虚拟现实在认知功能障碍康复治疗中的应用

梁思捷 王卫宁 朱玉连

摘 要 本文概要介绍虚拟现实在辅助脑部疾病患者认知功能障碍康复治疗中的应用，并分析其在我国推广的困难及其前景。

关键词 虚拟现实 脑部疾病 认知功能障碍 康复治疗

中图分类号：R493； R749.1 文献标志码：A 文章编号：1006-1533（2019）09-0007-04

Application of virtual reality in cognitive impairment rehabilitation therapy

LIANG Sijie1， WANG Weining1， ZHU Yulian1， 2*（1. School of Kinesiology， Shanghai University of Sport， Shanghai 200438， China； 2. Department of Rehabilitation， Huashan Hospital， Fudan University， Shanghai 200040， China）

ABSTRACT The application of virtual reality in the rehabilitation of cognitive impairment in patients with brain diseases such as stroke， traumatic brain injury and so on is reviewed and the difficulties and prospects for its promotion in China is analyzed.

KEY WORDS virtual reality； brain disease； cognitive impairment； rehabilitation

近年来，随着人口老龄化加剧以及人们生活习惯、环境变化等因素的影响，脑部疾病患病率逐年升高，其中脑卒中、脑外伤、帕金森病和脑瘫等疾病造成的脑损伤均可使患者出现诸多功能障碍，最常见的有运动功能障碍、认知功能障碍、感觉功能障碍、精神障碍和言语功能障碍等，严重时甚至导致患者残疾，如肢体残疾、智力残疾、视力残疾、听力残疾、精神残疾和言语残疾等[1]。认知功能障碍包括执行功能障碍、记忆障碍、空间能力障碍、注意力缺陷和单侧视觉忽略等。

康复治疗是一个患者主动参与学习和锻炼的过程，患者存在认知功能障碍会严重影响康复治疗的效果和进程，导致康复治疗效果不佳，甚至無法进行康复治疗[2]。提高患者的日常生活能力，最大限度地改善患者的残存功能，并尽可能地使患者回归社会和家庭，这是康复治疗的根本目的。为了达到该目的，对患者进行认知功能障碍的康复治疗至关重要。此外，当患者在接近真实生活的环境中进行康复治疗时，其更可能将康复治疗时再学习获得的技能运用到实际生活中[3]。因此，一个与真实生活相近的治疗环境是康复治疗成功的重要外部条件。随着科学技术的发展，在传统康复治疗的基础上逐渐衍生出娱乐康复治疗，其中以计算机技术为支撑的治疗技术如虚拟现实系统已在脑损伤疾病患者的康复治疗中显示有一定的效果[4]。本文概要介绍近年来虚拟现实在认知功能障碍康复治疗中的应用情况，并就此种应用的未来发展趋势作一展望，以供相关的临床和科研方面的同仁参考。

1 虚拟现实及其技术

1.1 虚拟现实及其特征

虚拟现实以计算机仿真系统为基础，经过几十年的发展，其潜力和优势逐渐凸显，并已被用于某些疾病的康复治疗[5-6]。虚拟现实具有交互性、沉浸性、构想性和现场感等特征，也被称为虚拟环境、人工环境等，其中交互性是指虚拟场景中的物体的可操作性以及使用者可通过交互操作从虚拟场景中获得反馈信息；沉浸性是指使用者可在逼真的虚拟场景中多维度地感知信息，结果如同身处现实世界一般，难以分辨或觉察出正处于虚拟场景中；构想性是指使用者可依靠自身的认知和感知能力，从虚拟场景中获得知识或探索解决问题的方法。

1.2 虚拟现实用于康复治疗的优势

研究表明，与传统的康复治疗相比，虚拟现实用于康复治疗具有一定的优势[7-9]，不仅可提供稳定、安全的训练环境，且可灵活调整任务的复杂程度、感觉准备、反应需要、反馈性质及其方式等，患者还可在家里接受训练，治疗过程简单、便捷，应用前景非常广阔。

1.3 虚拟现实用于康复治疗有效的作用机制

虚拟现实用于康复治疗有效主要与虚拟现实的特征有关，其中虚拟现实的沉浸性、交互性和构想性等造就的重复性、反馈机制和获得感等因素对治疗效果的获得起到了主要作用。虚拟现实可帮助进行大量的重复性练习，此有利于患者的记忆输入。在重复的练习过程中，通过听觉、视觉、嗅觉和本体感觉等多感知域的持续反馈，患者的正确行为逐渐得到固化，进而产生愉快的获得感，积极性提高，使之能够坚持练习直至达到治疗目的[10]。

虚拟现实用于康复治疗有效的结果与大脑可塑性理论相吻合，但在虚拟现实中训练可促进大脑功能恢复的机制现还不明晰。Maier等[11]认为，虚拟现实中的动作观察范式是基于神经学原理进行开发的，它可激活目标脑区并促使其进行功能重组。有研究指出，在虚拟现实中训练时，使用功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging， fMRI）检查可识别患者在完成交互式任务中的大脑激活网络，并直接显示脑损伤后大脑恢复时脑部神经元的变化情况[12]。虚拟现实能通过使用运动编码来唤醒大脑中保留的程序记忆，促进记忆障碍患者的学习。大脑激活网络与分配中心记忆和自我中心记忆任务的空间处理相关，但双侧海马后区激活仅在分配中心记忆任务中出现。虚拟现实和fMRI检查的联合使用有助于提高我们对记忆任务与大脑关系的了解。

2 虚拟现实在认知功能障碍康复治疗中的应用

2.1 用于脑卒中后认知功能障碍的康复治疗

国外开始开展虚拟现实用于脑卒中后康复治疗研究的时间较早。Ogourtsova等[13]利用沉浸式虚拟现实系统，在三维虚拟环境中，通过采用有针对性的、循序渐进的训练方案，在目标改变、记忆引导和移位等条件下，让脑卒中后患者执行一项由操纵杆驱动的导航任务并检测其用时。通过广泛训练患者的空间知觉能力，患者的训练积极性和专注力均有效提高，与人工作业认知功能训练等传统治疗方法相比，利用虚拟现实系统训练可更明显地改善患者的注意力、单侧忽略和空间知觉能力。Aminov等[14]通过对23项研究进行荟萃分析后认为，与传统的康复治疗方法相比，利用虚拟现实系统训练可即刻改善脑卒中后患者的认知和运动活动表现，并对患者认知和运动功能的长期提高有益。

Maier等[11]利用一种康复治疗游戏系统（虚拟现实系统）对脑卒中后患者进行了一项临床随机、对照试验，通过让患者在屏幕上完成一些游戏中的动作并结合认知功能训练，发现患者的记忆力、空间想象能力和本体感觉等均获提高。此外，有研究认为，在虚拟现实系统模拟出的行走、赛车、赛艇、滑雪等不同场景中进行训练，能有效改善脑卒中后患者的记忆功能障碍，其机制可能与调节了大脑海马区中某些代谢物的代谢有关[15]。

最近，国内也开展了将虚拟现实用于脑卒中后康复治疗的研究。王辉等[16]利用电脑反馈界面构建的虚拟现实系统进行了一项临床对照试验。试验将40例存在认知功能障碍的脑卒中后偏瘫患者随机分成2组，其中试验组患者除接受基本的康复治疗外，还在虚拟现实系统中进行训练。结果显示，利用虚拟现实系统训练能有效提高患者的认知功能和日常生活能力。柏敏等[17]进行的研究也得到了类似的结论。

2.2 用于脑外伤后认知功能障碍的康复治疗

虚拟现实用于脑外伤后认知功能障碍的康复治疗还处于探索阶段。一项研究通过分析脑外伤后患者和健康对照者在进行虚拟现实游戏时8个认知域上的表现差异，研究了认知功能与运动学习的关系。结果发现，在进行虚拟现实游戏时，患者不同认知域的神经心理学测试评分以及完成游戏时的学习速度均趋降低，而整体认知能力对两组个体运动学习早期的学习率均有显著的预测作用，提示认知功能与运动功能有关[18]。

Pietrzak等[19]通过对文献进行系统分析后发现，在一些包含三维场景的非沉浸式虚拟现实系统中，脑外伤后患者经接受完成赛车游戏、滑雪游戏或在乡镇中漫步等活动的训练后，他们的空间记忆、语言记忆、注意力和前瞻性记忆等的恢复效果良好。不过，脑外伤后的年轻患者在虚拟现实系统中训练的康复治疗效果不如脑卒中后老年患者那般显著。但一些个例报告显示，利用虚拟现实系统进行训练，脑外伤后患者的注意力、空间记忆和工作记忆均显著提高[20]。

Gamito等[21]让脑外伤后患者利用一种在线虚拟现实系统进行远程康复治疗，通过完成日常生活能力、工作记忆、空间定向和选择性记忆等10个阶段的训练，发现患者的工作记忆和注意力水平均显著提高，表明他们的认知功能有所改善。另有研究显示，互动式运动项目能提高人的学习能力，对脑外伤后患者的海马体功能可能有改善作用，如在三维场景中进行持续性踏车等训练可提高患者的空间学习记忆水平[22]。

2.3 用于阿尔茨海默病（Alzheimers disease， AD）认知功能障碍的康复治疗

AD是老年人群的一种常见疾病，初时以记忆力减退为主要特征，以后会逐渐演变并出现定向障碍、情绪和行为改变等症状，并伴言语、书写和步行困难[23]。有研究显示，利用虚拟现实系统进行持续的认知功能训练可有效改善AD患者的轻度认知功能障碍[24]。

Weniger等[25]以29例AD患者和29名健康受试者为对象进行了一项对照研究，结果显示在虚拟现实系统中训练，AD患者的空间记忆等均获显著改善，且轻度认知功能障碍进一步加重的趋势亦得到有效控制。Plancher等[26]进行的类似研究也发现，利用虚拟现实系统训练能有效改善AD患者的认知功能障碍。这些研究利用虚拟现实系统对AD患者进行康复治疗并结合fMRI检查等影像学手段进行治疗效果评估，结果均进一步证实了环境对大脑结构的影响和虚拟现实用于认知功能训练的有效性[24-26]。

2.4 用于精神分裂症认知功能障碍的康复治疗

精神分裂症患者常伴有注意力和记忆力下降、决定困难等认知功能障碍，这些症状会严重影响精神分裂症患者的执行功能[27]。认知灵活性是执行功能的特殊表现，是个体行为的重要组成部分。Han等[28]让精神分裂症患者在虚拟现实系统中为去参加会议选择乘车路线并进行相关评估，结果顯示精神分裂症患者的认知灵活性显著差于健康受试者，但经康复治疗后能得到一定程度的提高。Tsang等[29]认为，认知功能障碍还会严重影响精神分裂症患者回归工作，而利用虚拟现实系统进行训练，精神分裂症患者的认知功能可获一定改善。

2.5 用于其他脑损伤疾病认知功能障碍的康复治疗

脑瘫是一种非进行性的脑损伤疾病，其患者的运动功能和认知功能均受到严重损害[30]。有研究显示，利用虚拟现实系统进行训练可增加任务的趣味性，提高患者治疗的积极性，最终达到改善患者认知功能的目的[31-32]。

此外，有研究指出，虚拟现实可为自闭症评估及其治疗提供一种新的思路与方法[33]。Didehbani等[34]利用虚拟现实系统训练自闭症患者，发现能提高患者的社会技巧等认知功能水平。

Yang等[35]对存在认知功能障碍的脑肿瘤患者进行了一项临床对照试验，发现经在虚拟现实系统中训练4周，患者的认知功能得到有效提高。

另有研究显示，虚拟现实用于帕金森病患者康复治疗，除能有效提高患者的运动功能外，对患者的认知功能改善也有一定的效果[36]。

3 小结

随着计算机技术的发展，充分利用虚拟现实的特征，将虚拟现实用于康复治疗，由此产生了一种全新的、智能化的、信息化的康复治疗方法。虚拟现实能为患者的感觉、注意力和运动能力等训练量身定制，为患者提供精准的疾病评估和康复治疗手段，有利于患者重新学习相关技能，促进脑损伤患者的康复。虚拟现实在康复医学、尤其是在认知功能障碍的康复治疗中具有广阔的应用前景。但是，由于生产成本较高，且现还无大样本量的临床对照试验数据，虚拟现实用于认知功能障碍康复治疗的有效性尚未得到充分证实。今后应进行更大规模的研究，同时结合fMRI检查等，以更好地评估康复治疗效果。

参考文献

[1] 王茂斌. 更新观念：关于“国际功能、残疾和健康分类（ICF）”[J]. 中华物理医学与康复杂志， 2002， 24（4）： 196-198.

[2] Mercier L， Audet T， Hébert R， et al. Impact of motor， cognitive， and perceptual disorders on ability to perform activities of daily living after stroke [J]. Stroke， 2001， 32（11）： 2602-2608.

[3] 谢笑， 黄国志. 虚拟现实技术应用于脑卒中康复治疗的研究现状及进展[J/OL]. 中华脑科疾病与康复杂志（电子版）， 2014， 4（4）： 49-52 [2018-11-13]. doi： 10.3877/cma. j.issn.2095-123X.2014.04.011.

[4] Saposnik G， Cohen LG， Mamdani M， et al. Efficacy and safety of non-immersive virtual reality exercising in stroke rehabilitation （EVREST）： a randomised， multicentre， singleblind， controlled trial [J]. Lancet Neurol， 2016， 15（10）： 1019-1027.

[5] 谢冬阳， 管华宗， 张国辉， 等. 虚拟现实技术在脑卒中康复的应用[J]. 中国医学创新， 2017， 14（29）： 136-140.

[6] 李雅楠， 左国坤， 崔志琴， 等. 虚拟现实技术在康复训练中的应用进展[J]. 中国康复医学杂志， 2017， 32（9）： 1091-1094.

[7] Meldrum D， Herdman S， Moloney R， et al. Effectiveness of conventional versus virtual reality based vestibular rehabilitation in the treatment of dizziness， gait and balance impairment in adults with unilateral peripheral vestibular loss： a randomised controlled trial [J/OL]. BMC Ear Nose Throat Disord， 2012， 12： 3 [2018-11-13]. doi： 10.1186/1472-6815-12-3.

[8] Meldrum D， Herdman S， Vance R， et al. Effectiveness of conventional versus virtual reality-based balance exercises in vestibular rehabilitation for unilateral peripheral vestibular loss： results of a randomized controlled trial [J]. Arch Phys Med Rehabil， 2015， 96（7）： 1319-1328.e1.

[9] Tieri G， Morone G， Paolucci S， et al. Virtual reality in cognitive and motor rehabilitation： facts， fiction and fallacies[J]. Expert Rev Med Devices， 2018， 15（2）： 107-117.

[10] 李紅玲. 虚拟现实技术及其在康复医学中的应用进展[J].中华物理医学与康复杂志， 2013， 35（5）： 414-416.

[11] Maier M， Banuelos NL， Ballester BR， et al. Conjunctive rehabilitation of multiple cognitive domains for chronic stroke patients in virtual reality [J]. IEEE Int Conf Rehabil Robot， 2017， 2017： 947-952.

[12] Rose FD， Brooks BM， Rizzo AA. Virtual reality in brain damage rehabilitation： review [J]. Cyberpsychol Behav， 2005， 8（3）： 241-262.

[13] Ogourtsova T， Archambault PS， Lamontagne A. Post-stroke unilateral spatial neglect： virtual reality-based navigation and detection tasks reveal lateralized and non-lateralized deficits in tasks of varying perceptual and cognitive demands [J/ OL]. J Neuroeng Rehabil， 2018， 15（1）： 34 [2018-11-13]. doi： 10.1186/s12984-018-0374-y.

[14] Aminov A， Rogers JM， Middleton S， et al. What do randomized controlled trials say about virtual rehabilitation in stroke？ A systematic literature review and meta-analysis of upper-limb and cognitive outcomes [J/OL]. J Neuroeng Rehabil， 2018， 15（1）： 29 [2018-11-13]. doi： 10.1186/s12984-018-0370-2.

[15] 溫鸿源， 李力强， 龙洁珍， 等. 3D虚拟现实技术对脑卒中记忆功能障碍患者疗效及1H-MRS的影响[J]. 中国老年学杂志， 2017， 37（1）： 100-102.

[16] 王辉， 吴吉生. 虚拟现实训练对认知障碍的脑卒中偏瘫患者的影响[J]. 中国康复， 2017， 32（4）： 299-301.

[17] 柏敏， 田然， 杨倩， 等. 短期虚拟现实康复训练对脑卒中偏瘫患者上肢功能及日常生活活动能力的影响[J]. 中国康复医学杂志， 2017， 32（11）： 1288-1291.

[18] ONeil RL， Skeel RL， Ustinova KI. Cognitive ability predicts motor learning on a virtual reality game in patients with TBI[J]. NeuroRehabilitation， 2013， 33（4）： 667-680.

[19] Pietrzak E， Pullman S， McGuire A. Using virtual reality and videogames for traumatic brain injury rehabilitation： a structured literature review [J]. Games Health J， 2014， 3（4）： 202-214.

[20] Larson EB， Feigon M， Gagliardo P， et al. Virtual reality and cognitive rehabilitation： a review of current outcome research[J]. NeuroRehabilitation， 2014， 34（4）： 759-772.

[21] Gamito P， Oliveira J， Pacheco J， et al. Traumatic brain injury memory training： a virtual reality online solution [J]. Int J Disabil Human Dev， 2011， 10（4）： 309-312.

[22] Grealy MA， Johnson DA， Rushton SK. Improving cognitive function after brain injury： the use of exercise and virtual reality [J]. Arch Phys Med Rehabil， 1999， 80（6）： 661-667.

[23] Fernandez Montenegro JM， Argyriou V. Cognitive evaluation for the diagnosis of Alzheimers disease based on Turing test and virtual environments [J]. Physiol Behav， 2017， 173： 42-51.

[24] Herrera C， Chambon C， Michel BF， et al. Positive effects of computer-based cognitive training in adults with mild cognitive impairment [J]. Neuropsychologia， 2012， 50（8）： 1871-1881.

[25] Weniger G， Ruhleder M， Lange C， et al. Egocentric and allocentric memory as assessed by virtual reality in individuals with amnestic mild cognitive impairment [J]. Neuropsychologia， 2011， 49（3）： 518-527.

[26] Plancher G， Tirard A， Gyselinck V， et al. Using virtual reality to characterize episodic memory profiles in amnestic mild cognitive impairment and Alzheimers disease： influence of active and passive encoding [J]. Neuropsychologia， 2012， 50（5）： 592-602.

[27] Josman N， Schenirderman AE， Klinger E， et al. Using virtual reality to evaluate executive functioning among persons with schizophrenia： a validity study [J]. Schizophr Res， 2009， 115（2-3）： 270-277.

[28] Han K， Young Kim I， Kim JJ. Assessment of cognitive flexibility in real life using virtual reality： a comparison of healthy individuals and schizophrenia patients [J]. Comput Biol Med， 2012， 42（8）： 841-847.

[29] Tsang MM， Man DW. A virtual reality-based vocational training system （VRVTS） for people with schizophrenia in vocational rehabilitation [J]. Schizophr Res， 2013， 144（1-3）： 51-62.

[30] The definition and classification of cerebral palsy [J]. Dev Med Child Neurol， 2007， 49（s109）： 1-44.

[31] Ravi DK， Kumar N， Singhi P. Effectiveness of virtual reality rehabilitation for children and adolescents with cerebral palsy： an updated evidence-based systematic review [J]. Physiotherapy， 2017， 103（3）： 245-258.

[32] Monge Pereira E， Molina Rueda F， Alguacil Diego IM， et al. Use of virtual reality systems as proprioception method in cerebral palsy： clinical practice guideline [J]. Neurología， 2014， 29（9）： 550-559.

[33] Parsons S. Authenticity in virtual reality for assessment and intervention in autism： a conceptual review [J]. Educ Res Rev， 2016， 19： 138-157.

[34] Didehbani N， Allen T， Kandalaft M， et al. Virtual Reality Social Cognition Training for children with high functioning autism [J]. Comp Human Behav， 2016， 62： 703-711.

[35] Yang S， Chun MH， Son YR. Effect of virtual reality on cognitive dysfunction in patients with brain tumor [J]. Ann Rehabil Med， 2014， 38（6）： 726-733.

[36] Dockx K， Bekkers EM， van den Bergh V， et al. Virtual reality for rehabilitation in Parkinsons disease [J/OL]. Cochrane Database Syst Rev， 2016， 12： CD010760 [2018-11-13]. doi： 10.1002/14651858.CD010760.pub2.