虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在卒中后認(rèn)知功能障礙患者康復(fù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及可能機(jī)制

王麗坤，楊力凝，白定群

腦卒中是全球第一大致殘?jiān)?，也是第三大死因，預(yù)計(jì)2050年卒中的發(fā)病率將翻倍[1]。卒中后認(rèn)知功能障礙(post-stroke cognitive impairment, PSCI)是卒中后一種常見并發(fā)癥，72%的腦卒中患者并發(fā)認(rèn)知功能障礙[2]，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量[3]。因此，促進(jìn)PSCI的康復(fù)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的認(rèn)知功能康復(fù)訓(xùn)練方式較為單一，對(duì)患者感官刺激過少，影響其在PSCI患者認(rèn)知康復(fù)中的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality，VR)是近年迅速發(fā)展的一種康復(fù)技術(shù)，具有沉浸性、構(gòu)想性及交互性等特點(diǎn)[4]，已逐漸應(yīng)用于PSCI患者的康復(fù)治療[5-6]。

1 PSCI形成原因及康復(fù)路徑

1.1 PSCI形成原因 PSCI的發(fā)病機(jī)制十分復(fù)雜，主要包括腦血管損傷、腦神經(jīng)退行性變、炎癥以及氧自由基損傷等機(jī)制[7]。卒中后，腦血管損傷導(dǎo)致腦實(shí)質(zhì)受損是PSCI的主要發(fā)病機(jī)制[7]，急性腦血管損傷通過使神經(jīng)元壞死導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙，慢性腦血管損傷還可以通過損害神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙[8]。另外，腦卒中加快或誘發(fā)微管相關(guān)蛋白神經(jīng)退行性病變[9]、腦缺血所致炎癥反應(yīng)使腦細(xì)胞水腫甚至死亡[10]以及腦梗后缺血再灌注致大量自由基的產(chǎn)生[11]均可能與PSCI的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。

1.2 PSCI康復(fù)路徑 PSCI的康復(fù)主要依賴于受損神經(jīng)細(xì)胞的修復(fù)和大腦皮質(zhì)的重建[12]，康復(fù)訓(xùn)練通過重復(fù)的感官刺激、功能鍛煉和一定的訓(xùn)練強(qiáng)度推動(dòng)以上康復(fù)機(jī)制，增加大腦的可塑性，從而改善患者認(rèn)知功能[13]。目前認(rèn)知功能訓(xùn)練主要依靠治療師，具有訓(xùn)練周期長(zhǎng)、成本高、效果差等缺點(diǎn)。VR訓(xùn)練一方面可以減少人力、物力的成本，另一方面可以通過重復(fù)的多感官刺激提高殘存神經(jīng)元的興奮性，促進(jìn)受損大腦的功能重建以及形成新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來改善患者的認(rèn)知功能，在PSCI的康復(fù)中展現(xiàn)出巨大潛力[14-15]。

2 VR技術(shù)的特點(diǎn)及用于PSCI的優(yōu)勢(shì)

2.1 VR技術(shù)的特點(diǎn) VR是一種利用“用戶-計(jì)算機(jī)”界面的交互技術(shù)，可以生成模擬真實(shí)事物的虛擬環(huán)境，用戶通過傳感設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行自然交互[16]。VR具有“3I”特征，即沉浸性、交互性和構(gòu)想性[17]，讓患者處在視、聽、觸一體化的虛擬環(huán)境中，從而擁有身臨其境的感覺。另外，治療師可以對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整[18]。VR訓(xùn)練還可以得到病人的及時(shí)反饋，治療師可以及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練難度及強(qiáng)度[19]，并且VR訓(xùn)練更有吸引力，能提高患者的康復(fù)滿意度[19-20]。VR技術(shù)模式主要分為沉浸式和非沉浸式。沉浸式VR利用頭戴式眼鏡，定位器及手柄等對(duì)患者進(jìn)行多感官刺激，讓患者產(chǎn)生置身于真實(shí)環(huán)境的錯(cuò)覺[21]；非沉浸式VR利用電子屏幕、鼠標(biāo)及鍵盤等設(shè)備，使患者與電子屏幕的環(huán)境進(jìn)行交互從而完成訓(xùn)練任務(wù)[22]。目前還出現(xiàn)增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，前者將真實(shí)世界與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合；后者是指多個(gè)用戶體驗(yàn)同一虛擬環(huán)境，他們可以對(duì)同一虛擬環(huán)境進(jìn)行操作[23]。

2.2 VR用于PSCI康復(fù)的優(yōu)勢(shì) VR用于PSCI的優(yōu)勢(shì)可以歸納以下幾點(diǎn)：①VR通過視、聽、觸等多種感官的反饋以及多變的場(chǎng)景提高患者的積極性，增強(qiáng)患者主動(dòng)康復(fù)意愿及康復(fù)滿意度[24-25]。②可以對(duì)患者設(shè)計(jì)個(gè)性化訓(xùn)練方案，并且患者可以通過觀看自己的訓(xùn)練視頻，進(jìn)行反思及再學(xué)習(xí)[26]。③VR可以呈現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)高度相似的環(huán)境，患者可以將訓(xùn)練中學(xué)到的技能更好的遷移到真實(shí)世界。④VR更利于遠(yuǎn)程康復(fù)，可延長(zhǎng)患者康復(fù)治療時(shí)間，為患者提供更多康復(fù)可能性。⑤VR可與近紅外光譜成像技術(shù)(Funtional near-infrared spectroscopy,fNIRS)、功能磁共振(functional magnetic resonance imaging, fMRI)、腦電圖等技術(shù)結(jié)合，利于研究患者認(rèn)知功能改善的機(jī)制。

3 VR用于PSCI康復(fù)的現(xiàn)狀

3.1 VR用于卒中后記憶功能障礙的康復(fù) 記憶功能障礙是卒中后認(rèn)知功能障礙的核心癥狀，對(duì)卒中后記憶功能障礙進(jìn)行評(píng)估和康復(fù)訓(xùn)練尤為重要。Brooks等[27]設(shè)計(jì)了一間虛擬房間，讓患者依次移除房間內(nèi)的家具，隨后通過回憶完成的任務(wù)來評(píng)估患者的記憶功能，研究結(jié)果表明相比于傳統(tǒng)的記憶量表評(píng)估，VR靈敏度更高。

VR也用于記憶功能的訓(xùn)練。Wallet等[28]設(shè)計(jì)了類似于現(xiàn)實(shí)城市布局的VR系統(tǒng),讓患者記憶導(dǎo)航路線，結(jié)果提示VR訓(xùn)練后患者的記憶功能得到顯著提高。另外，溫鴻源等[29]在一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)中納入80例PSCI患者，隨機(jī)分為對(duì)照組和研究組，對(duì)照組接受傳統(tǒng)的認(rèn)知訓(xùn)練，研究組在對(duì)照組的基礎(chǔ)上加上VR訓(xùn)練。VR訓(xùn)練內(nèi)容包括行走、賽車等項(xiàng)目，患者在治療師的指導(dǎo)下進(jìn)行不同場(chǎng)景的體驗(yàn)，隨后自由回憶訓(xùn)練中發(fā)生的細(xì)節(jié)。結(jié)果表明，訓(xùn)練后研究組在圖片再認(rèn)、即時(shí)回憶、延時(shí)回憶的功能改善均高于對(duì)照組。

根據(jù)目前的研究來看，VR對(duì)PSCI的記憶訓(xùn)練主要以情景記憶訓(xùn)練為主，讓患者可以更好的將獲得的記憶能力運(yùn)用于生活中。記憶功能主要分為前瞻性記憶與回顧性記憶，當(dāng)前的研究主要集中于后者，但前瞻性記憶對(duì)日常生活的作用也至關(guān)重要。有研究利用補(bǔ)償措施改善前瞻性記憶，但效果較差[30]，因此需要能與現(xiàn)實(shí)相容，具有生態(tài)效度的辦法，VR便可以達(dá)到上述要求，但相關(guān)VR系統(tǒng)仍較少，因此將來需要更多改善前瞻性記憶、整合前瞻性和回顧性記憶的VR系統(tǒng)。3.2 VR用于卒中后執(zhí)行功能障礙的康復(fù) 執(zhí)行功能是指高級(jí)認(rèn)知功能對(duì)低級(jí)認(rèn)知功能的調(diào)節(jié)和控制，卒中患者經(jīng)常伴有執(zhí)行功能障礙。Ana Lúcia Faria等人[31]設(shè)計(jì)了一款名為“Reh@City”的VR系統(tǒng)，將18名卒中患者分別分配到VR組和傳統(tǒng)組。VR組的病人在類似城市的VR環(huán)境中完成購(gòu)物、買藥、取快遞及在銀行完成交易等日常生活能力訓(xùn)練；傳統(tǒng)組通過紙、筆完成拼圖、形狀分類等常規(guī)的認(rèn)知功能訓(xùn)練，結(jié)果表明VR組的病人在執(zhí)行功能方面表現(xiàn)的更好。后來Faria等人[32]將上述軟件改進(jìn)，設(shè)計(jì)了“Reh@City2.0”版本，該版本增加了在服裝店買衣服、在公園游玩、在報(bào)亭閱讀報(bào)紙及在家完成擺放家具等任務(wù)。并且在虛擬場(chǎng)景里，患者是通過自己的手臂來完成這些任務(wù)，進(jìn)一步提高了訓(xùn)練的生態(tài)有效性。該研究將36名卒中患者分別分配到VR組和傳統(tǒng)組，VR組進(jìn)行“Reh@City2.0”的VR康復(fù)訓(xùn)練，傳統(tǒng)組利用全球通用的任務(wù)生成器(the task generator, TG)為參與者生成個(gè)性化的紙-筆認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃，結(jié)果表明兩組患者執(zhí)行功能均改善，但組間比較提示VR組改善更明顯。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于VR用于卒中后執(zhí)行功能障礙相關(guān)研究偏少。已有研究表明VR可以用于顱腦損傷患者執(zhí)行功能的評(píng)估[33]，但VR用于卒中后執(zhí)行功能評(píng)估的系統(tǒng)還有待進(jìn)一步發(fā)展。另外，目前用于執(zhí)行功能康復(fù)的VR訓(xùn)練系統(tǒng)場(chǎng)景較為單一，需要多場(chǎng)景、多模塊的VR康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)去改善患者的執(zhí)行功能。

3.3 VR用于卒中后注意功能障礙的康復(fù) 注意功能障礙是卒中后患者常見并發(fā)癥，包括分散注意障礙、持續(xù)空間障礙及空間忽視等，對(duì)患者生活及工作造成嚴(yán)重影響[34]，因此對(duì)注意功能的評(píng)估與康復(fù)訓(xùn)練非常重要。Ogourtsova等[35]設(shè)計(jì)了一款超市購(gòu)物的VR場(chǎng)景，通過記錄、觀察患者購(gòu)物時(shí)行走的路徑與理想路徑的偏差以及購(gòu)物時(shí)長(zhǎng)對(duì)患者進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的紙筆測(cè)試，VR對(duì)卒中后空間忽視的評(píng)估更為敏感。隨后，Villarreal等[36]開發(fā)了“Ball Rain” 系統(tǒng)來測(cè)試卒中后患者空間忽視，再次證明VR相比于傳統(tǒng)紙筆試驗(yàn)，可以更有效的評(píng)估患者的空間忽視。

VR也被廣泛用于卒中后注意力障礙的康復(fù)訓(xùn)練。Morse等[37]設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)程VR康復(fù)系統(tǒng)對(duì)空間忽視患者進(jìn)行訓(xùn)練，結(jié)果提示VR可以提高患者對(duì)康復(fù)的自信和生活獨(dú)立性，也證明這種遠(yuǎn)程的VR康復(fù)形式是能被接受的。隨后，Martina等[38]在一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照研究中納入30名PSCI患者，隨機(jī)分為VR組和傳統(tǒng)組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)VR組患者注意力得到明顯改善，并且這種改善在隨訪中仍然存在，意味著患者通過VR訓(xùn)練不僅可以改善注意力，還可以將他們?cè)赩R訓(xùn)練中學(xué)到的知識(shí)融入到他們以后的日常活動(dòng)中。W?hlin等[39]在一項(xiàng)小樣本研究中，利用特征性注意力網(wǎng)絡(luò)機(jī)制為卒中患者專門設(shè)計(jì)了一款VR系統(tǒng)，對(duì)13名卒中后空間忽視的患者進(jìn)行為期5周的訓(xùn)練后，利用fMRI對(duì)患者雙側(cè)大腦間的功能連接進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示患者雙側(cè)大腦半球間靜息狀態(tài)注意網(wǎng)絡(luò)功能連接在訓(xùn)練后增強(qiáng)，證實(shí)了VR可以通過促進(jìn)大腦重塑從而改善卒中后空間忽視。

通過上述研究中可以看出VR對(duì)注意力的訓(xùn)練已進(jìn)入高速發(fā)展階段，并且通過與fMRI等影像學(xué)技術(shù)結(jié)合，使VR的訓(xùn)練效果得到更客觀的評(píng)估。但目前對(duì)注意力的訓(xùn)練還主要集中在對(duì)空間忽視的改善，很多卒中后患者也存在其他注意障礙，因此需要更多針對(duì)不同類型注意力障礙的VR系統(tǒng)。

3.4 VR用于卒中后總體認(rèn)知功能障礙的康復(fù) 卒中患者腦區(qū)往往會(huì)廣泛受損，認(rèn)知功能的損傷也是多方面的，不僅僅局限于某一種認(rèn)知功能減退。Spreij等[40]在一項(xiàng)研究中讓卒中患者在虛擬超市購(gòu)物，在貨架上找到指定的商品并且付款，隨后對(duì)參與者的完成度以及參與感進(jìn)行問卷調(diào)查，結(jié)果表明利用VR對(duì)患者進(jìn)行認(rèn)知功能評(píng)估是可行的。VR也用于總體認(rèn)知功能訓(xùn)練。任應(yīng)國(guó)等[41]在傳統(tǒng)的認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練基礎(chǔ)上進(jìn)行VR訓(xùn)練，在每天1次，連續(xù)4周的訓(xùn)練后，評(píng)估患者的認(rèn)知功能，結(jié)局表明VR訓(xùn)練能有效改善PSCI患者的認(rèn)知功能。VR也常與其他康復(fù)訓(xùn)練方式聯(lián)合。張紅利[42]等將頭針與VR聯(lián)合改善PSCI患者認(rèn)知功能，結(jié)果提示頭針聯(lián)合VR能有效提高PSCI患者認(rèn)知功能及日常生活能力。Torrisi等[43]納入48名卒中患者，分別進(jìn)行傳統(tǒng)認(rèn)知訓(xùn)練和上肢機(jī)器人聯(lián)合VR訓(xùn)練，在每周5次，共8周的訓(xùn)練后，機(jī)器人聯(lián)合VR訓(xùn)練組在注意力、執(zhí)行力及視覺空間能力方面得到更好的改善。在另一項(xiàng)更大的實(shí)驗(yàn)中，Manuli等[21]納入90名卒中患者，隨機(jī)分配到下肢機(jī)器人聯(lián)合VR認(rèn)知訓(xùn)練組，單純VR訓(xùn)練組以及傳統(tǒng)認(rèn)知訓(xùn)練組。在VR訓(xùn)練任務(wù)中，患者需要避開或者收集在虛擬環(huán)境中移動(dòng)的物體，結(jié)果提示下肢機(jī)器人聯(lián)合VR認(rèn)知訓(xùn)練組的患者在認(rèn)知靈活性、選擇注意能力及視覺注意能力方面的改善優(yōu)于其他兩組。柏玲等[44]將VR與低頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(repetitive transcranial magneticstimulation,rTMS)聯(lián)合來改善卒中后認(rèn)知功能障礙，結(jié)果表明相比于單純的rTMS，VR聯(lián)合rTMS對(duì)患者認(rèn)知功能改善更明顯。

上述研究表明，目前已初步探索VR用于認(rèn)知功能的評(píng)估，但相關(guān)VR系統(tǒng)情景較為單一，將來需要開發(fā)具有多模塊的VR系統(tǒng)對(duì)總體認(rèn)知功能進(jìn)行評(píng)估。在對(duì)認(rèn)知功能康復(fù)訓(xùn)練的報(bào)道中，多數(shù)是利用VR聯(lián)合運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行認(rèn)知功能訓(xùn)練，通過運(yùn)動(dòng)和感知覺的多種刺激促進(jìn)大腦的神經(jīng)重塑，相比于傳統(tǒng)認(rèn)知康復(fù)具有更好的效果。但單獨(dú)的VR訓(xùn)練對(duì)認(rèn)知功能的改善是否優(yōu)于傳統(tǒng)訓(xùn)練還存在爭(zhēng)議，部分研究報(bào)道[17, 45]VR對(duì)卒中后認(rèn)知功能障礙有積極作用，但與傳統(tǒng)的治療相比，結(jié)果沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此需要更多的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證VR對(duì)卒中后認(rèn)知功能障礙的作用。

4 VR用于PSCI的可能機(jī)制

卒中后認(rèn)知功能恢復(fù)主要依賴于神經(jīng)可塑性，而VR提供的安全性、個(gè)性化及多感官刺激的環(huán)境可以形成有效的康復(fù)環(huán)境[46]，從而提供神經(jīng)可塑性的必要因素(及時(shí)反饋、多次重復(fù)、高強(qiáng)度和特定任務(wù)的訓(xùn)練)，這些因素可以加強(qiáng)與加速神經(jīng)可塑性[47]。Salmin等[48]對(duì)大鼠進(jìn)行多次VR訓(xùn)練后，發(fā)現(xiàn)大鼠海馬體中干細(xì)胞和祖細(xì)胞神經(jīng)球的成形能力得到顯著提升，證明VR訓(xùn)練可以通過促進(jìn)神經(jīng)元的再生和樹突的增加改善小鼠的空間學(xué)習(xí)和記憶能力。溫鴻源等[29]發(fā)現(xiàn)VR訓(xùn)練可以促進(jìn)PSCI患者海馬區(qū)腦組織代謝，提示VR訓(xùn)練可以通過促進(jìn)組織代謝提高神經(jīng)元的修復(fù)。VR的作用不僅在細(xì)胞分子水平被證實(shí)，在大腦結(jié)構(gòu)水平也被證實(shí)。Effect等[49]的研究中，對(duì)接受了VR訓(xùn)練的卒中患者進(jìn)行fMRI掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腦間功能連接較訓(xùn)練前增多。另外，VR還可以通過激活鏡像神經(jīng)系統(tǒng)從而促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)[50]。目前關(guān)于VR改善認(rèn)知功能的機(jī)制研究仍偏少，未來需要更多的研究探討VR改善認(rèn)知的機(jī)制，從而進(jìn)一步理解VR的作用機(jī)制，以便更好的利用和推廣VR.

5 未來展望

虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種新技術(shù)，對(duì)記憶力、注意力、執(zhí)行力等方面的效果優(yōu)于傳統(tǒng)認(rèn)知康復(fù)，可以提高患者的積極性，增加患者的參與度，并且便于個(gè)性化方案的實(shí)施，在卒中后認(rèn)知功能康復(fù)上具有較大潛力。但VR用于卒中后認(rèn)知功能訓(xùn)練仍存在很多局限。

首先，目前針對(duì)PSCI的康復(fù)系統(tǒng)較少。目前用于康復(fù)的VR軟件分為商業(yè)VR系統(tǒng)和特制VR系統(tǒng)，前者使用更多，但其在設(shè)計(jì)上難以符合臨床需要，特制康復(fù)VR系統(tǒng)在我國(guó)較為缺乏，多數(shù)為國(guó)外引進(jìn)，并不符合我國(guó)患者情況。因此將來需要研發(fā)更多針對(duì)卒中后認(rèn)知功能障礙病人且符合我國(guó)患者特征的VR康復(fù)系統(tǒng)。其次，部分患者不能耐受VR訓(xùn)練。治療中部分患者會(huì)出現(xiàn)暈動(dòng)癥、疲勞感、眼部不適等不良反應(yīng)，這種現(xiàn)象在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練中更為顯著，一方面這與患者的視覺與本體感覺存在差異有關(guān)，另一方面也與目前VR系統(tǒng)的靈敏度較低有關(guān)，這些不良反應(yīng)可能給患者帶來更多的健康問題。另外，目前沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練多為頭盔顯示器，這會(huì)加重患者訓(xùn)練時(shí)的負(fù)擔(dān)，縮短患者可以耐受的VR訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)。因此，將來還需要在硬件上減少穿戴設(shè)備，軟件上提高傳感靈敏度和畫面分辨率從而減少患者不良反應(yīng)。最后，目前關(guān)于VR用于PSCI的研究存在質(zhì)量參差不齊，對(duì)機(jī)制研究不足等局限性。將來需要更多大樣本、多中心、雙盲及隨機(jī)對(duì)照的臨床數(shù)據(jù)，提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性與可信度。將來的研究不僅應(yīng)關(guān)注患者的臨床結(jié)果，還應(yīng)進(jìn)一步探究患者腦部神經(jīng)細(xì)胞，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變化，還可以通過動(dòng)物試驗(yàn)更進(jìn)一步探究患者大腦病理結(jié)構(gòu)的改變，從而深層次探究VR對(duì)PSCI改善的機(jī)制，利于優(yōu)化VR系統(tǒng)及提高患者康復(fù)效果。