虚拟现实技术在轻中度认知障碍老年人群中的应用进展

叶毓琪 朱爱勇 王欣国 梅花

(1.上海中医药大学,上海 200000;2.上海健康医学院,上海 200000)

轻度认知障碍(mild cognitive impairment,MCI)是介于认知正常与痴呆之间认知功能损害的临床阶段,表现为记忆力显著降低,语言能力和时空分类等方面存在部分障碍。研究认为,MCI是痴呆的重要前期阶段[1],患有MCI的老年人群进展为痴呆的可能性是正常人群的10～15倍[2],约46%的MCI患者在3年内由中度认知障碍进展为痴呆[3],出现记忆力、定向力和语言等多领域障碍,严重干扰日常活动,并增加家庭和社会负担。预计到2050年,痴呆患者将增加到1.52亿,即每10名60岁以上人群中就有1人患有痴呆症[4]。有研究[5]表明,老年人认知功能的下降是不可逆的,因此,对老年人认知功能早期的筛查和干预是关键,及时有效的采取预防措施至关重要。虚拟现实(virtual reality,VR)技术的出现为研究者提供了一种在临床上创造环境的新方法,即将认知刺激元素与虚拟沉浸相结合,用于临床上筛查轻中度认知障碍、改善老年人群认知功能及提高日常生活能力等[6]。本文就VR的概述与分类、应用及效果进行综述,并在总结的基础上提出建议,为后期相关部门构建VR干预方案提供理论支持。

1 VR的概述与分类

1.1VR的概念和起源 VR的概念起源于20世纪五六十年代计算机领域,被应用于医学领域则始于1994年,亚特兰大克拉克大学的人机交互小组首次使用VR治疗心理障碍[7]。随即引起了临床医生和研究人员的关注,研究者将其作为心理评估和神经康复的工具。VR是一种计算机应用程序,参与者通过不同的感官进入导航与3D计算机共同生成的虚拟环境。VR与人脑采用相同基本机制——实体化模拟,借助实体化技术设计虚拟环境,来模拟外部和内部世界[8]。随着医学的发展,VR技术越来越多地应用于医疗和保健领域,如手术模拟和训练、康复、心理治疗和医学教育等。

1.2VR的分类 根据VR带来的沉浸感体验将其分为：非沉浸式系统 (non-immersive systems,NI)和沉浸式系统(immersive virtual reality,IVR)[9],IVR包含完全和半沉浸式2种类型。NI一般是利用1台电脑模拟2D或3D影像,参与者使用鼠标或键盘来完成虚拟任务,目前已较少使用;IVR的特点是模拟3D环境,参与者一般佩戴头戴式显示器 (head-mounted display,HMD),研究者将屏幕安装在参与者的眼前,保证参与者可看到高保真图形。上述2个类型的虚拟与现实的交互性是通过系统跟踪参与者头部的运动并结合计算机控制、跑步机和游戏手柄等工具来实现的,当参与者移动头部环顾四周时,即在虚拟环境中360°移动视野;半沉浸式系统是运用大屏幕显示器或多层次高性能图形计算的系统,给参与者提供比非沉浸式系统更好的沉浸体验[10]。

2 VR的应用

2.1干预步骤及原理 (1)选择使用工具。早期的VR设备在创造自然互动能力方面受到限制,人工环境的设计依赖于2D显示器和控制器,参与者需要练习才能有效操纵杆和鼠标设备[11],但随着科学技术的不断提高,现已进入模拟3D环境的时代。VR最简单的形式是3D图像,参与者在电脑上通过按键和鼠标进行交互性探索,使图像向某个方向移动或放大或缩小[12]。最新的VR设备是VR HMD,带有2个高像素的显示器,每个显示器的视角稳定并连接到1台高性能电脑及2个用于运动跟踪的基站,再有2个用于输入的运动控制器和1个屏幕用来复制参与者的视图,便于护理人员和研究团队观察。老年参与者通过佩戴HMD和手持控制器来实现虚拟环境的沉浸体验,佩戴手腕和胸部等传感器记录心电活动,进入状态后,研究者向参与者发送音频或视觉指令来确保执行不同的任务,并记录其任务表现,再进行各项表现的结果评估。VR硬件系统包括智能手机、耳机和VR HMD。(2)根据研究目的设计虚拟环境。研究者模拟设计老年参与者熟悉的生活环境或现实世界地标,如中国长城和埃及金字塔等,使参与者相信自身沉浸在合成空间中,感受到“存在”或“在那里”的感觉;研究者也可设计虚拟的情景,如现实中并不存在的地方,来刺激患者大脑相关功能受损领域,包括刺激短期记忆、注意力、警觉性、时间和空间定向力、工作记忆力、视觉空间导航能力、运动协调能力和执行功能,如抽象力、计算力和决策能力等[13]。针对不同的模拟场景研究者再细化步骤,增强受试者参与感。

2.2干预方式 虚拟技术的干预一般遵循上述步骤,根据不同研究目的,临床中应用的干预方式如下。

2.2.1虚拟任务方式 研究者设计虚拟环境后,老年参与者需完成任务选项,研究者根据参与者完成任务的结果对参与者进行认知能力评估。干预地点通常在医疗中心,选择安全、安静且私密性好的房间,由护理人员从旁协助参与者进行。如研究者[14]将虚拟场景设定为海滩、田野和森林,则先使用高清相机拍摄一段真实世界360°镜头视野并制作成虚拟场景;使用VR硬件系统,当老年参与者感觉佩戴舒适后护理人员启动VR系统,研究者遵循详细的指南,在VR播放期间观察参与者的语言和表情,结束后使用相关量表对老年参与者进行认知能力测试。虚拟场景也可设置为花园[15],研究者先使用摄像机拍摄几个高清视频再使用专业构图软件进行渲染,老年参与者佩戴VR HMD,手持控制器,站或坐在指定位置完成以下任务(沿着小径行走、触摸花朵、喂鸭子和将石头扔进池塘等),参与者还可开发自己的种植区,浇灌各种类型的开花植物,最后由护理人员或研究者进行各维度的测评。

2.2.2游戏方式 部分虚拟认知干预研究将虚拟沉浸世界设计成游戏场景,老年参与者通过玩游戏的方式接受认知干预,如划船和钓鱼等。研究者在虚拟场景中设计游戏任务,让老年参与者以玩家的身份参与游戏训练,达到身体平衡训练、静态训练和动态锻炼等目的。有研究[16]开发了基于游戏的智能测试,参与者使用16网格键盘设备来执行12 min的任务,参与者在测试期间需保持坐姿,根据研究者的信号做出正确反应并按下按键,最终研究者将传统认知量表与VR干预结果进行认知功能的比对。

2.2.3健康教育方式 护理人员和研究者也将VR应用于轻中度认知障碍老年人的健康教育中[17],包括但不限于利用虚拟场景进行康复训练和预防跌倒等。研究者通常录制一段康复锻炼教学视频,如八段锦、太极拳、健康操或某套个性化康复锻炼动作,通过VR合成剪辑并将老年参与者带入沉浸式环境,参与者模仿动作,研究者从旁指导、鼓励和观测,护理人员和研究者根据参与者的特点和适应性进行调整,记录其运动表现并实时获得反馈。

3 VR在轻中度认知障碍老年人中的应用效果

3.1筛查老年人认知障碍 Lim等[18]将175 名参与者随机分组,实验组老年人需完成6个认知领域(感知运动功能、执行功能、复杂注意力、社会认知、学习和记忆以及语言)共13项任务(包括家务、记忆、购物和社交互动等)的训练,结果显示VR可评估老年人的部分认知能力,且具有替代传统问卷评估方式的潜力。另一项来自意大利Monia[19]团队的研究发现,基于VR技术的游戏干预对老年人认知功能有影响：VR在检测老年人右侧海马区神经元变性的能力上优于传统认知评估工具--蒙特利尔认知评估量表(montreal cognitive assessment,MoCA),VR被证明是评估老年人认知功能的有效方式,且对于老年患者来说操作更便捷。同时,VR也可鉴别老年人认知障碍的主要症状,Areej等[20]将自行设计的一种存储患者个人信息和检索模型的3D游戏应用于115例老年认知障碍患者中,检测认知障碍的主要症状(包括记忆力减退、视觉空间缺陷和空间导航等),结果显示VR在患者的疾病诊断测试中可充当决策支持系统。

3.2改善老年人认知功能 有研究[21-22]表明,VR能帮助老年人塑造大脑健康,VR干预后老年人整体认知能力,和部分语言记忆和注意力等能力亦显著改善。我国学者王阳[23]使用VR远程康复系统对49例MCI老年患者进行为期36个疗程的居家认知虚拟现实训练,结果发现VR康复系统对MCI患者的记忆改善明显优于常规治疗。薛静刚等[24]将60例MCI患者随机分为每组30例为期12周的训练,干预组接受VR康复训练,结果显示VR能有效改善患者的认知能力,且对患者产生的负面影响较小,可进行大范围的临床推广与使用。另有研究[25]将64例MCI老年患者随机分为实验组和对照组各32例,实验组实行每周5次每次20～30 min的虚拟综合认知干预,持续8周后结果显示,虚拟综合认知干预同药物协同效果显著,且认知干预是一个长期的过程,干预持续时间越长改善效果越显著,反之干预周期太短可能导致干预效果不佳。

3.3改善老年人日常生活的工具性活动能力 有研究[26]显示,社区MCI的老年人在配备传感器和网络摄像头的模拟智能家居实验室中执行了2项日常生活的工具性活动任务,患者的日常生活活动能力有显著改善。孙志成等[27]应用我国的传统医学八段锦对养老院MCI患者进行虚拟现实的干预后,结果显示基于VR的八段锦可有效改善认知障碍老年人工具性活动能力。

3.4改善老年人心理健康 VR技术可改善老年人的心理健康,包括淡漠、抑郁和焦虑等,并增强其幸福感[28]。澳大利亚一项研究[29]对1所老年护理机构认知障碍并伴有淡漠症状的老年人进行VR干预,结果显示患者的淡漠程度改善,语言流畅度增加。我国的相关研究[30]也显示,将基于VR的认知训练应用于轻中度认知障碍老年人中,有效缓解其抑郁和焦虑等负性情绪。

4 小结及展望

VR通过计算机技术高度模拟现实世界,实现了认知与运动相结合的干预,让老年参与者具有高度沉浸和参与感,个性化的定制方式可及时给与老年参与者响应和鼓励,研究者和护理人员可及时进行调整。VR亦容易与其他形式的技术相结合,如智能家居和5G智慧医学等,这或将成为未来VR投入使用的主要趋势。综上,VR在筛查老年人认知障碍及改善老年人认知功能、日常生活的工具性活动能力和心理健康方面具有明显优势。其不足之处在于：(1)对于不熟悉技术且不习惯处理技术的老年人,接受完全沉浸式环境需要时间,使用前研究者和护理人员应与老年人充分沟通使其达到心理平衡,建议优先采用老年人感兴趣的事项进行模拟,同时应注意避免对老年人产生过度刺激,在VR干预前需加以培训才可进行。(2)由于技术限制,最先进的沉浸式环境与现实世界并不完全对应,导致部分老年人表现出类似于晕动病的副反应[31],评估的有效性受到影响,甚至可能导致评估中断[32],因此产生的伦理和安全问题需值得护理人员和研究者注意。(3)当前部分研究干预时间较短,尚不能充分证明VR技术的干预长期有效。(4)评估量表和评价指标不一致,过程中可能存在一定的主观因素。我国的相关研究主要是聚焦于VR的干预对认知能力的影响,对改善老年人心理健康等其他方面的研究尚不充分,需更多的临床数据加以验证。另外,实际正在应用VR的机构较少,大部分仍停留在试验阶段,建议可由一线城市的养老机构、长期护理的医院和社区等优先试用。