虚拟现实技术缓解急性疼痛的心理机制

于 添 张晶晶 王广新

(北京林业大学人文学院心理学系，北京 100083)

1 引言

国际疼痛学会(International Association for the Study of Pain, IASP)指出, 疼痛是“与组织损伤或潜在的组织损伤相关的不愉快的主观感觉和情绪体验”(Merskey & Bogduk, 1994)。疼痛以持续时间长短，又可被分为急性疼痛和慢性疼痛，并有大量证据表明，在脑神经结构、情绪调节、认知调节等方面，慢性疼痛和急性疼痛之间存在着巨大的差异(Dick, Verrier, Harker, & Rashiq, 2008; Elsenbruch, Rosenberger, Bingel, Forsting, Schedlowski, & Gizewski, 2010; Moriarty, Mcguire, & Finn, 2011)。相比于慢性疼痛，急性疼痛在日常生活中更为常见，如手术、伤口处理、烧伤患者换药等。医护人员为缓解患者急性疼痛，常采用阿片类药物，但其存在许多副作用，包括恶心、过度镇静、认知功能障碍、便秘等, 并且没有准确的适量标准(Cherny et al., 2001; Shang & Gan, 2003)。进而，临床和实验室研究将非药物止痛技术作为研究对象，取得了一定的进展，其中包括催眠(Montgomery, Duhamel, & Redd, 2000)、音乐(Klassen, Liang, Tjosvold, Klassen, & Hartling, 2008)、看电影(Cohen, Blount, Cohen, Schaen, & Zaff, 1999)、房间计数(Zeltzer, Dolgin, LeBaron, & LeBaron, 1991)、疼痛非相关谈话(Blount, Powers, Cotter, Swan, & Free, 1994)等方法，但也有研究指出这些已有非药物止痛技术在镇痛效果上存在局限，尤其是对重度疼痛的缓解效果显得差强人意(Cepeda, Carr, Lau, & Alvarez, 2006)。

近年来，虚拟现实技术(Virtual Reality, VR)逐渐走进人们的视野，VR的简称也越来越多地被大众所接受。VR来源于包括计算机图形学、人体工程学、数字图像处理技术、多媒体技术等多个领域的成果，同时，又广泛应用于军事、建筑、工业、仿真、考古、文化教育、农业和计算机技术等方面(姚玲玉, 李晶, 2016)。虚拟现实技术领域的先驱Burdea认为，虚拟现实技术是一个合成的计算机用户界面，通过视听触嗅等多种感知渠道对现实进行模拟。VR的发展经历了一个曲折的过程，早在二十世纪六十年代虚拟情境的概念就被提出。Ivan Sutherland创造的第一台与电脑相连的头盔式显示器(HMD)，以及Morton Heilig提出的全景电影,都是早期多感觉沉浸式的技术范例。随后，20世纪70年代，Douglas Engelbart设计了可与使用者交互的鼠标装置，Myron Krueger 用计算机的显示和声音组装了数字投射。二十世纪80年代，Jaron Lanier创造出术语“虚拟现实技术”(Aiken & Berry, 2015)。可是在此之后，VR的发展陷入视觉技术的泥沼，渐渐消失在人们的视野，直到Palmer Luckey及其团队在VR上获得巨大的视觉技术突破，该技术才开启了更大的应用空间(翟振明，2015)。近年来，VR被发现作为非药物止痛方法效果突出，为缓解急性疼痛的研究提供了新的思路。

作为一种“新兴”技术，在急性疼痛的临床和实验室研究中，相比于传统非药物止痛方法，虚拟现实技术均表现出极大优势。早期研究选取20项不同病症患者以及实验室健康志愿者的研究结果，通过元分析发现虚拟现实技术相较于传统非药物止痛技术，在不同疾病的诊断和治疗过程中都起到更强的缓解疼痛作用(Wismeijer & Vingerhoets, 2005)。其中，VR对烧伤患者的止痛效果被广泛的认可。给烧伤患者换药时所诱发的疼痛，在临床上一直是影响治疗的难题，清理伤口、避免感染的反复拆解包扎、移植皮肤的过程都会刺激患者的烧伤部位，产生严重的急性疼痛(Hoffman, Patterson, Seibel, Soltani, Jewett-Leahy, & Sharar, 2008)。一系列相关研究表明，VR缓解急性疼痛的效果不仅体现在烧伤患者的伤口处理上(Van, Bremer, & Faber, 2007)，还体现在治疗过程中(Sharar, Carrougher, Nakamura, Hoffman, Blough, & Patterson, 2007; Carrougher et al., 2009)。在一项儿童烧伤患者的临床研究中，7名儿童(5～18岁)报告疼痛感受，在只有药理镇痛的条件下，平均得分4.1，而结合虚拟现实技术的药理镇痛，平均疼痛评分为 1.3(Das, Grimmer, Sparnon, McRae, & Thomas, 2005)，该结果表明虚拟现实技术对于儿童烧伤群体也具有一定的治疗效果。同时，近期大量研究表明，VR单独缓解急性疼痛的效果具有病症上的广泛性，包括注射(Nilsson, Finnström, Kokinsky, & Enskär, 2009)、 多层次外科手术(Steele, Grimmer, Thomas, Mulley, Fulton, & Hoffman, 2003)、幻肢(Wake, Sano, Oya, & Sumitani, 2015)、牙科(Hoffman, Garciapalacios, Patterson, Jensen, & Ammons, 2001)等。在实验室研究中，健康志愿者冷压实验表明VR组的参与者比控制组参与者，手在冷压装置中的时间更长(Czub, Piskorz, Misiewicz, Hodowaniec, Mrula, & Urbańska, 2014)。但也有研究指出虚拟现实技术的镇痛效果并不稳定，受到设备质量(Hoffman, Seibel, Furness, Patterson, & Sharar, 2006)、沉浸感(Wender, Hoffman, Hunner, Seibel, Patterson, & Sharar, 2009)、病症特异性(Dahlquist et al., 2010)等因素的影响。VR设备的质量(视野与清晰度)越好，被试的沉浸感越高，达到的止痛效果就越好，不同病症对虚拟现实技术有不同的要求，如牙科的VR设备不能影响医生的操作，面部存在伤口的病人需要避免设备与伤口的接触等。

总体来说，虚拟现实技术有很好的缓解急性疼痛的效果，一家国外医疗机构(Harborview Medical Center)在临床止痛上已经尝试性地使用该技术十余年，并取得丰富成果。VR的镇痛效果虽然已经得到临床和实验室研究的检验，但是虚拟现实技术缓解急性疼痛的机制还并不明确，许多研究中将虚拟现实技术发挥作用的机制简单地归结为：相比于传统注意分散方法，具有更强的注意分散效果(Wolitzky, Fivush, Zimand, Hodges, & Rothbaum, 2005)。然而，在交互沉浸的过程中，是可以同时调动患者情绪的(e.g., Li, Montao, Chen, & Gold, 2011)，且疼痛的脑神经网络研究表明：加工疼痛的神经网络既包括知觉成分的脑区(Avenanti, MinioPaluello, Bufalari, & Aglioti, 2006)也包括情绪成分的脑区(Decety, Yang, & Cheng, 2010)。因此，虚拟现实技术缓解急性疼痛的机制仍存在分歧。

本文将对已有研究中疼痛的认知和情绪调节机制进行梳理，引入虚拟现实技术，并分别阐明其在缓解急性疼痛时的认知和情绪加工机制，在此基础上，尝试提出假设性的虚拟现实技术缓解急性疼痛机制的理论模型。在理论上，从被广泛认可的注意分散理论出发，以VR为切入点，对非药物止痛方法的理论提出新的猜想，将情绪因素纳入到未来缓解疼痛相关研究的考虑范围。在实际临床上，VR的出现为普遍存在的急性疼痛提供了可控的虚拟情境，本研究为如何更加高效地利用VR，设计出更具针对性、应用于临床止痛的VR设备提供了依据。

2 疼痛的认知和情绪调节机制

认知和情绪都是临床和实验室中已知的调节疼痛知觉的重要因素(Roy, Peretz, & Rainville, 2008)。然而，这两种调节方式的性质和机制并不相同(Loggia, Mogil, & Bushnell, 2008)。专注于疼痛会感知到疼痛的强度增加，而消极的情绪状态会增加感知到的痛苦，但不改变对疼痛强度的评估(Villemure & Bushnell, 2009)。另一项研究对比了情绪效价和注意分散，得到的结果为：情绪效价对疼痛评分和脊柱伤害性反射的影响方向一致，但注意分散在降低疼痛的同时，却可以同时增加反应的强度(Roy, Lebuis, Peretz, & Rainville, 2011)。因此，认知和情绪可能存在不同的调节疼痛机制。

与此同时，脑神经层面的研究也支持了两者在疼痛调节中存在不同机制。脑成像研究通过观察注意分散对疼痛过程的作用发现，相比于那些注意被从疼痛上分散掉的人，专注于疼痛的人会表现出疼痛诱发相关脑区活动更强。这些脑区包括初级躯体感觉皮层(primary somatosensory cortex, S1) 、前扣带回(anterior cingulate cortex, ACC)以及脑岛(Insula)(Ploner,Lee, Wiech, Bingel, & Tracey, 2011)。一些研究使用分心刺激，发现改变注意水平的同时也改变了情绪状态(Wiech et al., 2005)，疼痛调节的效果可能是注意力和情绪两个因素共同产生的。然而，在控制情绪状态的条件下，多项不同注意分散的研究发现，诱发的神经活动仅在脑岛和S1(Ploner,Lee, Wiech, Bingel, & Tracey, 2011)与疼痛感觉中的作用一致，并由注意力调节。这表明前扣带回的神经活动并不是注意分散引发的。神经影像学通过对情绪状态在疼痛过程中效果的研究也发现，由观看消极情绪的面孔、听不愉悦的音乐或闻难闻气味而产生的消极情绪状态，改变了许多脑区的疼痛唤起皮层的活动，但在前扣带回的改变最为一致(Berna, Leknes, Holmes, Edwards, Goodwin, & Tracey, 2010)，该区域在疼痛不愉悦体验上起到尤为重要的作用。综上所述，在注意分散法调节疼痛的过程中，前扣带回的活动与认知相关的脑区活动相互独立。

图1 情绪和认知对疼痛感觉调节的不同通路注：认知和情绪通过不同的下行系统来调节并降低疼痛。情绪激活的电路涉及前扣带皮层 (ACC), 前额叶皮层 (PFC) 和中脑水管周围灰质 (PAG)；注意(认知)激活的电路涉及从顶上小叶 (SPL) 到初级躯体感觉皮层 (S1) 和脑岛；灰色通路显示了疼痛上传(输入)的过程。AMY, 杏仁核; BG, 基底; PB, 旁核; RVM, 延髓头端腹内侧区; S2, 次级躯体感觉皮层; Thalamus, 丘脑;Cerebellum, 小脑。(资料来源：Bushnell,Ceko, & Low, 2013)

从疼痛调节脑神经通路的角度出发，最常见的疼痛调节路径是从中脑导水管周围灰质(periaqueductal gray, PAG)到包括延髓腹侧(rostroventral medulla, RVM)和蓝斑在内的脑干核团，再到脊髓背角的通路(Ossipov, Dussor, & Porreca, 2010)。一些疼痛的注意分散研究，在使用注意分散的过程中唤起消极情绪，却表现出“额-中脑导水管周围灰质-脑干”通路的激活(Valet et al., 2004)。然而，当注意力分散与情绪无关时(Villemure & Bushnell, 2009)，消极情绪的增加与“前扣带回-额-中脑导水管周围灰质”通路的活化有关。进而，这种与负性情绪相关的活化增加了在前扣带回的疼痛唤起水平。与之相反，当被试有意将注意力引向或远离疼痛刺激时，位于脑岛上的疼痛唤起区域的活动水平与上级顶叶皮层 (Brodmann area 7, BA7) 的活动相关。这一区域是 Corbetta和Shulman提出的“自上而下的关注”系统的一部分。从BA7到S1, S2和脑岛(Prevosto, Graf, & Ugolini, 2011)，提供了一条直接的注意调节疼痛的皮质间通路，并与脑岛到杏仁核共同组成注意调节疼痛自上而下的通路(Friedman, Murray, O’Neill, & Mishkin, 1986)。除了自上而下的注意调节系统, ，还有一个自下而上的、 刺激驱动的，包括颞皮质和下额皮质 (主要是右脑)的注意通路, 专门检测明显或意想不到的刺激(Corbetta & Shulman, 2002)。当疼痛在不同的情绪情境中呈现时, 疼痛调节通路会进行差异化处理。

研究发现，疼痛感受以及改变疼痛诱发的大脑皮层，在情绪和认知上是不同的。这表明两者是同时存在，并相互独立的疼痛调节系统。这些调节路径涉及内源性阿片类物质、去甲肾上腺素和5 -羟色胺，并具有抑制和兴奋行为的脊髓传入神经元。输出信号来自包括前扣带回、前额皮层和杏仁核的前脑区域，这表明这些降低疼痛的调节系统可以被心理因素所激活。作为临床上最常见的止痛药，阿片类药物具有特别强大的止痛效果，它们的镇痛作用就发挥在下行通路的多个部位，包括前扣带回、中脑导水管周围灰质、延髓腹侧和脊髓背角(Ossipov, Dussor, & Porreca, 2010)。正是因为如内源性阿片类等物质的存在，认知和情绪对疼痛的调节又建立起一定的联系。

3 VR缓解急性疼痛的认知加工机制

VR作为一种非药物止痛方法，既有研究一直将其作为传统非药物止痛方法的发展，认为其止痛的认知加工机制与传统方法一致(Wismeijer & Vingerhoets, 2005)。非药物止痛方法的基本理论是认知资源有限理论，即当疼痛与其他刺激或任务同时出现时, 它们彼此竞争注意资源, 因而原本疼痛所占据的注意资源就会降低, 从而痛感受强度减弱(Cioffi, 1991)。有研究证明注意力的分散可以缓解温和、稳定的疼痛感。但虚拟现实技术与传统非药物止痛方法一样，都面临着相同的质疑：虚拟现实技术是否可以缓解严重的急性疼痛。

非药物止痛方法均可被称为分心任务，对于疼痛的注意可能会受到这些占用认知资源的分心任务影响。也就是说这些分心任务相比于疼痛，应具有潜在优先处理的特点(Legrain, Damme, Eccleston, Davis, Seminowicz, & Crombez, 2009)。然而，正如McCaul和Malott(1984)所指出的那样，较强的刺激是注意分散的一个很重要的主导因素。换言之，当疼痛刺激达到一定程度时会吸引注意，阻碍注意分散。为了研究虚拟现实技术是否能减轻较强的急性疼痛，一项研究选取11名烧伤病人。研究者在这些患者接受水疗清创术(一种烧伤病人清理伤口的方法)时，选取同样的时间长度进行组内实验(实验组运用虚拟现实技术，控制组不做干预)，并在清创结束后马上要求被试进行疼痛的0至10图尺度主观评级(Graphic Rating Scales, GRS)，问题包括：思考疼痛时间(评估与认知部分)、不愉悦(疼痛效果部分)、非常痛苦(感受到极其强烈的疼痛)。研究结果为：所有患者均报告在VR干预条件下，疼痛水平大幅度降低，其中有6名患者报告，在“非常痛苦”维度上有41%的降低。这是首个VR缓解严重疼痛的研究，结果表明虚拟现实技术即使在严重烧伤伤口的处理中，也能起到一定的缓解急性疼痛的作用(Hoffman, Patterson, Seibel, Soltani, Jewett-Leahy, & Sharar, 2008)，这是传统非药物止痛方法做不到的。

VR之所以具有更好的止痛效果，可能是因为它可以提供交互式分心任务完成的条件。相比于完全被动的，只利用一小部分核心注意资源的传统分心任务(如，重复，有规律的任务)，VR不断利用核心注意力资源(如，玩电子游戏) (Law et al., 2011)。对儿童的疼痛缓解，在临床和实验室中证明，最优越的电子游戏交互技术是通过虚拟现实技术进行注意分散 (Dahlquist,Weiss, Dillinger Clendaniel, Law, Ackerman, & Mckenna, 2009; Law et al., 2011)。

也有研究者提出了另一种比较有趣的机制，他们认为虚拟现实技术之所以有较好的缓解疼痛的效果，可能是因为这种头盔式显示器加强参与的同时，阻止外来刺激的干扰(Nash, Edwards, Thompson, & Barfield, 2000)，该过程体现在VR头盔可以很好地屏蔽外界的视听信息，使实验者提供的信息成为主要的输入信息。这是根据VR设备现状作出的推测，两种常见的VR分别被称为头盔式显示器(head-mounted display, HMI)和计算机自动虚拟环境(computer automatic virtual environment, CAVE)。临床和实验室研究更多的是使用头盔式显示器。正因为既有研究中存在许多虚拟现实技术实验之间使用的方法的不同，如使用不同的VR设备，从3D眼镜(Sander, Eshelman, Steele, & Guzzetta, 2002) 到VR头盔(Hoffman, Seibel, Furness, Patterson, & Sharar, 2006)，所以对于VR增强注意分散效果的评估是很有挑战性的。

此外，分心任务的自然水平以及参与意愿，往往也是虚拟情境交互参与水平的影响因素，同样也从另一方面支持了信息优势性输入的观点。如从被动看电影 (Sander, Eshelman, Steele, & Guzzetta, 2002)到主动参与，再到有吸引力的虚拟情境中(Dahlquist et al., 2010; Law et al., 2011)。VR注意分散的研究大多使用VR注意分散的实验组与无注意分散的控制组，以证明VR注意分散在疼痛上的缓解作用(e.g., Das, Grimmer, Sparnon, McRae, & Thomas, 2005; Wolitzky, Fivush, Zimand, Hodges, & Rothbaum, 2005) 。然而，这些研究没有检验到底是使用了虚拟现实技术，还是注意分散形成的止痛效果。一小部分研究采取虚拟现实技术注意分散与非虚拟现实技术注意分散之间进行对比，但是都受到了方法论的干扰(如不同的注意分散类型和内容)或是得到一些模棱两可的结果(Dahlquist et al., 2009) 。一项62名儿童参与的实验室冷压实验结果表明，相比于使用传统交互电子游戏分散注意的对照组，佩戴头盔显示器的实验组，在相同的交互电子游戏作为材料的条件下，儿童忍耐冷压实验的时间更长，报告的主观疼痛减弱程度更大(Sil et al., 2014)。

4 VR缓解急性疼痛的情绪加工机制

疼痛是一种复杂的主观感受，自然而然地会引发个体的情绪反应，在疼痛过程中产生大量的消极情绪。急性疼痛一般具有强度高、时间短的特点，所诱发的消极情绪也具有相对的特性，其中恐惧和焦虑最具有代表性。

恐惧(Fear of Pain)或疼痛相关恐惧(Pain-Related Fear)是指个体在预感或体验疼痛时出现的一种恐惧和紧张的情绪反应, 其源于把疼痛等同于伤害的灾难化信念以及对疼痛的负性解释, 它会导致与恐惧相关的活动和行为(Turk & Wilson, 2010)。国内学者对疼痛恐惧的研究比较深入，一系列研究详细阐释了疼痛恐惧的形成、影响、消退等内容(吕振勇, 纪晓蕾, 黄丽, Todd Jackson, 陈红, 2013; 郑盼盼, 吕振勇, Todd Jackson, 2016; 苏琳, 杨周, ToddJackson, 陈红, 黄承志, 2016)。疼痛恐惧对健康人疼痛本身也有影响，主要表现在对疼痛感受的增强(Lyby, Aslaksen, & Flaten, 2010)，其次表现为疼痛相关的更大不愉悦感(Bradley, Silakowski, & Lang, 2008)。

焦虑是另一种急性疼痛诱发的重要情绪，焦虑是一种包含心理和生理成分的情绪状态, 是对压力情境的普遍反映，当个体的身体功能和生活质量严重受损时就有可能诱发焦虑(Oei & Boschen, 2009)。一项实验室大鼠的研究发现，由机械性创伤诱发的急性疼痛导致实验组大鼠的焦虑水平显著高于控制组，并且这种焦虑状态持续14天后才恢复正常水平。该研究还发现大鼠注射吗啡也可以降低大鼠的焦虑水平，这说明疼痛可能是导致焦虑的原因(Banik, Kouya, & Iqbal, 2010)。焦虑可能使患者倾向于担心自己的身体状况，进而他们会对疼痛更加敏感, 从而导致其疼痛水平上升(Bement, Weyer, Keller, Harkins, & Hunter, 2010)。因此，恐惧和焦虑两种情绪虽然都是由急性疼痛诱发的情绪，但这些被诱发的消极情绪状态对之后的疼痛体验也会产生消极的影响，形成急性疼痛所诱发的，消极情绪(焦虑、恐惧)状态下的恶性循环。

疼痛在进化过程中具有重要的作用，这种作用不仅表现在规避潜在风险上，甚至表现在形成如向他人发出危险信号、获取他人的帮助等社会功能上(Williams, 2002)。不论是疼痛规避潜在风险的作用，还是疼痛所具有的社会功能，都是通过疼痛所诱发的情绪作为基础实现的。一项fMRI的研究中发现，当被试看到其他被试接受疼痛刺激时，脑成像显示，即使被试自身没有真正接受疼痛刺激，被试所被激活的脑区也与真实疼痛条件下的脑区相同(Lamm, Decety, & Singer, 2011)。这符合“表征共享”理论的假设，同时也说明疼痛感觉是可以在没有现实疼痛刺激的条件下诱发的。疼痛所诱发的焦虑和恐惧虽然具有进化意义，但在现实生活中，疼痛所引发的消极情绪会加大疼痛感和不愉悦感。传统非药物止痛方法的研究没有报告过各种方法在缓解急性疼痛的过程中对患者情绪的影响，但在一些虚拟现实技术缓解急性疼痛的研究中，大量患者报告在VR条件下接受治疗是“有趣”的(Hoffman, Doctor, Patterson, Carrougher, & Furness, 2000)。这可能是虚拟现实技术在缓解急性疼痛时，效果相较于其他传统方法更好的另一原因。

沉浸式虚拟现实技术在可控范围内为患者提供了一个安全的虚拟情境，同时，在内容设置上也要远远超出传统非药物止痛方法。如在对烧伤病人伤口处理的过程中，使用虚拟现实技术设计出针对于烧伤患者的特异虚拟情境(Snow World)，该场景背景为极地环境，在此情境中病人通过控制鼠标或其他交互设备向场景中的雪人、圆形冰屋、企鹅、猛犸象以及飞鱼扔雪球以达到交互的目的，并伴有击中目标后的反馈，如猛犸象愤怒的吼叫等各种声效(Wender, Hoffman, Hunner, Seibel, Patterson, & Sharar, 2009) 。这种沉浸式的交互体验使患者能够像在进行一场游戏一样，获得愉悦感，打破“疼痛-消极情绪-疼痛”的恶性循环。

5 VR缓解急性疼痛机制的潜在理论模型构想

痛觉的认知神经机制理论主要有两种：闸门控制理论(Gate Control Theory, GCT)和神经网络理论(Neuromatrix Theory, NT)。这两种理论都是在疼痛与认知、情绪等心理活动的交互作用可能是受到中枢神经系统影响的基础上提出的。

GCT是Melzack和Wall(1965)提出的，主要是解释了疼痛输入的过程。脊髓各节段间都存在“闸门”，这里的闸门是指背角中胶状质在脊髓系统中进行疼痛信号传输时所起到的功能。因为脊髓系统同时还加工其他外来信息，所以在疼痛神经冲动传入时，认知、情绪等因素可以对痛觉加工产生影响。虚拟现实技术就是为患者在接受急性疼痛刺激时提供认知、情绪影响的一种具有较好效果的技术。在该理论中，VR作用于疼痛的传入过程，主要是来自脑神经自上而下的调节机制，相比于传统注意分散方法，VR的自上而下调节存在认知和情绪的双重调节。虽然该理论在一定程度上解释了VR之于其他非药物止痛方法的效果，但是这一理论本身无法解释疼痛过程中的一些现象(幻肢疼痛)，即疼痛的产生源自神经本身时(Melzack, 1999)，疼痛的神经网络理论应运而生。

根据疼痛的脑神经生理特点提出的“疼痛感的脑神经网络理论”(Neuromatrix Theory of Pain)能够很好地解释虚拟现实技术缓解疼痛的良好效果。该理论认为疼痛是由一个特殊的、广泛分散的脑神经网络发出神经信号所带来的多维度体验，该网络又被称为 “身体-自我神经网络” (body-self neuromatirx) (Melzack, 2001)， 也被称为“pain matrix”。进而，疼痛的产生不是个体对外界的疼痛刺激所作出的直接反应，而是疼痛刺激诱发的疼痛神经网络的活动。疼痛的神经网络主要包括丘脑(thalamus)、脑岛(IC)、扣带前回(ACC)、前额皮质 (PFC)、初级躯体感觉皮层(S1)、次级躯体感觉皮层(S2)等脑区(Apkarian, Bushnell, Treede, & Zubieta, 2005)。其中如前额叶皮质等脑区参与认知加工，又有如丘脑、扣带前回等区域参加情绪加工。

虽然,这两种理论分别涉及疼痛信号的输入和处理过程,但是疼痛信号的输入和处理过程可能都包含在急性疼痛的调节过程中。急性疼痛一般由短期的疼痛刺激诱发。当疼痛刺激呈现时, 这种自下而上的信号首先受到脊髓中“闸门”的调控, 然后上传至大脑内部的疼痛神经网络——“Pain Matrix”(孟景, 沈林, Todd Jackson, 陈红, 2011)。又因为在脑神经上区域的重合(Ploner, Lee, Wiech, Bingel, & Tracey, 2011; Lamm, Decety, & Singer, 2011)，虚拟现实技术可以对认知加工过程、情绪加工过程均产生影响，所以虚拟现实技术对急性疼痛的缓解作用可能存在两个相连的过程。一方面，虚拟现实技术通过沉浸式的交互体验，以分心任务为主要形式，利用虚拟现实技术视听刺激输入的优势，将患者的认知资源从疼痛上分散到所处的虚拟情境中。另一方面，虚拟现实技术所营造的虚拟情境和交互体验，共同使患者产生愉悦的情绪体验，减轻消极情绪导致的更强疼痛感以及不愉悦感。进而，建立VR缓解急性疼痛的潜在理论模型。理论模型如图 2 所示：

图2 VR缓解急性疼痛机制的潜在理论模型注：图中“+”代表正效应，“-”代表负效应。

引入VR以缓解急性疼痛时，因为VR在引发疼痛刺激前使用，产生影响较疼痛更早，所以该模型分为两部分：第一部分是在疼痛刺激尚未产生时，VR先诱发虚拟情境相关内容的认知加工和积极的情绪加工。第二部分为疼痛刺激出现后，VR所诱发的认知加工和情绪加工对疼痛信号输入和反应的缓解。

具体过程为：首先，疼痛的神经冲动从外周感受器传入脊髓系统，在神经系统传导的过程中，VR使患者产生积极的情绪体验，自上而下地调节疼痛传导过程中的信息加工模式，控制“闸门”的关闭，减少疼痛信号的输入。随后，疼痛的神经冲动到达大脑，激活疼痛神经网络，但由于VR已经先一步激活了患者大脑中认知加工的脑区、情绪加工的脑区，占用脑区中包含对疼痛信号处理的脑区，因此疼痛感受到既有活动的抑制。值得注意的是，疼痛激活神经网络所诱发的，自上而下的认知调节，和VR所占用的认知资源并不相同，因此，VR可能并不会影响闸门系统。换而言之，并没有证据表明VR在认知上会调节疼痛的输入过程。VR所诱发的认知和情绪之间也存在相互的促进作用，积极情绪增强认知加工的水平，在VR设备上反映为更强的沉浸感，而认知加工也为积极情绪的诱发提供了保证。

6 总结与展望

急性疼痛在我们的生活中无处不在，虚拟现实技术通过分散注意、调节情绪缓解疼痛，相比于传统非药物止痛方法具有路径上的优势，可以达到更好的效果。探究虚拟现实技术在急性疼痛调节过程中的机制，对我们更好地缓解急性疼痛，以及改良虚拟现实技术具有重要作用。未来的研究可以从以下几个方面推向深入。

6.1 虚拟现实技术的自身缺陷及发展

通过回顾前人研究，VR在缓解急性疼痛的过程中也有其自身不可忽视的缺陷与不足。首先，VR所营造的虚拟情境尚不能与真实情境相比，进而影响止痛效果(Law et al., 2011)。该问题曾经一度限制了虚拟现实技术的应用，直到Palmer Luckey及其团队在VR上获得巨大的视觉技术突破(翟振明，2015)，成功利用人眼视觉信号处理的特点，模糊化头部运动过程呈现的景物，将虚拟情境的视觉效果趋于真实。可是，VR的真实性依旧有限，未来发展可以参照Palmer Luckey及其团队的成功经验，进一步研究人的生理特点，将其应用于VR软件及硬件的开发中，从而在虚拟情境的构建中获得突破。其次，目前的VR普遍只能实现两种感觉(视觉、听觉)的虚拟情境构造，其他感觉虽然也进行了一定程度的尝试，但仍不能完全克服如气味收集，触觉模拟等技术困难(Aiken & Berry, 2015)。日内瓦大学研究者2014发表过在虚拟情境中加入了嗅觉的VR设备设计，虽然在嗅觉感觉评估中获得不错的成绩，但因其造价高昂，难以推广(Ischer et al., 2014)。另外的一些基础科学的研究为该研究提供了一个可能的思路，如触觉研究中的脑机制研究，触觉信号的加工是建立在神经系统上的(周丽丽, 姚欣茹, 汤征宇, 任巧悦, 吕雪靖, 胡理, 2017)，未来研究中可以尝试研究各感觉的神经机制，在脑神经层面对各种感觉信号进行模拟。除此以外，在使用者接受VR的干预时，不能即时性地对虚拟情境进行调整，无法更有时效性地针对具体情况。该方面缺陷的研究较少，并对VR硬件、软件和虚拟情境的编程设计都有较高要求，未来研究需要从VR设计出发，结合计算机技术、机械设计等相关技术进行。

6.2 双任务的相互抑制作用

虚拟现实技术缓解急性疼痛的原理，不仅可以使用认知资源有限理论作出解释，还可以使用双任务加工相互影响，相互制约的作用来解释。有研究发现，在进行双任务的加工时，这两个任务的加工会相互影响，相互制约，这种机制不仅仅存在于中枢反应选择阶段，在反应执行阶段仍然存在(吴彦文, 游旭群, 李海霞, 2014)。VR作为传统的非药物止痛方法的延续，在认知资源有限理论的框架内，其作用的产生是因为VR占用了认知资源，降低了疼痛所可以利用的认知资源。然而，疼痛和VR提供的分心任务，或者说疼痛与所有的分心任务之间都是双任务加工，在疼痛认知加工上分心任务取得的效果，是否还包含中枢反应选择阶段以及中枢执行阶段的，疼痛与分心任务之间相互影响，相互制约的效果，仍然存在争议。音乐作为传统的止痛方法，在缓解轻度疼痛效果明显，却不能缓解较重的疼痛体验的现象(Bradshaw, Brown, Cepeda, & Pace, 2006)，可能与这种双任务之间的相互影响有关。未来研究应考虑,VR作为疼痛之外的另一项任务，能够使得疼痛缓解,不仅是因为VR占用认知资源，而且也可能是因为VR与疼痛构成双任务系统，产生了相互影响，相互制约，从而达到了疼痛缓解的效果。

6.3 进化意义上疼痛的加工优势

疼痛刺激在人的多种感觉中具有明显的加工处理优势，这是进化导致的结果，虚拟现实技术缓解急性疼痛的效果可能在一定程度上也受到VR头盔的影响。VR头盔在加强患者参与到分心任务的同时，也能够有效屏蔽外来信号(Nash, Edwards, Thompson, & Barfield, 2000)，形成一种提供给VR设备使用者的特定信息增强模式，在信息输入部分更具有优势，简单来说就是强制患者接收特定信息。然而，这种观点虽然有一定的事实根据，但是在这个观点中仍存在两种比较明显的矛盾点。

第一点是从进化本身来讲，人类进化出的疼痛刺激加工处理优势，是否能被视听信号解除尚未可知。一项在人类与啮齿类动物(大鼠)之间进行的脑电研究表明两者之间疼痛的脑电反应有着巨大差异。人类受到激光刺激诱发的疼痛，所产生的脑电信号包括Aδ-erps和C-erps，因为在神经纤维中传导的速度不同，所以具有潜伏期时间上的差异，在人类疼痛研究中作为疼痛的重要指标。以相同的激光刺激啮齿类动物(大鼠)发现同样的Aδ-erps和C-erps，然而有研究发现在白噪音的条件下，大鼠的Aδ-erps消失，单独以激光射向笼子，在没有白噪音的情况下也发现大鼠的Aδ-erps，即发现大鼠的Aδ-erps产生与大鼠的听觉有关，与疼痛无关(Hu et al., 2015)。不可否认，进化在不同物种间存在差异，但大鼠与人类的差异也在提示着我们，人类疼痛的处理优势，与其他感觉的关系还需要我们进一步的去探索。

第二点是VR盔的使用可能会减少其他外在刺激，但是无关的刺激阻隔并没有增加疼痛忍耐性。一项以62名健康儿童为被试的实验室冷压实验结果表明，儿童报告在VR注意分散中他们听到和看到的无关刺激很少，VR头盔确实有效地阻止无关刺激，但在疼痛忍耐上却与传统视听游戏组的结果没有显著差异(Sil et al., 2014)。因此，未来研究可以进一步关注VR头盔在缓解急性疼痛中的作用，并进一步明确疼痛在进化过程中的特性，探讨不同信息加工顺序在缓解疼痛中的作用。

6.4 个体应对方式的差异

不同个体在面对疼痛刺激时会表现出不同的应对方式，而这些不同的应对方式属于个人特质。因此，在其他条件均相同的情况下，不同应对方式的个体在使用虚拟现实技术止痛时所得到的结果可能并不相同。Seminowicz 等人首次在脑成像研究中将被试划分为两种类型:注意主导型(A-type, A代表 “attention dominates”)和疼痛主导型(P-type, P代表“pain dominates”)。二者的区别表现为，注意主导型的人在进行认知任务时如果出现疼痛刺激，会注意更加集中，疼痛主导型的人则会注意疼痛，具体体现在反应时的减少和增加(Seminowicz, Mikulis, & Davis, 2004) 。Erpelding等人进一步的研究发现二者脑结构上存在差异(Erpelding & Davis, 2013) 。 除在脑机制上的支持以外，有一系列儿童应对方式与疼痛的相关研究指出，儿童在面对疼痛时会选用削弱(blunting)或监视(monitoring)的应对方式，不同的应对方式产生不同的疼痛表现。利用削弱应对方式的儿童普遍证明注意分散能够很好地降低疼痛(Jaaniste, Hayes, & Baeyer, 2007)，而注意分散对监视者的干预效果并不显著(Piira, Hayes, Goodenough, & Baeyer, 2006)。一项研究以VR缓解烧伤儿童在伤口处理时的效果为因变量，试图阐释不同应对方式的儿童在虚拟情境下的不同止痛效果，但结果二者并没有显著区别。推测可能的原因是疼痛刺激并没有达到激发儿童应对方式的程度(Sil et al., 2014)。因此，未来研究中应将个体特质、个体应对方式作为VR止痛的辅助参考因素，考虑个体差异可能是VR更好的缓解疼痛，提高止痛效果针对性的必要因素。

6.5 虚拟现实技术与脑电技术在镇痛研究中的结合

随着虚拟现实技术的不断发展，虚拟现实技术缓解急性疼痛的EEG和fMRI神经成像研究成为了可能。Hoffman等人早在2003年就利用设计出的亲磁性VR眼镜，在持续的fMRI脑扫描中，可以对接受热疼痛刺激的被试进行脑活动水平的评估(Hoffman et al., 2003)。研究发现健康被试在接受疼痛刺激时进行和虚拟情境(Snow World)的交互，包括前扣带回皮质，脑岛，丘脑，初级与次级躯体感觉皮质在内的五个与疼痛唤醒的相关脑区，活动均减弱。脑神经成像技术为现有研究提供了脑神经基础的支持，但在虚拟现实技术的应用中，脑神经成像的使用较少。这主要是因为虚拟现实技术的交互作用的实现，需要使用者身体上的各种反应，但不论是EEG还是fMRI，都需要被测试者尽量保持静止，减少活动的干扰。然而，在VR缓解急性疼痛的研究中，这个难题可能因为研究的目的而被弱化，即接受疼痛刺激者需要尽可能忍耐疼痛(如伤口处理时需要病人忍耐，减少病人活动对医疗人员操作的干扰)。虽然，虚拟现实技术的交互作用与脑电成像的要求相冲突，但疼痛的特殊性使得VR在缓解疼痛的过程中，表现为身体运动幅度不大的交互。未来研究中可以将虚拟现实技术与脑电成像技术结合起来，进一步研究VR缓解急性疼痛的脑神经机制。

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