1.前言

元宇宙是一种新技术，旨在提供更深入、持久、身临其境的3D体验，在物理——数字交互空间的完整连续体中结合多种不同的虚拟方法。与虚拟现实（VR）和增强现实（AR）不同，元宇宙具有面向服务的实体模型，强调社交和内容维度。人们广泛证明，使用VR/AR工具可以更有效地治疗运动或认知缺陷，但有几个问题限制了应用于神经系统患者的沉浸式技术的真正潜力。

元宇宙的多感官特性将增强具身认知体验，从而影响身体内部表征和学习策略。此外，与其他患者共享的沉浸式社交环境将有助于恢复社交和心理情感能力。当然不可否认的是其也有一定的局限性。

关键词：元宇宙；神经康复；人工智能；正文模式表示；多感官反馈；运动障碍；认知障碍

2.简介

元宇宙是下一个虚拟、超复杂、数字互联网的概念化，被认为为人类交流提供了新的机会，同时模糊了自己的化身。元宇宙的主要特征应该是虚拟世界和物理世界之间的融合。元宇宙作为游戏公司的附加功能诞生，被认为是加速从实体经济向数字经济转变的关键。尽管这听起来像是一种技术幻想，但著名的全球公司、投资者、政策制定者和政治家都被元宇宙将带给我们的文化、社会和经济机会所吸引。

元宇宙的核心是扩展现实（XR）技术，包括虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实。元宇宙应该以与实际VR应用程序相同的方式工作，以模拟人们可以操纵和探索的混合体验，就好像他们在那里一样。VR/AR应用和XR之间存在重要差异。

首先，VR和AR本质上是模拟技术，旨在用虚拟世界复制（VR），而AR通过在物理对象上叠加数字图像来补充现实世界。否则，元宇宙具有强大的面向服务的模型，强调社交和内容维度。XR技术已经用于娱乐，旅游和远程医疗（远程手术）行业，用于将数字信息层集成到物理空间中（通过智能手机，平板电脑等），并将其与数字空间连接起来。XR设备通过多种技术（例如，有形界面，人工智能，物联网）的“联合”人工重建各种人类感官，从而产生逼真且高度身临其境的体验。XR在VR/AR工具方面的主要创新与触觉技术有关，这些技术可以实现真实世界和虚拟世界之间的无缝交互。嵌入在元宇宙平台中的新触觉技术应将与真实环境的交互产生的各种触觉（即压力、剪切力和温度的动态变化，以及传感器和执行器）复制到虚拟世界中。

尽管关于元宇宙的性质和定义存在争议，但这并不排除这项技术在医学中的进一步应用，这可能会扩展VR和AR已经利用的场景和可能性。在过去的二十年中，大量的荟萃分析和系统综述提供了足够的信息来支持使用VR疗法治疗行为，运动，认知和情绪症状的循证护理实践指南。然而，这种有效性的程度尚未明确界定。实际可穿戴电子设备提供的沉浸和互动水平有限，VR相关疗法相对于传统治疗的适度效果大小以及缺乏成本效益分析可能会影响该技术领域在临床神经康复中的真正力量。因此，未来最重要的挑战是开发基于创新技术的新临床方案，这些方案能够通过利用共享的计算场景、触觉技术和同质治疗方法来弥合虚拟空间和物理空间之间的差距。事实上，根据GBD（全球疾病、伤害和风险因素负担研究）确定，在过去三十年中，神经系统疾病被认为是全球残疾的主要原因和第二大死亡原因，残疾和死亡的发生率分别为15%和39%。因此，制定旨在减少这种影响的新临床方案是强制性的。

从这些前提出发，本文通过将最新的技术进步与临床神经病学最近与沉浸式VR体验诱导的赋权相关的研究相结合，讨论了元宇宙在神经康复方面的潜力。考虑到由于需要解决相当大的技术障碍，元宇宙还不能应用于医疗目的，该技术在神经系统疾病中的应用的理论背景导致多种技术的整合，以促进患者之间的虚拟-现实互连。特别是，为增强存在感、身体所有权和代理性而设计的物理存在的新的多感官和多用户体验可以帮助临床医生促进参与特定神经系统疾病病理生理机制的关键大脑区域的神经可塑性和功能恢复。考虑到这一点，并考虑到神经系统疾病对VR疗法的反应更好，我们假设受运动障碍（即中风，多发性硬化症）和认知（即，半球忽视，记忆）和情绪（即疼痛）影响的人将从这项新技术在临床方案中的转化中受益匪浅。

3.医学中的元宇宙

将平台概念化为一种新工具，用于把医生和患者整合到虚拟空间中，其中整个临床护理过程（诊断，检查，治疗疾病的评估，家庭护理，咨询）将通过互联网访问来实现3D计算机生成的社会环境。

结合VR和互联网连接的元宇宙技术将成为未来沉浸式体验的杰出创新。事实上，从1980年代左右传统计算机的二维显示开始，人类与技术在医疗环境中的交流随着1990年代初VR系统的引入而发展。沉浸式VR系统利用逼真的3D图形，立体观看和头部跟踪来创建交互式的第一人称体验，这种体验比传统的非交互式实验刺激更具生态有效性，并产生模仿真实世界体验的用户生理反应。到目前为止，VR已经在临床上被用来让人们相信不存在的东西是真实的。然而，元宇宙的混合维度也可以愚弄调节我们身体体验的预测编码机制，让人们在非真实的情况下感到“真实”。

总之，元宇宙可能带来的根本性创新依赖于沉浸式体验的演变和多种技术的采用——人工智能、物联网、区块链等——通过模仿大脑功能来促进虚拟与现实的互联。特别是，人工智能工具（即深度学习）将为新的治疗方法带来见解，从而对心理健康状况的个性化医疗产生深远影响。

4.VR在神经康复中的应用：最先进的技术

首先，重要的是要注意在临床环境中，特别是在神经康复中，“虚拟现实”一词的常见不当使用。VR不仅仅是虚拟图像的简单显示：它可以使用3D计算机生成的表示将观察者带入他/她周围的虚拟环境，允许主体在这个虚拟世界中移动，从不同角度观看它，并与虚拟对象互动，以自然主义的方式实时响应身体的运动。

连接到系统的用户感官和运动通道的数量和范围决定了沉浸感。与虚拟世界互动的可能性和对主体想象力的利用影响：（a）虚拟环境中的存在感（b）与化身身体重叠或真实身体相关的身体所有权感（c）代理意识。

主要有三种不同的技术解决方案为患者提供上述VR功能：

a.              由于成本降低且易于使用，未来最常见，可能也是最常用的是头戴式显示器（HMD）。HMD是由两个安装在眼睛附近的小型显示器组成的可穿戴设备，头部跟踪系统可根据观察者的头部运动更新双目图像，耳机提供音频刺激，最新的设备还包括跟踪手部运动的系统。

b.             第二种解决方案是Powerwall屏幕，该屏幕由大型高分辨率3D玻璃背投屏幕与光学或超声波跟踪系统组成，用于记录（并实时转换为虚拟世界）头部和手的位置。该系统是部分沉浸式的，可能不会用于元宇宙应用程序。

c.              最后一个解决方案非常昂贵（它可以限制其扩散），并且是CAVE，洞穴自动虚拟环境的首字母缩写。这通常由一个方形房间组成，由四个或六个（如果包括地板和天花板）背投屏幕连接在一起（形成房间的墙壁），与用于3D视觉的专用玻璃相结合，提供连续的投影表面和头部和手部跟踪设备。

在神经康复临床环境中，VR应用涵盖了广泛的领域，包括受中风、帕金森氏症和阿尔茨海默病、脑损伤、单侧空间忽视和疼痛影响的患者的神经康复。VR也用于精神疾病，如特定恐惧症和饮食失调。

对于患有感觉运动缺陷的患者，已经取得了最好的结果。鉴于VR为受试者提供了多感官反馈，该工具可能会增强感觉运动皮层内的神经可塑性，并可能促进功能恢复。事实上，由于重复和特定于任务的训练来获取结果和表现的知识，VR增加了强化学习（基于奖励期望的行为和/或惩罚不想要的行为），进一步增强了脑损伤后的运动和认知恢复。此外，一些VR工具允许在混合环境中包含动画头像的可能性。数字头像表示在 VR 环境中显示为玩家的用户的第三人称视图。使用这种化身可能会促进涉及镜像神经元系统的感觉运动区域内的可塑性变化。事实上，众所周知，观察一个动作，即使是在虚拟的地方模拟，也可以招募存储的运动程序，从而促进运动执行的恢复。

尽管人们越来越热衷于将VR用于神经康复应用，但系统评价的结果各不相同，报告的证据从不足到实质性的证据不等，证明VR的疗效优于传统治疗;目前缺乏高质量的研究来明确理解其神经机制，这是这一值得质疑的疗效的基础。另一方面，这些结果可能会受到上述滥用VR一词的影响。事实上，这些综述通常考虑了非沉浸式2D屏幕相关研究的数据，这些研究应简单地定义为基于视频游戏的疗法或计算机支持的疗法，而不是VR。此外，实际的VR应用具有一些限制，应该随着元宇宙技术的进入而克服这些限制。捕获有关身体的实时信息（运动、压力中心等）所需的所有步骤都应与 3D 玻璃（视觉和声学）中的多感官反馈同步。这个过程需要时间，需要高质量的图形和巨大的计算工作量，以避免预期和真实感知之间的延迟。这种现象称为系统延迟，可能会影响技术VR解决方案。

5.元宇宙相关技术在神经康复中的应用基础

5.1运动障碍

我们假设元宇宙相关技术可以应用于身体图式表示受损的神经系统疾病。身体表征（BR）是一个多方面的概念，与身体的感知，记忆和认知有关。BR通过来自皮肤，关节和肌肉受体的不同感觉输入不断更新，并通过脑干，丘脑和小脑流向大脑皮层。在大脑皮层（例如，在颞顶叶皮层），来自视觉、前庭和初级感觉皮质的信号被整合到体内体图式中。BR由身体图像（身体的有意识表现）和身体方案（身体空间属性的动态表示）组成。值得注意的是，BR不断发展并影响生活以及人际关系和社会关系。这些前提为使用元宇宙康复不同神经系统疾病患者的运动和认知缺陷铺平了道路。事实上，元宇宙患者可能会体验到所谓的“具身认知”，这在康复环境中具有很大的潜力。

从神经康复的角度来看，元宇宙也可能通过以更量身定制和更复杂的方式利用认知途径/资源来促进运动恢复。运动图像和动作观察是训练机会的两个明显例子，当沉浸式虚拟现实的推动下，它们更强大，既可以恢复中风后运动，也可以改善身体动力假肢的运动控制。此外，协调和技能转移（运动和神经运动康复的两个重要组成部分）也可以通过沉浸式虚拟现实进行心理训练来更好地训练。

5.2.认知障碍

一个可以从元宇宙的到来中受益的领域是认知康复（CR）。CR是一种使患有脑损伤和认知问题的个体康复的方法，以补偿损伤或恢复其正常功能。CR可以在临床实践中以两种方式提供，使用恢复性方法或补偿性方法。恢复性CR允许患者通过特定的认知训练重新获得失去的认知领域，而代偿性CR基于使用辅助工具和工具来克服缺陷。CR也被分类为常规（基于纸/笔练习）或计算机辅助（如果使用创新设备和软件）。

一般来说，沉浸在增强反馈的多感官刺激中的个体更能够获得训练结果和表现的知识，这是强化学习以及神经可塑性和功能恢复的基础。后者得益于VR提供的重复，密集和面向任务的培训。事实上，VR已被积极应用于不同的神经系统疾病，促进不同认知功能的恢复，包括记忆、注意力、视觉空间认知、执行过程和计划。最近一项meta分析（1149名受试者），在脑卒中后不同认知功能障碍患者中，VR比常规训练有更好的结局。关于多发性硬化症，已经证明VR运动游戏的使用超过了传统训练，以改善认知能力以及心理社会状态和疲劳。此外，VR干预可能被认为有利于改善轻度认知障碍或痴呆个体的认知和运动功能。这种改善在整体认知、注意力、执行功能以及记忆和平衡方面是显而易见的，但VR在视觉空间能力和步态能力方面并不优越。相反，尚无关于VR在改善帕金森病患者运动、认知和行为功能方面的积极作用的结论性数据。

5.3社会心理康复

患者沉浸在元宇宙中不仅在康复过程中有用。住院期间，患者大部分时间不活动、独自一人，并被限制在床上。相反，丰富的环境可能有利于脑卒中患者的身体、认知和社交活动。元宇宙可以提供一个虚拟的丰富环境，让患者在更刺激的环境中与家中的亲戚、朋友甚至其他患者互动。在众多潜在应用中，它已被证明是博物馆的虚拟之旅可以改善老年人的社会包容、身心健康。另一个有趣的应用是在决定首选医院之前虚拟访问不同医院的可能性。

元宇宙的另一个方面是它进行初始治疗教育的可能性，例如在机器人辅助康复期间或学习使用假肢行走时，以减少学习曲线的时间;即使病人仍然被限制在床上，这种教育也可以开始。同样，不可能否认元宇宙在专家教育方面的潜力，尤其是在外科和医学教育方面。

6.缺陷

将未知技术应用于神经系统疾病显然存在一定风险。第一、使用元宇宙训练的理想候选人必须具有保留认知功能（即轻度或中度认知障碍）以及与技术系统交互的能力。第二、为研究目的创建一个类似元宇宙的平台是昂贵的。第三、验证用于在元宇宙平台中增加虚拟代理的类人智能的人工智能算法是一个完全未探索的研究领域。第四、临床医生对VR在神经康复中的扩散仍有未解决的问题。应用VR进行有效的感觉运动康复的最低认知和感知要求的门槛尚不清楚。同样，不同程度的沉浸式和增强现实应该具有不同的功效，应在专门的系统综述中加以澄清。AI通常在对其他可用数据进行训练后对数据进行分类，这可能会降低AI对罕见疾病的准确性。然后，患者仍然可以更喜欢不是由虚拟技术介导的真实社交互动。最后，元宇宙活动中涉及的大量数字个人健康数据代表了巨大的安全和隐私问题。

7.结论

元宇宙的第一个应用应该是在机器人神经康复领域。已经广泛证明，机器人辅助设备使用末端执行器或外骨骼设备可促进脑卒中患者的运动恢复，这些设备通常配备沉浸式2D体。相信，相对于当前基于 VR 的治疗，通过使用由物理-数字交互元宇宙空间介导的更深入、持久、身临其境的 3D 体验，运动恢复将更加先进。同样，与处于类似条件下的其他患者一起在沉浸式虚拟体验中移动将更好地刺激运动图像和动作观察资源。

远程康复是临床医生和患者将从元宇宙技术中获得优势的另一个领域。如今，主要的远程医疗系统都配备了平板电脑或远程连接到临床医生的设备。在沉浸式临床环境中实现共享模拟空间的承诺，治疗师和患者都通过化身进行交互，这将刺激新的协议，其中体验的社交维度可以根据特定的临床需求量身定制。