唐銘陽， 張亞男， 王 棟， 王 穎綜述， 王 贊， 王玉平審校

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)是一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，并融合了人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、行為學(xué)等多方面知識，以交互性、沉浸性、想象性為特征的環(huán)境仿真技術(shù)。其通過相應(yīng)的輔助設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)有效的人機(jī)交互，從視覺、聽覺、觸覺等方面創(chuàng)造逼真的虛擬情境，讓患者體驗(yàn)身臨其境的效果[1，2]。隨著計(jì)算機(jī)算法、顯示設(shè)備等的不斷進(jìn)步，VR技術(shù)正日趨成熟，并已經(jīng)與多個學(xué)科形成了交叉，在很多領(lǐng)域發(fā)揮著自己的作用。在神經(jīng)內(nèi)科領(lǐng)域，VR技術(shù)在睡眠調(diào)節(jié)、神經(jīng)心理、神經(jīng)康復(fù)等方面發(fā)揮作用，并且隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”及遠(yuǎn)程醫(yī)療模式的興起，可以預(yù)見VR未來將發(fā)揮更大作用。本文對VR在神經(jīng)內(nèi)科學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 VR的特點(diǎn)、作用機(jī)制及優(yōu)勢

1.1 VR的特點(diǎn) VR以多感知性、交互性、沉浸性、想象性、自主性為主要特點(diǎn)[1，3，4]。

多感知性指的是VR具有多種感知，包括視覺感知、聽覺感知、力學(xué)感知、觸覺感知、運(yùn)動感知等，甚至目前的技術(shù)正努力實(shí)現(xiàn)嗅覺感知及本體內(nèi)臟感知等，理論上理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人在現(xiàn)實(shí)世界中所具有的感知功能。

交互性指的是VR通過計(jì)算機(jī)硬件和軟件創(chuàng)建的交互式界面，為用戶提供參與及影響虛擬環(huán)境的機(jī)會，并且這些環(huán)境的外觀和感覺類似于真實(shí)世界中的物體和事件。受試者在虛擬環(huán)境中的行動可以得到實(shí)時的感官反饋。沉浸性是指用戶感知到他們在虛擬環(huán)境中而不是在現(xiàn)實(shí)世界中的程度，是通過虛擬環(huán)境創(chuàng)造的“在場”的錯覺，并且與軟件和硬件的設(shè)計(jì)有關(guān)?？梢愿鶕?jù)沉浸的程度將VR分為非沉浸式、半沉浸式和全沉浸式。非沉浸式指的是受試者通過鍵盤和鼠標(biāo)等在3D環(huán)境中進(jìn)行操作，半沉浸式則是受試者處于平臺等，通過周圍顯示器或投影顯示虛擬環(huán)境，同時可以通過手勢或位置感應(yīng)等進(jìn)行交互。全沉浸式則大多是通過頭戴顯示器，虛擬環(huán)境充滿整個視野，并通過多種感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)對受試者行動的實(shí)時感應(yīng)。

想象性是指VR是人想象出來的，VR所提供的虛擬環(huán)境及其底層的代碼邏輯等都依賴于人的設(shè)計(jì)，依靠人的想象和創(chuàng)造，并且可以超脫現(xiàn)實(shí)世界中客觀規(guī)律及受試者本身?xiàng)l件的限制，同時這種想象體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者相應(yīng)的思想，因而可以用來實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)。

自主性是指通過運(yùn)算，虛擬環(huán)境中的物體在受到外力干預(yù)后能夠根據(jù)預(yù)設(shè)好的物理定律等進(jìn)行運(yùn)動。例如，當(dāng)受到力的作用時，環(huán)境中的物體會按照受力的方向發(fā)生移動。

1.2 VR的作用機(jī)制 VR與大腦擁有相近的基本機(jī)制：分層預(yù)測模型。根據(jù)神經(jīng)科學(xué)，大腦為了有效地調(diào)節(jié)和控制軀體，根據(jù)既往的經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)建了一個包含了本體感覺、內(nèi)臟感覺、以及視覺、聽覺等感官感覺的對真實(shí)世界的預(yù)測模型，用于表示和預(yù)測行動、概念和情緒，并且這一模型的構(gòu)建使人們產(chǎn)生了一種確切的、擁有身體的感知，也就是所謂的“具體化”，這與自我意識的構(gòu)建相關(guān)。面對真實(shí)世界的傳入刺激，大腦中的高層處理中樞既往的經(jīng)驗(yàn)作為先驗(yàn)，預(yù)測出個體可能因此產(chǎn)生的感覺和處理相應(yīng)感覺的最佳行動，并提前產(chǎn)生相應(yīng)的效應(yīng)信號，將刺激轉(zhuǎn)換為意識中的感知，使人產(chǎn)生對應(yīng)的聽覺、視覺等感覺，同時根據(jù)下層處理中樞反饋的現(xiàn)實(shí)情況中與預(yù)測不同的部分進(jìn)行效應(yīng)信號的調(diào)整，并對模型進(jìn)行校正，從而減少處理外界刺激過程中的能源消耗并提高處理效率[5，6]。虛擬現(xiàn)實(shí)工作方式與之類似：VR試圖預(yù)測個人在虛擬環(huán)境中的行動將獲得的感官體驗(yàn)，并向他/她提供與現(xiàn)實(shí)世界中相一致的場景反饋。因此VR通過與大腦類似的運(yùn)作模式，通過視覺、聽覺等多種感官感覺以及虛擬世界對受試者行動的實(shí)時反饋，使受試者自覺身臨其境，達(dá)到“沉浸”的效果。當(dāng)受試者以第一人稱視角體驗(yàn)虛擬化身的同步動作時，其對身體所有權(quán)的認(rèn)知發(fā)生了改變，會對虛擬化身產(chǎn)生一種主體感覺和“存在”[7，8]，將與自己特質(zhì)相同或不同的虛擬化身同樣視為自己的一部分，由虛擬化身執(zhí)行的行動在主觀上認(rèn)為是自己產(chǎn)生的，并且在真實(shí)身體中產(chǎn)生與虛擬化身行為相對應(yīng)的運(yùn)動、生理和認(rèn)知反應(yīng)。研究已經(jīng)證實(shí)觀看虛擬化身進(jìn)行運(yùn)動可以引起受試者發(fā)生心率的增快，將愛因斯坦的形象作為虛擬化身的受試者在認(rèn)知任務(wù)中表現(xiàn)得更好，并且受試者在VR中進(jìn)行的操作也引起了大腦對應(yīng)皮質(zhì)區(qū)域的激活并可以引起神經(jīng)重塑[9～15]。以上受試者都證實(shí)了虛擬世界中的行為和事件將引起現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)的反饋，這是VR應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可行性的基礎(chǔ)。因此沉浸性是VR的核心概念，受試者在虛擬世界中的沉浸程度決定了VR的效果。

1.3 VR的優(yōu)勢 首先，VR能夠?yàn)榛颊咛峁┌踩?biāo)準(zhǔn)化、可重復(fù)和可控制的訓(xùn)練環(huán)境，并且可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，對患者的訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)行可視化和量化，還可以利用人工環(huán)境為患者提供增強(qiáng)的刺激，使患者得到實(shí)時的成果或錯誤反饋，增強(qiáng)其訓(xùn)練動機(jī)并強(qiáng)化學(xué)習(xí)。醫(yī)生也可以跟蹤患者達(dá)成的訓(xùn)練指標(biāo)，從而協(xié)助建立個性化的治療計(jì)劃。甚至現(xiàn)有技術(shù)可以根據(jù)患者的能力水平自動調(diào)整任務(wù)的難度及參數(shù)，自動形成個體化的神經(jīng)康復(fù)計(jì)劃[16，17]，這或許將減輕康復(fù)醫(yī)生的壓力，使更多人能獲得康復(fù)治療。其次，對大多數(shù)人來說，VR比傳統(tǒng)康復(fù)或心理治療更加輕松和有趣，并且VR能使患者全方位投入虛擬現(xiàn)實(shí)，脫離現(xiàn)實(shí)世界，達(dá)到沉浸式體驗(yàn)，從而忽略現(xiàn)實(shí)生活中的失能及心理上的低效能，有助于患者堅(jiān)持和主動參與治療計(jì)劃，從而取得改善睡眠和心理障礙的治療效果[18，19]。

再次，VR的環(huán)境可以人為設(shè)定，患者既可以處于虛幻的不存在的瑰麗世界，獲得非現(xiàn)實(shí)的經(jīng)驗(yàn)，改變自己的認(rèn)知及心理狀態(tài)[20]，也可以沉浸在真實(shí)的生活場景中，使他們能夠以一種現(xiàn)實(shí)的方式對虛擬刺激做出反應(yīng)，從而可以將虛擬環(huán)境中習(xí)得的技能和訓(xùn)練成果完全在現(xiàn)實(shí)生活中復(fù)刻[21，22]。最后，VR為遠(yuǎn)程治療和康復(fù)帶來了技術(shù)支持和新的希望。通過技術(shù)平臺，治療者和患者可以出現(xiàn)在同一虛擬環(huán)境里，即使彼此遠(yuǎn)隔數(shù)千里，同時VR可以通過程序和治療師的設(shè)定來達(dá)成自動或半自動化的治療，使患者在家中也能擁有治療資源，有助于提供大規(guī)模和更長時間的治療[23]。

2 VR在睡眠和神經(jīng)心理治療中的作用

2.1 VR在睡眠中的作用 睡眠占據(jù)了人一生中三分之一的時間，是人重要的生理過程，睡眠質(zhì)量直接影響著人的情緒、日間功能以及身體健康。隨著社會壓力的增大，睡眠問題的發(fā)生率逐年上升，已經(jīng)成為了一大公共問題，其中尤以失眠為著。失眠患者在睡眠質(zhì)量、啟動或維持睡眠方面存在困難，同時可伴有嚴(yán)重的痛苦和日間功能障礙。目前睡眠的認(rèn)知行為療法已被公認(rèn)為是治療失眠障礙的首選方法[24]，同時，正念冥想、白噪音[25]、光學(xué)療法[26]等也被證實(shí)可以輔助改善失眠患者的睡眠質(zhì)量。白噪音可以調(diào)節(jié)患者的血壓、呼吸以及心率，并可以掩蔽外界聲音的干擾[25]，從而幫助患者入睡。而研究證實(shí)，如果在最低體溫點(diǎn)后出現(xiàn)后使受試者接受早晨光線的照射，會導(dǎo)致下一個睡覺周期的時間前移，而在最低體溫點(diǎn)前接受夜晚光線的照射，將導(dǎo)致睡眠時相的后移。光療法正是利用這一原理，通過人工模擬不同時間段的自然光線，來刺激視交叉上核，影響褪黑素的生成，從而人為調(diào)整受試者的晝夜節(jié)律，幫助其在適當(dāng)?shù)臅r間進(jìn)入睡眠[26]。而研究者目前正在將VR與上述輔助原理相結(jié)合，通過沉浸式的體驗(yàn)聯(lián)合人為構(gòu)建的聲、光環(huán)境，來輔助改善患者的睡眠質(zhì)量。隨機(jī)對照研究已經(jīng)證實(shí)，重癥監(jiān)護(hù)室的患者利用VR進(jìn)行冥想后可以改善其睡眠質(zhì)量[27]。多導(dǎo)睡眠監(jiān)測研究顯示[28]，在睡前體驗(yàn)30 min VR營造的沉浸式助眠環(huán)境，睡眠潛伏期縮短，覺醒指數(shù)下降，達(dá)到與藥物治療相近的治療效果，有效改善腦卒中患者睡眠質(zhì)量。特殊設(shè)計(jì)的VR程序聯(lián)合生物反饋療法，可以有效改善高血壓伴失眠的患者的睡眠質(zhì)量、日間功能以及焦慮抑郁情緒，并對他們的血壓控制起到積極的影響[29]。將VR硬件設(shè)備與特殊設(shè)計(jì)的助眠軟件程序相結(jié)合來創(chuàng)造便攜式的促眠設(shè)備也是目前的一個新思路。目前已產(chǎn)生了一個將VR、催眠、正念冥想、白噪音、光學(xué)療法以及睡眠腦電相結(jié)合的助眠系統(tǒng)，包括：特殊設(shè)計(jì)的適用于睡眠期佩戴的VR眼鏡、結(jié)合催眠、正念等治療方法的VR環(huán)境、視頻及音效，以及可以通過深度學(xué)習(xí)形成睡眠分期的特殊程序等，利用聲、光環(huán)境調(diào)節(jié)患者睡眠質(zhì)量的同時，通過睡眠分期結(jié)果來對VR程序的設(shè)定進(jìn)行個體化的調(diào)整。在實(shí)驗(yàn)中給予受試者海灘日落的場景、長波長的紅色光照射以及放松的背景音樂，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這一系統(tǒng)在促進(jìn)睡眠方面有確切效果。這為未來的失眠治療提供了確實(shí)可行的新選擇以及新的探索方向。老年人是失眠的高發(fā)人群，并且隨著社會老齡化，改善老年人的情緒及生活質(zhì)量已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。臺灣的一項(xiàng)對照研究顯示，VR與芳香療法相結(jié)合，可以顯著改善老年人的睡眠質(zhì)量及抑郁[30]。規(guī)律運(yùn)動也可以改善睡眠質(zhì)量及減少老年人群的心理壓力，Chang等利用VR的獨(dú)特機(jī)制，巧妙地通過在虛擬世界中進(jìn)行模擬鍛煉，改善了殘疾老年人的睡眠質(zhì)量，為改善失能老年人群的睡眠質(zhì)量提供了新的方法[31]。

2.2 VR在神經(jīng)心理疾病治療方面的作用 虛擬現(xiàn)實(shí)是一種“具體化”的技術(shù)[6]，在VR中可以通過程序的編寫創(chuàng)造出有針對性的虛擬環(huán)境[6]，并且也可以通過人為設(shè)計(jì)，使受試者接受與自身并不相同的虛擬化身，并與之通感[7，8]，從而有可能促使患者改變認(rèn)知模型，并改善其情緒[32]。利用上述原理，VR技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)心理疾病的治療。VR被廣泛應(yīng)用于行為健康治療中。有研究者利用VR營造的逼真、與患者恐懼充分匹配，同時可控、安全的虛擬環(huán)境來進(jìn)行暴露療法，使患者能循序漸進(jìn)地面對恐懼，盡可能減少回避，以治療患者的恐懼癥，如恐高癥[33]、牙醫(yī)恐懼癥[34]、飛行恐懼癥[35]。也有研究利用VR模擬虛擬觀眾，以通過鍛煉緩解自閉癥譜系患者在公共場合下演講時所面臨的壓力[36]。VR在治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙方面也有顯著的效果[37，38]。VR用于心理壓力的控制，其效果優(yōu)于傳統(tǒng)的認(rèn)知行為療法[39]，為心理壓力管理提供了新的可能的方向。VR技術(shù)也被應(yīng)用于疼痛管理中，通過利用沉浸式的體驗(yàn)分散患者的注意力使其對疼痛的敏感性下調(diào)[40]，以及將患者帶入其虛擬化身來改變患者的疼痛感知等原理[41]，VR，尤其是沉浸性交互式VR，已被證實(shí)在急、慢性以及醫(yī)源性有創(chuàng)性操作造成的疼痛的緩解中都可以發(fā)揮作用[42]，并且可以起到與阿片類藥物相近的效果，改善睡眠和心理障礙。

3 VR在神經(jīng)康復(fù)中的作用

早在20多年前，就已經(jīng)有人開始嘗試將VR應(yīng)用于康復(fù)領(lǐng)域，經(jīng)探索和嘗試，VR已經(jīng)被證實(shí)在軀體以及高級神經(jīng)功能康復(fù)方面有著確切的療效。研究顯示，VR在腦卒中的康復(fù)中可以起到與傳統(tǒng)康復(fù)相同的效果[43]。早期的VR康復(fù)可以改善急性腦卒中患者的肢體力量以及日常生活能力[19]，而對于陳舊性腦卒中的患者[44]，VR也可以改善其功能狀態(tài)。VR也可以改善腦卒中患者的步行和平衡能力，有些研究發(fā)現(xiàn)其治療甚至效果優(yōu)于傳統(tǒng)康復(fù)[45，46]。2017年一項(xiàng)納入了72項(xiàng)臨床研究，2470例參與者的Cochrane數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)綜述也證實(shí)，將VR作為傳統(tǒng)康復(fù)的補(bǔ)充手段可以進(jìn)一步改善腦卒中患者的上肢功能恢復(fù)[47]。VR也被證實(shí)有助于減少腦卒中患者的失能并改善其日常生活能力，A. Giachero等利用VR營造的虛擬日常環(huán)境作為腦卒中后患者語言康復(fù)的輔助手段，使患者可以在類日常生活的背景下進(jìn)行對應(yīng)主題的語言訓(xùn)練[22]，以更好應(yīng)對日常生活。Dehn等[48]通過VR在模擬日常場景中對腦卒中后視野缺損患者進(jìn)行訓(xùn)練，使患者的視覺掃描策略逐步適應(yīng)其受限的視野，從而達(dá)到有效補(bǔ)償其視野損失的目的。VR也被用于腦卒中后失語患者的遠(yuǎn)程語言康復(fù)，并取得了明確的臨床效果[49]。帕金森病患者也可以從VR治療中獲益，有研究者利用VR聯(lián)合跑步機(jī)訓(xùn)練，改善了帕金森病患者的姿勢穩(wěn)定性，并減少了伴有“凍結(jié)”現(xiàn)象患者的跌倒發(fā)生[50，51]，系統(tǒng)綜述也證實(shí)VR在帕金森病患者步態(tài)及平衡康復(fù)方面有著明確的效果[52]。Abou和Araújo等[53，54]進(jìn)行系統(tǒng)綜述和meta分析后證實(shí)VR可以改善脊髓損傷患者平衡、步態(tài)及運(yùn)動能力。研究者[55，56]嘗試將VR用于改善多發(fā)性硬化患者的步行能力[57]、平衡以及上肢力量，改善多發(fā)性硬化患者的認(rèn)知能力，尤其體現(xiàn)在執(zhí)行和視覺空間能力、語言、注意力以及記憶等方面。研究證實(shí)，VR對多發(fā)性硬化患者的康復(fù)有效[58，59]。研究證實(shí)VR應(yīng)用于腦性癱瘓兒童的康復(fù)，其療效優(yōu)于傳統(tǒng)康復(fù)[60，61]。

隨著VR設(shè)備的普及以及科技的進(jìn)步，VR已在睡眠、神經(jīng)心理疾病治療、康復(fù)等多個領(lǐng)域發(fā)揮著自己的作用，并且有望成為新的輔助手段及替代療法。同時VR也有助于推進(jìn)遠(yuǎn)程醫(yī)療，解放和替代部分治療師資源，降低患者就醫(yī)成本，減輕人力不足，使更多患者獲得更充足的醫(yī)療資源和更佳的治療體驗(yàn)[18]。目前也有人嘗試將VR與經(jīng)顱磁刺激、經(jīng)顱直流電[62]、功能磁共振[63]、腦電圖[64]等技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步研究某些疾病的機(jī)制，改善其治療效果。目前的最新技術(shù)已經(jīng)由單純的VR升級到了包括VR、AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，Augmented Reality)、MR(混合現(xiàn)實(shí)，Mediated Reality)在內(nèi)的XR(擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)，Extended Reality)，即將虛擬的數(shù)字信息疊加到真實(shí)的物理世界中，或?qū)⒄麄€物理世界都納入虛擬環(huán)境中，徹底打破虛擬和真實(shí)的界限，從而允許使用者采取更多的人機(jī)交互方式。XR已經(jīng)被嘗試用于醫(yī)療教育以及介入手術(shù)，相信未來XR將在醫(yī)療中有更豐富多彩的的應(yīng)用[65]。

能否將傳統(tǒng)治療方式有效地轉(zhuǎn)變?yōu)閂R程序是VR治療效果的關(guān)鍵，而這也對程序工程師以及治療醫(yī)師的適應(yīng)和接受能力提出了考驗(yàn)，大部分VR還停留在現(xiàn)實(shí)環(huán)境的適度模擬，如何充分利用VR的想象性來創(chuàng)造出全新的依托于VR的治療體系，仍是目前的一大難題。并且VR儀器本身存在一定操作難度，這對患者的認(rèn)知能力和文化水平提出了一定要求，VR的操作過程中也可能會發(fā)生惡心、頭暈、頭痛等不良反應(yīng)[66]，甚至有部分人會產(chǎn)生狀態(tài)解離，影響其對現(xiàn)實(shí)世界的感知[67]，在一定程度上限制了VR的使用。并且目前仍需要大樣本的臨床試驗(yàn)來獲得關(guān)于VR有效性的高等級循證證據(jù)。但總體來說，VR預(yù)示了一種新的醫(yī)療模式的出現(xiàn)，值得我們?nèi)ミM(jìn)一步的探索及利用。