開發自己的種植區,澆灌各種類型的開花植物,最后由護理人員或研究者進行各維度的測評。

2.2.2游戲方式 部分虛擬認知干預研究將虛擬沉浸世界設計成游戲場景,老年參與者通過玩游戲的方式接受認知干預,如劃船和釣魚等。研究者在虛擬場景中設計游戲任務,讓老年參與者以玩家的身份參與游戲訓練,達到身體平衡訓練、靜態訓練和動態鍛煉等目的。有研究[16]開發了基于游戲的智能測試,參與者使用16網格鍵盤設備來執行12 min的任務,參與者在測試期間需保持坐姿,根據研究者的信號做出正確反應并按下按鍵,最終研究者將傳統認知量表與VR干預結果進行認知功能的比對。

2.2.3健康教育方式 護理人員和研究者也將VR應用于輕中度認知障礙老年人的健康教育中[17],包括但不限于利用虛擬場景進行康復訓練和預防跌倒等。研究者通常錄制一段康復鍛煉教學視頻,如八段錦、太極拳、健康操或某套個性化康復鍛煉動作,通過VR合成剪輯并將老年參與者帶入沉浸式環境,參與者模仿動作,研究者從旁指導、鼓勵和觀測,護理人員和研究者根據參與者的特點和適應性進行調整,記錄其運動表現并實時獲得反饋。

3 VR在輕中度認知障礙老年人中的應用效果

3.1篩查老年人認知障礙 Lim等[18]將175 名參與者隨機分組,實驗組老年人需完成6個認知領域(感知運動功能、執行功能、復雜注意力、社會認知、學習和記憶以及語言)共13項任務(包括家務、記憶、購物和社交互動等)的訓練,結果顯示VR可評估老年人的部分認知能力,且具有替代傳統問卷評估方式的潛力。另一項來自意大利Monia[19]團隊的研究發現,基于VR技術的游戲干預對老年人認知功能有影響：VR在檢測老年人右側海馬區神經元變性的能力上優于傳統認知評估工具--蒙特利爾認知評估量表(montreal cognitive assessment,MoCA),VR被證明是評估老年人認知功能的有效方式,且對于老年患者來說操作更便捷。同時,VR也可鑒別老年人認知障礙的主要癥狀,Areej等[20]將自行設計的一種存儲患者個人信息和檢索模型的3D游戲應用于115例老年認知障礙患者中,檢測認知障礙的主要癥狀(包括記憶力減退、視覺空間缺陷和空間導航等),結果顯示VR在患者的疾病診斷測試中可充當決策支持系統。

3.2改善老年人認知功能 有研究[21-22]表明,VR能幫助老年人塑造大腦健康,VR干預后老年人整體認知能力,和部分語言記憶和注意力等能力亦顯著改善。我國學者王陽[23]使用VR遠程康復系統對49例MCI老年患者進行為期36個療程的居家認知虛擬現實訓練,結果發現VR康復系統對MCI患者的記憶改善明顯優于常規治療。薛靜剛等[24]將60例MCI患者隨機分為每組30例為期12周的訓練,干預組接受VR康復訓練,結果顯示VR能有效改善患者的認知能力,且對患者產生的負面影響較小,可進行大范圍的臨床推廣與使用。另有研究[25]將64例MCI老年患者隨機分為實驗組和對照組各32例,實驗組實行每周5次每次20～30 min的虛擬綜合認知干預,持續8周后結果顯示,虛擬綜合認知干預同藥物協同效果顯著,且認知干預是一個長期的過程,干預持續時間越長改善效果越顯著,反之干預周期太短可能導致干預效果不佳。

3.3改善老年人日常生活的工具性活動能力 有研究[26]顯示,社區MCI的老年人在配備傳感器和網絡攝像頭的模擬智能家居實驗室中執行了2項日常生活的工具性活動任務,患者的日常生活活動能力有顯著改善。孫志成等[27]應用我國的傳統醫學八段錦對養老院MCI患者進行虛擬現實的干預后,結果顯示基于VR的八段錦可有效改善認知障礙老年人工具性活動能力。

3.4改善老年人心理健康 VR技術可改善老年人的心理健康,包括淡漠、抑郁和焦慮等,并增強其幸福感[28]。澳大利亞一項研究[29]對1所老年護理機構認知障礙并伴有淡漠癥狀的老年人進行VR干預,結果顯示患者的淡漠程度改善,語言流暢度增加。我國的相關研究[30]也顯示,將基于VR的認知訓練應用于輕中度認知障礙老年人中,有效緩解其抑郁和焦慮等負性情緒。

4 小結及展望

VR通過計算機技術高度模擬現實世界,實現了認知與運動相結合的干預,讓老年參與者具有高度沉浸和參與感,個性化的定制方式可及時給與老年參與者響應和鼓勵,研究者和護理人員可及時進行調整。VR亦容易與其他形式的技術相結合,如智能家居和5G智慧醫學等,這或將成為未來VR投入使用的主要趨勢。綜上,VR在篩查老年人認知障礙及改善老年人認知功能、日常生活的工具性活動能力和心理健康方面具有明顯優勢。其不足之處在于：(1)對于不熟悉技術且不習慣處理技術的老年人,接受完全沉浸式環境需要時間,使用前研究者和護理人員應與老年人充分溝通使其達到心理平衡,建議優先采用老年人感興趣的事項進行模擬,同時應注意避免對老年人產生過度刺激,在VR干預前需加以培訓才可進行。(2)由于技術限制,最先進的沉浸式環境與現實世界并不完全對應,導致部分老年人表現出類似于暈動病的副反應[31],評估的有效性受到影響,甚至可能導致評估中斷[32],因此產生的倫理和安全問題需值得護理人員和研究者注意。(3)當前部分研究干預時間較短,尚不能充分證明VR技術的干預長期有效。(4)評估量表和評價指標不一致,過程中可能存在一定的主觀因素。我國的相關研究主要是聚焦于VR的干預對認知能力的影響,對改善老年人心理健康等其他方面的研究尚不充分,需更多的臨床數據加以驗證。另外,實際正在應用VR的機構較少,大部分仍停留在試驗階段,建議可由一線城市的養老機構、長期護理的醫院和社區等優先試用。