虚拟现实技术在轻中度阿尔茨海默病病人认知康复中的研究进展

耿咏晴，陈亚楠，张雅婷，林翠霞，姜孟涵，刘振奥，利越萍

阿尔茨海默症(alzheimer disease，AD)是一种神经系统退行性疾病，主要的治疗方法有药物疗法和非药物疗法。目前用于AD的药物有多奈哌齐、利瓦斯汀、加兰他敏、谷氨酸盐拮抗剂(美元刚)[1]。大量研究证实药物持续治疗在一定程度上是有益的，但疗效有限，不能改变病程。阿尔茨海默病病人都伴随着不同程度的认知障碍，全球正面临着巨大的认知症负担。美国精神病协会(American Psychiatry Association,APA)2007年AD诊疗指南提到 AD病人除了接受药物治疗外，还应该进行康复疗法[2]。康复疗法对阿尔茨海默病病人具有较好的治疗效果，可显著改善其认知能力，提高其生存质量。认知康复训练有助于AD病人认知功能恢复[3]。虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是一种新兴的非药物认知干预方法。近年来，VR技术在国外的诸多痴呆照护机构得到了应用且其益处被患有认知障碍的老年人广泛接受。在这一领域，VR在其他先进技术中占有突出的地位[4]。更值得注意的是，VR的可行性已在健康老年人和痴呆症病人中得到证明[5]。然而，由于我国VR技术相对国外起步较晚，对VR技术在阿尔茨海默病病人认知康复的关注较少，相关应用研究也不足。因此，本文通过对国内外相关文献进行研究，对VR在轻中度阿尔茨海默病病人认知康复中的应用进行综述，以期为以后的临床实践提供参考。

1 VR概况

VR也就是虚拟环境，是20世纪出现的一种新型技术，VR技术的研究起源于计算机图形学，现已扩展到仿真、传感等多个学科领域。它通过电脑进行虚拟的模拟，提供给用户关于视觉等感官的模拟环境，可以让使用者在虚拟的环境中看到任何东西都会有一种身临其境的错觉。虚拟现实依赖于三维(three dimensional，3D)立体头部跟踪显示及身体跟踪感应技术，这构成一种身临其境的多感官体验[6]。

随着科技的发展，虚拟现实技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域。虚拟现实是一种分散注意力的方法，它通过头戴式显示器和耳机，提供一种极其逼真、交互式的虚拟环境，帮助减轻疼痛和痛苦。VR基于两个关键维度:沉浸感和现场感，这使得人们不再怀疑这种体验是人为的，并允许更大程度的现场感和对刺激的反应，同时也使得其逐渐成为认知康复的新兴工具。VR技术因其价格低廉、易于使用，已成为科学和临床研究的普遍做法。VR技术近年来被引入医疗行业,广泛应用于康复训练、心理治疗、医学教育等领域[7-11]。

2 VR在改善认知康复方面的机制

VR技术是由计算机图形仿真、立体显示、传感网络、语音输入、空间定位等技术综合起来的一种计算机仿真系统，具有沉浸性、交互性、构想性三大基本特征[12]。虚拟现实技术已被广泛应用于游戏、影像、军事、医学、航空航天等领域。当前虚拟现实技术在老年人认知评价和培训中的应用正处于一个新的发展阶段[13]。VR装置使用了更高级的技术，采用桌面平台或PC显示器，通过键盘、鼠标或操纵杆、游戏手柄、触觉手套，甚至是耳机，可以人为地制造出一个与现实世界相适应的环境，使一个或多个人与虚拟环境和三维实体互动[14]。因为 VR可以表现出立体的物体，创造出一个复杂的多感官虚拟场景，使病人在日常生活中有一种身临其境的感觉，而这种多来源的无创刺激可以提高受损脑区的神经重建程度，对病人的康复训练有很大的帮助。VR在康复中的应用相对较新，并已被证明是一种有效的工具，通过参与者的积极参与实现预期的临床结果。

3 VR在改善认知功能方面的效果

3.1 VR可以改善轻中度AD病人的认知功能 AD是严重的神经退行性疾病，严重影响病人的行为、认知和记忆。目前虽然没有治愈AD的方法，但促进病人的认知康复有助于获得必要的支持、适当的药物治疗，并尽可能维持智力、社交和体育活动。认知康复训练是认知功能再学习过程，通过对注意力、定向力、思维、记忆、计算等方面功能进行强化训练，并将训练结果应用到日常生活中，以改善病人日常生活能力[15]。提高病人的认知能力是提高 AD病人和家庭生存质量的关键。随着VR技术的不断发展，其在认知康复方面也取得了显著效果。

3.1.1 VR改善轻中度AD病人认知功能的作用机制 虚拟现实是把有认知缺陷的病人置于电脑产生的虚拟世界里，给病人带来“在场”的体验，使病人能通过模拟真实的生活刺激，与他们进行多个感官的交流。虚拟现实运用了许多心理学上的感官层面，即视觉、触觉和动态感知，为病人在虚拟世界中进行活动、任务和测试，以满足不同病人的不同特点和需要。从神经病学的观点来看，其机制如下：大脑可塑性补偿模型指出, 老化的大脑通过代偿性增加大脑网络(如额叶、颞叶和顶叶区域等)的激活,以维持最佳认知功能,故大脑激活的增加表明,认知障碍老年人需要更多的大脑网络来实现相似的认知表现,其认知效率更低。病人前额叶区域的大脑激活减少，整体认知功能得到改善[16]。

3.1.2 VR改善轻中度AD病人认知功能的效果 国外已有研究证明虚拟现实(结合计算机化认知训练)能有效延缓认知障碍的进展[17]。王凯蓉等[18]对国内外相关文献进行系统研究，探究沉浸式虚拟现实认知训练对阿尔茨海默病病人的干预效果。结果表明，阿尔茨海默病病人在体验式虚拟现实认知能力的培养中，整体认知能力显著提高。特别的是，VR是一个扩展工具，不但可以提高病人的认知功能，而且也可以评价他们的认知水平。目前用于认知训练的虚拟现实系统专注于执行与日常工具锻炼(instrumental or domestic activities of daily living，IADL)相关的活动，例如：烹饪、驾驶、购物等。VR技术已成功应用于不同的神经系统疾病，与传统康复治疗相比，它展示出了更大的潜力。随着VR技术的不断发展，其在认知康复方面也取得了显著效果。

3.2 VR对AD病人认知康复的国内相关研究 目前国内VR技术用于AD病人的认知康复的研究较少。孙志成等[19]对56例养老院阿尔茨海默病病人进行虚拟现实情境训练干预研究，对照组采取养老院常规养老护理服务，观察组病人在此基础上实施6种VR情景互动游戏训练，干预6个月以后观察组病人MMSE评分和ADAS-cog评分显著提高。结果表明，VR情景互动训练可有效改善养老院AD病人的认知功能。刘桂兰等[20]在一项研究中招募了90例AD病人，利用虚拟现实技术对阿尔茨海默病人进行认知训练，研究发现基于虚拟现实技术的认知训练能够有效促进阿尔兹海默病病人认知功能的恢复。相关研究表明，虚拟现实的感觉刺激可以有效改善AD病人的认知和记忆。Yang等[21]研究结果表明，多感觉刺激能有效改善AD的病理，唤起记忆，改善认知和行为，还能引起脑神经振荡，增强大脑可塑性，调节局部脑血流量,在AD的改善和治疗中发挥着重要作用。赵荣荣等[22]通过对轻度认知障碍病人进行虚拟现实认知康复训练，结果显示虚拟组蒙特利尔认知评估量表(MCOA)评分明显高于常规组，提示虚拟现实技术能有效提高病人认知功能，病人也愿意继续采取虚拟现实认知康复训练。

3.3 VR对AD病人认知康复的国外相关研究 近年来，国外非侵入性非药理性认知康复越来越受关注。VR技术作为一种不断成熟的新型技术，也被越来越多应用到了医疗领域。Gamito等[23]开发了一种基于虚拟现实的严肃游戏应用程序，将注意力和记忆任务结合日常生活活动进行认知训练，结果显示，干预组的注意力和记忆功能有显著改善。国外一个名为“Neuro@Home”的远程康复虚拟现实平台为患有神经疾病的病人提供运动和认知康复，通过不同难度的康复任务，初步数据显示，在连续8周、每周进行5次60 min的训练后，所有受试者在认知康复方面都取得了显著进步。Zygouis等[24]研究表明，在VR训练过程中，随着AD病人积极情绪体验的增强，可相应提高其认知功能。一项研究虚拟现实技术在AD病人中的应用的结果表明，随着新兴的显示和交互技术的结合，将使创新设计和实现更有效和多功能的支持性虚拟现实应用程序成为可能，可用于AD病人的诊断和认知训练[25]。此外，国外一项关于情节自传体记忆在AD早期受损的研究[26]，表明使用VR系统可能有助于AD病人的回忆康复。国外已经开始在Life Supporting Technologies(LifeTech)开展一个名为“通过虚拟现实为老年人提供认知培训(aCTIVATE)”的项目。该项目利用马德里大学电信工程学院Lifetech智能家居生活实验室的虚拟现实设施开发、设计和优化基于虚拟现实的CR培训工具，以缓解认知、行为和心理损伤症状，帮助改善早期AD老年人的生活质量，推进缓解老龄人口认知障碍的CR解决方案。最近的研究表明，使用熟悉的基于图像的虚拟现实可以刺激健康老年受试者的自传体记忆[27]。Doniger等[28]研究结果显示，基于虚拟现实技术，通过在AD病人发病前增强认知功能，有可能延迟甚至预防该疾病。不同随机对照试验均显示出VR技术在认知康复方面显著的效果，能够有效改善病人的认知功能。

4 VR在改善认知功能方面安全性评价

VR的360度沉浸体验会给使用者类似乘坐过山车看景物的感受,使用者容易出现头晕的感觉[29]。病人在进行VR体验时，视觉神经与其他传输神经对中枢神经产生矛盾的信号，可能会导致神经中枢发出强烈的眩晕指令，导致跌倒、呕吐等意外的发生。目前大多数研究缺少相关的安全性报告。VR用户体验方面存在着位置信息错误、头晕不适、立体视觉错误、声音不匹配等多方面亟待解决的问题,未来的研究应进行相关的安全性监测,了解与VR技术相关的所有不良事件。

5 VR在改善AD病人认知功能存在的问题

第一，针对VR改善认知康复方面缺少相关的成本效益评估。VR的实现需要VR软件与沉浸式虚拟现实硬件的配合来实现[30]。目前市场上主流的VR软件有Unity(免费)、Unreal Engine(后期付费)、CryEngine(部分付费)、Lumberyard(免费)。主流硬件的价格不等。目前仍缺乏针对认知康复方面VR应用所产生的成本分析。第二，对于虚拟现实技术的使用目前缺乏统一标准规范。《虚拟现实产业发展白皮书》指出,VR行业的快速、健康发展应以技术标准为指导。中国AVS标准工作组等已经开始制订虚拟现实技术的技术规范。第三，VR技术也需要结合临床需求不断地完善其功能，根据病人不同情况针对个性化训练。这点需要临床工作者、家庭照顾者及专业信息技术人员共同协作完成。第四，也有学者提出，VR不是作为医疗设备设计的，因此它们很难被消毒以供不同的病人重复使用[31]。另外，现有研究还没有AD病人认知功能长期效果的评估，缺乏大样本实验对研究结果进行验证。

6 小结

由于AD患病率与年龄增长呈正相关，伴随着全球老龄化的加剧，全球AD病人也将持续增长[32]。近年来，医疗专业人员越来越多地使用虚拟现实进行认知障碍病人的认知康复[33]。国外已利用新兴的显示和交互技术的结合，使得创新设计和实现更有效和多功能的支持性虚拟现实应用程序成为可能，用于AD病人的诊断和认知训练。不仅在改善病人认知功能方面有显著效果，VR的其他有益医疗用途还包括手术训练、脑卒中后干预、肌肉骨骼恢复、疼痛缓解等，整体提高了病人的生活质量。目前仍需大量实验和研究探索VR技术在认知康复方面的可行性和治疗相关的功能。虚拟现实技术在医学领域还面对各种各样的问题，仍需各界学者不断探讨并解决，以促进医学技术不断发展，为人类健康作出贡献。