巩树伟 刘爱峰 郎 爽 靳 博

（ 1 天津中医药大学第一附属医院骨伤科，天津300381；2 天津中医药大学，天津 301617）

疼痛是许多疾病的共同症状，与较为短暂的急性疼痛相比，国际疼痛学会 (International Association for the Study of Pain, IASP) 将慢性疼痛定义为持续3 个月以上的疼痛[1]。当疼痛持续一段时间后，他对身体的影响就不仅仅是原发疾病对身体的作用，而是会持续对病人的生理水平，心理水平和社交水平进行影响[2]。为了治疗慢性疼痛这一复杂综合征，临床中在治疗病人原发病灶的同时，还应该考虑心理和社会维度对病人的叠加作用，这使得慢性疼痛管理相对于急性疼痛而言难度更大[3]。

面对长期使用镇痛药物产生的耐药性以及高不良反应的缺点，研制新型的镇痛方法变得尤为重要。使用虚拟现实技术(virtual reality, VR)分散注意力已经成为一种有效的治疗方法来减少病人的疼痛，这种治疗方法称为“分心疗法”[4,5]。VR 除了可以分散注意力以外，还提供一个积极的，正向的心理矫正环境，从而直接或间接地作用于病人痛觉的感受[6]。因此，VR 在介导慢性疼痛方面有很大的潜在价值。本文汇总、归纳新型VR 镇痛技术对慢性疼痛病人的治疗效果，探索是否可以为临床中治疗此类病人提供一种新的选择。

一、历史发展与前期探索

目前，镇痛药仍是临床中缓解疼痛的重要治疗手段，但50%以上的病人否认处方镇痛药能达到理想的止痛效果[7]。VR 技术与疼痛医学的结合，可使VR 技术的强互动感和沉浸感将病人注意力从疼痛上部分释放，从而减少病人感觉的疼痛程度。20世纪90 年代，虚拟现实与疼痛控制初步结合，华盛顿大学Hoffman 团队首次探索在烧伤病人治疗中使用沉浸式VR来分散病人对疼痛注意力的可行性。他们的研究提供了初步证据，表明VR 可以作为一种强大的非药物减缓疼痛技术，用于成人烧伤病人和其他潜在的疼痛人群的治疗[8]。之后，该团队又研究了沉浸式虚拟现实是否可以作为一种有效的非药物止痛剂来治疗牙痛，同样得出了有意义的结果[9]。2004 年，该团队进一步对VR 技术镇痛的作用机制以及该技术作用于神经系统的具体分区进行研究，该研究发现：虚拟现实技术很大程度上干预了与疼痛相关的五个大脑区域的活动，包括前扣带皮层、双侧初级体感觉皮层、次级体感觉皮层 、岛叶和丘脑，这说明虚拟现实可以直接调节人脑对疼痛反应[10]

近年来，研究者将VR 技术应用于多种疾病过程中的慢性疼痛控制，如烧伤后、癌症、幻肢痛、强直性脊柱炎、慢性神经病理性疼痛、复杂性区域疼痛综合征、纤维肌痛症等，并对其进行研究探索。

二、虚拟现实技术治疗慢性疼痛临床观察

1. VR 镇痛技术在幻肢痛病人中的应用

目前世界范围内肢体缺失的病人人数仍迅速增长。据统计，仅在非洲、亚洲和拉丁美洲就有3000万人需要安装假肢、矫形器等辅助工具[11]。同时截肢会带来诸多不良反应，其中包括被截去肢体后遗的疼痛感，即病人感到被切除的肢体仍然存在，且在该处发生长久的慢性疼痛，这被称为幻肢痛(phantom limb pain, PLP)。大约76%的上肢截肢者有幻肢感觉，49%的截肢者患有PLP或残肢疼痛感[12]。目前临床上还没有治疗该疾病的特效药。

Cole 等首先将虚拟现实与“镜像疗法”相结合治疗PLP，发现所有截肢病人都在虚拟空间内体验了患肢上虚拟的手臂，并感觉到模拟肢体运动，镇痛效果优于单纯的分心作用，且在治疗过程中虚拟现实很好地控制了病人的睡眠质量与镇痛药服用剂量[13]。传统的VR 技术治疗PLP 多针对病人的“视错觉”来制造假象，而Ichinose 等为病人提供一个新型的VR 产品，其可同时产生视觉、听觉和触觉反馈，从而增强了病人体验的真实性。即在治疗时若病人的模拟手臂在虚拟世界中触碰到脸颊，则在现实世界中，该病人脸颊上的触觉传感器也会同时传递触摸感。此类将体感反馈应用于VR 治疗PLP 病人的技术可显著提高神经康复过程中镇痛效果[14]。同样是增强触觉体验，Snow 等使用机器人手臂通过传感器与VR 环境相连接，实时传递虚拟手臂的动作与力反馈，通过3 名PLP 病人的体验，说明更高的沉浸感与参与感会减低PLP 病人的痛感[15]。目前越来越多的研究证明VR 技术的衍生技术会产生更好的沉浸效果，从而对PLP 病人产生更加优效和精确的治疗作用，如虚拟集成环境(virtual integration environment, VIE)，虚拟现实与增强现实(virtual and augmented reality, VR, AR)，混合现实(mixed reality, MR)，以及能够预测手臂下一步运动意图的VR 手臂(virtual therapy arm, VITA )，这说明病人体验过程的真实感与PLP 治疗效果呈现正相关[16,17]，因此增强VR 技术的沉浸效果对于提高PLP 病人镇痛疗效有重大意义。

目前越来越多的研究显示，PLP 病人手臂通常表现为自主神经受损的症状，可表现为刺痛、灼痛、抽痛、电击样、痉挛样、挤压样痛等[18]，但是VR沉浸对于不同的症状的PLP 的作用效果不明确，Osumi 等研究VR 镇痛效果与PLP 病人的疼痛特征是否相关，发现PLP 病人在VR 康复中均体验到虚拟的幻肢，与此同时也感到疼痛的减轻，但是相对于射击样、灼烧样疼痛，VR 镇痛技术对于挤压样、叮咬样疼痛效果更为显著[19]。

目前，VR 技术治疗幻肢痛的效果已经被很多高质量的证据证实，但VR 治疗在临床推广中不得不面临其设计成本以及设备成本高昂的问题，针对这一问题，Elisabetta 等通过更为廉价的Oculus Rift头盔来测试高质量的3D 环境是否能有效治疗下肢截肢PLP 病人，其系统设置简单，安装时间短暂，不需要专门的技术员来操作，实现了治疗家庭化，社区化。结果显示仅在2～4 个疗程内，Oculus Rift头盔下的3D 环境就可显著控制PLP 疼痛，该研究为低成本、社区化的PLP 管理策略提供了新的思路与证据[20]。

对于目前VR 治疗PLP 的机制，有部分研究者认为，VR 治疗涉及的大脑结构主要为右脑岛、扣带皮层和前运动皮层[21]。病人在VR 眼镜中看到的虚拟再生的肢体可以增强这些区域的大脑活性，从而减轻PLP 产生的疼痛。也有研究者指出，VR 治疗是通过激活患肢对侧的大脑半球神经元，病人在VR 环境中，无论进行自主还是被动运动，都能将患手对侧的大脑半球神经元激活，从而减轻PLP 疼痛感受[22]。但目前仍缺乏有力证据证明这些假说的成立。

2. VR 镇痛技术在复杂性区域疼痛综合征病人中的应用

VR 技术同时也是治疗复杂性区域疼痛综合征(complex regional pain syndrome, CRPS) 的一种重要手段。CRPS 以严重的顽固性、多变性疼痛为主要特征，并缺乏有效的治疗方法。2014 年Jeon 团队首次将“镜像疗法”结合VR 技术应用于治疗CRPS。其团队纳入两组病人，两组都通过VR 眼镜观看虚拟身体交换视频，并且额外要求实验组模仿VR 视频中虚拟动作。发现两组病人治疗后疼痛强度并无差异，但治疗组身体知觉障碍评分(body perception disturbance, BPD)明显优于对照组[23]。此研究初步说明使用VR 技术进行镜像疗法治疗适用于CRPS 病人，有助于改善病人功能障碍。

对于儿童的CRPS 治疗目前的难点在于常规物理治疗中由于畏痛心理，通常患儿在30～60 min疗程中每次只配合2～10 min，但在一项针对4 名CRPS 患儿的研究中发现VR 技术长时间的治疗中参与者非常冷静和投入，渴望参与，并很好地忍受了治疗，在整个5 min 的治疗过程中，除了1 个病例外，所有病人都在积极地移动受影响的肢体。该VR 游戏具有一定的激励作用，使参与者试图超越上次的分数，这成功克服了病人对于传统物理治疗的抵触感[24]。最重要的是，所有病人均未报道不良反应，说明VR技术治疗小儿CRPS是安全且有效的。

对于这一慢性疼痛疾病，目前的病因学研究发现可能与疼痛部位相对应的神经中枢表现异常有关。Solcà 团队研发了一种新型基于心电信号的数字VR 治疗方法(heartbeat-enhanced virtual reality, HEVR)[25]，通过心电信号与VR 沉浸结合来干预疼痛在大脑中枢中的反应，HEVR 主要包括通过佩戴Oculus DK1VR 眼镜，同时使用Arduino 微控制器采集病人的心电数据，微控制器将预处理后的心电信号传输给ExpyVR 计算机，该计算机实时检测病人QRS 波的R 峰值。在HEVR 过程中，参与者被要求不停地观察VR 眼镜中正在闪烁的虚拟手，他们会发现虚拟手的闪烁频率与自己的心跳频率一致。在刺激过程中，参与者通过耳机中播放的白噪音，有效地掩盖了周围所有的听觉输入。研究随访中发现，在CRPS 病人中，HEVR 通过将与心跳相关的信号投射到病人受影响的虚拟手上来减轻疼痛，增强了手部力量，并减少了治疗过程中对患手的触觉刺激，在治疗过程中实现了全自动化，最大限度地减少病人和治疗师的参与，克服了之前镜像疗法和单纯VR 疗法的一些限制。

疼痛的感觉已经被证明与身体组织结构的感官输入有关。如对一个人的手、面部或躯干的观察已经被证明可以减少健康参与者的痛觉体验。这种效应在观看非身体物体时不会发生，这使VR 技术下观察模拟手臂干预CRPS 成为可能，而被观察到的物体和真实物体之间的多感官信息的一致性会进一步增强这种效应，这就导致心电信号的加入使VR镇痛效果增强。

同样通过VR 虚拟手臂，Marta Matamala-Gomez 等通过改变其透明度和外形的大小而增强VR技术对CRPS 的治疗效果[26]，研究发现调整虚拟手臂的透明度变化在CRPS 治疗中更有效，相比之下改变大小影响较弱，并且增大虚拟手臂的尺寸会轻微增加病人的疼痛，而减少病人的手臂会减轻一部分病人的疼痛。对于透明度对镇痛效果的影响，按照之前观察虚拟手臂的镇痛理论，若病人看到正在消失的虚拟手臂会减低镇痛效果，但该研究显示，对于部分CRPS 病人增加透明度反而会增加镇痛效果，这可能是由于大脑中身体外形的紊乱会影响CRPS 病人的疼痛感知，但这一解释并没有得到更多研究证实，仍需进一步探索。

3. VR 镇痛技术在纤维肌痛症病人中的应用

纤维肌痛症(fibromyalgia, FM)特点为全身长期性、广泛性肌肉疼痛和压痛，其中以脊柱、骨盆、背部常见，一旦患病，病人疼痛会持续整个病程[27]，目前该慢性疼痛性疾病病因以及治疗方法并不明确。2010 年一项关于心理治疗干预FM 的系统评价发现该疗法治疗FM 具有一定短期疗效，且与治疗FM 药物的效果相当，但同时也发现心理治疗对FM病人的长期治疗效果有限[28]。Botella 等首次将VR技术结合心理治疗用于治疗FM 病人。该研究共纳入15 名患FM 的妇女，并对其进行VR 环境下的心理治疗。其中共包括以下几部分：慢性疼痛和FM的教育；前期放松；认知与行为重组；VR 技术沉浸；FM 预防复发教育。并对其治疗前后工作障碍、疼痛、疲劳、晨僵、焦虑和抑郁进行评分。该团队发现进行数次VR 环境下的心理治疗后所有病人疼痛评分均明显下降，抑郁也有所缓解[29]，最重要的是该研究发现在VR 环境介导下的心理治疗对于部分FM病人产生了长期疗效。

同时，FM 病人在漫长的疼痛过程中会产生大量的“消极情绪”，过度的消极情绪会导致病人对生活缺乏耐心和欲望，所以Herrero 团队认为负面情绪是治疗纤维肌痛症的一大障碍，其开发了一种开放性VR 系统[30]，其通过投影仪展示虚拟环境，该环境选用明亮和高饱和度颜色以促进积极的情绪。将受试者放置于该环境中，在研究过程中可以相互交流与互动。经评估显示病人的快乐、喜悦和活力等积极情绪显著提升，悲伤和焦虑等消极情绪显著降低。其中VR 技术影响最大的情绪是平静和快乐。在愤怒方面没有发现差异。说明VR 技术在改善FM 病人情绪、心理健康和生活质量方面有一定作用。

在对FM 病人的VR 镇痛机制研究中，Morris 等发现FM 病人在VR 治疗中右侧额下回、右侧额中回、右侧小脑后叶、左侧丘脑和左侧额上回被激活[31]，初步证明了将纤维肌痛综合征病人暴露于3D 视觉环境中，可引起相应大脑功能区域的生理变化。

三、不足与展望

对于VR 这一新兴产业，在与疼痛缓解结合过程中，仍有许多不足。首先，VR 技术镇痛机制仍有待强化，尽管有一些研究发现VR 技术治疗疼痛的“促内啡肽机制”以及“大脑皮层兴奋机制”，但这些研究数量较少，仍需大量的试验数据增强证据。其次，大量的研究证明VR 技术对慢性疼痛均具有良好的镇痛效果，但目前研究均无进行较长时间随访，单次疗程结束后疼痛缓解的时长仍需不明确。在治疗结束后多久会疼痛复发，复发后继续使用VR 治疗病人是否出现厌烦而导致效果下降的情况仍待研究。最后，目前研究涉及疾病较少，对于骨折、腰椎间盘突出症及各种关节炎导致的机械性疼痛研究较少。

对于VR 设备方面，首先，目前提供大部分的虚拟现实治疗设备组件较多，设备使用不便，且需要专门的技术人员进行调控，这大大降低了其便携性，且目前高沉浸VR 设备价格仍十分昂贵，一个头盔式显示器加上主机的成本较高，这两方面因素导致病人的治疗渠道较窄，降低了VR 技术的使用率和病人依从性。为了使病人进行家庭治疗或办公室治疗，便携且经济的VR 设备应是未来的发展方向。其次，在Hoffman 等进行的一项研究中提出，虚拟程序的分心效果随着沉浸的深度而大大增强，目前高沉浸虚拟恢复环境治疗(virtual restorative environment therapy, VRET)的出现可更有效的减轻烧伤病人的疼痛和焦虑。且更深的沉浸感对心率、呼吸频率、皮肤温度和皮肤抵抗力等生理因素均有积极作用[32]。Small 团队同样也提出，摒弃传统头戴式VR 显示器，而使用更高沉浸性的VRET 可大大减少外部设备与烧伤病人的接触[33]，对于减少病人感染有重要意义。

作为一项新型的镇痛技术，虚拟现实的缓解慢性疼痛效果已经被大量研究证实。最近，减少使用阿片类镇痛药和使用非药物疼痛疗法一直被强烈呼吁。一项Meta 分析指出作为传统镇痛手段的代表，吗啡能减少30%的疼痛[34]，而Jones 经研究发现VR 技术联合阿片类药物的镇痛效果约为单纯使用吗啡的两倍，这可大大减少镇痛药的使用剂量[35]。

综上所述，虚拟现实技术对于慢性疼痛病人是一个可行的选择。但是否可以单独治疗疼痛以及远期疗效还有待进一步研究。