虚拟现实技术在重症监护室睡眠障碍病人中的应用进展

迟嘉婧，高 晓，于万慧，刘佳欣，汤俊杰，张歆睿，杨丽娟

睡眠障碍是指夜间睡眠在数量和质量方面的感知或实际变化，以及随之带来的白天疲乏无力及精力不足等症状[1]。重症监护室(ICU)环境特殊，病人病情相对危重复杂，因受光线、噪声、护理操作等不良因素的刺激，ICU病人入睡困难、睡眠碎片化、睡眠效率低下等问题日益突出。研究表明有28%～61%的ICU病人存在睡眠障碍[2]，不仅会影响病人本身疾病的康复及痊愈，而且容易诱发谵妄、神经认知障碍等并发症[3]。因此，开拓一种对病人更为有利的治疗手段成为目前临床迫切需要解决的问题。虚拟现实(virtual reality,VR)技术是一种在互联网环境下由计算机产生特定的画面及声音,使病人沉浸于虚拟的环境中并且可以与其进行互动的新兴技术[4]。近些年，该技术用于ICU睡眠障碍病人的治疗成为越来越多国外学者研究的热点问题，开始在国外ICU病房投入使用[5-6]，其打破传统疗法的束缚，展现出独特的优势和较好的发展前景[7]。据此，本文主要对虚拟现实技术的概述、虚拟现实技术在ICU睡眠障碍病人中应用和效果以及存在的问题进行综述，根据现存的问题提出相应的对策及展望，以期为我国ICU睡眠障碍病人的临床护理提供依据。

1 虚拟现实技术的概述

虚拟现实技术以计算机为依托，将图形学、传感器、人工智能技术及人机接口技术相融合，使体验者处于设定的环境中，并可与虚拟的世界进行交互，真实体验视觉、听觉、触觉等多种感受[8]，创造一种适宜睡眠的安静环境，可改善病人睡眠质量。目前该技术最常见的分类方法是根据沉浸程度不同分为沉浸式、桌面式、增强式和分布式4类系统[9]，针对ICU病人主要考虑沉浸式系统，其包括VR头戴式系统和VR康复训练系统[10]。另外，虚拟现实技术具有沉浸感、交互性及构想性3个特征[11]，沉浸感是指体验者完全沉浸于特定的虚拟环境中，可以真切地感受其看到的画面、听到的声音、闻到的气味等，仿佛置身其中，这也是VR技术最核心的特征；交互性在人机和谐方面是非常关键的，表现为体验者可以通过一系列操作与虚拟环境中的物体进行互动，在自身发出动作的同时可以得到虚拟环境的回应；构想性是指体验者在使用的过程中会加深对已认知事物的感性及理性认识，使其展开新的想象，激发体验者创造性思维。目前，随着计算机和人工智能等技术的迅速发展，VR技术已拓展到生活的各个领域，在医学领域的延伸已体现在康复治疗[12]、教学实践[13]、解决认知障碍[14]等方面。对于ICU病人睡眠障碍问题，VR技术可通过三维仿真技术，营造出一个具有舒缓音乐、柔和画面的虚拟环境，使病人可忽略外界环境的干扰。有研究发现，为病人提供具有催眠作用的声音，如安静的音乐可以降低心率和呼吸频率，从而有助于改善睡眠，与以往传统方法相比，具有显著优势[15]。

2 虚拟现实技术在ICU睡眠障碍病人中的应用

2.1 适用对象及时间 虚拟现实技术主要适用于呼吸[16]、循环[17]等内科急危重症以及心脏手术[18]、恶性肿瘤[19]等外科重大手术术后清醒的、生命体征平稳的成年ICU病人；对于存在头面部及颅脑损伤的病人，镇静程度评估表(Richmond Agitation Sedation Scale,RASS)评分<-1分，存在视听障碍以及出现谵妄、躁动等认知精神障碍无法配合VR设备正常使用的病人应排除在外[19]。自ICU病人第一次出现睡眠障碍后即可开始应用，以尽早缓解病人不适症状。

2.2 应用方法 应用前由医护人员向病人本人或家属详细介绍VR设备的使用方法、作用及可能出现的问题，签署知情同意书，并提前检查VR设备的性能及完整性，确保治疗顺利进行；应用过程中由医护人员和专业技术人员根据病人的病情设置具体的模式，并为病人佩戴 VR 头盔显示屏，播放轻而柔和的音乐，助眠的话语，呈现令人放松的户外场景，如海浪沙滩、山谷森林、花园草坪等，病人也可根据自己的喜好进行选定，全程伴随轻柔温和的声音为引导[20]，给予病人多种感官体验，在此期间病人可进行实时反馈，实现与虚拟环境的交互，帮助病人提高睡眠质量，更快地进入睡眠。病人入睡后30 min可由护理人员帮忙取下并详细记录保存各种数据信息；使用完成后护理人员应及时了解病人的使用感受并进行记录反馈[19]。

2.3 应用系统

2.3.1 基于头戴式系统 目前常见的头戴式系统有HTC Vive、三星Gear VR系统等，其主要组成部分包括头戴式显示器、中心处理器及交互设备[19]。该系统利用VR头戴式显示器传输虚拟的画面及设定的声音，可突破二维的矩形边框，实现3D立体环绕及头部跟踪，使病人真实感受沙滩、平原等自然景观，聆听舒缓的音乐、轻柔的话语，将病人完全封闭在一个虚拟的环境中，享受视觉、听觉、触觉等多种感官体验，并可通过三维鼠标、数据手套等实现交互，具有高度沉浸性、极强的交互性和参与感，病人不会受到外界光线、噪声的干扰，完全沉浸在特定的环境中，可以更好地进入睡眠，缓解病人的焦虑心情及不适症状。头戴式系统按照VR硬件形态可分外接式头显设备、移动端头显设备、一体机头显设备3种[21]。外接式头显设备又称PC端头显设备，以计算机为依托，病人可通过独立显示屏获取画面，而缺点是费用过高；移动端头显设备是将手机放置于头戴式设备中作为显示屏，可随时调节观看位置，灵活方便且价格相对低廉，目前临床应用较为广泛；一体机头显设备具有独立的处理器及输入和输出装备，具有高度的沉浸感，完全不受空间及外部条件的约束，是最高级的一种类型，但由于该类型研发成本相对过高，目前暂未投入临床使用。

2.3.2 基于睡眠辅助系统 睡眠辅助系统是由Huang等学者提出的一种新型沉浸式VR系统，该系统在原有头戴式系统的基础上进行升级，结合单通道脑电图(EEG)睡眠阶段分类算法，由睡眠盒(计算终端)、轻型虚拟现实眼镜(HMD)、数据采集服务器和基于机器学习技术的分类算法组成，整合了VR和多媒体技术，可有效改善睡眠[15]。新型的轻量级神经反馈虚拟现实头盔，成功克服可穿戴问题，带有电极贴片的特定电路用于捕获EEG信号，然后通过睡眠盒将数据实时传输至物联网服务云，后台可在线计算包括睡眠阶段预测在内的所有与睡眠相关的参数。该研究表明，90名参与者被邀请在3个不同的系统上测试3D VR、2D视频和音乐，结果显示，该技术的效果优于现有方法，未来可更好地帮助ICU病人提高睡眠质量[15]。

3 虚拟现实技术对ICU睡眠障碍病人的应用效果

3.1 虚拟现实技术的应用可缓解ICU睡眠障碍病人负性情绪，缩短病人入睡时间 ICU病人病情相对危重，对自身疾病的担忧及高昂的住院费用均会给病人带来焦虑、抑郁等负性情绪[22]。研究表明，80%的ICU意识清醒病人都会伴随负面情绪,导致睡眠障碍的发生,入睡困难成为ICU病人的主要问题之一[23-24]。Jawed等[25]招募了15例ICU病人进行VR技术的体验，向其展示放松的海滩场景，并使用评分量表对其经历进行评估，结果显示71%病人的焦虑情绪在VR体验中得到了改善。Blair等[26]对1例行体外氧合膜肺治疗的ICU病人进行VR干预，结果同样显示病人的焦虑、抑郁等负性情绪得到了减轻。VR技术可直接或间接地通过缓解负性情绪帮助ICU病人解决入睡困难的问题，这一点在既往的研究[27]中也得到了证实，通过分散病人注意力，使其沉浸在虚拟的放松现实环境中，这种虚拟环境可以减缓病人的负性情绪，降低病人睡眠的心率，缩短病人入睡时间，从而在心理和生理水平上共同促进睡眠。总的来说，虚拟现实技术在缩短ICU睡眠障碍病人入睡时间方面展示出了较好的成效，该技术有望成为ICU病房促进睡眠的临床工具，旨在帮助ICU病人克服入睡困难。

3.2 虚拟现实技术的应用可减轻睡眠障碍病人躯体疼痛，减少睡眠中断 引起ICU睡眠障碍病人睡眠中断的原因不仅包括翻身、吸痰等护理操作，躯体疼痛也是导致病人睡眠中断的重要因素[28-29]，并且ICU病房出现疼痛症状的病人占50%～70%[30]。有研究指出，病人疼痛症状的减轻，可减少85%睡眠中断的发生，主观睡眠质量明显提高[31]。有研究报道，67例心脏外科术后的ICU病人在接受专为疼痛设计的30 min VR模拟后，呼吸频率、平均动脉压和心率均降低，通过分析比较生命体征的变化及与调查量表的联系，结果表明病人疼痛程度得到有效减轻[32]。另外，Hoffman等[33]在一项6～17岁严重烧伤的ICU病人的研究中，给予48例患儿新型便携式VR设备干预，并使用图形评级量表评估干预前后疼痛的变化，结果显示，患儿疼痛评分显著降低，从而有利于减少睡眠中断的发生，缩短睡眠碎片化时间。从目前的研究来看，虚拟现实技术能够有效减少病人夜间觉醒次数及睡眠中断的发生，可以成为解决ICU病人睡眠障碍的一种新的疗法，为医护人员提供新的治疗思路。

3.3 虚拟现实技术的应用可延长病人深度睡眠时间，提高病人睡眠效率 减少浅睡眠、延长深度睡眠时间，提高睡眠效率对ICU病人身体机能的康复及病情的好转具有重要意义[34]。Lee等[5]采用随机对照试验的方法，将48例ICU病人随机分成试验组和对照组各24例，试验组病人在入院当天的晚上，使用头戴式虚拟现实显示器进行30 min的冥想，对照组没有进行干预，主要观察指标为睡眠量表和活动跟踪器。通过一款可穿戴腕带FitBit，整合病人的运动和心率数据来评估病人30 s的睡眠时间，可提供睡眠阶段数据，包括睡眠总时间、浅睡眠、深度睡眠时间等。结果显示，试验组的主观睡眠质量明显高于对照组，且试验组病人清醒时间较短，深度睡眠时间较长，睡眠效率显著高于对照组。由此可见，虚拟现实技术可以显著增加病人深度睡眠时间、提高睡眠效率，为ICU病人病情痊愈及身体康复提供有力保障。

3.4 形成良性循环，加速病人康复 虚拟现实技术通过制造沉浸式的三维体验，使病人完全摆脱外界环境的干扰，在虚拟环境的引导下，安心地进入睡眠，缩短了病人的入睡时间、减少了睡眠中断、提高了睡眠效率及睡眠质量，有效地解决了ICU病人的睡眠障碍问题。另外，有研究表明保证ICU病人的优质睡眠也可以在一定程度上帮助病人缓解不良情绪、减轻身体疼痛、减少安眠及镇痛药物的使用，避免副作用的发生，有利于身体进一步恢复，而病人病情的好转也会在一定程度上促进睡眠，从而形成良性循环，加速病人康复，缩短住院时间，提示医护人员下一步可以考虑将VR技术作为解决ICU病人睡眠问题的临床治疗工具[6]。

4 虚拟现实技术在ICU睡眠障碍病人应用中存在的问题及对策

4.1 可能存在不良反应 虚拟现实技术能够给病人带来逼真的虚拟体验，但由于虚拟动画和移动虚拟场景的变换，头痛、眩晕、方向障碍等不良反应也可能随之而来，称为视觉诱导晕动症(visually induced motion sickness,VIMS)，也是VR技术目前最常见的不良反应之一[35-36]。因此，在使用VR设备前建议医护人员可通过视觉晕动敏感性问卷(Motion Sickness Susceptibility Questionnaire,MSSQ)[37]等对ICU病人进行评估，以减少不良反应的发生；在使用过程中时刻关注病人的舒适度，提前做好应急预案，一旦出现任何不适应及时中止干预，以防加重病人病情或出现新的问题。另外，使用时由于眼睛距离屏幕非常近，可能会使部分病人产生近视、眼部的不适及疲劳感[38]，但目前VR头戴式系统尚未出现非眼镜设备可以替代，未来仍需要进行进一步的突破。

4.2 缺乏统一的实施规范及评价标准 目前，虚拟现实技术针对ICU不同病情睡眠障碍病人的干预时长和干预方案的选择主要取决于病人的个人主观体验，尚缺乏统一的规范及实施标准[39]。另外，对于病人使用后效果的长期随访研究仍存在空白，无法形成统一的评价标准。未来有必要探索适用于ICU不同病情的睡眠障碍病人干预时长及干预方案的高质量研究，并进行追踪随访，以形成规范的实施和效果评价体系。

4.3 研发技术尚不成熟 虚拟现实技术在ICU病人中的投入与应用处于初级阶段，对病人睡眠的干预主要针对清醒病人，而对无意识及深度昏迷病人的改善作用有待进一步探究。此外，目前VR技术的研发水平还有很大的提升空间，存在计算机占地面积大、系统操作复杂等问题[11]，ICU病人由于受疾病的限制，操作系统过于复杂，实施存在一定的困难，并且可能会加重护理人员的工作负担。这提示虚拟现实技术的研发可考虑多学科协作，充分考虑医护人员等各方建议，对现存的虚拟现实头戴式系统进行升级，为虚拟现实技术在ICU睡眠障碍病人中的应用提供进一步的支持。

4.4 成本相对过高 虚拟现实技术由于设备先进，为能够给病人带来更加真实的体验，开发和使用维护成本相对过高，尤其对于ICU病人来说，在本身疾病费用的基础上，更加加重了家庭的经济负担。因此，这项技术的进一步推广与发展需要得到政府及社会的大力支持，政府可设立相应的专项基金，扶持VR技术在临床的投入，并可考虑将虚拟现实技术的使用纳入医保范围。另外，研发部门也可通过降低生产成本减少病人费用的支出，减轻病人家庭压力。

5 展望

虚拟现实技术是帮助ICU病人解决睡眠障碍问题的新型技术，在原有干预的基础上对治疗ICU病人睡眠障碍方面有了新的突破，主要在入睡时间、睡眠中断、深度睡眠时长、睡眠效率等方面上显示出了积极作用，但仍有研究表明没有证据支持VR技术对睡眠问题具有显著影响，因此，该技术的拓展与应用仍需进行进一步探究[40]。另外，虚拟现实技术在国内ICU病人中的应用虽处于初始阶段，但其对ICU睡眠障碍病人的治疗效果已显示出巨大潜力，未来需开展大样本、多中心的研究试验进行验证，并且进一步注重其耐受性和普适性的发展，以期为我国ICU睡眠障碍病人的临床治疗提供更多的参考依据。