沉浸式虚拟现实在中风幸存者认知康复中的应用

2024-06-13 Thu
近年来，虚拟现实技术（Virtual Reality, VR）逐渐变得更加普及，其相关硬件设备的价格也更加亲民。例如，现在市面上的头戴式显示器（Head Mounted Displays, HMDs）不仅提供高分辨率的显示，还具有精准的头部和手持控制器的跟踪功能。这些技术最初多用于娱乐行业，但越来越多的应用领域开始使用这项技术开展严肃游戏（Serious Games），特别是在创伤性事件后的康复领域，其中包括中风患者。
背景与目的
中风是指脑部血液供应被切断或脑内及脑周围出血导致脑细胞损伤的情况。根据受损脑区的不同，中风可能会引发不同的症状，例如一侧身体的无力（半侧麻痹）、视觉障碍以及失语症（Aphasia）等。值得注意的是，中风后认知功能障碍（Post-Stroke Cognitive Impairment, PSCI）也常见，包括问题解决能力、记忆力及任务顺序执行能力受到影响。
尽管脑有一定的神经可塑性（Neuroplasticity），即形成和重组突触连接的能力，它有助于患者的长期恢复，但中风后的认知康复仍然是一个被相对忽视的重要领域。本研究由英国切斯特大学和Chester NHS Foundation Trust等机构的研究人员合作，通过创新英国（Innovate UK）基金资助，旨在探索虚拟现实技术在中风患者认知康复中的潜力。
研究来源与方法本文由Kausik Chatterjee、Alastair Buchanan、Katy Cottrell、Sara Hughes、Thomas W. Day及Nigel W. John等人撰写，并于2022年在IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering期刊上发表。本文描述了一款名为VIRTUE的虚拟现实应用的开发过程，并报告了其在随机对照试验中的效果。
研究流程与方法研究包括以下几个主要步骤：
虚拟现实系统的开发VIRTUE应用程序由医疗设备公司、大学研究团队和一家大型医院的中风科室共同开发。它采用了模块化架构，能在PC和VR耳机之间分区。团队通过敏捷软件开发方法中的Scrum框架，以两周为一个周期的短迭代方式，逐步构建并改进应用程序。
游戏场景的设计和实现充分听取了临床专家和患者代表的反馈。例如，虚拟厨房场景中，患者通过佩戴HMD设备，身临其境地在虚拟环境中与对象互动，可以依次完成一系列家务任务，如制作吐司。在这些互动过程中，系统收集各种数据，以便临床医师评估患者的表现，并逐步提高任务难度。这种个性化设计不仅提高了实际康复效果，还确保了应用的灵活性。
硬件设备选择与改进VIRTUE系统目前使用的设备为Oculus Rift S，价格较为亲民，每台约为300英镑。Rift S 提供2560 x 1440像素分辨率和80Hz刷新率，并配备两个六自由度（6DoF）触控控制器，支持手部和位置追踪，实现虚拟手与虚拟环境的互动。
系统场景设计VIRTUE系统设计了多个场景以供选择，如卧室（整理床铺、选择衣物）、浴室（刷牙、跑浴缸）、厨房（制作吐司、冲咖啡等）以及餐厅和花园等。这些任务均能坐着完成，适用一手操作，以便患者在不移动场景的情况下完成任务。
主要实验结果在2019年10月至2021年2月间，研究团队在一个大型医院的中风病区进行了为期12个月（中间经历疫情暂停）的双盲二期B期随机对照试验，招募了40名患者参与到VIRTUE虚拟现实康复治疗中。
这项医学伦理审核编号为19/NW/0419的试验证明，虚拟现实治疗方案在安全性和可接受性方面表现良好。虽然初期出现了一些设备上的不适和软件上的技术问题，但通过逐步改进，这些问题得到了有效解决。在三组患者中，接受VR治疗的严重认知障碍组（MOCA评分<15）在治疗结束时的认知功能改善显著优于其他组别。
研究结论与意义研究表明，虚拟现实技术在中风急性期后的认知康复治疗中展现了显著潜力。其主要优点包括：
1. 个性化治疗：任务难度可根据患者需求自由调整，体现个性化医疗。
2. 安全、有效：未发现严重不良事件；患者对这种新技术接受度高，部分患者在完成简单任务后能够显著改善认知功能。
3. 节省成本：由于治疗效果好，住院时间缩短，因此相比传统方法，在节省医疗资源方面具有巨大潜力。
该研究也为后续三期的大规模多中心试验提供了参考，建议将未来研究对象的MOCA评分下限设定为19，以最大限度地利用VR治疗方案的效益。
未来展望VIRTUE系统未来将扩展更多日常生活场景，并开发独立于PC的头显设备，以便患者在家中也能继续接受VR治疗。人工智能技术将进一步融入其中，实现个性化的自动化管理和治疗，减少对传统治疗资源的依赖。
总的来说，本研究展示了VR技术在中风认知康复领域的开创性应用，推动了这一新兴领域的发展，为患者、医生及整个医疗体系带来诸多潜在福利。