Поражение нервной системы наблюдаются более чем у 1 млрд человек во всем мире, являясь одной из основных причин когнитивных нарушений [1]. Актуальный вопрос современной медицины — нейрореабилитация такой группы пациентов, а также поиск новых подходов в решении задач более эффективного восстановления когнитивных функций [2, 3].
Когнитивная реабилитация — комплекс терапевтического воздействия с целью улучшения когнитивных функции, а также для оптимизации деятельности пациента, которая ограничена из-за расстройств в когнитивной сфере, его адаптации к повседневной деятельности [3, 4]. Данные задачи преимущественно решаются нейропсихологами с помощью специальных методик и подходов, оценка состояния пациента проводится с помощью специализированных шкал [3—6].
На современном этапе осуществляется поиск новых методов когнитивной терапии для повышения эффективности реабилитационных мероприятий. Широкое распространение получили разнообразные компьютерные программы, представляющие стандартизированные задания различного уровня сложности, однако они не позволяют осуществить дифференцировку упражнений и реализовать принцип персонализированного подхода к пациенту в зависимости от патологического процесса. Видеотерапия — также активно развивающееся направление в когнитивной терапии, позволяющее более точно обозначить реабилитационные задачи. Следует отметить, что к важным составляющим успешной нейрореабилитации относится личностный фактор — роль врача-реабилитолога, пациента и его семьи в понимании поставленных задач, осознании важности стимуляции положительного настроя и положительных эмоций [5, 6].
В последнее десятилетие наблюдается рост количества исследовательских работ, связанных с погружением человека в среду виртуальной реальности (VR) с различными целями, в том числе для реабилитации при патологических процессах. Прогнозируется, что в 2022 г. около 210 млрд долларов составит объем рынка виртуальной и дополненной реальности, что свидетельствует о востребованности данной технологии [7—10].
Цель работы — изучение возможностей лечения нарушений когнитивных функций с использованием технологии VR.
Проведен поиск доступной литературы, опубликованной и проиндексированной в международных реферативных базах Scopus, Web of Science (WOS), PubMed, Embase в период с 1 января 2017 г. по 1 января 2022 г., для публикаций, связанных с применением технологии VR в нейрореабилитации. Были просмотрены статьи, которые отвечали критериям поискового запроса: «виртуальная реальность», «нейрореабилитация», «когнитивная реабилитация».
В настоящее время технология VR — активно развивающееся перспективное направление цифровой медицины [1]. Впервые понятие «виртуальная реальность» ввел J. Lanier, характеризуя ее как интерактивную имитацию различных сред, как реальных, так и несуществующих, в которые возможно погружать человека в трехмерный мир и создавать новую имитационную систему, с которой он взаимодействует за счет сенсорного восприятия с прямым манипулированием объектами и ответными моторными реакциями в режиме реального времени [2, 3].
Широкое использование технологии VR в нейрореабилитации начали в конце 1990-х годов [5] при таких патологических состояниях как посттравматический стресс [6], боли [7], тревога и депрессия [8, 9], расстройства пищевого поведения [10]. Применение технологии VR в нейрореабилитации также быстро растет [2, 11].
VR может легко имитировать любую конкретную среду, такую как горная местность [12], лесной пейзаж [13], морской пляж [14] или саванна [15], что может вызывать положительные эмоции у пациентов и, следовательно, улучшать когнитивные способности. Поскольку VR создает опыт повествования, она также способна сильно влиять на то, как мы воспринимаем себя и окружающий мир. Большинство действий в повседневной жизни является многозадачным и требует не только двигательного, но и когнитивного участия. С этой точки зрения VR имеет еще более высокие возможности играть новую фундаментальную роль в нейрореабилитации. Таким образом, используя адекватную установку иммерсивной VR, можно реализовать реабилитационные программы, в которых пациенты могут выполнять упражнения в той среде, которая индивидуально подходит конкретному пациенту [16—18].
Исследования показали, что головной мозг человека по-разному реагирует на взаимодействие с виртуальной средой по сравнению с реальной [16]. К преимуществам технологии VR в нейрореабилитации можно отнести следующие:
1. Легкая изменчивость виртуальной среды, которая может быть адаптирована в соответствии с потребностями каждого пациента индивидуально;
2. Виртуальная среда интересна пациенту, который более мотивирован на реабилитационный процесс, чем условия специализированного отделения больницы, что может увеличить активное участие пациента в реабилитации [17];
3. Возможность сбора и анализа данных для мониторинга и оценки хода реабилитационной программы;
4. Технология VR задействует несколько стимулов (зрительные, сенсорные, звуковые), что более подходит пациентам, которым нравится использование технологических устройств в виртуальной среде, чем бумажные тесты и упражнения, которые кажутся неинтересными и однообразными [18];
5. VR также обеспечивает безопасную среду для оценки навыков, которые могут быть слишком опасными или рискованными для выполнения в реальном мире (например, приготовление пищи или вождение автомобиля), и испытуемые могут совершать ошибки, не страдая от реальных последствий [19, 20].
Можно выделить несколько основных типов VR:
1. Неиммерсивная VR: в этом виде реальности человек не полностью погружается в виртуальный мир. Это наиболее распространенный тип VR, с которым мы сталкиваемся при работе с персональными компьютерами, планшетами, смартфонами, телевизорами или другими электронными устройствами.
2. Иммерсивная VR (полное погружение в VR): в этом виде реальности человек полностью погружается и имеет ощущение присутствия в виртуальном мире [21]. Человек входит в виртуальный мир с помощью специализированного оборудования, такого как шлем, очки, иммерсивная комната. Это поддерживает иллюзию, которую испытывает человек, что виртуальный мир является реальным миром.
3. Дополненная реальность: характерной особенностью дополненной реальности является то, что некоторые компоненты виртуального мира накладываются на окружающий мир [21, 22]. Человек воспринимает сгенерированную компьютером перцептивную информацию, которая накладывается на предметы и объекты, находящиеся в реальном мире.
4. Смешанная реальность: форма дополненной реальности, реальные элементы взаимодействуют с виртуальными, поэтому пользователь может взаимодействовать с различными объектами [23].
5. Расширенная реальность: это общий термин, который охватывает все иммерсивные, включая современные, технологии, такие как вышеупомянутая дополненная реальность, VR или смешанная реальность, а также будущие технологии, которые еще предстоит создать [24].
VR, имитирующая реальную повседневную жизнь, кажется особенно важной в когнитивном обучении. Пациенты получают обратную связь в режиме реального времени и при этом не страдают от каких-либо физических последствий ошибок. В результате они чувствуют себя в безопасности и могут лучше сосредоточиться на упражнении [25]. Интуитивность таких систем особенно важна для пациентов с когнитивными нарушениями из-за ограниченной способности приобретать новые навыки [24]. Использование VR позволяет проводить воспроизводимую объективную оценку когнитивных процессов, лежащих в основе таких функций, как внимание, память, обработка информации, логическая последовательность и решение проблем [26]. Стимулирующее воздействие VR на головной мозг очень полезно для когнитивной реабилитации. Повреждения головного мозга часто проявляются нарушениями внимания, памяти, поведения, исполнительных функций [27].
Недостаточность памяти, проявляющаяся в неспособности вспомнить отсроченные намерения, представляет серьезную проблему, препятствующую повседневной деятельности и сильно обременяющую пациентов, которые ее испытывают [28]. Программы когнитивной реабилитации на основе VR дают возможность эффективно обучать пациентов [29], позволяя им практиковать проспективные задачи памяти, такие как приготовление кофе на виртуальной кухне [30], управление автоматизированным кассовым аппаратом (банкомат) для доступа к своим банковским счетам [31] или покупка товаров в виртуальном магазине [32]. Такое обучение с использованием технологий VR хорошо воспринимается пациентами и продемонстрировало улучшение когнитивных функций, которые зависят от функций лобных долей, включая немедленное запоминание предполагаемых задач памяти и точное выполнение событийных, временных и текущих задач [33]. Считается, что значительные улучшения в обучении после программы упражнений в VR связаны с изменениями пластичности нейронов, которые улучшают рабочую память [34]. Виртуальная среда также значительно увеличивает когнитивную гибкость, навыки переключения и избирательное внимание, что приводит к лучшим поведенческим результатам у пациентов [35]. Было доказано, что обучение в среде VR играет важную роль для инициации нейронных механизмов восстановления, включая нейропластичность и нейрогенез гиппокампа [36, 37]. Использование иммерсивной VR также позволяет сочетать обогащение опыта и физические упражнения, что значительно улучшает социальное, психологическое и эмоциональное здоровье пациентов [38]. Благоприятные эффекты физических упражнений обусловлены структурной и нейрохимической адаптацией центральной нервной системы (ЦНС) [39], включая изменения в нескольких системах нейротрансмиттеров, такие как повышение уровня катехоламинов [40—43], которые в свою очередь повышают внимание, улучшают память [44—46].
Таким образом, к очевидным положительным сторонам использования технологии VR можно отнести сокращение сроков реабилитационных мероприятий за счет полимодального влияния виртуальной среды на организм, воздействие на комплаентность пациента к лечебному процессу за счет процесса геймификации [17, 47—49]. С использованием технологии VR становится более доступно проведение удаленных процедур по телемедицинским протоколам, что особенно актуально во время карантинных ограничений во время пандемии. Разработка VR-систем позволяет оптимизировать число медицинского персонала, задействованного в реабилитационных мероприятиях, упростить процесс обучения их новым профессиональным навыкам [50—53].
В настоящее время применение технологии VR на территории Российской Федерации обосновано в Приказе №1705н от 29.12.2012 «О порядке организации медицинской реабилитации» Минздрава России, в котором рекомендуется оснащение «персональными компьютерами с игровыми программами», а также «программным обеспечением для работы с оборудованием с использованием биологической обратной связи» медицинских центров и специализированных отделений медицинской реабилитации [3, 54]. На территории Российской Федерации в настоящее время технология VR не получила широкого распространения из-за отсутствия соответствующего отечественного оборудования, а также значительной стоимости высокотехнологичных зарубежных средств VR [55, 56].
Для оценки индивидуального виртуального опыта пациентов с когнитивными нарушениями и проведения исследования нами разработана оригинальная виртуальная симуляционная сцена «Космическое пространство», представляющая собой космическую станцию с различными модулями и иллюминаторами, через которые открывается вид на космическое пространство и планету Земля. VR-сцена разработана от первого лица, для выхода в открытое космическое пространство необходимо найти специальную кнопку, позволяющую открыть отсек модуля. В завершении сцены происходит перемещение в открытом пространстве с возможностью наблюдать за внешним видом космического корабля и планеты Земля. При разработке оригинальной виртуальной сцены особое внимание было обращено на действия пользователя в виртуальной среде, чтобы они были простыми и интуитивно понятными, поиск кнопки выхода из отсека космического корабля сопровождается стрелками-указателями. Зрительная информация, поступающая с помощью очков VR, содержит сигналы, которые исключают раздражающие факторы, провокационные действия. Вся сцена оформлена в едином стиле и цветовом решении, с низким уровнем действия и предполагаемой скоростью движения. Также виртуальная сцена предусматривает аудиосопровождение, представляющее спокойную музыкальную композицию без слов [57, 58].
Ниже приведен клинический пример применения виртуальной сцены «Космическое пространство» в реабилитации пациентки с когнитивными нарушениями.
Клиническое наблюдение
Женщина, 34 лет, педагог, с установленным врачом-неврологом диагнозом «хроническая мигрень», предъявляла жалобы на частые (до 18 дней в месяц) эпизоды головной боли в течение многих лет, умеренной степени выраженности, по ВАШ — 5 баллов. В последние несколько месяцев стала отмечать снижение концентрации внимания, нарушения памяти, что влияло на ее профессиональную деятельность, проявляющуюся в снижении скорости выполнения привычных задач, сложности в обработке новой информации. Отмечала снижение настроения по этим причинам, появление чувства тревоги. Фармакологические средства не принимает, использует самомассаж и методики ауторелаксации при сильной головной боли.
В неврологическом статусе — без патологических изменений. МРТ головного мозга от 2022 г. — без патологических изменений.
По данным нейропсихологического обследования в 1-й день исследования: тест запоминания — 12 слов, непосредственное воспроизведение — 10 слов, отсроченное — 9 слов; Монреальская когнитивная шкала (MoCA) — 26 баллов; тест Мюнстерберга — 20 баллов, шкала личностной и ситуативной тревожности Спилбергера—Ханина — 45 и 43 балла соответственно; госпитальная шкала тревоги и депрессии (HADS) — 5 баллов.
Таким образом, у пациентки, помимо хронического болевого синдрома умеренной степени выраженности, определялись легкие когнитивные и эмоциональные (тревожно-депрессивное расстройство) нарушения. Это согласуется с данными роли хронической боли и эмоциональных расстройств в развитии когнитивных нарушений преимущественно вследствие процесса центральной сенситизации [58, 59].
Для погружения в среду VR был использован шлем VR — головной дисплей HTC VIVE Pro, наблюдение осуществлялось на базе лаборатории «Биомедицинские и когнитивные технологии» Пензенского государственного университета. Исследование было одобрено на заседании Локального комитета по этике при ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» от 29.04.2022.
Пациентка в течение 10 дней ежедневно проходила сеанс погружения в среду VR «Космическое пространство» с целью нахождения кнопки для выхода из модуля космической станции и пребывания в открытом космическом пространстве. С целью предотвращения акустической ориентации сеанс погружения в виртуальную среду проводился в отдельном кабинете площадью 40 м2, с исключением различных источников звука. Каждый сеанс составил от 7 до 10 мин в зависимости от скорости выполнения задания. В 1-й день было пробное погружение в среду VR «Космическое пространство» с целью ознакомления и обучения навыкам навигации. Управление космическим модулем осуществлялось с помощью кнопок, расположенных на джойстиках в руках, что активизировало моторную и сенсорную системы.
После нахождения в среде VR пациентка ежедневно заполняла анкету с целью исключения формирования симуляторного расстройства. По данным литературы, погружение в виртуальную среду может сопровождаться появлением ряда побочных эффектов в виде головной боли, головокружения, чувства тошноты, нарушения координации, дезориентации в пространстве (киберболезнь). Причина появления данных явлений — неподвижное состояние человека и передача зрительной информации о перемещении тела пользователя в виртуальном пространстве в головной мозг, возникновение ощущения иллюзии движения и перемещения в пространстве, векции [57, 58]. Все дни наблюдения пациентка отрицала побочные эффекты и описывал их как «не ощущаю», состояние оценивалось по шкале в 0 баллов.
Затем ежедневно проводился неврологический осмотр и нейропсихологическое исследование после каждого сеанса нахождения в виртуальной среде. По данным нейропсихологического обследования, на 10-й день исследования: тест запоминания — 12 слов, непосредственное воспроизведение — 11 слов, отсроченное — 10 слов; MoCA — 27 баллов; тест Мюнстерберга — 22 балла, шкала личностной и ситуативной тревожности Спилбергера—Ханина — 43 и 41 балл соответственно; HADS — 4 балла.
Пациентка намерена продолжить дальнейшую реабилитационную программу с использованием технологии виртуальной реальности со сценой «Космическое пространство», она отмечает, что нахождение в виртуальной среде вызывает у нее положительные эмоции, чувство радости и счастья, она дома вспоминает эту сцену. Пациентка указывает, что за 10 дней только 4 раза отметила головную боль, по визуальной аналоговой шкале — 4 балла, она отмечает положительный эффект от проводимых реабилитационных мероприятий в виде улучшения концентрации внимания.
Вероятно, положительное воздействие виртуальной среды «Космическое пространство» на пациентку обусловлено снижением выраженности эмоциональных нарушений за счет активации антиноцицептивной системы, улучшением когнитивных функций как следствие решения новых когнитивных задач в виртуальной среде.
Заключение
Опубликованные в настоящее время исследовательские работы, посвященные вопросу применения технологии VR, описывают, как правило, положительный опыт использования данной технологии в нейрореабилитации в различных возрастных группах пациентов [10—12, 58—60]. Однако большинство исследователей сталкивается с рядом технических и теоретических сложностей, что замедляет развитие данного направления. Во-первых, введение нового направления в нейрореабилитационные программы и стандарты необходимо четко регламентировать по части методологического подхода, во многих исследованиях не совсем отражаются различия между VR и дополненной реальностью. Во-вторых, оборудование VR, как правило, доступно лишь в лабораторных условиях, что затрудняет поиск пациентов для исследования, медицинские работники не имеют профессиональных компетенций в данной области, теоретические основы работы в среде VR доступны не всем специалистам. В-третьих, большинство исследований применения технологии VR описывает краткосрочные наблюдения, вопрос о продолжительном влиянии данной технологии на пациента с различными патологическими процессами остается открытым, необходима объективная система оценки безопасности и контроля за состоянием пользователя в среде VR, что будет стимулировать процесс регистрации VR-систем как устройств медицинского назначения.
Для ускорения внедрения технологии VR в медицинскую практику необходима совместная работа разработчиков виртуальных сред, программного обеспечения, которые не обладают знаниями в области патогенеза патологических процессов, на звенья которых должен быть направлен реабилитационный процесс, и медицинских специалистов, у которых отсутствуют необходимые навыки работы с VR-технологиями. Результат совместной работы — создание качественного программного продукта для VR-среды, которое опирается на медицинские стандарты и клинические рекомендации. При создании медицинских VR-систем необходимо учитывать особенности патологических изменений у пациентов, применяя персонализированный подход. Пациентам с когнитивными расстройствами должно быть интуитивно понятно и комфортно ощущать себя в виртуальной среде. Необходимо также ставить в задачи разработчикам доступность и скорость обучения управлению в виртуальной среде. Это повысит приверженность пациента проводимым нейрореабилитационным мероприятиям. Необходимо учитывать персональные предпочтения пациента к визуальной картине при создании новых сцен виртуального мира, что будет потенцировать положительный эффект от нейрореабилитационных мероприятий за счет активации антиноцицептивной системы. Необходим учет поэтапного усложнения программ реабилитации в VR-среде с учетом состояния пациента.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.