虚拟现实技术在认知障碍康复评定和治疗中的应用

王佳音，高蓓瑶，郑钧升，江 山*

(1.中日友好医院 康复医学科，北京 100029；2.北京中医药大学，北京 100029)

据统计，我国当前60 岁及以上人群认知障碍患者达5 300 多万，其中痴呆患者1 507 万，轻度认知障碍的患者3 877万，对我国社会与经济造成沉重的负担[1]。认知障碍是一组以认知功能受损和运动能力下降为主要特征的临床综合征，包括谵妄、痴呆、遗忘和其他认知障碍，分为轻度认知障碍和重度认知障碍。轻度认知障碍（mild cognitive impairment，MCI）是指处于正常衰老预期的认知能力下降与痴呆后更加严重的认知能力下降之间的一个阶段。其特征为记忆、语言、思考或判断能力下降。重度神经认知障碍也称为痴呆。痴呆是一种以认知功能减退为特征的疾病，可累及一个或多个认知领域，如学习和记忆、语言、执行功能、复杂注意力、知觉运动功能和社会认知功能等。这种缺陷是比既往功能水平下降，并且严重到足以干扰日常功能和独立性。

目前尚缺乏治疗神经认知障碍的有效药物，越来越多的研究显示非药物干预方式在治疗神经认知障碍中具有优势。对认知障碍患者在早期进行针对性的康复治疗，不仅可以改善认知功能障碍，还可以改善患者的预后。

虚拟现实技术（virtual reality，VR）是利用计算机技术和感知器技术模拟虚拟环境的交互手段，让用户产生身临其境的感觉。VR 的硬件设备主要包括头戴式显示设备、主机系统、追踪系统和控制器，而软件则多以VR游戏或视频为主。1993 年Wann 首次提出将VR 技术应用于康复治疗的可能性。近年来，随着VR技术的不断进展以及VR在认知康复中的应用，将VR 与认知康复结合是一个热点研究方向，不仅如此，VR 技术还可以与其他康复方式结合应用于各认知域[2]。本文主要综述国内外学者应用VR 在认知康复评估、认知康复治疗、多种康复方式结合治疗等方面的进展。

1 VR应用于认知障碍评估

传统的认知障碍评定方法主要依赖于临床神经心理学检查。Meir Plotnik 等证实了将神经心理学测试从二维纸笔转换为基于VR的三维格式是可行有效的[3]，并且三维格式保留了神经心理学测试的核心特征，这提示了基于VR的认知测试可以作为一种有效的新型认知评价方法。

1.1 VR应用于记忆障碍评估

记忆是认知功能的重要组成部分，分为回顾性记忆和前瞻性记忆。回顾性记忆是指回忆过去事件的能力，虽有多种神经心理测试可用于评估，但传统临床测试缺乏现实环境的刺激，影响评估结果，而基于VR的记忆评估可弥补这一缺陷[4]。前瞻性记忆与回顾性记忆不同，是指在将来某一时刻实施目的行为的记忆。目前，最常用的前瞻性记忆评估量表是里弗米德行为记忆测验（Rivermead Behavioral Memory Test，RBMT），但其与前瞻性记忆相关的内容较少[5]。Banville等[6]发现，基于VR的前瞻性任务评估可以显示RBMT 评估中未能显示的损伤，说明了基于VR 的评估工具敏感性更高。此外，VR 在改善MCI 患者空间认知和情景记忆方面有临床应用的价值[7]。

1.2 VR应用于执行障碍评估

执行功能包括多个自上而下的认知过程，它们共同促进了目标导向的行为。认知灵活性、反应抑制和工作记忆被认为是负责执行功能的主要机制。虚拟现实功能能力评估工具（virtual reality functional capacity assessment tool，VRFCAT）可用于测量4 种不同场景下的执行能力，以此评估在高度真实的环境中执行现实世界任务的熟练程度[8]。Turner[9]分析了使用VRFCAT 和所有神经心理学评估30例帕金森（Parkinson’s disease，PD）患者的测试数据，发现VRFCAT 可作为执行功能的测量方法，测试时间远低于经典评估方法，且不受PD运动症状的影响。

1.3 VR应用于注意障碍评估

注意障碍是指注意力容易分散，不能持续放在一项任务上，严重影响患者认知和肢体功能康复，同时降低了患者学习能力和工作效率。Aula Nesplora 测试是一项基于VR 的持续表现测试，该测试允许存在虚拟干扰物。Areces[10]招募了50 名注意缺陷与多动障碍的学生和30 名正常学生，并将受试者的传统神经心理学测试表现和基于VR的注意功能测试结果进行比较，结果显示，Aula Nesplora测试可以作为注意障碍评价的工具，且准确性高于传统认知加工疗法（cognitive processing therapy，CPT）测试。

1.4 VR应用于整体认知障碍评估

整体认知障碍意味着多认知域的损伤。目前已有证据表明不同的认知领域可能具有共同的神经元损伤基础，说明认知损伤并不是独立存在的，如MCI和阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）都可以存在多项认知域受损的临床表现[11]。Zygouris[12]分析MCI 患者使用虚拟超市进行认知训练的表现，并与神经心理学测试表现相比较，数据显示，VR 认知训练应用程序的正确分类率为91.8%，对MCI 诊断的灵敏度和特异性分别为94%和89%，表明基于VR的认知测试用于评估MCI是可行的。

目前用于评估MCI和AD 的传统神经心理学测试较为成熟，但从MCI 患者中鉴别前驱期AD 的认知测试仍然依赖于神经病理学检查和血清生物标志物检查，其检查成本高、检查手段有创，应用于人群早期筛查仍有一定的局限性。David Howett[13]招募了45 名MCI 患者和41 名健康对照者，并以脑脊液AD生物标志物作为鉴别前驱期AD的金标准，研究人员检测其中26 名MCI 患者的脑脊液状态，确定12 名为生物标志物阳性，14 名为生物标志物阴性，再分别对受试者进行基于VR 的路径整合测试、神经心理测试和MRI 采集（包括内嗅皮质在内的多个相关脑区体积）。该研究结果表明，基于内嗅皮层的虚拟现实导航任务可以从MCI 症候群中鉴别前驱期AD 患者，其准确性优于被认为对前驱期AD高敏感度和特异性的参考认知测试。

除将VR 应用于MCI 和AD 认知评估，还有研究发现VR 也可以应用于其他疾病认知障碍的诊断和评估。Limoncu[14]通过虚拟超市鉴别脑小血管病(cerebral small vessel disease，SVD)患者和健康受试者，研究表明，虚拟超市可作为区分SVD患者与健康人的认知筛查工具。

2 VR应用于认知障碍治疗

认知障碍虽难以治愈，但认知康复训练对改善患者功能障碍和提高生活质量具有临床意义。已有研究通过fMRI 证明了VR 可以对中枢神经系统产生影响[15]。研究发现，与传统纸笔训练相比，沉浸式VR康复技术能够增强患者的感知觉，减少焦虑和疲劳，提高依从性、参与度和享受度，还可根据训练目的、患者爱好和病情特点设计多种有效的训练方式，并生成各种模拟日常生活的VR环境，并伴有及时反馈和激励措施，提升认知训练的个性化。

2.1 VR应用于记忆障碍治疗

目前，VR 在记忆障碍训练领域的研究逐渐增多，具体可分为前瞻性记忆以及空间和情景记忆的训练。Yip进行了基于VR的前瞻性记忆训练对脑损伤患者康复效果的研究[16]，结果显示患者在虚拟环境和现实环境的前瞻性记忆结果具有明显改善。Park[17]通过对24 名MCI 患者进行基于VR 的社会认知训练（social cognitive theory，SCT），即VR-SCT 训练发现，VR-SCT 可通过增强海马功能而增强MCI 患者的空间记忆和情景记忆。Caglio 等[18]运用虚拟游戏对脑损伤患者进行导航训练，对训练前后进行神经认知功能评估并随访了1 年，运用功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，FMRI）观察大脑区域激活的改变，结果发现通过VR训练，患者的空间记忆能力在训练后有提高，海马和海马旁回区域被明显激活。

2.2 VR应用于执行障碍治疗

在一项对MCI 的基于VR 的干预计划研究中，Thapa[19]使用脑电图分析发现，基于VR 的干预可以让MCI 患者在静息状态下表现出显著改善的执行功能和大脑功能。Park[20]进行了一项长期VR 治疗效果的研究，将32 名MCI患者随机进行共16 个疗程虚拟购物训练或传统认知训练，并在训练前后进行了韩国版执行功能性能测试（EFPT-K）和韩国日常生活工具活动(K-IADL)测试，结果虚拟购物训练有益于增强MCI 患者的执行功能和工具性日常活动能力量表（instrumental or domestic activities of daily living, IADL）。

2.3 VR应用于注意障碍治疗

Ben-Yishay 等[21]认为注意功能是认知功能的基础，并且在认知功能康复中需要把注意障碍的康复作为基础和优先的训练。有研究表明，VR 的认知训练可以使认知障碍患者的注意力功能出现显著改善[22]。此外，有研究将VR 注意力训练与功能性近红外光谱成像技术（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）同时用于注意缺陷多动障碍（attention deficit/hyperactivity disorder，ADHD）患者，结果显示ADHD儿童的症状得到了显著改善[23]。

2.4 VR应用于整体认知障碍治疗

认知障碍并不是独立存在的，不同的认知域共同受到皮质和皮质下共同的神经元调控[11]。而VR 技术应用于整体康复可以同时改善多领域的认知障碍，并可取得较传统认知康复更好的效果[24]。Maggio[25]的研究表明，基于VR 的认知训练具有复杂性和多样性，可以刺激患者多个脑区，训练可以使不同的神经系统疾病患者在执行、视空间、言语、注意力和记忆等多领域都有显著改善。另一项研究认为，VR 对MCI患者认知功能的改善，同时伴随了患者心理健康和情绪水平的提高[26]。在MCI 患者中的一项随机对照试验中，研究者发现在12 周的训练时间内，VR 组的蒙特利尔认知评估（Montreal Cognitive Assessment，MoCA）评分高于同一时间节点的对照组[27]。上述结果提示VR 训练在改善整体认知方面可能较传统常规训练更显著。此外，也有多项研究表明VR 也可以用于PD[28]、脑卒中[29]、颅脑损伤[30]、癌症[31，32]、脑瘫[33]患者的认知障碍治疗。

3 VR技术与其他治疗方式/检测设备相结合

目前，已有越来越多的研究关注VR 结合其他治疗方式的应用，有望取得更好的治疗效果。有研究发现，在多发性硬化患者中，VR 结合有氧运动训练改善认知功能和纠正情绪障碍的效果好于单独有氧运动[34]。认知功能与躯体功能两者为“共现关系”，并不独立存在，肢体运动功能和认知功能的改善可能会相互促进。一项研究表明，虚拟皮划艇运动相比常规治疗可以更好地改善MCI 患者的姿势平衡、肌肉表现和认知功能[35]。Hsieh 对60 名患有认知障碍的老年人进行随机对照实验，结果发现基于VR 的太极拳训练可以改善认知障碍患者认知和身体功能[36]。

3.1 VR技术与康复机器人相结合

VR 结合上肢、下肢、手部康复机器人也是目前的研究前沿。VR 辅助上肢机器人训练不仅在改善上肢运动功能和认知功能的效果上都优于常规治疗，并且VR 辅助上肢机器人训练对认知功能的改善与上肢运动功能的改善存在正相关[37]。Maggio[38]在一项VR 与下肢康复机器人相结合的研究中发现，VR 与机器人共同训练会让脑损伤患者在整体认知、执行和注意力功能方面有显著改善。Michele[39]通过研究发现，基于VR 的手部康复机器人不仅增强了瘫痪手臂的运动功能，而且增强了脑卒中后患者的整体和特定认知能力。而“强化学习”机制是指一种基于奖赏或惩罚的反馈来学习和优化行为的机制，它在人工智能和神经科学中都有广泛的应用。在神经科学中，强化学习理论也被用来解释神经系统中的学习和决策现象，如多巴胺神经元的活动与预测误差信号的相似性，以及基底神经节、杏仁核等脑区在强化学习过程中的作用。因此，Maggio[38]认为，结合VR 和Lokomat 的训练可以形成感知、认知和行动之间的相互整合，并回忆记忆的运动计划，激活了人脑中的“强化学习”机制，因此可以提高脑卒中患者的步行康复效果。

3.2 VR技术与非侵入性脑刺激相结合

虚拟现实能够将用户沉浸在一个受控、生态和安全的环境中，而非侵入性脑刺激已经成为MCI和阿尔茨海默病治疗中一种有前途的认知治疗方法。Mancuso 等[40]建议将这两种方法整合起来，提供一种多模态刺激，以增强认知训练，使康复更加高效。Cheng[41]将40例PD 和MCI患者随机分为3 组，即rTMS-VR 组13 例、rTMS 组11 例和假rTMS组16 例，rTMS 处方是在左背外侧前额叶皮层连续10 次间歇性爆发性θ 波刺激（iTBS）。在基线、干预后和3 个月随访时，使用可重复神经心理测查系统（RBANS）和MoCA 测量认知功能，发现rTMS-VR 组在干预后RBANS 的延迟记忆评分以及MoCA 的视觉空间和执行功能评分高于rTMS组，并且RBANS在3个月后的延迟记忆评分方面仍表现出显著改善。

3.3 VR技术与脑机接口相结合

脑机接口（brain-computer interface，BCI）可以直接连接，实现大脑与外部设备之间的信息交流。现在有技术将非侵入式脑机接口与虚拟现实结合，实现了虚拟现实接口。Rohani等[42]使用了一种基于脑电图（electroencephalography，EEG）信号的BCI 系统，可以实时监测儿童在VR 教室中的注意力状态。BCI 系统包括了一个头戴式EEG 采集设备，一个信号处理模块，一个注意力分类器，一个VR教室场景和一个反馈控制模块。该研究对12 名健康儿童（平均年龄10.5 岁）和6 名ADHD 儿童（平均年龄9.8 岁）进行了实验。每个儿童都要参与2 个实验条件：BCI-VR 教室和非BCI-VR 教室。在BCI-VR 教室中，儿童要戴上EEG 设备，并根据VR 教室的反馈进行学习任务。在非BCI-VR 教室中，儿童不戴EEG 设备，在VR 教室中进行相同的学习任务，但是没有反馈控制。实验前后，儿童要完成一个注意力评估表（CPT），以测量他们的注意力水平。研究结果显示：注意力分类器的准确率在健康儿童组和ADHD儿童组分别为86.7%和83.3%，表明BCI系统可以有效地区分2 组儿童的注意力水平；VR 教室的反馈控制效果在健康儿童组、ADHD儿童组分别为0.67、0.72，表明BCI系统可以根据儿童的注意力变化调整VR教室的难度和刺激程度；儿童的学习成绩在BCI-VR 教室中比非BCI-VR教室中有显著提高，健康儿童组和ADHD 儿童组分别提高了13.3%和18.3%；儿童的注意力评估表得分在BCI-VR教室中比非BCI-VR 教室中有显著提高，健康儿童组和ADHD 儿童组分别提高了9.2%和12.5%。因此，Rohani 认为这种BCI-VR 教室的结合是一种有前景的工具，可以用于ADHD儿童的注意力评估和训练。

4 VR技术的局限性

实际应用中，多数虚拟现实技术只能模拟听觉、视觉、触觉和运动感知，设备成本高且可用样本有限。沉浸式虚拟现实技术使用大型屏幕或头戴设备生成虚拟环境，但由于技术不够成熟，可能会引发晕动症和其他健康问题，例如头痛、恶心、呕吐和方向障碍等。

有研究表明，使用VR后可能会出现眼睛疲劳、视力模糊、手柄不易操作和头盔显示器不舒适等反馈[43]。Albani等[44]在一项研究的长期随访结果中发现，在23名随访患者中有6 名患者偶然出现过视觉幻觉，即虚拟环境中不存在的图像。也有一些研究对VR应用于认知康复的有效性提出了质疑。Waleed 等在一项对老年MCI 和轻度痴呆患者的研究中发现，VR 训练在整个治疗过程中MoCA 评分在治疗前后没有明显变化[45]。

目前，虽然多数研究都支持患者会容易接受VR 认知康复并起到更好的治疗效果，但对于治疗效果的客观评估仍不一致，可能与具体的VR应用以及评估方式有关，未来需要更多的对照研究进行验证。