虚拟现实在康复中的应用与挑战

虚拟现实在认知与运动康复中的应用：事实、虚构与谬误

综述

加埃塔诺·蒂耶里、乔瓦尼·莫罗内、斯特凡诺·帕卢奇和马尔科·约萨

摘要

近几十年来，许多研究人员和临床医生已开始使用虚拟现实（VR）作为一种新技术，用于实施认知与运动领域的创新康复治疗。然而，“VR”这一术语常被不当用于指代视频游戏。此外，VR的疗效——常与视频游戏训练的疗效相混淆——仍存在争议。

涵盖领域

在本综述中，我们提供了使用虚拟现实系统进行康复的科学依据，并探讨了虚拟现实是否真的可能成为患者康复未来的一项有前景的技术，还是仅仅为科学家提供娱乐。此外，我们描述了一些最常用的虚拟现实设备及其对研究的潜在优势，并概述了康复领域最新的证据和元分析。

专家评论

我们强调了虚拟死实在神经康复中的有效性及其谬误，并讨论了使用虚拟现实所衍生的重要因素，包括对虚拟化身的临场感和具身感，以推动认知与运动康复领域未来应用的发展。

引言

通过日常活动提高独立生活质量是康复的主要目标。重要的是，近二十年来医疗成本显著增加，通常每位患者的日常治疗时间及其强度不足以在短时间内实现最佳改善。此外，由于患者’失去兴趣和/或人力资源与技术资源的不足，康复疗法往往需要很长时间。因此，有必要提高康复治疗的质量和数量。在此背景下，有研究建议将康复方案与新技术（包括机器人技术、脑机接口、无创脑刺激器、神经假体、用于运动分析的可穿戴设备和平板电脑）结合使用，是实现认知与运动功能康复的最佳解决方案[1]。在所有这些技术中，越来越多的科学研究表明，虚拟现实（VR）是一种强大且极具前景的工具，有助于实现这些目标[2–6]。事实上，基于虚拟现实的实验方法为治疗师（以及实验环境中的研究人员）提供了诸多优势，包括能够创建类似真实的三维（3D）环境，从而在患者（或一般意义上的观察者）中引发真实感知和反应。然而，为什么患者需要在虚拟而非真实的环境中进行康复？多项科学研究显示，使用虚拟现实在患者认知与运动方面的康复中具有诸多益处[7,8]。需要注意的是，很多时候，“虚拟现实”这一表述已经被不当使用（即通过定义‘VR’来指代那些并未完全满足虚拟现实技术规范的技术，参见第2节），并且一些临床试验的结果使其有效性受到质疑。因此，目前对于虚拟现实在神经康复中的疗效仍缺乏清晰的认识。本文提出一项非系统性综述，探讨在康复领域中使用虚拟现实系统的科学依据及其潜在优势。具体而言，本综述旨在（i）澄清什么是虚拟现实以及什么不是虚拟现实，搭建基础研究与虚拟现实临床应用之间的桥梁，展示其特性与优势；（ii）通过深入探究，分析虚拟现实是否确实是康复治疗患者未来真正有前景的技术，抑或仅仅是科学家的娱乐工具。因此，本文结构如下：第一部分，我们定义虚拟现实的本质，强调其技术特性，包括沉浸感与交互性，并概述虚拟现实系统中常用的设备。第二部分，我们介绍心理学和神经科学领域的最新证据，突出虚拟现实带来的最重要优势，包括存在感以及身体所有权感与自主控制感。接着，我们综述了元分析和实验研究，其中虚拟现实被用于认知与运动康复，揭示当前证据的进展与局限，并介绍一些利用有前景的集成技术所获得的最新成果，例如将虚拟现实应用于增强机器人辅助康复，如步态和上肢康复。

在最后一部分，我们提出专家评论和五年展望，讨论虚拟现实在神经康复中的兴衰以及临场感和虚拟化身对未来的虚拟现实康复项目的潜在优势。

然而，需要明确的是，本非系统性综述旨在为专家和非专家提供当前虚拟现实在康复领域应用的概览，涵盖广泛年龄范围内的多种认知与运动障碍，因此对所有病理、年龄以及所有可能的技术设备进行系统性描述超出了本文的范围。

2. 虚拟现实与增强现实的技术方面

首先，我们需要理解“虚拟现实”这一术语的含义。根据本综述所设定的目标，我们有必要解释什么是虚拟现实（VR），以及哪些技术常被误称为虚拟现实（例如，利用原型或商业工具如任天堂Wii、Kinect X‐Box开发的实验方案，这些工具将二维虚拟环境投影到标准显示器上）；同时需要说明虚拟现实具备哪些特征，可用于促进患者的认知与运动康复。

因此，本文及下一节将描述虚拟现实的技术方面及其优势，以便让读者更清楚地了解虚拟现实的实质，并将其与非虚拟现实应用区分开来。最近的一篇综述已指出，在康复研究中，“虚拟现实”这一表述常被不当使用，该综述将虚拟现实列为康复领域最具前景的七大技术之一[1]。研究人员常常将任何能在显示器上提供视觉刺激的计算机设备都定义为虚拟现实，例如视频游戏。然而，虚拟现实应远不止于简单地显示虚拟图像，它应当能够将观察者“带入”虚拟环境中，并能实时以自然方式响应身体的运动。事实上，在虚拟现实中，用户“被三维计算机生成的环境所包围，能够在虚拟世界中自由移动并从不同角度观察，伸手进入其中，抓取和重塑它” [9]。Burdea 和 Coiffet 将虚拟现实描述为一种高端的人机界面，通过多种感官通道（视觉和听觉，有时包括触觉，甚至可能包括嗅觉和味觉），对沉浸其中的主体进行实时刺激和交互，使其在一个合成的环境中感受到自身的临场感[10]。

系统所连接的用户感觉与运动通道的数量和范围决定了沉浸感[11,12],，例如，设备向感官诱导出全面、广泛、环绕且生动的现实幻觉的能力人类参与者[13]的沉浸感是通过将多种技术组合成一个完整系统而产生的，该系统根据用户头部和身体的运动实时改变所呈现的视觉信息，就像用户处于等效物理环境中一样’s 头部和身体，使其如同身处等效物理环境一般[11]。特别是，这种‘沉浸式’系统根据头部追踪提供立体图像，使用户能够自由探索并在虚拟环境中导航，并操作三维物体（参见[11]以详细了解增强沉浸感的因素）。交互设备在其中发挥着重要作用，它们允许用户与虚拟环境之间实现一定程度的自然交互。这些系统的功能范围广泛，从使用普通键盘（低水平自然交互）到全身动作追踪（高水平自然交互）不等。因此，与‘桌面虚拟现实’不同，在桌面虚拟现实中，虚拟环境显示在标准计算机显示器上，交互仅限于使用鼠标、操纵杆或遥控器（如电脑游戏），完全沉浸式虚拟现实则允许用户利用整个身体与周围环境进行自然交互，从而使用户自身成为三维环境中的主动部分。这些沉浸与交互的技术优势由某些现代沉浸式技术提供，这些技术正开始在不同的科学领域中被广泛使用。不同的技术解决方案可为患者/受试者提供典型的虚拟现实沉浸感与交互性特征。在图1中，我们展示了康复、神经科学和心理学研究中常用的显示系统示例：

（1）头戴式显示器（HMD），即一种可穿戴设备，由靠近眼睛的两个小型显示屏和一个头部跟踪系统组成，该系统根据观察者的’头部运动实时更新左右图像，音频通过耳机传输（见图1 左图）。最近的头戴式显示器配备有外部传感器，能够实时跟踪手部运动，从而实现与虚拟环境的良好交互性（例如，Oculus Rift，Oculus VR，美国，或HTC Vive，Valve公司，美国）。

（2） Powerwall屏幕，由大型高分辨率背投屏幕和用于3D视觉的专用眼镜结合光学或超声波跟踪系统组成。图1的中央面板展示了由背投屏幕组成的Powerwall示例（1.8 × 1米）和四台红外动作捕捉相机，能够根据参与者的视角显示高分辨率的三维图像，并允许其用手与图像进行交互。

(3) 洞穴自动虚拟环境(CAVE) 由一个方形房间构成，通常包括：i) 四个或六个连接在一起的背投屏幕，结合用于 3D视觉的专用眼镜，提供一个连续投影表面；以及 ii) 头部追踪设备，可根据参与者的视角实时显示图像，而听觉刺激通常通过布置在CAVE周围的扬声器组传递’s 视角进行呈现[14]。

的右侧面板展示了我们研究所中的五屏CAVE。

计算机科学的最新发展使得虚拟现实（VR）与真实世界得以结合，从而催生了一种被称为增强现实（AR）的新技术。增强现实由一种显示设备（如头戴式显示器或基于屏幕的设备）组成，该设备配备有位置传感装置和摄像头，使用户能够观察现实世界。这种视野通过添加计算机生成的、特定位置的对象和信息得到增强（即在需要时将数字物品叠加到自然环境中）[5]。例如，Tecchia及其合作者最近开发了一种有趣的混合现实系统，用户可在佩戴头戴式显示器的情况下自由行走于等身大小的虚拟场景中，头戴式显示器顶部装有 三维摄像头，使观察者在与虚拟物体交互时可以使用其真实双手 [15]。然而，尽管虚拟现实和增强现实在未来的康复项目中均具有广阔前景，但重要的是要强调这两种技术之间的一个根本区别：在增强现实中，现实世界通常仍然是体验的核心，只是通过虚拟细节得到增强，从而使用户能够同时与虚拟物体和物理物体进行交互；而在虚拟现实中，用户则完全沉浸于虚拟环境之中，无法感知现实世界。

3. 虚拟现实：从实验研究到临床应用

在过去的二十年中，许多学者开始使用沉浸式虚拟现实作为研究人类行为和大脑的新工具[5,6,12]以及用于患者的康复 [3]。接下来，我们将描述基于虚拟现实的实验方法带来的一些重要优势，并讨论这些优势对其在康复中适用性的重要性。

首先，根据用于可视化（即头戴式显示器或洞穴式立体显示装置）和交互（即全身动作捕捉服或遥控器）的设备类型，虚拟现实能够重新创建用户与虚拟环境之间的一定程度的自然交互性感觉运动交互。重要的是，通过建立这种自然交互性，虚拟现实在生态效度方面获得了根本性的优势，表现为高水平的生态效度[16]。正如Bohil及其合作者所指出的[5],，与经典的认知实验方法学不同，在经典认知实验方法学中，现实常常被简化为通过文本、图形或基于计算机的现实世界抽象呈现，显示器（导致高度可控但情境贫乏的刺激），而虚拟现实则能够在与环境的自然交互过程中研究人类行为（实现高度可控且丰富的现实世界模拟）[5]。其次，通过使用现代3D建模和游戏引擎软件，虚拟现实可以模拟出逼真的计算机生成环境和高细节情境，这些情境在物理现实中可能过于危险、昂贵或根本无法在研究人员或治疗师的完全控制下实现。另一种可能性是提高患者的依从性，甚至带来娱乐性，这与有时枯燥的传统康复形成对比。

对于心理学和神经科学领域的实验而言，虚拟现实技术可轻松地与多种常用于记录生理和脑活动的外部设备结合使用。事实上，许多研究人员已将虚拟现实与自主神经记录 （皮肤电反应、心率、肌电图）[17–19],脑电图[20,21],眼动仪 [22],非侵入性脑刺激 [23],红外热像仪 [24],功能性磁共振成像[25],测力台 [26],以及脑机接口 [27–29]进行了连接。

虚拟现实的另一个重要特征是，沉浸式虚拟环境的暴露能够引发用户对所观察环境产生强烈的“身临其境”感[12]。这种状态也被称为“存在感”，它使用户能够以真实的方式对虚拟刺激做出反应，并引发类似于个体实际处于真实场所时的生理反应[12,30]。例如，已有研究表明，暴露于地板上有一个完整洞口的沉浸式虚拟环境中，会引发由心率升高所决定的应激状态[31]。迄今为止，关于虚拟环境暴露与存在感的实验研究涵盖了广泛的方面，包括诱发临场感的技术方面[13] 、增强临场感的虚拟环境的感知因素[12],、情绪反应及其与临场感的相关性[31]，以及重要的是，在存在感心理状态下，暴露于完全沉浸式虚拟环境所引发的行为、生理和神经生理活动（关于这些证据的详尽综述，我们邀请读者参阅斯莱特和威尔伯恩[13]）。重要的是，先前的研究表明，使用的沉浸式虚拟现实技术越先进——就沉浸感的程度而言—— 用户在虚拟环境中体验到的临场感就越强。事实上，此类效应已在通过洞穴式立体显示装置与头戴式显示器呈现的虚拟环境[32],、头戴式显示器与计算机显示器[33],、 Powerwall与计算机显示器[34],以及立体视觉与单眼视觉 [35]的比较中得到证实。

总而言之，先前研究获得的共同证据表明，存在感（i）是在虚拟环境中引发真实行为的重要因素；（2）是由所使用的完全沉浸式3D虚拟现实决定的环境相比非沉浸式的2D环境；（3）是激活虚拟环境中真实情绪的必要中介[30]；以及（4）可通过生理指标（心率、皮肤电导和皮肤温度）活动进行客观测量[31]。此外，最近的研究表明，存在感能够激活与感觉运动整合相关的大脑机制以及调节注意力集中功能的脑网络[36]。事实上，通过记录在洞穴式立体显示装置中观察沉浸式虚拟环境的个体的脑电图和心率活动，维卡托及其同事发现，临场感水平提高了心率以及包括额叶、眶额区和左侧颞区在内的脑网络中的额叶中线θ波活动[36]。

因此，对临场感的考察非常重要，因为先前的研究表明，这种心理状态会影响虚拟治疗的有效性以及这些刺激在多大程度上转化为现实世界行为。此外，上述所有方面突显了在计算机屏幕上进行的康复与使用虚拟现实进行的康复之间存在的巨大差距。米勒等人[39]表明，当健康受试者被要求拦截一个虚拟物体时，如果该物体位于逼真的图像虚拟环境中，或置于没有任何现实线索的虚拟场景中，他们的反应方式是不同的。这些结果表明，存在一种自上而下的控制机制来判断场景是否真实，且只有在第一种情况下，受试者的反应才与在真实环境中表现出的反应相似。视觉环境不仅会影响运动处理，还会影响对静态物体的感知[40,41]。因此，有必要再次强调，并非所有在屏幕上显示的虚拟场景都可以归类为虚拟现实。这可能意味着并非所有的依赖学习的改善在视频游戏训练中观察到的效果可以转移到真实情境中。

最后，虚拟现实的另一个关键因素是，它允许操纵围绕用户所处的环境（包括虚拟角色、物体和环境），以及以物理现实中无法实现的方式操纵参与者的虚拟身体，例如重塑肢体对称性[42]或改变视觉外观[17,24],肤色[43,44],体型[45],以及观察身体的视角[46,47]，或者操纵虚拟身体的动作[21,48]。

这种虚拟现实的特性为研究支撑身体意识的神经机制开辟了全新的途径，因为让受试者暴露于替代其真实身体的虚拟身体中，能够引发一种幻觉感，即该虚拟身体属于观察者自身，也称为“‘身体所有权’ [19,49]”错觉。研究表明，仅通过在第一人称视角（1PP）下展示一个虚拟身体即可诱发这种错觉，并且通过施加视听触觉或视听运动刺激可进一步增强该错觉，例如同时同地展示一个虚拟球触碰虚拟身体和真实身体[19] ，或通过全身追踪服[43]或数据手套[50]实时显示跟随用户真实身体动作的虚拟身体。此外，还可以向患有幻肢痛的患者展示虚拟肢体（参见[51]以获取最新综述）。

实验设置，其中一种观察一个与真实肢体大小和空间匹配的虚拟肢体的用户 (b) 实验设置 其中观察者的整个身体是 被一个虚拟的替代。)

4. 虚拟现实在运动‐认知康复中的疗效

虚拟现实的动态特性’、其技术特性以及技术成本的降低，使研究人员和治疗师能够成功开发基于虚拟现实的临床评估和治疗。迄今为止，虚拟现实的临床应用涵盖广泛领域，包括疼痛管理[44,55],特定恐惧症[30],进食障碍[56],，以及受帕金森病’s[57]和阿尔茨海默病’s disease[58],脑损伤[59,60]或幻肢痛[51,61,62],脑瘫[63],和单侧空间忽略影响的患者 [64,65]的认知与运动康复。然而，尽管人们对将虚拟现实用于临床应用的热情日益高涨，一些近期的综述指出，关于其在认知与运动康复中的有效性，目前仍缺乏清晰的认识。

在2012年最近一项关于虚拟现实在康复中作用的考科蓝综述中，拉弗及其同事[7]旨在确定虚拟现实对中风后成人上肢功能和活动能力的疗效。作者指出，低质量证据表明，虚拟现实（i）在常规护理基础上使用或与传统干预相比时，在改善上肢功能（标准化均值差，SMD = 0.49）和活动能力（SMD = 0.25）方面更为有效；（ii）在中风后6个月内亚急性期应用，并且当提供更高剂量的治疗时，可带来益处[7]。然而，作者指出，目前尚无充分证据得出关于虚拟现实在握力、步速或整体运动功能等其他功能方面影响的结论，并认为目前尚不清楚虚拟现实的哪些特征最为重要，也不清楚其效果是否能在长期维持。多克斯及其合作者[66]提出了一项类似的考科蓝综述，以评估虚拟现实锻炼干预对帕金森病患者康复的有效性（特别是在步态和平衡方面， SMD = 0.20 和 0.34）。作者仅报告了短期虚拟现实锻炼对步长和跨步长度具有积极效果的低质量证据，提示虚拟现实与物理治疗在步态、平衡和生活质量[66]方面可能具有相似的效果。同样地，关于虚拟现实康复干预对脑瘫儿童和青少年改善平衡和运动技能的效果，也仅有中等程度的证据 [63]。然而，瓦利马基等人[67]并未报告任何明确的高质量证据支持或反对在患有严重精神疾病（如精神分裂症）人群中使用虚拟现实以提高治疗依从性（认知状态均数差： MD = 4.67，社交技能2.30，训练兴趣6）。另一项近期综述旨在识别和评价基于虚拟现实的单侧空间忽略干预，结果提示现有证据有限，仅表明虚拟现实在改善中风患者症状方面比传统疗法更有效[64]。此外，帕尔马及其同事通过采用国际功能分类（ICF）的分类指标，基于特定ICF领域（包括身体结构、身体功能、活动能力和参与）研究了虚拟现实干预对中风后患者的影响。所报告的证据显示，虚拟现实在身体功能和身体结构方面具有积极效果，并在特别是肌肉力量、运动、疼痛、感觉功能方面，而在活动能力和参与领域尚未得出明确结论[68]。然而需要注意的是，由于纳入研究的标准较为严格，这些综述可能存在诸多局限性，从而对结果及其解释产生负面影响。事实上，这些荟萃分析所包含的研究数量有限，且试验之间在实验设计和使用的结果测量指标方面存在较大的异质性。更重要的是，这些综述纳入了使用各种形式虚拟现实技术的研究，包括非沉浸式、半沉浸式或完全沉浸式系统，以及常使用的游戏主机。

尽管如此，这些综述的关键词仍包含了“虚拟现实”这一术语用于康复。而“虚拟现实”可能比视频游戏或严肃游戏等其他术语更具吸引力。虚拟康复被定义为“一组[所有]基于或借助虚拟现实、增强现实和计算技术的临床干预（物理、职业、认知或心理）”[69]。然而，这种定义方式并未明确区分视频游戏与完全沉浸式虚拟现实系统。因此，根据第2和第3节中描述的虚拟现实质量水平，我们认为只有更具沉浸感和交互性的技术，即能够引发良好临场感的技术，才应被正确定义为虚拟现实（例如通过头戴式显示器或洞穴式立体显示装置呈现虚拟环境的实验方案，而非普通桌面系统）。目前尚无任何综述考虑沉浸式虚拟现实及其临场感对治疗效果的影响，因为关于沉浸式虚拟现在康复中应用的证据仍然匮乏，未来还需进一步研究。但将虚拟现实与基于视频游戏的疗法区分开来真的如此重要吗？尽管相关证据尚少，已有研究表明，诸如头戴式显示器和环绕屏幕显示等沉浸式显示屏的新颖性会使用户对其体验产生更积极的反应[70]。

Iruthayarajah及其同事[71]最近进行的一项综述值得关注，该综述聚焦于虚拟现实在慢性中风患者平衡功能恢复中的应用。他们回顾了20项使用任天堂Wii Fit平衡板的研究，7项将虚拟现实与跑步机训练结合的研究，以及6项使用虚拟现实进行姿势训练的研究。结果显示，与传统康复相比，虚拟现实干预具有显著改善效果，而使用任天堂Wii Fit平衡板（即视频游戏）的研究则未观察到显著效果。然而， Howard等人[72]的另一项近期综述表明，荟萃分析结果显示，总体而言，虚拟现实康复项目在身体功能恢复方面比传统康复项目更为有效（总体标准化均值差= 0.397，运动控制标准化均值差= 0.283，平衡标准化均值差= 0.250，步态标准化均值差= 1.041，力量标准化均值差= 0.666）。在同一综述中，作者还提出了导致这些改善效果的三种机制，包括兴奋度、物理保真度和认知保真度[72]。总体而言，尽管存在一些局限性，上述综述表明，虚拟现实康复（无论感官沉浸程度如何）确实是多个康复领域中极具前景的工具，但与此同时，仍需更多必须付出努力来理解与虚拟现实协议相关的因素和治疗疗效之间的明确关系。虚拟现实（和增强现实）的另一个康复应用是治疗截肢患者的幻肢痛。许多研究表明在减轻疼痛方面有益处；然而，尽管有这些积极发现，应注意的是，大多数研究仅限于病例报告和病例系列报告，因此需要开展更高证据级别的研究，以证明虚拟现实和/或增强现实在减轻幻肢痛方面的疗效[51]。在认知康复中，相比常被视为枯燥的纸笔测试和练习，患者可能更愿意在充满刺激的虚拟环境中使用技术设备，从而对虚拟现实干预表现出更好的配合度[73]。

使用头戴式显示器进行的虚拟现实训练，对患有记忆缺陷的老年人也显示出效果，在记忆、注意力广度和执行功能方面有所提升，但在视觉空间处理方面未见改善[74]。卡斯蒂略及其同事的研究尤为有趣[65]，他们报告指出，偏瘫手患者进行虚拟抓握练习通常并未改善运动表现，但在患有单侧空间忽略的患者亚组中，减少了空间视觉表征的缺陷。大多数日常生活活动都涉及多任务处理，不仅需要运动参与，还需要认知参与。从这个角度来看，虚拟现实似乎在神经康复中具有发挥全新基础作用的更大潜力。在所有可能的应用中，最常见的是一种是虚拟超市。它包括在模拟超市的虚拟环境中进行的练习[8]。在接受治疗的患者中，观察到其多任务处理能力以及日常生活活动独立性均有显著改善。另一个引人注目的可能性是训练患者恢复驾驶能力。基于虚拟现实的驾驶训练已被证明比旨在恢复驾驶的传统疗法更为有效[75]。在其他可能用于运动认知康复的应用中，还包括对城市环境的虚拟模拟，例如街道[76]和虚拟办公室[77]。虚拟现实可以提高患者在使用机器人进行康复时的主动参与度，而传统机器人康复存在基本上为被动参与的风险[78]。

此外，需要强调的是，与临床领域的信息与通信技术不同，虚拟现实（VR）和运动游戏/严肃游戏这些术语经常被用来指代相同的康复训练。运动游戏（锻炼类游戏、严肃游戏、认知游戏）指的是进行涉及身体活动的视频游戏的活动能力[79]。目前，这些训练被用于支持并改善对不同功能和认知能力的评估，并为患者的治疗、刺激和康复提供替代方案[80]。这种锻炼被转化为一种所有元素均在一个简单的虚拟环境中实现的活动。该领域在医院和家庭环境中的康复中越来越受到关注，并在针对不同病理的康复计划中用于实现多种康复目标[81,82]。通过带有虚拟现实场景的运动游戏所进行的康复训练涉及多种康复和学习原则：包括认知功能的参与（例如视觉警觉、任务重心转移、双任务处理、视觉短时记忆），它具有高强度、多样化、充满反馈（带宽反馈、评分反馈、表现反馈），同时兼具高动机性和趣味性[83,84]。值得注意的是，生物反馈对于神经可塑性以及运动技能获取至关重要，这得益于强化奖励的作用。最近的发展还促使一些设备实现了商业化，这些设备将生物反馈概念融入其中，通过惯性传感器运动提高了基于虚拟现实的运动游戏中的运动控制精度（里亚布洛·科赫雷亚布，特伦托，意大利；瓦莱多，霍科马，瑞士）[85]。

其他有趣的康复方法包括使用BTS NIRVANA（ www.btsbioengineering.com/products/nirvana）和计算机辅助康复环境（CAREN， www.motekforcelink.com/product/caren），两者均允许（i）通过红外动作捕捉系统与虚拟环境互动进行训练，以及（ii）记录和分析患者的表现和身体运动。最近，鲁索等人’使用 NIRVANA为中风后患者提供了一项虚拟认知康复计划。重要的是，作者旨在检测在虚拟现实训练过程中存在或不存在身体影子时功能结果的差异。获得的证据突显了该技术在改善认知能力（特别是视建构能力和注意力）方面的有效性。此外，他们发现，在屏幕上存在身体影子的情况下进行虚拟现实训练的患者组，其视建构能力、注意力功能和上肢运动功能均有显著改善，表明身体影子可能代表一类高优先级的刺激，能够“引导”注意力朝向身体本身，从而促进认知与运动功能的恢复‘推动’注意力朝向身体本身，从而促进认知与运动功能的恢复[86]。此外，塞索姆斯等人[87]测量了接受前庭物理治疗的健康人群和前庭功能障碍患者的步速和重心转移的改善情况，使用的是CAREN系统。结果显示，患者在步速和涉及重心转移的挑战任务方面改善更为显著，并达到了与健康对照组相似的水平，提示CAREN系统可能是治疗前庭功能障碍个体的一种有效干预方式。

除了上述有前景的结果外，我们还应考虑在家中进行沉浸式基于虚拟现实的康复的可能性。在这方面， Perez‐Marcos 及其合作者 [3]开发了一种有前景的沉浸式远程康复系统，该系统通过整合多种技术，在完全沉浸式环境中将身体投射到虚拟身体中，并在远程实现身体体现。通过这种方式，患者可以在家中进行康复训练，而治疗师则可通过计算机监控其进展。最后，另一个有前景的应用涉及将沉浸式虚拟现实与脑机接口相结合。事实上，Leeb 及其合作者证明，四肢瘫痪者可以利用脑电波通过洞穴式立体显示装置[27]所呈现的虚拟现实中控制轮椅的运动。

5. 虚拟现实在机器人辅助康复中的促进作用

另一个在康复领域带来重要进展的重要技术是机器人辅助康复。事实上，该技术旨在提供一种针对上肢或下肢的强化、重复性、以任务为导向的训练 [1,88],这是康复中的一个重要方面。目前，已有许多机器人设备被用于康复治疗。以下，我们将介绍一些已与虚拟环境相结合用于步态康复的机器人技术实例；关于更多详细信息，我们邀请读者参阅卡拉布罗[89]以获取全面的综述。第一个例子来自米雷尔曼及其同事[90],的研究，他们使用了罗格斯踝关节康复系统，评估了机器人结合虚拟现实系统（在显示器上显示的二维虚拟环境）与仅使用机器人相比，对中风患者步态的影响。研究发现，接受机器人‐虚拟现实训练的患者在行走能力（即速度和行走距离）方面表现出更显著的改善。此外，通过机器人辅助步态训练也获得了虚拟现实在步态方面的积极效果，其中使用了现代版本的洛科马特（洛科马特‐专业版，霍科马公司，瑞士沃尔克茨维尔），即一种由以下两部分组成的机器人装置：(i) 电动矫形器，可在患者于跑步机上行走时引导膝盖和踝关节运动；以及 (ii) 屏幕，用于显示非沉浸式虚拟环境，能够在患者行走时提供交互式直接反馈。最近，卡拉布罗及其合作者[91]评估了该技术在伴行走障碍的多发性硬化症患者中，配备或不配备虚拟现实条件下的疗效。在虚拟现实条件下，参与者可在显示器上观察到一个虚拟化身，其行走方式会根据参与者的动作相应变化。研究发现，接受机器人辅助步态训练的患者功能结果良好，而进行虚拟现实训练的患者效果更佳，包括平衡能力的改善。同样地，卡拉布罗等人[92]采用了类似的实验设置，研究慢性偏瘫患者的 EEG 活动及行为表现。证据表明，虚拟现实在慢性偏瘫患者中可改善步态和平衡，并且重要的是，脑电图结果显示，使用虚拟现实可能通过激活参与运动规划和学习的额‐顶‐枕脑区来增强运动表现。因此，这些证据表明，二维虚拟现实反馈在促进康复治疗中起着根本性作用。这与提倡自上而下的方法[93]并增强患者的主动参与’s 的理念一致，而主动参与是实现积极康复效果的促进因素[94]。

最后，另一个值得提及的有前景的应用来自比萨佩尔克罗实验室开展的机器人研究，该研究开发并探索了一种外骨骼原型与虚拟现实相结合用于上肢康复的技术（更多信息请参见 [95,96]）。

6. 专家评论

回到我们提出的问题：为什么患者需要在虚拟环境中而非真实环境中进行康复？答案可以从上述虚拟现实所提供的优势和新可能性中找到。事实上，最有前景的一点是，虚拟现实能够在医院环境中创建出模拟真实环境的虚拟环境，从而实现多任务康复。

优势 g易用性：（1）y chang能力 y的 y合成环境‐ment that may improveto designand adapt optimal individua-lized therapy;(2) the funny and/or astonishing context thatmaybe more motivating thanhospital setting, a feature thatmay increase the active participation ofthe subject in his reha-bilitation(a fundamental aspect to increase the rehabilitativeoutcomes[86]); (3) 将超市、房屋或街道等外部环境复制到医院环境中；以及 (4) 收集和分析数据以监测和评估康复进展的可能性。这些方面在双任务运动认知训练中似乎比单纯的运动训练更有效，包括多任务能力、单侧空间忽略以及幻肢痛。重要的是，虚拟现实能够在实验者完全控制的条件下设计出具有高生态效度的实验。此外，基于虚拟现实的康复可以指数级地增加康复项目所需的运动次数。事实上，物理康复计划涉及某些身体运动的重复。布尔代亚等人表明，基于视频游戏的康复通过让患者在合成环境中更好地参与以及增强患者交互强度（每次会话手臂重复次数可超过1000次）而优于传统疗法[97]。然而，即使直接证据仍然缺乏，我们相信沉浸式虚拟现实系统对人类心理产生的影响，例如临场感和虚幻的身体所有权，可能在康复计划的有效性中发挥根本作用。事实上，临场感是一种必要的中介因素，它能够使虚拟环境激活真实的情感[30]并在提高动机以及在某些情况下提升表现方面起重要作用[98]。因此，通过使用能够引发高水平临场感的适当沉浸式虚拟现实设置，有可能实现富有前景的康复计划，使患者能够像真正身处虚拟环境中一样进行锻炼‘as if’他们实际上存在于虚拟环境中。此外，通过利用虚拟化身，即观察者产生虚拟身体及其动作属于自身的错觉，有可能实现针对与身体相关障碍（如躯体妄想症、幻肢或身体形象障碍）的有前景的康复计划。进一步地，虚拟化身对于未来运动康复程序的发展也可能非常重要，在这些程序中，‘具身化’的虚拟身体被编程执行某些动作，患者可以将其感知为自己的动作，从而在大脑中激活一系列感觉运动机制[21,48]，这有助于恢复患者运动的某些方面（请注意，通过这种方式，患者可以从第一人称视角观察虚拟身体执行自然运动，这一条件是使用非虚拟现实技术无法实现的）。未来的研究将有必要验证这一主张。

然而，有必要澄清一些研究和临床应用中的关键问题，在开始使用该技术之前应予以考虑。第一个关键点在于可用的资金资源和空间。事实上，尽管用于基本沉浸式虚拟现实设置的硬件和软件成本正在降低，如今，设备比过去更加普及（例如，配备HMD和手柄控制器的PC可能花费不到3000美元），但完全沉浸式虚拟现实系统仍然较难获得（例如，带有全身动作捕捉功能的洞穴式自动虚拟环境系统，其成本很容易超过10万美元），而且这类装置常常需要定制化搭建，从而进一步推高成本。此外，还需考虑程序员和3D艺术家的成本，他们能够根据康复方案定制开发虚拟环境。另外，可用空间在选择虚拟现实系统时也起着至关重要的作用。事实上，洞穴式自动虚拟环境系统或动作捕捉场地（用于记录全身运动）通常需要大量空间，并必须安装在专用房间内；而头戴式显示器装置通常所需空间较小（取决于用户是否需要在空间中移动身体或只需坐在椅子上），甚至可少于三平方米。第二，尽管软件系统已比过去更加用户友好，但有时准备一次单独的虚拟现实实验仍需大量时间，包括制作3D模型、编写软件以及执行验证测试。第三，这一点看似显而易见，却经常被忽视：虚拟现实并非真实现实。已有部分研究结果表明，当大脑需要与虚拟环境互动时，其反应方式与真实环境有所不同[39]。有证据表明，只有具备高度图形性能且将患者的感觉运动通道与虚拟环境相连接的“逼真”虚拟环境，才能引发与真实环境中对外部刺激相似的反应。然而，与此同时，以高保真度模拟现实仍是不可能的，实验者必须始终紧密围绕康复目标，选择合适策略。最后，如上所述，虚拟现实在康复中的疗效尚未完全明确，未来仍需进一步研究以深入探讨这一问题；但目前虚拟现实面临的一个最重要问题，是人们错误地认为基于视频游戏的训练就等同于虚拟现实。然而，我们也应指出本综述存在的一些局限性。鉴于本综述的目的，我们概述了多种虚拟现实应用及其在认知与运动障碍康复中的 promising 结果，涵盖广泛的疾病类型和年龄群体。因此，第一个局限是，我们并未系统地描述虚拟现实康复项目对各个特定人群在不同年龄段的所有可能影响。其次，考虑到为研究目的（包括原型）开发的大量商用和非商用虚拟现实系统，我们无法在本综述中涵盖所有可能的虚拟现实设备，因此仅限于描述近年来研究中最常使用的设备。

7. 五年展望

在接下来的5年中，用于娱乐的商用虚拟现实系统的发展可能会降低其成本。这种成本降低对于基于头戴式显示器的虚拟现实系统将尤为重要，这些系统将更易于在临床环境中使用。它们很可能会改变患者的康复方式，尤其是因为本综述中提到的研究结果支持这样一个观点：这些系统在多任务训练方面特别有效。这意味着认知与运动功能将同时得到康复，而不是分别进行。这需要由物理治疗师、认知治疗师、医生、神经科学家、计算机科学家和生物工程师组成的多学科专业团队，共同参与基于虚拟现实的疗法的研发、监测和调整，并在大量患者中实施。尽管存在各种可能的局限性，我们仍认为沉浸式虚拟现实程序将成为下一代身体与认知治疗的发展方向，并有望在保持较高疗效的同时，在相对较短的时间内显著降低康复成本。