基于虛擬現(xiàn)實(shí)的雙眼視功能訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉斯燁

浙江工業(yè)大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310000

·數(shù)字醫(yī)學(xué)·

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的雙眼視功能訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉斯燁

浙江工業(yè)大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310000

目前主流的弱視治療方式為遮蓋治療，每日遮蓋優(yōu)勢(shì)眼數(shù)小時(shí)，有時(shí)治療長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月，患者的依從性較低，其次也在一定程度上影響其雙眼視功能。該研究提出一種新穎的針對(duì)雙眼的弱視治療方案：基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合感知學(xué)習(xí)理論與視功能訓(xùn)練原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)交互式雙眼視功能訓(xùn)練系統(tǒng)，讓患者佩戴VR眼鏡，雙眼分離式訓(xùn)練并操作互動(dòng)游戲來(lái)提高視力。通過(guò)使用該系統(tǒng)，患者的懶惰眼不斷接收刺激，而優(yōu)勢(shì)眼也不會(huì)被完全抑制，鍛煉患者的融合視，提高立體視覺(jué)。該系統(tǒng)應(yīng)用于弱視臨床治療，具有易操作性、趣味性和先進(jìn)性，增加患者的治療依從性，提高治療效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)；感知學(xué)習(xí)；雙眼視覺(jué)；VR眼鏡；交互式

弱視是一種較為常見(jiàn)的空間視覺(jué)發(fā)育混亂且進(jìn)行光學(xué)矯正后遠(yuǎn)視力仍≤0.8的眼科臨床疾病，是臨床上最常見(jiàn)的引起單眼失明的病因，其患病率國(guó)外平均為2.0%～2.5%，國(guó)內(nèi)平均為2.8%，我國(guó)的弱視兒童有1 000多萬(wàn)，還有大量的成人弱視患者［1］。弱視患者的學(xué)習(xí)、工作以及生活都會(huì)受到不同程度的影響，嚴(yán)重者還會(huì)產(chǎn)生心理負(fù)面情緒。傳統(tǒng)的治療方式有遮蓋療法、抑制療法、屈光治療和針刺療法等，大多都是針對(duì)單眼進(jìn)行訓(xùn)練，患者依從性低，也會(huì)在一定程度上損害深度知覺(jué)。該研究提出了一種新的治療系統(tǒng)，克服了許多上面所述的問(wèn)題，與傳統(tǒng)的單眼修復(fù)治療有所不同，直接針對(duì)雙眼視功能進(jìn)行訓(xùn)練，不僅可以取得良好的治療效果，也有利于雙眼視功能提高與治療效果的保持。

1 理論研究

1.1 治療原理

弱視患者的主要損傷在視皮層，由于各種因素的影響，降低了傳輸過(guò)程中的視覺(jué)信息，視覺(jué)皮層中用以響應(yīng)視覺(jué)信息的視覺(jué)細(xì)胞也會(huì)減少或被阻礙生長(zhǎng)，削弱了視覺(jué)傳達(dá)的功能，使視功能發(fā)育延遲，最終導(dǎo)致弱視［2］。臨床上最早記錄的弱視病例在1700年，自1740年以來(lái)，對(duì)弱視的治療方法就以“遮蓋”治療為主［3］，其次還有抑制療法（服用阿托品或使用光學(xué)鏡片抑制）、屈光治療、藥物治療、針刺療法以及綜合治療等方法［4］。弱視的治療具有兩個(gè)主要目的：①使懶惰眼恢復(fù)并達(dá)到正常的視力水平；②保持視覺(jué)提升并避免倒退［5］。

1.2 傳統(tǒng)治療方式

傳統(tǒng)的治療方式大多是針對(duì)單眼進(jìn)行訓(xùn)練，但對(duì)于具備雙眼視覺(jué)的人類來(lái)說(shuō)，只使用單眼（弱視眼）來(lái)感受視覺(jué)環(huán)境，雖有治療效果，同時(shí)也造成很多問(wèn)題，如患者容易產(chǎn)生心理負(fù)面情緒、依從性低等。其中，最明顯受損的即為深度知覺(jué)，對(duì)于雙眼視功能的提升幾乎無(wú)效，有些服用藥品治療也出現(xiàn)了副作用。根據(jù)臨床上的相關(guān)記錄，有些患者使用阿托品治療后，優(yōu)勢(shì)眼反而變成了弱視眼［6-7］。兒童眼病調(diào)查組（The pediatric eye disease investigator group，PEDIG）在1998招募患者就遮蓋時(shí)間長(zhǎng)短的不同進(jìn)行分組治療，其研究結(jié)果表明，每日遮蓋超過(guò)6 h與遮蓋時(shí)間2～6 h的治療效果相近［8-10］。其次，傳統(tǒng)遮蓋過(guò)程中，患者的依從性相對(duì)較低，不少研究小組都對(duì)干預(yù)材料進(jìn)行研發(fā)，Tjiam等［11］在遮蓋治療時(shí)讓患者觀看卡通漫畫(huà)，能顯著提高患者的依從性；Pradeep等［12］的分組研究中發(fā)現(xiàn)，增加干涉組中途退出的患者數(shù)量與不合格的患者數(shù)量都少于對(duì)照組。再次，弱視治療中另一個(gè)備受關(guān)注的則為停止治療后的復(fù)發(fā)。有數(shù)據(jù)表明，13%～24%的患者治療完成后一年其矯正視力都會(huì)下降標(biāo)準(zhǔn)視力表兩行或更多，引起復(fù)發(fā)的原因與治療時(shí)的視野、斜視、有無(wú)屈光參差，以及異常雙眼視功能等有關(guān)［13-15］。

1.3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的視功能訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality）技術(shù)，即以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合其他相關(guān)學(xué)科技術(shù)，模擬真實(shí)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境生成高近似度的數(shù)字化環(huán)境，用戶在該環(huán)境下借助特定的裝備進(jìn)行互動(dòng)操作［16］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在醫(yī)療方面也有其獨(dú)特的應(yīng)用。例如：楊素紅等［17］利用視覺(jué)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練軟件增視能，將虛擬場(chǎng)景與弱視治療相結(jié)合，獲得了很好的治療效果。其次，根據(jù)近年來(lái)的有關(guān)弱視治療的文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，在弱視訓(xùn)練中加入感知學(xué)習(xí)（perceptual learning），也被相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)可提升視覺(jué)敏感期后患者懶惰眼的視力。感知學(xué)習(xí)最早由Eleanor Gibson（1963）定義，其原理是利用大腦神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性，通過(guò)特定的視覺(jué)刺激和視覺(jué)學(xué)習(xí)，激活視覺(jué)神經(jīng)的信號(hào)通路，矯治和改善大腦神經(jīng)系統(tǒng)的信號(hào)加工處理能力，從而達(dá)到治療目的［18］。近年來(lái)，隨著感知學(xué)習(xí)重獲重視，許多游戲性的訓(xùn)練內(nèi)容被加入到弱視的治療環(huán)節(jié)中。Hess等［19-20］利用感知學(xué)習(xí)原理，配合光學(xué)透鏡將弱視患者的雙眼在同一屏幕進(jìn)行分離式訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)這種專門(mén)的行為訓(xùn)練，成人弱視患者的視覺(jué)和立體視覺(jué)都有所提升。但該設(shè)備需要患者雙眼跟屏幕保持一定的距離和角度，對(duì)操作和實(shí)施都造成了一些困難。

該研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的感知覺(jué)雙眼視功能訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與感知學(xué)習(xí)相結(jié)合，重新設(shè)計(jì)視功能訓(xùn)練模塊，同一屏幕內(nèi)有兩個(gè)不同圖像，有別于傳統(tǒng)的單眼遮蓋治療，可同時(shí)使用雙眼進(jìn)行分離式訓(xùn)練。患者佩戴VR眼鏡后，過(guò)濾掉外界環(huán)境中的視覺(jué)干擾，擴(kuò)展了視野，透過(guò)鏡片，兩幅不同的圖像經(jīng)過(guò)復(fù)雜的視覺(jué)通路傳遞給大腦最終形成一幅圖像，原理如圖1所示。患者如果想控制黑色圓點(diǎn)移動(dòng)到灰色圓點(diǎn)的位置，就需要雙眼進(jìn)行配合操作，訓(xùn)練時(shí)將動(dòng)態(tài)的圖像呈現(xiàn)給懶惰眼，靜態(tài)輔助圖像呈現(xiàn)給優(yōu)勢(shì)眼，懶惰眼最先獲得動(dòng)態(tài)視覺(jué)信息，得到良好的視覺(jué)刺激，在提高視力的同時(shí)也鍛煉了雙眼融合視功能。

圖1 訓(xùn)練原理圖

2 硬件系統(tǒng)

在最初進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們對(duì)臨床醫(yī)師與患者或患者父母進(jìn)行訪談?wù){(diào)研，結(jié)合他們的意見(jiàn)，獲得更好、更方便的治療且要優(yōu)于單眼治療法，采取家庭可配備的裝置是最受支持的。因此，我們的平臺(tái)使用移動(dòng)版實(shí)現(xiàn)方式，配合便攜VR眼鏡，以及無(wú)線藍(lán)牙手柄進(jìn)行互動(dòng)操作，用戶可攜帶并在方便的時(shí)候使用它。圖2、圖3為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖與硬件實(shí)物圖，該系統(tǒng)在Android平臺(tái)運(yùn)行，要求手機(jī)設(shè)備主頻1.5GHz以上，內(nèi)存1G以上，軟件系統(tǒng)為Android 4.0及以上，且支持藍(lán)牙4.0及以上。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 硬件實(shí)物圖

通過(guò)VR眼鏡將雙眼所視圖像分開(kāi)呈現(xiàn)，將需要互動(dòng)操作的動(dòng)態(tài)圖像呈現(xiàn)給懶惰眼，靜態(tài)輔助圖像呈現(xiàn)給優(yōu)勢(shì)眼，雙眼協(xié)同操作，完成訓(xùn)練任務(wù)，達(dá)到治療效果。由于傳統(tǒng)訓(xùn)練設(shè)備多數(shù)較大不好攜帶，該系統(tǒng)采用移動(dòng)方式搭載，更加便攜且易于訓(xùn)練。佩戴輕量級(jí)的VR眼鏡，治療過(guò)程中擴(kuò)展視野，排除干擾的同時(shí)也不會(huì)有強(qiáng)烈的壓迫感；用藍(lán)牙手柄連接手機(jī)進(jìn)行互動(dòng)操作，此訓(xùn)練系統(tǒng)的新穎治療方式也顯著增加患者的訓(xùn)練依從性，能夠使治療方案完整有效地進(jìn)行下去，提高治愈率，相對(duì)縮短了療程。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 軟件技術(shù)支持

該系統(tǒng)基于Unity 3D游戲引擎，使用C＃編程語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)開(kāi)發(fā)，Unity 3D內(nèi)置的游戲元素、類庫(kù)以及物理引擎等都非常便于編寫(xiě)二維、三維視頻游戲、交互式動(dòng)畫(huà)等內(nèi)容，并支持多平臺(tái)運(yùn)行。在數(shù)據(jù)處理方面，采用JSON數(shù)據(jù)格式與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。具體軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，該系統(tǒng)分為移動(dòng)客戶端與服務(wù)器端兩部分，移動(dòng)客戶端包括用戶的注冊(cè)、信息填寫(xiě)、懶惰眼與優(yōu)勢(shì)眼的左右選擇、訓(xùn)練模塊選擇及交互操作組成；服務(wù)器搭建在PC機(jī)上，用戶在使用時(shí)將移動(dòng)端設(shè)備連接到PC機(jī)發(fā)射的Wi-fi，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端與服務(wù)器端用戶信息與訓(xùn)練數(shù)據(jù)的傳輸。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 功能設(shè)計(jì)

①用戶注冊(cè)及登錄：首次使用時(shí)需要患者進(jìn)行個(gè)人信息的填寫(xiě)，設(shè)備離線時(shí)用戶數(shù)據(jù)會(huì)保存到本地文件中，連接網(wǎng)絡(luò)后可選擇上傳到服務(wù)器。注冊(cè)成功后可直接使用個(gè)人賬號(hào)密碼登錄系統(tǒng)，再次使用登錄后可記錄曾經(jīng)訓(xùn)練的內(nèi)容及訓(xùn)練時(shí)間。未登錄也可以在注冊(cè)前進(jìn)行試訓(xùn)練。

②訓(xùn)練選擇：患者可根據(jù)自己的喜好對(duì)訓(xùn)練內(nèi)容進(jìn)行選擇。

③訓(xùn)練過(guò)程：?jiǎn)未斡?xùn)練時(shí)間不超過(guò)15 min，患者需要佩戴VR眼鏡配合使用無(wú)線藍(lán)牙手柄進(jìn)行訓(xùn)練。

④數(shù)據(jù)保存與上傳：訓(xùn)練結(jié)束后，患者可將該次訓(xùn)練數(shù)據(jù)保存并上傳至服務(wù)器端，支持離線本地保存。

圖5 訓(xùn)練模塊示意圖

3.3 訓(xùn)練過(guò)程設(shè)計(jì)

訓(xùn)練過(guò)程以PacMan游戲?yàn)槔M(jìn)行詳細(xì)介紹，該游戲簡(jiǎn)單、流行，很容易上手。它需要玩家控制豆豆人在迷宮中上、下、左、右移動(dòng)，吃豆豆獲得積分；其次還要注意躲避怪物，不要被吃掉。訓(xùn)練開(kāi)始，首先患者根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行左、右眼選擇。選擇后佩戴VR眼鏡進(jìn)入訓(xùn)練主場(chǎng)景，圖5分別展示了兩個(gè)選項(xiàng)的訓(xùn)練場(chǎng)景。該部分將場(chǎng)景中攝像機(jī)增加為兩個(gè)，即Left-Camera和RightCamera，并通過(guò)設(shè)置左右兩個(gè)相機(jī)的Viewpoint屬性，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的分屏顯示。圖5中的左圖，靠左邊的圖像為優(yōu)勢(shì)眼所視屏幕，右邊則為懶惰眼所視屏幕，我們讓?xiě)卸柩塾^看有豆豆人及小怪物的屏幕，優(yōu)勢(shì)眼觀看靜止的豆豆，這兩個(gè)屏幕的迷宮地圖是完全一致的，患者佩戴VR眼鏡后，兩個(gè)屏幕會(huì)融合，但是要吃掉豆豆則必須努力使用懶惰眼觀察，并用藍(lán)牙手柄控制豆豆人的移動(dòng)，還要注意躲避有固定移動(dòng)軌跡的怪物來(lái)完成訓(xùn)練任務(wù)。訓(xùn)練過(guò)程中記錄患者的訓(xùn)練時(shí)間及相關(guān)數(shù)據(jù)，在隨后的訓(xùn)練中可根據(jù)患者的表現(xiàn)調(diào)整訓(xùn)練內(nèi)容的難度。

相關(guān)核心代碼如下：

在訓(xùn)練的過(guò)程中，懶惰眼收到了動(dòng)態(tài)、有趣的視覺(jué)信號(hào)，患者更加努力地使用懶惰眼，持續(xù)性刺激懶惰眼視覺(jué)神經(jīng)的同時(shí)也沒(méi)有完全停止對(duì)優(yōu)勢(shì)眼的使用。通過(guò)雙眼分離式訓(xùn)練，提高視力的同時(shí)也鍛煉了融合視覺(jué)功能，從而達(dá)到更好地治療效果。當(dāng)然，該設(shè)想可以將多種游戲進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多模塊、多難度等級(jí)的設(shè)計(jì)，不會(huì)使訓(xùn)練療程變得枯燥乏味，在隨后的研究中，該研究將致力于完善整個(gè)系統(tǒng)。

4 效果分析

在系統(tǒng)測(cè)試試用階段，招募了5名患者進(jìn)行為期一個(gè)月的跟蹤訓(xùn)練，期間這5名患者并未使用過(guò)其他訓(xùn)練或治療方式進(jìn)行治療，該系統(tǒng)訓(xùn)練內(nèi)容有趣且新穎，5名患者基本都能堅(jiān)持進(jìn)行訓(xùn)練。具體訓(xùn)練過(guò)程為：第一天對(duì)患者進(jìn)行系統(tǒng)及操作方面的講解，并進(jìn)行試操作；第二天開(kāi)始正式訓(xùn)練，每天訓(xùn)練30 min，分兩個(gè)階段完成，中間休息5～10 min。訓(xùn)練開(kāi)始前與結(jié)束后對(duì)患者視力情況進(jìn)行記錄，具體情況如表1所示。

表1 患者訓(xùn)練記錄表

訓(xùn)練前使用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)視力表對(duì)5名患者視力進(jìn)行前測(cè)，訓(xùn)練結(jié)束后再次測(cè)試，患者視力前后對(duì)比如圖6所示，使用SPSS對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，t＝－6.532，sig＝0.003（即P＜0.005），有顯著性差異。表明該訓(xùn)練結(jié)果可以有效提高患者的視力。

圖6 患者視力訓(xùn)練前后對(duì)比柱狀圖

目前，臨床上治療弱視的方法不一，最廣泛且有效的遮蓋療法以及抑制療法大多是針對(duì)單眼進(jìn)行訓(xùn)練治療，這樣或多或少都有一些缺陷。人類的雙眼視功能分為三個(gè)階段，即同時(shí)視、融合視和立體視覺(jué)，弱視治療的最終目的是建立立體視覺(jué)。我們?cè)谖闹刑岢隽酥委熑跻暤碾p眼視功能訓(xùn)練系統(tǒng)便攜式設(shè)備的工作原型；該裝置結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用雙眼分任務(wù)進(jìn)行精細(xì)操作，刺激視覺(jué)神經(jīng)；基于感知學(xué)習(xí)理論，結(jié)合視功能訓(xùn)練原理，設(shè)計(jì)訓(xùn)練模塊等內(nèi)容；游戲的交互式操作使訓(xùn)練不再枯燥乏味，提高患者的依從性，可以取得更好的治療效果；在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中獲得了患者的支持與喜愛(ài)，在隨后的研究中我們會(huì)持續(xù)改進(jìn)該設(shè)備的可用性，提高治療效果。

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Design of binocular visual function training system based on virtual reality

Liu Siye
Collage of Educational Science＆Technology，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310000，China

Themost popular current approach to the treatment of amblyopia is occlusion.Daily coverage of the dominant eye lasts for hours，sometimes for up to severalmonths.The compliance of patients is low and this approach rarely results in establishment of binocular function.We propose a novel interactive binocular amblyopia therapy approach based on virtual reality technology aswell as perceptual learning theory and visual function training principle.Patients play interactive games with virtual reality glasses thatmake the two eyes trained separately to improve their vision.By using this system，the lazy eye can be constantly stimulated with the dominant eye not being completely controlled.This system can enhance the patient＇s fusion vision and stereo vision.The system is applied to clinical treatment of amblyopia，with advantages such as easy operation，fun and being advanced；it can increase patient compliance and improve therapeutic effect.

virtual reality；perceptual learning；binocular vision；virtual reality glasses；interactive

G434

：A

：1004-5287（2017）04-0455-05

：10.13566／j.cnki.cmet.cn61-1317／g4.201704026

2017-02-24

劉斯燁（1991-），女，河北唐山人，碩士，主要研究方向：視覺(jué)與感知學(xué)習(xí)。