虛擬現實技術在慢性阻塞性肺疾病肺康復中的研究進展

Keywordschronicobstructivepulmonarydisease;pulmonaryrehabiltation;virtualrealitytechnology;breathingexerciseexerciseendurance; nursing; review

摘要綜述了虛擬現實技術在慢性阻塞性肺疾?。–OPD）肺康復中的應用原理、分類、應用、優(yōu)缺點、效果及挑戰(zhàn)，以期為我國 COPD病人開展肺康復的臨床實踐提供參考。

關鍵詞慢性阻塞性肺疾病;肺康復;虛擬現實技術;呼吸運動;運動耐力;護理；綜述

doi：10.12102/j.issn.2095-8668.2025.13.015

慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonarydisease，COPD）是一種進行性呼吸系統(tǒng)疾病，其特征是持續(xù)的呼吸道癥狀和氣流受限。近年來，COPD患病率增加，截至2019年全球患病率為 10.6% ，已被認為是全球第三大死因，并有嚴重的后遺癥[1-4]。肺康復是一種基于證據的、多學科的、全面的干預措施，包括病人評估、運動訓練、健康教育、營養(yǎng)十預和社會心理支持，旨在通過穩(wěn)定或逆轉疾病的全身表現來改善呼吸系統(tǒng)疾病病人的身體和心理狀態(tài)以及長期遵守健康促進行為[5]，是COPD病人一種重要的非藥物治療方法6。傳統(tǒng)肺康復包括基于有氧、阻力、力量、靈活性和呼吸訓練的監(jiān)督運動訓練，由醫(yī)生、物理治療師、護士和心理學家組成的多學科團隊為病人提供為期8周或更長時間的支持（每周至少2次）[6]。除了傳統(tǒng)的肺康復外，新型肺康復模式如太極拳、全身震動、放松技巧訓練等方式正在被納人到這些計劃中，作為補充干預措施[8-10]。在過去的10年中，數字技術的開發(fā)和使用不斷增加，其中虛擬現實（virtualreality，VR）技術不僅作為COPD病人肺康復的補充措施，還為遠程肺康復提供了新的可能性[11]。盡管國際上已有新的研究結果支持將VR技術應用于COPD病人的肺康復訓練中，但檢驗和評估VR對COPD肺康復帶來的機遇和挑戰(zhàn)的研究仍然有限，本綜述旨在介紹VR在COPD肺康復中的原理、分類、應用、優(yōu)缺點和效果，并概述未來VR技術應用于COPD肺康復中的挑戰(zhàn)，以期為我國COPD病人開展肺康復的臨床實踐提供參考。

1 VR概述

VR是使用計算機軟件和硬件創(chuàng)建虛擬環(huán)境，讓用戶感知自己是其中的一部分，通過手動控制器或自己的雙手與其中的所有元素進行互動的一種方式[12]。VR通過與提供聲音、視覺和生物反饋指導的生物傳感技術結合，創(chuàng)造引人人勝的場景，實現注意力轉移，分散病人身體活動期間的負面感覺（如疲勞、呼吸困難）的注意力，在此過程中VR允許病人完全控制他們所處的環(huán)境，可以有效地增加病人的動力，將重復性練習變成有吸引力和令人愉快的任務，并且提供刺激病人認知功能的情境化任務，促進病人將康復過程中獲得的技能轉移到日常生活活動中[13-14]。Colombo等[14]將VR定義為現實的三維計算機再現，可能與現實相似或完全不同，參與者可以在接受多感官刺激的同時進行身體運動。近年來，VR技術已廣泛應用于教育、營銷、醫(yī)療保健領域中，并均取得了較好的效果[15-18]。VR設備根據用戶和虛擬環(huán)境交互時與物理世界的隔離程度分為沉浸式、半沉浸式和非沉浸式3種VR技術。

1.1 沉浸式VR

沉浸式虛擬現實（immersivevirtualreality，IVR）采用專門的跟蹤技術，如頭戴式顯示器（head-mounteddisplay，HMD）、身體跟蹤傳感器、專用接口設備和制作實時圖形，結合計算機支持用戶參與沉浸式虛擬體驗，該技術可以感知用戶的位置和運動，并使用該信息呈現給用戶不同的感官刺激，以產生一種身臨其境的感覺，使參與者沉浸在計算機生成的模擬世界中，虛擬世界中的畫面隨著頭部和身體運動而自然變化，讓用戶在此過程中沉浸式互動體驗[19]。一種常見的沉浸式VR設備采用HMD和頭部跟蹤系統(tǒng)的組合[20]，該系統(tǒng)提供與用戶運動相關虛擬場景的實時計算機生成圖像和聲音，這些圖像和聲音與用戶在虛擬場景內所看到和聽到的內容相對應，其中用戶只能看到計算機生成的圖像，而物理世界的其余部分則被擋在視線之外；另一種方法是Cave自動虛擬環(huán)境（caveautomaticvirtualenvironment，CAVE）[21]，使用以各種配置排列的立體投影屏幕，允許用戶在較少阻礙的寬視野場景模擬環(huán)境中進行交互。這些沉浸式系統(tǒng)主要目標是在感知上用模擬環(huán)境取代外部世界，以創(chuàng)造特定的用戶體驗。HMD和CAVE在用戶體驗和距離感知方面沒有明顯差異，但與HMD相比，CAVE系統(tǒng)的價格相對昂貴，通常超出了臨床服務提供商或基礎研究人員的實際資源。因此，運用HMD的群體數量明顯更多。

1.2 半沉浸式VR

半沉浸式虛擬現實（semi-immersivevirtual reality，SIVR）是用戶通過使用大型圖形顯示器或立體眼鏡和計算機屏幕部分沉浸在虛擬環(huán)境中。用戶通過屏幕在虛擬世界中看到自己，而不會失去與現實世界的聯系，這些半身臨其境的VR模型由圖像捕獲系統(tǒng)或稱為虛擬身份的身體或身體部位的數字生成，從而再現人在虛擬環(huán)境中的動作。SIVR通常需要額外的設備，如觸覺設備，這些設備允許觸摸和力反饋，以及非觸覺的基于操縱桿的人機界面，應用觸覺手套為神經的可塑性過程提供了便利22，在執(zhí)行任務、實時反饋的同時可以改變任務難度、增加用戶的動力和樂趣[23]。該工具已在腦卒中病人的上肢康復中廣泛應用[24]。SIVR系統(tǒng)有助于視覺信息和神經肌肉反饋的整合，為用戶和虛擬對象之間提供了較好的互動。

1.3 非沉浸式VR

非沉浸式虛擬現實（non-immersivevirtual reality，NIVR）使用計算機或控制臺游戲系統(tǒng)和2D界面設備（鼠標、鍵盤、游戲手柄或操縱桿）進行管理，通常采用商業(yè)的游戲平臺，其視覺方面呈現在傳統(tǒng)的計算機顯示器上或投影到屏幕上，基于用戶與屏幕的互動，用戶體驗到計算機生成的VR環(huán)境，也就是用戶通過計算機進行虛擬體驗，可以在虛擬世界中控制軟件中的某些角色或活動，但不直接與環(huán)境接觸，從而進行互動[19，25]。在NIVR中用戶無須完全沉浸在虛擬環(huán)境中即可了解現實世界。NIVR常用工具包括智能手機、平板電腦、筆記本電腦。NIVR在醫(yī)療領域的應用被描述為基于游戲的康復等[19]。

2 VR技術在COPD病人肺康復中的應用

目前，臨床使用廣泛的VR系統(tǒng)有美國的Kinect、日本的Nintendowii、韓國的三星GearVR及我國的BioMaster，不同VR技術參與形式與沉浸度有所不同。病人在不同的虛擬環(huán)境下進行虛擬體驗，其中較為常見的VR肺康復設備如下。1）HMD：具有高水平互動性和沉浸感的設備。病人頭部佩戴的HMD設備呈現虛擬環(huán)境[26-27]，如海灘、森林、海洋和山脈，身體佩戴傳感器，以便準確記錄呼吸運動，跟隨目標任務進行呼吸訓練，主要功能在于提高病人呼吸意識，改善放松技巧。一項隨機對照試驗表明，IVR與傳統(tǒng)肺康復結合可以改善COPD病人的情緒，減輕焦慮和壓力[28]。該研究中，COPD病人在傳統(tǒng)肺康復的基礎上進行VR肺康復訓練，病人頭部佩戴HMD，沉浸在一個虛擬花園的環(huán)境中，它是對病人健康的隱喻，一開始它看起來雜亂而灰色，但隨著每次治療它變得更加生機勃勃，象征著康復的過程，共開展2周訓練，每周5次，每次 20min （204號此外，還有基于HAD進行的冥想、用呼吸進行樂器演奏、橫膈膜呼吸訓練等[13]。2）主動視頻游戲（adventuregame，AVG）[14]：應用最廣泛。AVG屬于NIVR，它運用電腦、電視顯示器或移動設備屏幕，讓病人體驗動態(tài)視頻游戲。AVG是一種消費運動設備，商家會提供使用說明及指導，病人在應用時相對比較便捷。AVG也常結合傳感器運用，病人通過這種2D、3D的小游戲，做相應的指令動作，如下蹲、打拳、扭轉、奔跑和避免障礙等，在游戲過程中做了平衡訓練以及上肢、下肢或全身的體能鍛煉[29-31]。作為一種運動游戲，其特點是能夠將病人身體活動和視頻游戲結合起來，并且提供有吸引力的圖形和音頻，雖然病人的沉浸感低，但多數病人表示既有用又有趣[32]。3）平面屏幕：是最常見的可視化方式。對于臨床醫(yī)生和病人來說，它既便宜又易于使用，可以滿足大多數老年人的肺康復需求。平面屏幕的類型較多，如電視、平板電腦、大屏幕投影等來顯示虛擬畫面，每個畫面都有特定的視野，再與病人連接傳感器，如平衡板，病人可以在平衡板上移動，例如邁步或擺動，平衡板上的重量傳感器將跟蹤整個身體、關節(jié)的位置與方向，病人的身體運動通常被映射到平面屏幕中的類人身體上進行互動，其特點是讓病人能夠部分沉浸在虛擬場景中進行身體運動[31]。其中應用較多的是騎行系統(tǒng)[33-34]，病人以第一視角瀏覽環(huán)境，似乎擺脫了束縛一樣，在騎行時系統(tǒng)還會向病人顯示實時身體參數。部分訓練系統(tǒng)中，病人會收到有關正確動作和剩余時間的音視頻提醒，對病人而言，能夠實時了解自己的生理數據并自行判斷停止訓練時間。

3VR技術在COPD病人肺康復中應用的優(yōu)缺點

VR技術與肺康復的結合是一種多感官的療法，它將游戲、病人的主動性和肺康復結合起來，提高了病人訓練的積極性，減少了傳統(tǒng)肺康復過程中的無聊和單調。VR技術作為一種創(chuàng)新的技術手段，使用地點不受限制，可以在醫(yī)院、家中進行。由于VR基于游戲和技術設備的運用，病人在使用VR設備進行訓練時主觀感知較低，提高了肺康復的依從性和參與度，生活方式變得更積極[14.35]。此外，VR技術可以為每例病人量身定制肺康復目標，提供多樣的訓練負荷、項目[36]。病人可以根據其偏好選擇VR設備、虛擬環(huán)境，并及時調整運動強度，具有明顯的可接受性，病人在接受肺康復治療的同時享受樂趣[37]。隨著VR技術的不斷進步，系統(tǒng)成本降低，易于維護，滿足良好互動需求，從根本上改善COPD病人獲得肺康復的機會，遵守訓練計劃，增強日常生活中的功能活動[19]。VR技術正在成為醫(yī)療保健領域最容易獲得和低成本的呼吸干預解決方案之一[38]。通過生物傳感技術，病人能夠有意識地、自我有效地控制和檢測呼吸頻率[39]，提高肺康復的效率。VR技術擁有不可替代的諸多優(yōu)勢，但由于部分設備成本高昂[40]，經濟成本成為病人在選擇VR設備時不得不考慮的必要因素。以往也有研究表明，部分老年病人在使用IVR設備時，存在暈動病、惡心或眩暈的不良風險[41]，未來有待進一步探究其影響人群和風險程度。

VR技術在COPD病人肺康復中應用的必要性和可行性

COPD病人傳統(tǒng)肺康復建議從得病的初始階段、入院時即開始，出院后繼續(xù)堅持肺康復訓練，促進病人保持長期的健康行為。由于傳統(tǒng)的肺康復訓練單調、枯燥，會減少病人的參與，中途退出和依從性低明顯降低了肺康復的有效性[42]。因此，將激勵活動納入傳統(tǒng)的肺康復訓練中，提高病人的依從性至關重要。傳統(tǒng)的肺康復和VR設備均提供各種運動訓練、耐力訓練和呼吸訓練，其中耐力訓練旨在提升肌肉耐力，增強心肺功能43；呼吸訓練旨在提高呼吸肌的性能，從而減輕呼吸困難44，但不同之處在于VR設備增加了游戲成分和娛樂動機，減少主觀感知，擴大了COPD病人肺康復的選擇。VR技術作為一種新型模式，其特點是成本低、操作便捷及有趣[45]。VR設備可以通過積極、有吸引力的方式，為每個病人量身定制肺康復計劃，包括運動強度、阻力和持續(xù)時間等，將運動與游戲結合起來，病人體驗沉浸式的樂趣，并堅持訓練。因此，COPD病人的肺康復訓練中運用VR技術可以提高其依從性[46]。VR技術創(chuàng)建類似現實世界的虛擬環(huán)境，COPD病人能夠在家中開展肺康復，可以作為病人的家庭訓練方法[47]，這對于難以獲得醫(yī)院肺康復訓練的病人來說尤其重要，從而也凸顯了該技術對于COPD病人肺康復的必要性。此外，VR技術是一種安全的遠程肺康復療法[45.48]。一項研究中，針對慢性呼吸系統(tǒng)疾病病人開展基于VR技術的遠程肺康復，通過建立虛擬公園，病人在自行車測力計上進行耐力運動訓練。一旦病人開始移動，虛擬騎行就開始了，虛擬自行車沿著預定義的路徑移動，它的速度是根據測力計的車輪尺寸轉換騎行的節(jié)奏來獲得的。由物理治療師通過視頻會議遠程監(jiān)測整個療程，除了步頻、時間和距離外，脈搏血氧儀測量的生理參數也會顯示，這樣可以保證病人的安全[34]。遠程康復不能等同于康復中心的肺康復，當無法通過醫(yī)院提供肺康復時，基于VR技術的遠程肺康復可以成為另一種安全的方案[48]。

5 VR技術在COPD病人肺康復中的應用效果

5.1VR技術有助于改善COPD應用病人的肺功能

肺功能下降導致的呼吸困難和體力活動減弱是COPD病人最常見的癥狀，由于支氣管長期反復發(fā)炎，造成氣管壁增厚、氣管腔狹窄、阻力增加、出現呼吸困難和喘息癥狀。隨著病情逐漸加重，治療難度逐漸增加。因此，對病人進行呼吸康復，不僅可以改善肋間肌、腹壁肌等呼吸肌運動，還可以緩解肌肉疼痛癥狀。基于VR技術的呼吸訓練形式多樣，目的明確，具有娛樂性。在一項系統(tǒng)評價中，以 6min 步行試驗（6WMT）、第1秒用力呼氣容積（ FEV₁） 和第1秒用力呼氣容積與用力肺活量的比值 （FEV₁/FVC） 作為主要測量指標，探討VR技術對COPD病人運動和肺功能的影響，研究結果表明，VR技術可以提高COPD病人的肺功能[49]。一項系統(tǒng)評價通過對6MWT和 FEV₁ 進行評估，結果表明VR治療可有效改善病人身體狀況和肺功能[50]。隨后又有研究者繼續(xù)探索，在另一項系統(tǒng)評價中，通過提取175例COPD病人的數據，同樣使用FEV₁ 評估肺功能，結果表明應用VR技術能夠有效改善肺功能，但證據質量比較低[12]，該研究結果與多項系統(tǒng)評價結果[49，51-52]一致，VR技術可以改善 FEV_1? FEV₁ 是COPD的診斷標準[53]，但是其對改善呼吸困難的效果有待進一步驗證[54]。

5.2 VR技術可以提高COPD病人的運動耐力

運動耐力是COPD病人肺康復的重要部分，旨在防止病情惡化[28]。通過增加體力活動、提高運動能力，減少運動不耐受，提供更健康、更積極的生活方式是COPD病人的康復目標。美國胸科學會關于COPD肺康復的指南建議：應在肺康復中將游戲成分納入力量訓練或耐力訓練，或者將兩者結合。基于游戲的VR技術能夠起到提高動態(tài)平衡、增強肢體力量，從而改善COPD病人的運動耐力的作用。研究顯示，VR技術結合肺康復訓練，6MWT增加了 30.8m^[49] 。另一項研究將活躍的視頻游戲作為COPD肺康復的主要輔助手段，結果顯示，病人的6WMT平均增加了30.9m^[32] 。LeGear等[53]研究顯示，使用VR進行肺康復期間的體力活動水平與在跑步機上訓練產生的體力活動水平相似。Rutkowski等29研究也表明，即使單獨使用基于游戲的VR技術的訓練也能提高6MWT。Obrero-Gaitán等[12]研究指出，當VR技術用作肺康復的替代療法時，其改善病人的身體功能和運動耐力效果會更好，且沒有發(fā)表偏倚風險。這是因為大多數基于VR技術的干預措施，包括與肺康復類似的主動體育鍛煉，均結合有氧、抗阻和力量任務，不同之處在于VR呈現出一種增加動機、減少努力的主觀感知的游戲成分，游戲帶來的動力、參與度和愉悅感是VR技術具備的優(yōu)勢，定期訓練會產生積極的結果，可以提高COPD病人的運動耐力[55]。VR的應用擴大了COPD病人的治療選擇，從而凸顯了該技術對于提高肺功能和運動耐力的重要性。

5.3 VR技術可以改善COPD病人的焦慮情緒

研究顯示，COPD病人患抑郁癥的可能性是非COPD病人的4倍[56]。 21%～96% 的COPD病人出現焦慮癥， 27%～79% 的COPD病人出現抑郁癥，這一數值高于一般人群或其他慢性病人群[57]。焦慮和抑郁會增加COPD病人的急性發(fā)作和住院治療次數，產生一系列問題，從而導致生活質量降低[58-59]。因此，改善COPD病人的焦慮、抑郁情緒非常重要。近年來，已有多項研究揭示了VR技術對改善病人負性情緒的積極作用[51，60-61]，其中大多數研究側重于焦慮和壓力監(jiān)測。一項比較使用VR和未使用VR的參與者之間誘發(fā)焦慮的研究顯示，使用VR的參與者的焦慮水平有所降低[62]。在使用VR和生物反饋器控制呼吸后，參與者的焦慮水平在幾分鐘內有所下降。一項對接受VR肺康復的COPD病人和未接受的病人進行比較的研究發(fā)現，VR康復能夠幫助病人釋放高壓力和減少抑郁發(fā)作[63]。Rutkowski等[28]開展了一項隨機對照試驗，VR組進行了10次、每次 20min 的VR治療課程，對照組進行了10次、每次 20min 的舒爾茨自體訓練。結果表明，VR訓練組的焦慮和抑郁水平有所下降，而對照組的焦慮和抑郁水平則呈上升趨勢。研究者還發(fā)現，壓力水平的變化與功能能力之間存在關聯，6MWT和 FEV₁ 較差的病人表現出較高的壓力水平。而VR技術對改善COPD病人的負性情緒也有積極作用[64]。這些發(fā)現強調了在有焦慮和抑郁癥狀的COPD病人中引入VR的有效性。此外，醫(yī)護人員每天都會鼓勵住院病人進行肺康復訓練，病人的心肺功能均得到明顯改善?；氐郊液?，如果焦慮和抑郁癥狀沒有減輕，病人很快就會恢復到以前久坐的生活方式，由于缺乏定期體育活動和進行個人康復的動力和精力，健康狀況也會惡化。因此，改善情緒、降低焦慮和壓力水平是肺康復的重要任務，而基于VR的肺康復訓練能夠起到緩解抑郁、焦慮的積極作用，促進病人出院后堅持長期的健康生活方式，維持肺康復的有益效果，這也表明VR在COPD肺康復中的必要性。

6 VR技術在COPD肺康復中的應用挑戰(zhàn)

VR在COPD肺康復中的應用有助于改善病人的運動耐力、提高呼吸意識、指導放松技巧等。隨著VR技術的不斷進步，預計VR技術將在醫(yī)療環(huán)境和現實世界的呼吸實踐中發(fā)揮至關重要的作用。但是如何提高VR技術的應用和將其功能最大化是未來面臨的挑戰(zhàn)。

6.1 加強VR的可及性

影響VR設備長期應用的因素多種多樣，其中設備的舒適度和高體驗感是病人關注的重點。部分HAD設備較重，可能引發(fā)相關并發(fā)癥并阻礙病人正確選擇呼吸傳感硬件；部分硬件設備涉及高端解決方案，成本較高[14]。VR設備轉向低成本且易于訪問的解決方案符合大多數病人的需求，也代表其能提高VR設備在COPD病人中的可及性。未來的研究應該為有效的裝置以及降低系統(tǒng)成本提供明確的指導，同時，VR創(chuàng)新必須克服設備組裝、參與者人數、實驗時長和呼吸模式等障礙，讓更多的COPD病人獲取VR設備，只有在此基礎上利用最先進技術構建適合病人的個性化設備，同時遵循嚴格的臨床協議，做到開發(fā)人員和臨床醫(yī)生之間合作，才能最大限度地發(fā)揮VR對COPD肺康復的益處，對病人的生活質量產生真正有益的影響。

6.2 加強VR設備的個性化

VR令人興奮的前景之一是能夠通過生物反饋技術提供個性化和自適應體驗。VR應用程序可以根據病人的具體需求動態(tài)定制訓練方案，病人的反應和生理數據的實時集成使得這些應用程序可以優(yōu)化生物反饋干預措施，確保病人收到最相關和最有影響力的反饋。不同人群對VR設備的偏愛明顯不同，如年輕人相比老年人更能接受AVG，他們享受其中的樂趣，從而能夠更好地堅持，而老年人由于學習能力不足，對科技產品缺乏足夠的了解。不同的VR設備會產生不同程度的沉浸感，體力投人和體力活動水平也有所不同。因此，應該給予不同病人個性化的肺康復VR設備。未來的研究應該探索不同環(huán)境下、不同群體應用VR設備的有效性，將生理數據與訪談和其他定性數據結合，對VR的影響進行整體評估，為各類人群對VR設備的選擇提供個性化的建議。此外，可以加強多例病人參與的互動研究，多人游戲可以為孤立的病人提供社交支持，并通過協作或競爭提高游戲體驗和互動，從而激勵病人在康復過程中堅持肺康復訓練。

6.3加強VR技術在COPD肺康復中應用的長期隨訪

VR的應用可提高COPD病人呼吸功能和運動耐力，擴大了COPD病人的治療選擇，凸顯了該技術的重要性。目前，關于VR在COPD肺康復中的長期隨訪研究較少。加強VR在使用中的長期隨訪，將試驗擴展到多階段調查，以檢查VR對病人肺康復的長期影響，探索病人的依從性和行為隨時間的變化，進一步了解病人在退出肺康復時面臨的諸多障礙。與此同時，研究者需要進一步探索當無人監(jiān)督VR系統(tǒng)的肺康復計劃時，由于時間不足或距離增加而在參與傳統(tǒng)肺康復方面面臨嚴重問題的人群的肺康復狀況，這對于進一步制定干預計劃至關重要。有研究者建議，在VR中嵌入監(jiān)控功能可能是一種更高效、更完整的解決方案[14]，病人能在低監(jiān)管的家中開展遠程肺康復，臨床醫(yī)生也能全面地掌握病人的情況，切實提高COPD病人肺康復的依從性和更長時間的維持效果，這還有待進一步研究。

7 小結

綜上所述，VR技術作為COPD病人肺康復的輔助手段，具有較高的可行性、可接受性和安全性，在改善COPD病人的治療結果和體驗方面具有良好的前景。VR肺康復可以輕松適應病人的需求，將成為COPD病人傳統(tǒng)治療的重要輔助手段。未來VR的應用還有很多挑戰(zhàn)，需要進行更多研究來建立標準化方案，確定最有效的策略并評估長期效益，以及調查更高的沉浸感和更自然的互動是否可以增強康復效果。隨著VR的不斷進步，其有可能徹底改變肺康復模式并明顯提高COPD病人的生活質量。

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