沉浸式虚拟现实技术评估轻度认知障碍患者空间导航能力的研究进展

轻度认知障碍(mild cognitive impairment, MCI)是一种介于正常老化与早期老年痴呆的认知衰退状态， 其特征是有认知功能损害但不影响社会功能和日常生活能力。研究指出，轻度认知障碍患者存在空间导航障碍且患病率高达41.4%

。空间导航是指在熟悉或不熟悉的环境中找到道路的能力， 一些研究已经证明基于评估空间导航能力筛选出轻度认知障碍患者是有效的

。 评估轻度认知障碍患者空间导航能力的方法较多，如问卷测试（纸-笔测试）、真实环境导航测试

。 随着虚拟现实（virtual reality,VR）技术的进步，它被广泛地应用于医疗保健、教育以及肢体功能康复

。 虚拟现实被定义为“使用由计算机硬件和软件创建的交互式模拟， 为用户提供看起来或感觉类似置身于现实世界的机会”

。 基于虚拟现实技术评估轻度认知障碍患者的空间导航能力是目前的研究热点，基于沉浸式虚拟现实技术评估空间导航能力早期发现具有阿尔茨海默病（alzheimer disease, AD）转化风险的轻度认知障碍患者的研究越来越多， 理解空间导航缺陷在识别极有可能转变为阿尔茨海默病的轻度认知障碍患者是很重要的，目前国内尚无人开展基于沉浸式虚拟现实（immersive VR, IVR）技术评估国人空间导航能力识别轻度认知障碍患者方面的研究， 本研究主要综述国外学者基于沉浸式虚拟现实技术空间导航能力的检测以发现轻度认知障碍患者的研究现状。

1 虚拟现实技术分类

虚拟现实技术的核心是创造沉浸感和在场感，沉浸感指的是用户感知自己处于虚拟环境而不是真实世界的程度，它与软件和硬件的设计有关

。 虚拟现实技术分为沉浸式虚拟现实和非沉浸式虚拟现实（non-immersive VR, NVR）。 在非沉浸式虚拟现实环境中，虚拟环境显示在标准的计算机显示器上，交互仅限于使用鼠标、 操纵杆或远程控制 （如电脑游戏）

。沉浸式虚拟现实可以让用户的整个身体与周围的环境进行自然的互动， 目前常用的设备是头戴式显示器（head-mounted display, HMD），虚拟环境根据患者的头部或者身体运动进行实时更新， 通过多种感官通道(视觉和听觉，甚至是触觉和味觉)对嵌入的主体进行实时刺激和交互，使轻度认知障碍患者拥有更加真实的体验

。目前，用于评估轻度认知障碍患者的空间导航能力的虚拟环境种类多， 如虚拟医院、虚拟超市、虚拟城市和虚拟建筑

等。

数学运算是在明晰运算对象的基础上，依据运算法则解决数学问题的过程．主要包括：理解运算对象，掌握运算法则，探究运算方向，选择运算方法，设计运算程序，求得运算结果等．数学运算是数学活动的基本形式，也是演绎推理的一种形式，是得到数学结果的重要手段[5]．研究发现，2018年的高考试题中很多都涉及到对数学运算素养的考查，下面以理科数学16题为例进行分析．

2 基于虚拟现实技术评估空间导航能力相较于传统评估方法的优势

常见的传统空间导航能力评估方法包括纸-笔测试和真实环境空间导航测试。 传统的纸笔测试的形式是小规模的空间认知测试，如韦氏积木测验、心理旋转测验和Money 路线图测试等

。 但是传统的纸笔测试显然缺乏现实世界导航的一个重要方面，即移动

。 此外，纸笔测试侧重于评估参与者使用鸟瞰世界的视角来学习和记住路线或位置的能力，而不是导航的能力

，故很难从纸笔测试的测量结果推断出参与者在真实世界的空间导航表现。 基于真实环境的空间导航测试需要绑定到特定的室内或室外环境，例如特定的医院，这使现实世界的空间导航测试存在限制，一方面，在特定环境下验证的测试结果对其他临床医务人员的辅助判断有限； 另一方面， 在现实世界的空间导航过程中很难控制许多潜在的干扰因素，如天气状况、交通和噪音

。 另外，参与者对测试环境的熟悉程度也会影响空间导航的测试结果， 一般表现为参与者对测试环境的熟悉程度越高，空间导航测试结果越好

，导致结果无法反映参与者真实的空间导航能力。基于虚拟现实的空间导航测试应用能弥补传统方法的局限性，而且生态效度高、使用方便、用户感兴趣等。此外，虚拟现实应用还可以根据临床或研究需求进行定制

。

3 基于沉浸式虚拟现实技术的空间导航能力评估相较于基于非沉浸式虚拟现实技术的优势

目前大多数研究应用非沉浸式虚拟现实技术评估轻度认知障碍患者的空间导航能力，但是使用沉浸式虚拟现实技术评估轻度认知障碍患者的空间导航能力相对于非沉浸式虚拟现实技术有理论和操作上的优势。 首先，非沉浸式虚拟现实设备在创造人机交互能力方面有限，缺乏运动或本体感觉反馈

。 其次，沉浸式虚拟现实设备能够排除外部视觉输入和更新与头部运动相关的模拟视觉环境来实现沉浸，这有助于整合前庭神经、本体感觉和视觉信息，使其更接近真实世界的导航过程，而非沉浸式虚拟现实设备无法实现

。

5.1 使用沉浸式虚拟现实的开放竞技场评估健康老年人、轻度认知障碍患者和临床前期阿尔茨海默病患者的空间导航能力 在日常生活中， 人们可以依靠自身运动信息即路径整合进行空间导航。Howett 等

比较了健康老年人、轻度认知障碍患者和临床前期阿尔茨海默病患者

的路径整合能力。 参与者被要求沿着L 形的路径向外走到3 个不同的位置，然后走回记忆中的第1 个位置，绝对距离误差用来判断参与者的空间导航能力。 结果显示，轻度认知障碍患者在导航任务中的绝对距离误差明显大于健康老年人（P＜0.01），比健康老年人的绝对距离误差估计增加了（57.33±17.87）cm； 与轻度认知障碍患者相比，临床前期阿尔茨海默病患者表现出明显更大的绝对距离误差（P＜0.001），表明基于沉浸式虚拟现实的路径整合任务能够区分健康老年人、轻度认知障碍患者和临床前期阿尔茨海默病患者。

4 基于沉浸式虚拟现实评估和识别轻度认知障碍患者的准确性

Kim 等

设计了基于沉浸式虚拟现实技术的RAM任务又称头戴式径向臂迷宫（Radial Arm Maze with a Head-Mounted，HMD-RAM），参与者可以在迷宫中自由导航。为了证明基于头戴式径向臂迷宫评估空间导航能力的有效性，将其与以往的基于非沉浸式虚拟现实技术（基于平板显示器）的导航成绩进行对比，结果显示，头戴式径向臂迷宫更有效地评估参与者的空间导航能力，参与者也表示在沉浸式虚拟现实环境中有更高的沉浸感。Howett 等发现基于沉浸式虚拟现实空间导航任务有助于区分轻度认知障碍患者和阿尔茨海默病患者，而且与传统的神经心理学测试[尤以蒙特利尔认知评估 （Montreal Cognitive Assessment,MoCA）量表使用最广泛

]相比，具有较高的敏感性和特异性（均为92%）

。这些发现表明，头戴式径向臂迷宫在评估人类空间导航能力方面有价值并可能成为识别轻度认知障碍患者的有用工具。

5 基于沉浸式虚拟现实技术评估轻度认知障碍患者的空间导航能力

Tarnanas 等

通过虚拟博物馆评估了参与者导航时的视觉空间工作记忆和执行功能， 方法是要求参与者在记忆信息的基础上定位虚拟博物馆中的文物，并回忆细节和相关的时空背景。 结果表明，遗忘型轻度认知障碍患者识别文物所需总时间以及错误次数与健康老年人相比有显著差异， 且基于虚拟博物馆区分遗忘型轻度认知障碍与健康老年人的敏感性为100%以及特异性为98%。Tarnanas 等的研究与之前的研究结果一致

。2 项研究结果显示基于虚拟博物馆的导航任务能够显著区分遗忘型轻度认知障碍参与者和健康老年人。

根据设计的3组试验，可得到试验结果见图3～图5。图3～图5中曲线显示的是船舶减速概率随船舶减速影响参数的变化关系，横坐标表示不同的船舶减速影响参数，纵坐标为船舶减速概率。仿真试验结果采用2种方案统计:一条曲线统计在整个仿真时间内所有发生减速的船舶数目与总船舶数目的比值，该曲线反映的是在试验条件下航道内的船舶减速状况；另一条曲线在统计结果时不计入因船舶减速连锁效应影响下的减速船舶，该曲线用来验证船舶减速概率模型的精度。从图3～图5中可知:3艘船舶减速影响因子与船舶减速概率相关性较好，其取值的增加都会使航道内发生减速的船舶比例增大。

在诊断符合情况方面,100例患者中,诊断符合78例,其概率为78.00%,缺铁性贫血组、地中海贫血组数据对比性不佳,P>0.05,详细情况如表二所示:

研究表明， 空间导航过程中常常涉及不同的导航策略， 尤以自我参照导航和环境参照导航最常见

。 在实际导航过程中，更倾向于混合参照导航，完整的空间导航涉及多种认知功能，如空间记忆的形成过程中涉及到工作记忆；路线选择、灵活导航等涉及执行功能

。

5.2 使用虚拟博物馆评估空间导航能力以区分遗忘型轻度认知障碍患者和健康老年人 根据患者是否发生记忆障碍，可将轻度认知障碍分为遗忘型轻度认知障碍（amnestic MCI, aMCI）和非遗忘型轻度认知障碍（non-amnestic MCI, naMCI），遗忘型轻度认知障碍包括单域遗忘型轻度认知障碍 （single-domain aMCI,sd-aMCI）和多域遗忘型轻度认知障碍（multipledomain aMCI, md-aMCI），遗忘型轻度认知障碍有更大的可能性发展为阿尔茨海默病

。

5.3 使用虚拟迷宫和城市路线任务评估空间导航能力以区分遗忘型轻度认知障碍患者和健康老年人da Costa RQM 等为了评估参与者空间导航能力而设计了虚拟空间定向测试 （spatial orientation in immersive virtual environment test, SOIVET），虚拟空间定向测试任务包括虚拟空间定向测试迷宫和虚拟空间定向测试路线， 虚拟空间定向测试迷宫中没有设置地标， 参与者可以使用自我参照导航策略探索他们的周围环境， 以正确转弯的总数作为参与者空间导航的成绩。 虚拟空间定向测试路线任务用于评估遗忘型轻度认知障碍患者的环境参照导航能力，虚拟空间定向测试路线任务是以圣保罗大学诊所医院中央研究所大厅为模板建立的虚拟环境，参与者首先学习路线，随后其被要求单独重复相同的路线，以是否以正确顺序访问所有地点评价参与者的空间导航能力。 结果表明，虚拟空间定向测试任务能够显著识别遗忘型轻度认知障碍患者（P＜0.01）

。

专家和嘉宾的热情参与，无疑让我们对中国制造的未来充满了信心，也明确了进一步发展的方向和改革创新的路径。

5.4 使用虚拟迷宫和社区任务评估空间导航能力以区分不同类型的轻度认知障碍患者 1 项研究进一步创造了区分不同亚型遗忘型轻度认知障碍的虚拟环境，即Mohammadi 等

设计的沉浸式虚拟现实迷宫和社区任务， 让20 例轻度阿尔茨海默病（mild Alzheimer’s disease，miAD）、30 例单域遗忘型轻度认知障碍患者、30 例多域遗忘型轻度认知障碍患者以及30 例健康老年人进行虚拟导航任务（virtual reality navigation task，VRNT）测试，虚拟导航任务中的社区任务和迷宫任务分别评估参与者的环境参照导航能力和自我参照导航能力， 虚拟导航任务设计有2 个虚拟环境：邻域和迷宫，分别用于评估自我参照导航能力和环境参照导航能力，两种环境之间的主要区别在于迷宫中缺乏导航地标。 使用正确回答次数和完成任务的时间衡量参与者的空间导航性能。结果显示，单域遗忘型轻度认知障碍患者、多域遗忘型轻度认知障碍患者以及轻度阿尔茨海默病患者的自我参照导航能力比环境参照导航能力受损更严重， 单域遗忘型轻度认知障碍组与健康老年人空间导航能力差异并不显著， 但单域遗忘型轻度认知障碍患者的空间导航表现明显优于多域遗忘型轻度认知障碍患者和轻度阿尔茨海默病患者，故利用虚拟导航任务测试可以区分单域遗忘型轻度认知障碍患者， 多域遗忘型轻度认知障碍患者和轻度阿尔茨海默病患者。

6 展望

本文综述了评估轻度认知障碍患者空间导航能力的方法， 包括基于虚拟现实技术和传统的评估方法。重点介绍了基于沉浸式虚拟现实技术的空间导航任务识别轻度认知障碍患者的准确性及其方法。几项研究显示，沉浸式虚拟现实开放竞技场任务能够区分健康老年人、轻度认知障碍患者和临床前期阿尔茨海默病患者；沉浸式虚拟现实博物馆和虚拟空间定向测试任务能够区分遗忘型轻度认知障碍患者和健康老年人；虚拟导航任务能够将单域遗忘型轻度认知障碍患者与多域遗忘型轻度认知障碍患者和轻度阿尔茨海默病区分开来。这些研究已经证明沉浸式虚拟现实可以成为检测空间导航能力的敏感评估工具，即沉浸式虚拟现实在评估和区分轻度认知障碍方面具有显著的鉴别潜力。虽然国外已有研究证明基于沉浸式虚拟现实技术评估空间导航能力能够识别轻度认知障碍患者，但是鉴于国内尚无人开展基于沉浸式虚拟现实技术评估空间导航能力以识别轻度认知障碍患者的研究，无法确定基于沉浸式虚拟现实技术是否能正确评估轻度认知障碍患者的空间导航能力的改变规律，故在国内外的临床应用方面还需进一步研究。 此外， 沉浸式虚拟现实设备还有待改进，使之变得更便宜，也进一步降低模拟器病

，模拟器病的减少可通过减轻视野限制，升高图像质量和帧率来实现。

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