虛擬現(xiàn)實技術(shù)在輕中度認(rèn)知障礙老年人群中的應(yīng)用進(jìn)展

葉毓琪 朱愛勇 王欣國 梅花

(1.上海中醫(yī)藥大學(xué),上海 200000;2.上海健康醫(yī)學(xué)院,上海 200000)

輕度認(rèn)知障礙(mild cognitive impairment,MCI)是介于認(rèn)知正常與癡呆之間認(rèn)知功能損害的臨床階段,表現(xiàn)為記憶力顯著降低,語言能力和時空分類等方面存在部分障礙。研究認(rèn)為,MCI是癡呆的重要前期階段[1],患有MCI的老年人群進(jìn)展為癡呆的可能性是正常人群的10～15倍[2],約46%的MCI患者在3年內(nèi)由中度認(rèn)知障礙進(jìn)展為癡呆[3],出現(xiàn)記憶力、定向力和語言等多領(lǐng)域障礙,嚴(yán)重干擾日?；顒?并增加家庭和社會負(fù)擔(dān)。預(yù)計到2050年,癡呆患者將增加到1.52億,即每10名60歲以上人群中就有1人患有癡呆癥[4]。有研究[5]表明,老年人認(rèn)知功能的下降是不可逆的,因此,對老年人認(rèn)知功能早期的篩查和干預(yù)是關(guān)鍵,及時有效的采取預(yù)防措施至關(guān)重要。虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術(shù)的出現(xiàn)為研究者提供了一種在臨床上創(chuàng)造環(huán)境的新方法,即將認(rèn)知刺激元素與虛擬沉浸相結(jié)合,用于臨床上篩查輕中度認(rèn)知障礙、改善老年人群認(rèn)知功能及提高日常生活能力等[6]。本文就VR的概述與分類、應(yīng)用及效果進(jìn)行綜述,并在總結(jié)的基礎(chǔ)上提出建議,為后期相關(guān)部門構(gòu)建VR干預(yù)方案提供理論支持。

1 VR的概述與分類

1.1VR的概念和起源 VR的概念起源于20世紀(jì)五六十年代計算機(jī)領(lǐng)域,被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域則始于1994年,亞特蘭大克拉克大學(xué)的人機(jī)交互小組首次使用VR治療心理障礙[7]。隨即引起了臨床醫(yī)生和研究人員的關(guān)注,研究者將其作為心理評估和神經(jīng)康復(fù)的工具。VR是一種計算機(jī)應(yīng)用程序,參與者通過不同的感官進(jìn)入導(dǎo)航與3D計算機(jī)共同生成的虛擬環(huán)境。VR與人腦采用相同基本機(jī)制——實體化模擬,借助實體化技術(shù)設(shè)計虛擬環(huán)境,來模擬外部和內(nèi)部世界[8]。隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展,VR技術(shù)越來越多地應(yīng)用于醫(yī)療和保健領(lǐng)域,如手術(shù)模擬和訓(xùn)練、康復(fù)、心理治療和醫(yī)學(xué)教育等。

1.2VR的分類 根據(jù)VR帶來的沉浸感體驗將其分為：非沉浸式系統(tǒng) (non-immersive systems,NI)和沉浸式系統(tǒng)(immersive virtual reality,IVR)[9],IVR包含完全和半沉浸式2種類型。NI一般是利用1臺電腦模擬2D或3D影像,參與者使用鼠標(biāo)或鍵盤來完成虛擬任務(wù),目前已較少使用;IVR的特點是模擬3D環(huán)境,參與者一般佩戴頭戴式顯示器 (head-mounted display,HMD),研究者將屏幕安裝在參與者的眼前,保證參與者可看到高保真圖形。上述2個類型的虛擬與現(xiàn)實的交互性是通過系統(tǒng)跟蹤參與者頭部的運動并結(jié)合計算機(jī)控制、跑步機(jī)和游戲手柄等工具來實現(xiàn)的,當(dāng)參與者移動頭部環(huán)顧四周時,即在虛擬環(huán)境中360°移動視野;半沉浸式系統(tǒng)是運用大屏幕顯示器或多層次高性能圖形計算的系統(tǒng),給參與者提供比非沉浸式系統(tǒng)更好的沉浸體驗[10]。

2 VR的應(yīng)用

2.1干預(yù)步驟及原理 (1)選擇使用工具。早期的VR設(shè)備在創(chuàng)造自然互動能力方面受到限制,人工環(huán)境的設(shè)計依賴于2D顯示器和控制器,參與者需要練習(xí)才能有效操縱桿和鼠標(biāo)設(shè)備[11],但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高,現(xiàn)已進(jìn)入模擬3D環(huán)境的時代。VR最簡單的形式是3D圖像,參與者在電腦上通過按鍵和鼠標(biāo)進(jìn)行交互性探索,使圖像向某個方向移動或放大或縮小[12]。最新的VR設(shè)備是VR HMD,帶有2個高像素的顯示器,每個顯示器的視角穩(wěn)定并連接到1臺高性能電腦及2個用于運動跟蹤的基站,再有2個用于輸入的運動控制器和1個屏幕用來復(fù)制參與者的視圖,便于護(hù)理人員和研究團(tuán)隊觀察。老年參與者通過佩戴HMD和手持控制器來實現(xiàn)虛擬環(huán)境的沉浸體驗,佩戴手腕和胸部等傳感器記錄心電活動,進(jìn)入狀態(tài)后,研究者向參與者發(fā)送音頻或視覺指令來確保執(zhí)行不同的任務(wù),并記錄其任務(wù)表現(xiàn),再進(jìn)行各項表現(xiàn)的結(jié)果評估。VR硬件系統(tǒng)包括智能手機(jī)、耳機(jī)和VR HMD。(2)根據(jù)研究目的設(shè)計虛擬環(huán)境。研究者模擬設(shè)計老年參與者熟悉的生活環(huán)境或現(xiàn)實世界地標(biāo),如中國長城和埃及金字塔等,使參與者相信自身沉浸在合成空間中,感受到“存在”或“在那里”的感覺;研究者也可設(shè)計虛擬的情景,如現(xiàn)實中并不存在的地方,來刺激患者大腦相關(guān)功能受損領(lǐng)域,包括刺激短期記憶、注意力、警覺性、時間和空間定向力、工作記憶力、視覺空間導(dǎo)航能力、運動協(xié)調(diào)能力和執(zhí)行功能,如抽象力、計算力和決策能力等[13]。針對不同的模擬場景研究者再細(xì)化步驟,增強(qiáng)受試者參與感。

2.2干預(yù)方式 虛擬技術(shù)的干預(yù)一般遵循上述步驟,根據(jù)不同研究目的,臨床中應(yīng)用的干預(yù)方式如下。

2.2.1虛擬任務(wù)方式 研究者設(shè)計虛擬環(huán)境后,老年參與者需完成任務(wù)選項,研究者根據(jù)參與者完成任務(wù)的結(jié)果對參與者進(jìn)行認(rèn)知能力評估。干預(yù)地點通常在醫(yī)療中心,選擇安全、安靜且私密性好的房間,由護(hù)理人員從旁協(xié)助參與者進(jìn)行。如研究者[14]將虛擬場景設(shè)定為海灘、田野和森林,則先使用高清相機(jī)拍攝一段真實世界360°鏡頭視野并制作成虛擬場景;使用VR硬件系統(tǒng),當(dāng)老年參與者感覺佩戴舒適后護(hù)理人員啟動VR系統(tǒng),研究者遵循詳細(xì)的指南,在VR播放期間觀察參與者的語言和表情,結(jié)束后使用相關(guān)量表對老年參與者進(jìn)行認(rèn)知能力測試。虛擬場景也可設(shè)置為花園[15],研究者先使用攝像機(jī)拍攝幾個高清視頻再使用專業(yè)構(gòu)圖軟件進(jìn)行渲染,老年參與者佩戴VR HMD,手持控制器,站或坐在指定位置完成以下任務(wù)(沿著小徑行走、觸摸花朵、喂鴨子和將石頭扔進(jìn)池塘等),參與者還可開發(fā)自己的種植區(qū),澆灌各種類型的開花植物,最后由護(hù)理人員或研究者進(jìn)行各維度的測評。

2.2.2游戲方式 部分虛擬認(rèn)知干預(yù)研究將虛擬沉浸世界設(shè)計成游戲場景,老年參與者通過玩游戲的方式接受認(rèn)知干預(yù),如劃船和釣魚等。研究者在虛擬場景中設(shè)計游戲任務(wù),讓老年參與者以玩家的身份參與游戲訓(xùn)練,達(dá)到身體平衡訓(xùn)練、靜態(tài)訓(xùn)練和動態(tài)鍛煉等目的。有研究[16]開發(fā)了基于游戲的智能測試,參與者使用16網(wǎng)格鍵盤設(shè)備來執(zhí)行12 min的任務(wù),參與者在測試期間需保持坐姿,根據(jù)研究者的信號做出正確反應(yīng)并按下按鍵,最終研究者將傳統(tǒng)認(rèn)知量表與VR干預(yù)結(jié)果進(jìn)行認(rèn)知功能的比對。

2.2.3健康教育方式 護(hù)理人員和研究者也將VR應(yīng)用于輕中度認(rèn)知障礙老年人的健康教育中[17],包括但不限于利用虛擬場景進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練和預(yù)防跌倒等。研究者通常錄制一段康復(fù)鍛煉教學(xué)視頻,如八段錦、太極拳、健康操或某套個性化康復(fù)鍛煉動作,通過VR合成剪輯并將老年參與者帶入沉浸式環(huán)境,參與者模仿動作,研究者從旁指導(dǎo)、鼓勵和觀測,護(hù)理人員和研究者根據(jù)參與者的特點和適應(yīng)性進(jìn)行調(diào)整,記錄其運動表現(xiàn)并實時獲得反饋。

3 VR在輕中度認(rèn)知障礙老年人中的應(yīng)用效果

3.1篩查老年人認(rèn)知障礙 Lim等[18]將175 名參與者隨機(jī)分組,實驗組老年人需完成6個認(rèn)知領(lǐng)域(感知運動功能、執(zhí)行功能、復(fù)雜注意力、社會認(rèn)知、學(xué)習(xí)和記憶以及語言)共13項任務(wù)(包括家務(wù)、記憶、購物和社交互動等)的訓(xùn)練,結(jié)果顯示VR可評估老年人的部分認(rèn)知能力,且具有替代傳統(tǒng)問卷評估方式的潛力。另一項來自意大利Monia[19]團(tuán)隊的研究發(fā)現(xiàn),基于VR技術(shù)的游戲干預(yù)對老年人認(rèn)知功能有影響：VR在檢測老年人右側(cè)海馬區(qū)神經(jīng)元變性的能力上優(yōu)于傳統(tǒng)認(rèn)知評估工具--蒙特利爾認(rèn)知評估量表(montreal cognitive assessment,MoCA),VR被證明是評估老年人認(rèn)知功能的有效方式,且對于老年患者來說操作更便捷。同時,VR也可鑒別老年人認(rèn)知障礙的主要癥狀,Areej等[20]將自行設(shè)計的一種存儲患者個人信息和檢索模型的3D游戲應(yīng)用于115例老年認(rèn)知障礙患者中,檢測認(rèn)知障礙的主要癥狀(包括記憶力減退、視覺空間缺陷和空間導(dǎo)航等),結(jié)果顯示VR在患者的疾病診斷測試中可充當(dāng)決策支持系統(tǒng)。

3.2改善老年人認(rèn)知功能 有研究[21-22]表明,VR能幫助老年人塑造大腦健康,VR干預(yù)后老年人整體認(rèn)知能力,和部分語言記憶和注意力等能力亦顯著改善。我國學(xué)者王陽[23]使用VR遠(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)對49例MCI老年患者進(jìn)行為期36個療程的居家認(rèn)知虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練,結(jié)果發(fā)現(xiàn)VR康復(fù)系統(tǒng)對MCI患者的記憶改善明顯優(yōu)于常規(guī)治療。薛靜剛等[24]將60例MCI患者隨機(jī)分為每組30例為期12周的訓(xùn)練,干預(yù)組接受VR康復(fù)訓(xùn)練,結(jié)果顯示VR能有效改善患者的認(rèn)知能力,且對患者產(chǎn)生的負(fù)面影響較小,可進(jìn)行大范圍的臨床推廣與使用。另有研究[25]將64例MCI老年患者隨機(jī)分為實驗組和對照組各32例,實驗組實行每周5次每次20～30 min的虛擬綜合認(rèn)知干預(yù),持續(xù)8周后結(jié)果顯示,虛擬綜合認(rèn)知干預(yù)同藥物協(xié)同效果顯著,且認(rèn)知干預(yù)是一個長期的過程,干預(yù)持續(xù)時間越長改善效果越顯著,反之干預(yù)周期太短可能導(dǎo)致干預(yù)效果不佳。

3.3改善老年人日常生活的工具性活動能力 有研究[26]顯示,社區(qū)MCI的老年人在配備傳感器和網(wǎng)絡(luò)攝像頭的模擬智能家居實驗室中執(zhí)行了2項日常生活的工具性活動任務(wù),患者的日常生活活動能力有顯著改善。孫志成等[27]應(yīng)用我國的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)八段錦對養(yǎng)老院MCI患者進(jìn)行虛擬現(xiàn)實的干預(yù)后,結(jié)果顯示基于VR的八段錦可有效改善認(rèn)知障礙老年人工具性活動能力。

3.4改善老年人心理健康 VR技術(shù)可改善老年人的心理健康,包括淡漠、抑郁和焦慮等,并增強(qiáng)其幸福感[28]。澳大利亞一項研究[29]對1所老年護(hù)理機(jī)構(gòu)認(rèn)知障礙并伴有淡漠癥狀的老年人進(jìn)行VR干預(yù),結(jié)果顯示患者的淡漠程度改善,語言流暢度增加。我國的相關(guān)研究[30]也顯示,將基于VR的認(rèn)知訓(xùn)練應(yīng)用于輕中度認(rèn)知障礙老年人中,有效緩解其抑郁和焦慮等負(fù)性情緒。

4 小結(jié)及展望

VR通過計算機(jī)技術(shù)高度模擬現(xiàn)實世界,實現(xiàn)了認(rèn)知與運動相結(jié)合的干預(yù),讓老年參與者具有高度沉浸和參與感,個性化的定制方式可及時給與老年參與者響應(yīng)和鼓勵,研究者和護(hù)理人員可及時進(jìn)行調(diào)整。VR亦容易與其他形式的技術(shù)相結(jié)合,如智能家居和5G智慧醫(yī)學(xué)等,這或?qū)⒊蔀槲磥鞻R投入使用的主要趨勢。綜上,VR在篩查老年人認(rèn)知障礙及改善老年人認(rèn)知功能、日常生活的工具性活動能力和心理健康方面具有明顯優(yōu)勢。其不足之處在于：(1)對于不熟悉技術(shù)且不習(xí)慣處理技術(shù)的老年人,接受完全沉浸式環(huán)境需要時間,使用前研究者和護(hù)理人員應(yīng)與老年人充分溝通使其達(dá)到心理平衡,建議優(yōu)先采用老年人感興趣的事項進(jìn)行模擬,同時應(yīng)注意避免對老年人產(chǎn)生過度刺激,在VR干預(yù)前需加以培訓(xùn)才可進(jìn)行。(2)由于技術(shù)限制,最先進(jìn)的沉浸式環(huán)境與現(xiàn)實世界并不完全對應(yīng),導(dǎo)致部分老年人表現(xiàn)出類似于暈動病的副反應(yīng)[31],評估的有效性受到影響,甚至可能導(dǎo)致評估中斷[32],因此產(chǎn)生的倫理和安全問題需值得護(hù)理人員和研究者注意。(3)當(dāng)前部分研究干預(yù)時間較短,尚不能充分證明VR技術(shù)的干預(yù)長期有效。(4)評估量表和評價指標(biāo)不一致,過程中可能存在一定的主觀因素。我國的相關(guān)研究主要是聚焦于VR的干預(yù)對認(rèn)知能力的影響,對改善老年人心理健康等其他方面的研究尚不充分,需更多的臨床數(shù)據(jù)加以驗證。另外,實際正在應(yīng)用VR的機(jī)構(gòu)較少,大部分仍停留在試驗階段,建議可由一線城市的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、長期護(hù)理的醫(yī)院和社區(qū)等優(yōu)先試用。