虛擬現(xiàn)實與交互式數(shù)字游戲技術(shù)：解決肥胖和糖尿病的新工具

高勇娜

摘要：隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的突飛猛進，虛擬現(xiàn)實覆蓋的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。其中虛擬現(xiàn)實醫(yī)療是虛擬現(xiàn)實技術(shù)最有意義的應(yīng)用領(lǐng)域之一，虛擬現(xiàn)實醫(yī)療對人類來說是一大重要的進步。在臨床醫(yī)學方面采用虛擬現(xiàn)實與交互式數(shù)字游戲技術(shù)來解決肥胖和糖尿病是一個新的領(lǐng)域，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實醫(yī)療的發(fā)展也是構(gòu)建未來智慧醫(yī)療體系的必經(jīng)之路。

關(guān)鍵詞：exergaming； 交互式數(shù)字游戲；虛擬環(huán)境；虛擬現(xiàn)實

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）16-0227-02

1 介紹

自1995年以來， 虛擬現(xiàn)實 （VR） 仿真技術(shù)在臨床應(yīng)用中發(fā)生了一場虛擬革命。虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)在臨床醫(yī)學方面的應(yīng)用主要有臨床教學、疾病診斷、手術(shù)模擬、遠程醫(yī)療等。臨床醫(yī)學上采用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)主要是指使用計算機技術(shù)（主要是計算機圖形學與虛擬現(xiàn)實）來模擬、指導(dǎo)醫(yī)學手術(shù)所涉及的各種過程。隨著虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的不斷完善，借助與VR來輔助臨床診斷與疾病的治療已經(jīng)成為現(xiàn)在臨床醫(yī)學發(fā)展的一個趨勢。虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的研究人員和臨床醫(yī)生都已經(jīng)認識到虛擬現(xiàn)實技術(shù)在臨床醫(yī)學方面的潛在影響。國內(nèi)外很多研究課題記錄了許多臨床案例， 虛擬現(xiàn)實可以增加價值傳統(tǒng)的評估和干預(yù)方法。虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)在臨床醫(yī)學方面可以進行個性化醫(yī)學診斷與治療，如可以對肥胖和糖尿病進行有效的輔助診斷和治療。與傳統(tǒng)的主觀判斷相比，在虛擬人體上進行各種無法在真人身上進行診療試驗，可以根據(jù)獲得的治療數(shù)據(jù)和人體反應(yīng)進行科學分析和判斷，可以做出更加理性和真實可行的診斷和治療方案。虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)可以根據(jù)各種醫(yī)學影像信息和數(shù)據(jù)創(chuàng)建虛擬手術(shù)環(huán)境，通過模擬真實的環(huán)境，從中可以提前預(yù)測手術(shù)過程中可能出現(xiàn)的問題并采取補救措施，從而提高手術(shù)的成功率。借助于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，醫(yī)生可以更加合理的指定醫(yī)療方案，同時這樣的虛擬現(xiàn)實平臺可以減少手術(shù)給患者帶來的各種傷害和痛苦，這大大提高了醫(yī)療效果。

隨著臨床研究和虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，臨床醫(yī)學與虛擬現(xiàn)實仿真結(jié)合在一起是一種新的發(fā)展趨勢。在臨床治療過程中，醫(yī)生可以首先記住虛擬手術(shù)系統(tǒng)來模擬演練臨床手術(shù)的整個過程，通過虛擬過程呈現(xiàn)的影像去發(fā)現(xiàn)問題，從而去解決問題。虛擬手術(shù)可以大大縮短手術(shù)培訓的整個周期，同時它也減少了對一些價格昂貴的實驗對象的需求。在臨床醫(yī)學上采用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)不僅提高了臨床醫(yī)學的工作效率還大大節(jié)省了人力、物力和財力。由于虛擬手術(shù)系統(tǒng)可為操作者提供一個極具真實感和沉浸感的訓練環(huán)境，這樣的訓練過程與實際手術(shù)幾乎一模一樣，尤其是能夠獲得在實際手術(shù)中的手感。計算機還能夠給出一次手術(shù)練習的評價。在虛擬環(huán)境中進行手術(shù)，不會發(fā)生嚴重的意外，能夠提高醫(yī)生的協(xié)作能力。外科醫(yī)生在真正動手術(shù)之前，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的幫助，能在顯示器上重復(fù)地模擬手術(shù)，移動人體內(nèi)的器官，尋找最佳手術(shù)方案并提高熟練程度。

2 虛擬現(xiàn)實格式

一般來說虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理計算機、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入設(shè)備和演示設(shè)備等組成，即人們可以通過視覺、聽覺、觸覺等信息通道感受到設(shè)計者思想的高級境界。例如， 沉浸式虛擬現(xiàn)實結(jié)合了計算機、頭部安裝的顯示器 （HMDs）、身體跟蹤傳感器、專用接口設(shè)備和實時圖形， 使參與者沉浸在計算機生成的模擬世界中， 從而改變了自然頭部和身體運動的方式。在這些系統(tǒng)中， 一個關(guān)鍵的目標是將外部世界的感知與模擬環(huán)境 （在頭盔顯示器中提供的） 替換， 以創(chuàng)建特定的用戶體驗。沉浸式虛擬現(xiàn)實是最常用的應(yīng)用， 能夠在一個受控的環(huán)境下讓用戶體驗一個特定而感性的合成世界。

隨著技術(shù)的發(fā)展，最初的計算機輔助手術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到可以針對不同的外科手術(shù)進行輔助規(guī)劃，由原來的導(dǎo)航、觀摩形式，發(fā)展成為可操作、可交互的虛擬仿真系統(tǒng)。 在手術(shù)培訓方面，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可提供理想的培訓平臺，受訓醫(yī)生可觀察高精度三維人體圖像，并通過力反饋設(shè)備模擬觸覺，讓受訓者在切割組織時感受到器械的壓力，感覺就像在真實的人體上手術(shù)一樣。既不會對病人造成生命威脅，又可以重現(xiàn)高風險、低概率的手術(shù)病例，可供培訓對象反復(fù)練習。在虛擬手術(shù)訓練后， 系統(tǒng)還可通過對切口壓力與角度、組織損害和其他指標的準確測定，監(jiān)測訓練者手術(shù)技術(shù)的進步。在臨床診斷方面，利用三維重建及虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出許多虛擬內(nèi)窺鏡的軟件，可以使醫(yī)生的視線在病人體內(nèi)甚至毛細血管中自由航行。這種動態(tài)的現(xiàn)實顯示對臨床診斷具有無比寶貴的價值。虛擬現(xiàn)實利用特定的交互工具，如感傳手套和數(shù)字頭盔 模擬真實操作中的虛擬環(huán)境，用戶在操作過程中有身臨其境的感覺，可以廣泛地應(yīng)用于手術(shù)培訓、手術(shù)預(yù)演、臨床診斷、遠程干預(yù)、醫(yī)學教學等各個環(huán)節(jié)，為醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展帶來極大的便利。

3 Exergaming

Exergaming 已經(jīng)吸引了大眾媒體和科學界的注意，它作為一個潛在的補救措施，對日益增長的社會健康問題。如兒童肥胖和糖尿病有一定的療效。 Exergaming 的核心概念在于使用有力的身體活動取代依賴鍵盤、操縱桿的傳統(tǒng)游戲互動的久坐活動， 游戲和。以這種形式， 增加參與卡路里燃燒的心血管運動活動的動機被假設(shè)通過創(chuàng)造引人注目的數(shù)字游戲內(nèi)容， 只能通過身體活動互動。也被稱為動能游戲， Exergaming 不是一個新的想法，最初， 虛擬現(xiàn)實和計算機游戲 Exergaming 的應(yīng)用都受到了設(shè)備成本和跟蹤用戶移動活動所涉及的復(fù)雜性的限制。此類應(yīng)用程序需要三維用戶界面設(shè)備， 它們能感覺到并捕獲健壯的身體活動， 作為與游戲內(nèi)容有意義的交互的可用輸入信號。因此， 復(fù)雜和昂貴的傳感系統(tǒng)能夠高采樣率， 并與全六自由度運動捕獲， 如磁性或高端光學跟蹤系統(tǒng)， 往往被用來捕捉運動的數(shù)據(jù)， 需要驅(qū)動運動和游戲環(huán)境中的康復(fù)互動。另外， 許多商業(yè)實體采取了調(diào)整標準運動設(shè)備 （如生命周期、跑步機、橫臥自行車、樓梯跳繩） 的方法， 通過使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與數(shù)字內(nèi)容進行交互。這種系統(tǒng)通常被用于擁有良好經(jīng)濟資源的健身俱樂部。然而， 為了促進該設(shè)備的廣泛應(yīng)用， VR家庭系統(tǒng)是需要負擔得起的， 易于部署和維護。

一些研究人員通過實施現(xiàn)成的游戲控制臺系統(tǒng) （Sony Eyetoy、Konami Dance Dance Revolution 和Nintendo Wii 游戲） 來解決這個問題。除了這一概念所具有的直觀吸引力外， 能源支出研究為這一方向提供了初步支持。例如， Lanningham 和同事報告說， 看電視和玩電子游戲， 而坐在座位上的能源支出增加了20 ± 13% 和22 ± 12% 以上的休息值，。當受試者在跑步機上行走， 看電視時， 能量消耗增加了138±40% 以上的休息值。在活動推廣視頻游戲中，視覺玩具（索尼電腦娛樂公司）的能量消耗增加了能量開支增加了108 % ，而Dance Dance Revolution 2的超能力則增加了172%。作者得出的結(jié)論是， 當固定屏幕時間轉(zhuǎn)換為活動屏幕時間時， 能量消耗超過雙倍， 這種干預(yù)可以考慮到肥胖的預(yù)防和治療。其他研究也表明， 復(fù)員方案系統(tǒng)對增加能源支出和心率是有效的。與傳統(tǒng)的久坐式游戲相比， 在玩各種 Wii 運動游戲時， 能源支出的優(yōu)勢也有所增加。在一項研究中， 測試了13-15 歲的五個女孩和六個男孩， Grave和工友報告的平均值 （標準偏差） 預(yù)測 玩Wii 運動的能源支出水平： 保齡球 （190.6 （22.2） 焦/千克/分鐘）， 與 Wii 運動相比： 網(wǎng)球 （202.5 （31.5） 焦/千克/分）， 和 Wii 運動： 拳擊 （198.1 （33.9） 焦/千克/分鐘）。這些值明顯大于玩久坐游戲 （125.5 （13.7） 焦/千克/分鐘； p 001）。另外， 另一個研究小組也測試了類似的樣本年齡，年齡在10-13 歲的14個男孩和9個女孩，發(fā)現(xiàn)與身體質(zhì)量有關(guān)的能源支出與 Dance Dance Revolution 2級和 Wii 運動相比： 拳擊比賽要比看電視和相當于跑步機以5.7 公里/小時的速度行走。盡管這些結(jié)果表明，實際上主動玩Exergames ，與久坐活動相比，會消耗更多的精力，相當于快走，但玩Exergames時產(chǎn)生的消耗無法達到實際運動時產(chǎn)生的消耗，也無法為兒童提供建議的每日運動量。

雖然這些結(jié)果為使用數(shù)字 Exergames 提供了一些支持， 但使用目前的技術(shù)狀況， 這種活動應(yīng)該被看作是對經(jīng)常運動的補充， 而不是替代。這些結(jié)果可能部分歸因于與這些控制臺游戲交互所需的運動活動的限制，例如， Eyetoy 只限于捕捉非自然的單平面二維活動， 而 Dance Dance Revolution 則可以提供一個精力充沛的鍛煉， 舞蹈游戲的組成部分可能不會吸引一些孩子， 否則會從這種基于游戲的運動活動中獲益。任天堂 Wii 游戲控制臺的功能和各種體育、健身游戲產(chǎn)品在表面上與 Exergaming 的需要密切配合。Wii 的界面采用了基于攝像頭和慣性跟蹤的混合系統(tǒng)， 價格低廉， 可以用來與引人注目的運動游戲進行交互。與索尼 Eyetoy 不同的是， 用戶組現(xiàn)在已經(jīng)能夠調(diào)整掌握控制器， 使其與可在個人計算機上創(chuàng)建的新應(yīng)用程序交互， 甚至在數(shù)字頻譜之外驅(qū)動無線電遙控車。

4 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實和交互式數(shù)字游戲技術(shù)出現(xiàn)了革命性的進步， 這給臨床醫(yī)學研究帶來了新的機遇。而且，這也支持了在過去不可能的情況下，針對重要的社會級衛(wèi)生保健條挑戰(zhàn)的研究和開發(fā)。此外， 在家庭中的基礎(chǔ)設(shè)施當然也在推動進一步的數(shù)字努力， 以促進積極的健康態(tài)度和行為改變?？紤]到強大的虛擬現(xiàn)實和交互式數(shù)字游戲系統(tǒng)將很快成為 "數(shù)字家園" 中的常規(guī)硬件， 這已經(jīng)不再是一種延伸?，F(xiàn)在，它的雛形已經(jīng)以現(xiàn)代游戲機和立體聲電視的形式存在，可以與大量的遠程用戶進行聯(lián)網(wǎng)。這種計算、顯示和交互可以利用社會參與和互動，促進與健康有關(guān)的活動。由于在基礎(chǔ)設(shè)施和準入方面取得了這些進展， Exergaming 的概念現(xiàn)在可以提供數(shù)字選擇， 以便在兒童面臨肥胖和糖尿病風險的情況下促進健康的體力活動。

然而， 仍需要進行一項重要的研究工作， 以確定虛擬現(xiàn)實和 Exergame 應(yīng)用程序在減輕體重和改善糖尿病管理方面的功效和附加值。如前所述， 早期的結(jié)果表明， 目前，使用可用的活躍 Exergames比久坐活動明顯消耗更多的能量， 但這種活動沒有達到的強度水平，也沒有為兒童提供每日推薦的運動量。未來的研究至少有兩個主要方向，用來測試一代虛擬現(xiàn)實游戲?qū)p肥和糖尿病管理的功效。這些方向的重點是參與和能源支出。

綜上所述，在虛擬現(xiàn)實與仿真技術(shù)在臨床醫(yī)學上的廣泛應(yīng)用，可以節(jié)省大量的時間與資源，從而更快捷、更安全的挽救生命。隨著計算機、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展以及各國對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的日益重視，在將來，相信這一技術(shù)在醫(yī)學上的應(yīng)用會取得更大的發(fā)展，它的發(fā)展前景非常誘人。可以預(yù)料，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在臨床醫(yī)學中更廣泛、更深入的應(yīng)用將會給傳統(tǒng)醫(yī)療帶來革命性的變化。

參考文獻：

[1] 帕森斯， RIZZO AA. 虛擬現(xiàn)實暴露療法對焦慮和特定恐懼癥的薈萃分析[J]. 行為精神病學， 2008， 39（3）.

[2] 羅斯. FD， 布魯克斯， RIZZO AA. 腦損傷康復(fù)的虛擬現(xiàn)實： 回顧[J].網(wǎng)絡(luò)心理學與行為期刊. 2005， 8（3）.

[3] 金姬， 康德， RIZZO， AA. 虛擬麻醉： 在急性醫(yī)療干預(yù)過程中使用虛擬現(xiàn)實治療疼痛[J]. 醫(yī)學麻醉疼痛， 2005（24）.

[5] 格拉夫 DL， 普拉特 LV， 海絲特 CN， SHORT KR. 播放活動視頻游戲增加了兒童的能量消耗[J]. 兒科， 2009， 124（2）.