数字疗法关键理论与关键技术分析

我来简单介绍一下数字疗法关键理论与技术分析。

一、 关键理论

（一）循证医学

循证医学的目的是解决临床问题，对应疾病的发生到康复阶段特 征可分为发病与危险因素（认识与预防疾病）、疾病早期诊断（提高 诊断准确性）、疾病正确合理治疗（应用有疗效措施）、疾病预后判断 （改善预后/提高生存质量）等全流程医学管理工作，以实现合理用药 和促进卫生管理及决策科学化。循证医学核心思想是在医疗决策中将 临床证据、个人经验与患者实际状况/意愿相结合，其中临床证据通过 高质量的临床试验予以体现，主要包括大样本随机对照临床试验 (randomized controlled trial)、系统性评价(systematic review)或荟萃分 析(meta-analysis)。因此，临床证据是数字疗法产品满足循证医学的最 直接有效的方法。以 Akili Interactive Labs Inc.的数字疗法产品 EndeavorRx 为例，其针对 8-12 岁患有注意力不集中或组合型注意力 及缺陷多动障碍的儿童进行游戏驱动的测试和训练。在验证临床疗效 方面，EndeavorRx 联合美国 20 家研究机构在 857 位患者身上开展了 每周 5 天、连续 4 周的随机、双盲、平行对照试验，进行 STARSADHD、STARS-Adjunct、ADHD Proof Of Concept（POC）、以及共病 SPD+ADHD Pilot 和 ASD+ADHD Pilot 共 5 项临床研究；结果指标包 括注意力变量测试 TOVA、注意力表现指数 API 变化、ADHD 损害评 定量表 IRS、工作记忆量表 CGI-I 和抑制量表 BRIEF，最后在统计学意义上证明 EndeavorRx 在其中三项上比对照组有所改善。FDA 对此 得出“EndeavorRx 对儿童多动症有显著改善效果，同时将不良事件的 发生率降至最低，副作用有偶尔的头痛和沮丧，但不建议用它完全替 代现有的治疗手段”的结论。从涉及的疾病类型来看，数字疗法的临 床试验已覆盖精神心理、睡眠障碍、运动康复、糖尿病、高血压、脂 肪肝、疼痛、慢性肾病、斜视弱视及近视、呼吸慢病、言语迟缓、成 瘾戒断等多种疾病领域。此外，数字疗法产品还需要真实世界数据和 相关临床研究的支撑，国家药品监督管理局已发布多个真实世界数据 指导原则，如 2020 年 1 月的《真实世界证据支持药物研发与审评的 指导原则（试行）》和 2021 年 4 月的《用于产生真实世界证据的真实 世界数据指导原则（试行）》等。

（二）认知科学

认知科学是研究信息如何在大脑中形成以及转录过程的跨领域 学科，主要包括三个方面：1）大脑，即对神经生物学过程和现象的 理解；2）行为，即心理学、语言、社会文化环境研究的实验方法和研 究成果；3）计算，即数学和计算机系统建立认知和神经现象模型和 表示信息的能力，以及计算机作为认知工具的作用。当前，认知科学 与医学、信息科学等交叉融合，可深入探察正常大脑认知活动的机制， 由此衍生出的认知疗法对揭示人类大脑功能，特别是寻找预防、诊断 和矫治各类认知及精神障碍的对策具有重要意义。在认知——行为层 面，认知疗法和行为疗法进一步结合衍生出认知行为疗法（CognitiveBehavioral Therapy, CBT），帮助人们识别并改变对行为和情绪产生负 面影响的破坏性思维模式。CBT 理论基础为行为、情绪、生理反应和 个体认知四者之间的互相影响，即思考问题的方式会影响个人的感受 和行为，一般被用来改变无助的认知（如思想、信念、态度）扭曲和 行为，改善情绪调节障碍，形成解决当前问题的个人针对性应对策略。

CBT 已被用于治疗多种心理障碍及其他疾病类型，包括抑郁症、 焦虑症、强迫症、神经性厌食症、性功能障碍、药物依赖、慢性疼痛 等，其治疗关系为协作经验主义，治疗师鼓励患者开展自我症状监控 以改造其原有世界观，因而与数字疗法的适配性较高，可基于用户和 设备的交互改变个体状态。基于 CBT 理论基础的数字疗法干预过程 必须通过以下三个核心原则来实现：1）情境参与，推动超出人们目 前所感知范围的适应性联想学习，包括行为激活和暴露疗法，其中暴 露疗法正与 VR 数字疗法相结合治疗创伤后应激障碍；2）注意力改 变，指将注意力转移到适应性、相关、非痛苦等方面，包括注意力训 练、接受/耐受训练、正念技巧等；3）认知变化，指一个人对事件的 看法发生转变进而影响对该事件的情感和意义解释（如元认知意识、 认知距离），包括认知重构、重新评估等。上述三条原则均需患者具 有和外界互动的自我认知能力，并对此进行记录和评估。

医学研究表明，在传统治疗师提供的面对面 CBT 治疗中，患者 坚持完成任务的次数越多，结果越好；数字疗法可在大量院外场景下 开展，使治疗过程更易于坚持和完成，尤其在重度抑郁症等快感缺乏、 脱节感严重的疾病方面效果更为显著，通过增加可实现程度、减少认知负担等方式促进 CBT 治疗中的任务完成过程，帮助患者建立自我 效能，加快恢复时间。以失眠认知行为疗法（CBT-I）为例，CBT-I 通 过纠正人们对于睡眠的不恰当认识观念、态度和不良行为习惯来改善 睡眠，一般包含睡眠卫生教育、放松训练、认知疗法、刺激控制法和 睡眠限制法五部分治疗内容，治疗周期在 6-8 周。美国医师学会、美 国睡眠医学会、欧洲睡眠研究会、中国成人失眠诊断与治疗指南均推 荐 CBT-I 为成人慢性失眠治疗的首选方案。睡眠数字疗法多根据心理 学与精神疾病学科理论知识，基于 CBT-I 底层逻辑，借助数字技术、 可穿戴设备等前沿科技和应用程序来提供睡眠问题解决方案。

二、 关键技术

（一）扩展现实技术

扩展现实技术（Extended Reality，XR）集成了实时计算机视觉、 声音、触觉等多感官输入机制，创建了一个用户可以与之交互的生成 式世界，主要包括虚拟现实技术（Virtual Reality, VR）、增强现实技 术（Augmented Reality，AR）、混合现实技术（Mixed Reality，MR） 等。XR 数字疗法通过为体验者带来虚拟世界与现实世界之间无缝转 换的“沉浸感”实现评估和治疗。目前市面上的数字疗法产品多以较 为成熟的 VR 为技术切入点，集中在精神障碍治疗、疾病康复、疼痛 缓解、视觉障碍等领域，以沉浸性、交互性/构想性、多感知性为基本 特征搭建的模拟系统使用户全身心投入到可操作的三维虚拟环境中， 通过自身感知、认知全方位获取环境信息，发挥主观能动性，寻求问题解决方案。

精神障碍疾病治疗

精神障碍疾病患者往往在某种特定条件下（如恐高、恐人群、恐 空旷）引发恐惧和焦虑，导致疾病发作。一旦这种焦虑长期未得到缓 解，将使患者逐渐从日常环境中退缩，生活也被限制在自身认为足够 安全的活动或地点中。传统的特定恐惧症治疗方式主要通过认知行为 疗法实现，包括“想象暴露”和“实景暴露”两种形式，即让患者充分暴 露在可能诱发症状的环境中以实现心理脱敏。XR 数字疗法为患者提 供了一个绝对可控的安全环境，可根据用户治疗进度调整相应暴露强 度，实现低成本、个性化治疗。以强迫性思维及行为障碍（ObsessiveCompulsive Disorder, OCD，简称强迫症）治疗为例，基于暴露治疗原 理，VR 可移动硬件设备通过视觉、听觉刺激可使患者获得预定虚拟 场景的沉浸式体验，引发患者焦虑；根据患者实际状况进行分级暴露、 反复暴露，协助治疗师开展适宜水平的治疗训练。同时，VR 技术还 可与功能磁共振成像、脑电图或生理测量结合，探究强迫症潜在神经生物学和电生理学机制，发掘相关疾病产生和治疗原理。

认知障碍康复训练

这类数字疗法产品允许患者在有限空间内进行锻炼恢复，实现精 准环境控制和个性化难度调整，其可及性与安全性增加了患者的使用 频率，有利于患者康复。通过 VR 技术还原现实场景，如构建“超市 模块”使训练者处于虚拟超市场景中，根据提示拿取厨具、茶具、蔬 菜、酒水、水果等各种物品，并在训练过程中逐步提升任务难度程度， 以锻炼训练者的记忆力、注意力和执行控制能力，最终改善训练者认 知功能状态，实现对各种脑功能疾病所致认知功能损害的康复。针对 长时间与社会脱节的认知障碍高龄患者，虚拟社会活动场景还相当于 外界刺激，可延缓患者认知障碍的发展。

疼痛缓解

慢性疼痛一般为某个部位长期中至重度疼痛，可能会抑制患者日 常活动能力。通常，慢性疼痛通过药物（服用止痛药或注射类固醇）、 运动、手术和经皮神经电刺激等方式进行治疗。包括认知行为疗法和 催眠疗法在内的心理学方法早已被证明可以有效减轻疼痛，其中分散 注意力是一种历史悠久的心理疼痛干预手段，已被证明具有良好功效。 典型的分散注意力干预包括深呼吸、听舒缓音乐、看偏好视频等。2021 年 11 月，AppliedVR 公司一款基于 VR 游戏的认知行为数字疗法系 统 RelieVRx 获 FDA 批准上市，该系统通过 VR 沉浸游戏训练患者反 应力，增强膈肌呼吸，激活和控制副交感神经反应，分散对疼痛的注 意力；同时向患者展示疼痛管理相关知识，使患者主动了解、感知身体放松时的变化，获得治疗激励；还可通过 VR 模拟各类令人平静的 沉浸式环境（如安静的雪地）使患者进行放松、内感受、正念逃生等， 进一步缓解疼痛。

视觉恢复

XR 数字疗法的视觉恢复训练可以通过沉浸式的治疗环境和游戏 化的治疗方式提高患者依从性，使“痛苦漫长”的治疗过程变成“趣 味横生”的娱乐时间。以弱视治疗为例，弱视是因黄斑区视觉细胞发 育不良导致的疾病，患者眼睛虽无器质性病变，但不管是否戴眼镜都 不能看清，严重者甚至导致单眼失明。传统治疗方法是用贴片眼罩或 模糊药水阻挡较强的眼睛，迫使大脑依赖较弱的眼睛，并对弱视眼进 行适当的视觉刺激（如串珠、刺点、灯光）以建立双眼视网膜平衡， 促进视功能恢复。整个治疗过程历时漫长，患儿难以坚持长达 3-6 个 月的重复训练。随着近几年对眼科研究的深入，调节紧张学说、光学 离焦学说和巩膜缺氧学说逐渐成为主流认知。眼科数字疗法在对眼睛 进行光学刺激的同时可辅以 VR 视觉功能调节训，让眼睛接受特定激 光照射促进眼底血液循环高度活跃，如通过软件硬件结合，利用 VR 游戏化的方式进行大脑+虚拟物象的无穷近和无穷远调节训练，或让 患者注视、追随、扫视 VR 虚拟物象，以开展多种眼动训练，提高大 脑对眼睛的协调控制能力，改善双眼视功能。

（二）人机交互技术

人机交互技术（Human-computer Interaction Techniques，HCI）是通过计算机输入、输出设备实现人与计算机双向信息有效交换的过程。 人机交互技术能够集成、分析、检索、整合医疗数据，通过在电子健 康记录系统、决策支持系统、结果反馈系统等媒介中实现循证推理、 优化医疗工作流程或提供精准医疗，为患者和医护人员提供有效支持。 以神经类疾病为例，基于智能设备的人机交互程序可通过视觉、听觉 和认知任务（推理、计算、记忆等）激发患者自身神经可塑性，改变 大脑神经网络连接方式。合格的数字疗法产品应满足有效、可控、患 者友好、普适、精简、经济、可扩展等要求，因此在医疗卫生领域， 人机交互界面设计更具体、严谨，要求表达更准确、操作更简单。

人类有视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉模态，获取外界信息的比 例依次为 83%、11%、3.5%、1.5%和 1%。多模态人机交互是指人通 过声音、肢体语言、信息载体（文字、图片、音频、视频）、环境等多 个通道与计算机进行多感官融合交流的一种交互方式。从人机交互产 品形式来看，目前市面上的数字疗法主要分为应用程序类、可穿戴设 备类、AR/VR 类和电子游戏类，构建了多模态的信息交互过程，呈现 出语音、视觉、触屏反馈等相结合的丰富交互体验。其中，电子游戏 是目前比较成熟的数字疗法视听觉人机交互程序，使用期间大脑处理 信息的过程和能力可以通过游戏的各种指标来体现，为医患双方提供 了更多的控制感和更丰富的反馈信息。

基于智能设备的人机交互重塑医疗场景

人机交互技术的发展主要分为三个阶段：1）语言命令阶段，指 从计算机的初级语言、汇编语言再到高级语言的发展过程；2）图形 用户界面阶段，具有桌面隐喻特征，通过直接操纵实现“所见即所得”； 3）自然阶段，基于虚拟现实技术、移动智能设备搭建多通道、三维 交互方式，实现用户行为识别。通过新一代自然人机交互技术，用户 可通过手势、语音等生理信号实现与终端的自然对话。在用户通过硬 件终端高效获取信息的同时，硬件终端也能对用户予以准确的感知与 理解。目前商业化数字疗法产品多以软件形式搭载在智能手机里（如 Woebot、reSET），也常和可穿戴设备（如 Fitbit、Apple Watch）、物联 网设备（如 Propeller Health 蓝牙智能药物吸入器，Insulia 血糖仪）等 联用。这些智能设备在技术上支持较细颗粒度的传感数据记录和用户状态监控，包括生理信号、用户情绪、社交状态等。智能手机包含麦 克风、相机、GPS、指南针、情绪感应器、灯光感应器等多样化的传 感器，可从后台收集用户特征数据并开展实时监测；物联网设备分为 物联网控制（如 hubs 或声音助手）、启动（如灯光和开关）和感应器 （如情绪、温度、空气质量）模块，可实现物理启动（如控制灯光、 室温）和虚拟启动（如启动 app、发送 email）。大多数可穿戴和物联 网设备是独立产品，用户可通过互联网开展无线控制。

柔性智能设备的兴起为数字疗法的人机交互系统带来了一场全 新革命。智能化人机交互的实现需要根据不同应用场景在用户和计算 机之间搭载具备多功能感知能力的传递通道，如触觉、碰撞、温度、 应变等。柔性、可伸缩传感器可以灵活附着在人体皮肤这一弯曲、动 态的表面上，持续实时监测用户生理指标和周围环境指标，既可向机 器提供准确、实时的外部信息，也可传递相应感觉到人体，营造“身 临其境”之感。具有柔软、低模量、易变形等属性的柔性基底和柔性 电极材料的迅速发展是柔性设备的基础，包括金属纳米材料（纳米颗 粒、纳米线）、无机半导体材料（ZnO、ZnS）、新型有机导电材料、碳 纳米管和石墨烯等，其传感部分根据感知机理可分为电阻式、电容式、 压磁式和电感式四类。兼具优异机械柔韧性和延展性的柔性智能设备 为进一步的人机交互应用提供了潜在平台，创造了新型数字疗法产品 的可能性。

计算机视觉技术拓宽人机交互感知广度

计算机视觉是让机器通过数字图像或视频等视觉信息模拟人类 视觉，以达到对物体的理解、识别、分类、跟踪、重建等目的。它属 于人工智能领域中的一个分支，涉及图像处理、模式识别、机器学习、 深度学习等多个方向。近年来，深度学习的网络结构逐渐趋于复杂化、 成熟化，特别在图像处理领域与神经网络模型充分融合，衍生出的卷 积神经网络进一步加深了计算机视觉与智慧医疗的结合程度。基于计 算机视觉的人机交互系统具有三维性、实时性、强鲁棒性的特征，通 过目标捕捉精准识别目标物体各模块三维坐标信息，在辅助移动、目 标跟踪、动作矫正等方面体现出了较大的开发潜力。在数字医疗领域， 新型人机交互技术如表情识别、手势识别、肢体识别应运而生。以表 情识别为例，面部表情/微表情在人际沟通的非语言交流过程中具有 重要作用，更能体现人的情绪情感，进而反映心理和精神健康状态。 计算机识别表情包括人脸检测与定位、图像预处理、表情特征提取、 表情分类与识别四步，其中表情特征提取是表情识别系统中最重要的 部分，提取方法大都从人脸识别特征提取方法演变而来，所用的识别特征主要有：1）灰度特征，基于不同表情的不同灰度值得到识别依 据；2）运动特征，基于不同表情下人脸主要表情点的运动信息；3） 频率特征，基于表情图像在不同频率分解下的差别。利用表情识别视 觉分析技术辅助心理与精神健康状态监测已在抑郁症、孤独症、阿尔 茨海默症预测等方面有着深入研究。 从信息感知广度来看，在计算机视觉协助下，新型人机交互技术 可以识别和理解人的手部动作、肢体运动、眼球运动、面部表情和语 言等内容，相较于图形用户界面时期信息识别的方式大幅增加，在交 互上呈现出由点及面、由表及里的发展趋势。

（三）神经反馈训练

方向性调节神经活动，改变特定行为表现

神经反馈是生物反馈的一种，通过电极、计算机等设备监测人的脑电波、心率、呼吸等生理信号，再经由视觉、听觉或其他可视化表 征方式实时反馈给被试者，引导被试者意识到自己的神经活动，并通 过自我意识和自主神经系统来进行适当调节的一种训练方法。根据采 集神经信号的种类不同，主要分为脑电波反馈、血流量反馈、呼吸反 馈、心率变异反馈、温度反馈、肌电反馈等。 神经反馈训练理论基础为操作性条件作用学习理论——在特定 场景中，如果某种操作可以满足预定需求，那么这种操作出现的概率 会更高。一套完整的神经反馈训练体系包括刺激、强化物和反馈三大 要素：刺激即呈现给被试者的声音、画面等，用于激发反应；强化物 为给予的奖励（积分、成就等），用于强化正确的操作反应；反馈为 预期效果与实际表现之间的调节，也是训练的核心。随着训练推进， 强化物不断强化正确的操作反应，被试者也将按照预期方向不断调整。 大量基于脑电信号的神经、心理类疾病数字疗法产品的设计，正是以 神经反馈训练理论基础为底层逻辑和升级导向。恰当运用这一基于神 经活动生物电和行为科学学习理论发展起来的非侵入式改善大脑功 能和结构的方法，可以有效提升大脑功能，治疗脑疾病引起的脑功能 损伤。自 1968 年提出以来，神经反馈训练在注意缺陷多动障碍、癫 痫、亨廷顿病等疾病领域，从提高认知能力、加强情绪和行为控制的 自我调节等方面进行了大量的基础研究和临床试验，被认为是一种比 电磁刺激更安全、更稳定的控制和改变神经振荡的方法。

脑电波神经反馈训练+数字疗法开辟医疗新范式

脑电波神经反馈训练是目前唯一在临床上得到广泛应用的神经 反馈训练手段。脑电波主要来源于脑神经细胞的突触后电位，相当于 对神经突触活动的无创式直接记录，而突触活动的变化是学习与记忆 的最根本机制，因此合适的脑电波指标是关于认知能力改变的灵敏的 测定方法。基于神经可塑性理论，大脑皮层存在一定的神经共振回路， 皮层内部以及皮层和丘脑之间复杂的兴奋和抑制相互作用使这些回 路能够正常运作，并为感知提供物理和生理基础。脑电波神经反馈训 练正是通过施加外界刺激从而影响、改变这些共振回路，以达到疾病 治疗的目的。其临床应用始于癫痫干预，后来逐渐在儿童大脑发育疾 病领域，特别是注意缺陷与多动障碍综合症干预中得到了广泛的研究 和应用。注意缺陷与多动障碍综合症人群的低频脑电波 θ 波和 δ 波相 较正常同龄人显著增强，两者的强度比例是科学界发现的第一个可衡 量注意力水平敏感的脑电指标。2012 年美国儿科医学院发布的《儿童 和青少年心理干预循证指南》中已将脑电波神经反馈训练作为注意缺 陷与多动障碍综合症的一线疗法，其证据支持力度被评定为一级（最强）；在科研界，2008 年美国科学家 Hammond 和 Fisher 分别描述了 神经反馈训练对抑郁症和依恋障碍的有效性，认为其在临床应用上是 有效且安全的方法。脑机接口理论起源于大脑信号的操作性条件反射， 是神经工程的一大重要分支，这一新型交互方式将人类大脑与计算机 或其他外围设备直接连接以实现控制和通讯，为神经反馈训练的医疗 场景落地提供了有力支持。基于脑机接口的脑电波神经反馈训练可进 一步与数字疗法这一严肃医疗新范式相结合，为医疗康复的临床研究 提供新思路。