虛擬現(xiàn)實(shí)在提高帕金森患者平衡能力中的應(yīng)用現(xiàn)狀

施 聰

（四川省內(nèi)江市內(nèi)江師范學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100）

1 虛擬現(xiàn)實(shí)

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）在醫(yī)學(xué)、教育、娛樂、工程等各領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用。對VR的定義有由于研究領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域不同而存在差異。在VR的早期階段，其定義極大程度上注重于其硬件特點(diǎn)。例如，Gigante對于虛擬現(xiàn)實(shí)的定義是“虛擬現(xiàn)實(shí)的特征是參與合成環(huán)境的錯覺，而不是外部觀察這種環(huán)境。它依賴于三維、立體、頭部跟蹤顯示、手/身體跟蹤和雙耳聲音”[1]。目前對虛擬現(xiàn)實(shí)的定義主要是基于人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的關(guān)系。Damgrave就將虛擬現(xiàn)實(shí)定義為潛在現(xiàn)實(shí)或使用條件的人工復(fù)制，使用戶能夠體驗(yàn)和/或修改和/或與之互動[2]。

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)

一般認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)具備三種基本特征包括：沉浸性；交互性和構(gòu)想性。所謂沉浸性即用戶通過顯示設(shè)備和傳感器交互裝置在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生真實(shí)體驗(yàn)。交互性，即用戶與虛擬環(huán)境進(jìn)行信息的交互影響，使使用者實(shí)時(shí)獲得與真實(shí)自然環(huán)境相同的感受。構(gòu)想性, 即用戶在虛擬環(huán)境體驗(yàn)抽象概念的形象化過程。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

1.2.1 非頭盔式系統(tǒng)

這類系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)處理所需的左眼和右眼的視覺，并將其投影到普通顯示器上，然后通過專門設(shè)計(jì)的眼鏡分別顯示左眼和右眼的圖像。它可以提供更高的分辨率，可以通過增加眼鏡的數(shù)量來使其他用戶有同步的體驗(yàn)，成本很小，但對使用者觀察的位置和角度有一定的要求。

1.2.2 頭盔式系統(tǒng)

頭戴式顯示器（HMD）也稱為頭盔式顯示器，是一種在一只眼睛（單眼HMD）前面有一個顯示光學(xué)裝置，或在每只眼睛（雙目HMD）前面有兩個顯示光學(xué)裝置的裝置。HMD戴在頭上或作為頭盔的一部分。相對于非頭盔式系統(tǒng)，HMD對使用者觀察的位置和角度沒有要求。但有些使用者在初期使用時(shí)會出現(xiàn)不適感。

1.2.3 CAVE虛擬環(huán)境

Cruzneira在1992年開發(fā)了一種新的無人機(jī)界面的虛擬現(xiàn)實(shí)與科學(xué)可視化系統(tǒng)Cave。這個系統(tǒng)是在一個封閉的空間環(huán)境中，在參與者周圍均存在顯示屏。當(dāng)參與者在CAVE中戴上液晶快門眼鏡時(shí)，立體圖像被投射到顯示屏上。

2 帕金森病

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是一種以運(yùn)動障礙為主的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病。該疾病患者常具有共濟(jì)失調(diào)和Tourette綜合征癥狀。PD患者多為老年人，其平均發(fā)病年齡為60歲左右。根據(jù)美國國家衛(wèi)生研究院（NIH）的報(bào)告，在美過每年約有50,000人被診斷出患有帕金森氏病，約有50萬人患有這種疾病。在我國PD患者約占65歲以上人群PD的1.7%。PD的癥狀呈逐漸發(fā)展，早期患者多僅在靜止情況下出現(xiàn)一只手輕微的震顫和身體僵硬的感覺，而后隨著病程發(fā)展逐漸加重，乃至患者癡呆或腦癱。

3 使用VR提高PD患者的平衡能力

對于PD患者而言，通過運(yùn)動康復(fù)可以在一定程度上改善平衡能力，維持日?；顒又械淖藨B(tài)，降低突發(fā)性跌倒的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。研究表明運(yùn)動可以保護(hù)和促進(jìn)受損神經(jīng)的再生，增強(qiáng)平衡，改善身體狀態(tài)。通過進(jìn)行適當(dāng)強(qiáng)度的運(yùn)動訓(xùn)練，可刺激PD患者多巴胺分泌，并改善運(yùn)動障礙。但是需要注意的是由于PD患者自身運(yùn)動能力差，存在運(yùn)動遲緩，肌強(qiáng)直等多種運(yùn)動障礙，在進(jìn)行運(yùn)動康復(fù)時(shí)，需嚴(yán)格控制運(yùn)動強(qiáng)度并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免運(yùn)動風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。這在很大程度上增加了PD患者進(jìn)行運(yùn)動康復(fù)的難度，也提高了其康復(fù)的成本。而VR由于可以通過建立虛擬化世界，并可通過特定的配套監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控使用者的各項(xiàng)身體數(shù)據(jù)（包括實(shí)時(shí)監(jiān)控使用者的運(yùn)動動作，包括運(yùn)動姿態(tài)）并可將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給對應(yīng)的系統(tǒng)并改變對應(yīng)的虛擬環(huán)境，達(dá)到交互式作用。其應(yīng)用于PD患者的運(yùn)動康復(fù)中，就可實(shí)時(shí)監(jiān)控PD患者的運(yùn)動姿態(tài)，保證PD患者的運(yùn)動安全，同時(shí)也可根據(jù)其運(yùn)動姿態(tài)的變化實(shí)時(shí)改變虛擬環(huán)境，增加或降低運(yùn)動難度。這樣即可保證PD患者在進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練時(shí)的安全性，提高運(yùn)動訓(xùn)練的效果也降低人力成本。簡而言之，VR的練習(xí)可患者提供視覺，聽覺和觸覺反饋，并且可以通過調(diào)整交互作用影響運(yùn)動難度及運(yùn)動強(qiáng)度。而且由于VR的技術(shù)特點(diǎn)這種練習(xí)不會受到時(shí)間或地點(diǎn)方面的制約，因此患者可以進(jìn)行持續(xù)的積極鍛煉[9]。如基于家庭的VR 平衡訓(xùn)練系統(tǒng)。這是一種包括一體機(jī)觸摸屏電腦和一臺無線平衡板的PD患者平衡訓(xùn)練系統(tǒng)。PD患者佩戴HMD并在無線平衡板上行走時(shí)。由于佩戴HMD，PD患者可以在室內(nèi)在模擬的虛擬環(huán)境下進(jìn)行行走活動。這將降到PD患者練習(xí)的危險(xiǎn)度。此外系統(tǒng)使用無線平衡板內(nèi)有嵌入式稱重傳感器以測量使用者的足底壓力中心。PD患者在進(jìn)行練習(xí)時(shí)其足底的壓力通過藍(lán)牙將信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)根據(jù)傳入的足底壓力信號，實(shí)時(shí)改變無線平衡板的靈敏度級別, 以修改訓(xùn)練難度。

另一項(xiàng)研究表明基于舞蹈運(yùn)動開發(fā)的VR訓(xùn)練系統(tǒng)不僅可增強(qiáng)PD 患者的平衡能力還可改善PD 患者抑郁障礙等心理問題。這是一種讓PD患者在VR環(huán)境下進(jìn)行舞蹈練習(xí)的訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過PD患者穿戴上本體感受裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測患者的身體主要部位（主要是下肢）的動作變化，而后通過HMD對PD患者提供視覺和聽覺反饋。研究表明這種通過這種基于舞蹈練習(xí)的VR系統(tǒng)訓(xùn)練后，PD患者的平衡能力得以改善，在其日常生活的活動能力明顯增強(qiáng)。

4 VR應(yīng)用于PD存在的不足

4.1 虛擬程度不足

目前臨床實(shí)驗(yàn)的VR技術(shù)基于成本開率，多數(shù)使用商業(yè)化的HMD達(dá)到虛擬效果。目前使用的HMD無法根據(jù)人眼聚焦變化而產(chǎn)生相應(yīng)的效果，導(dǎo)致長時(shí)間配帶HMD出現(xiàn)不適現(xiàn)象。這種為少數(shù)人在使用VR使會出現(xiàn)的生理上的不適感。Cobb在1999年發(fā)現(xiàn)了這種由于使用VR而導(dǎo)致使用者出現(xiàn)包括姿勢不穩(wěn)定，精神運(yùn)動控制減弱，注意力不集中等癥狀，這種不適癥類似于眩暈癥并命名為虛擬現(xiàn)實(shí)不適癥[3]。

4.2 成本過高

VR設(shè)備成本仍然過高。一個優(yōu)良的VR系統(tǒng)首先需要一系列外部設(shè)備的支持，現(xiàn)有的沉浸式技術(shù)主要包括頭盔顯示器HMD和CAVE兩種，其中CAVE的由于價(jià)格昂貴，仍無法應(yīng)用于實(shí)際臨床活動。HMD的成本合理但沉浸效果較低。此外交互式所需要的動作捕捉系統(tǒng)還無法做到成本和效果很好的平衡。VR系統(tǒng)的建立除設(shè)備要求之外還需要建立相對應(yīng)的軟件系統(tǒng)，這也需要不菲的人力成本。

4.3 建模的難度大

在建立VR系統(tǒng)環(huán)境時(shí)需要考慮兩個坐標(biāo)系, 即現(xiàn)實(shí)世界的坐標(biāo)系和VR環(huán)境的坐標(biāo)系。傳統(tǒng)的虛擬環(huán)境的構(gòu)建時(shí)，虛擬環(huán)境多為固定環(huán)境，完全可以由計(jì)算機(jī)先期合成的建立，虛擬環(huán)境為不變的環(huán)境，此種方法比較容易。但是實(shí)際情況是由于臨床環(huán)境復(fù)雜多變，很多情況下需要虛擬環(huán)境來自現(xiàn)實(shí)世界，并能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這就需要實(shí)時(shí)獲取并變化虛擬環(huán)境。這種方式下數(shù)據(jù)獲取，傳輸和儲存都存在較大壓力，建模難度大增。