虛擬現(xiàn)實技術(shù)在眼科領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進展

彭振 吳呈潤 張旭

作者單位：南昌大學附屬眼科醫(yī)院 南昌大學眼視光學院 330006

虛擬現(xiàn)實（Virtual reality，VR）技術(shù)是自20世紀60年代發(fā)展起來的實用型技術(shù)，涵蓋計算機、仿真技術(shù)領(lǐng)域，其基本原理是通過計算機技術(shù)模擬出具有高度仿真的虛擬環(huán)境。VR設(shè)備可以通過不同硬件的組合實現(xiàn)對觸覺、聽覺等不同感官刺激的模擬，目前常見的VR設(shè)備由頭戴式顯示器（Head mount display，HMD）、降噪耳機、遙控手柄組成。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）是一種將虛擬信息與真實世界融合的技術(shù)，與VR技術(shù)相比，AR技術(shù)發(fā)展較晚，但AR技術(shù)具有體積小，與真實世界的交互性更強，用戶不易產(chǎn)生眩暈感的優(yōu)點。應(yīng)注意的是，在實際臨床應(yīng)用中，VR技術(shù)與AR技術(shù)無清晰的分界，在一定情況下可以融合[1]。

在醫(yī)學領(lǐng)域，利用VR技術(shù)可視化的特點，將抽象事物具體化，使復雜的圖像能以立體的形式展現(xiàn)，便于剖析觀察。在眼科手術(shù)的學習中，可利用VR技術(shù)對復雜手術(shù)進行模擬學習；同時，使用VR技術(shù)評估青光眼疾病進展，可以為醫(yī)師提供一種評估患者生活質(zhì)量的方式；對于近視等屈光眼病，VR所呈現(xiàn)出的仿真光線強度、視野等環(huán)境內(nèi)容可能在一定程度上改善患者的病情，現(xiàn)筆者介紹近年來相關(guān)的研究。

1 VR技術(shù)在眼科中的應(yīng)用

1.1 VR與白內(nèi)障手術(shù)訓練

VR手術(shù)模擬器允許規(guī)培實習醫(yī)生在一個低風險，高仿真的虛擬環(huán)境中進行手術(shù)訓練。該種學習模式在保證訓練效果的同時，避免了在真實人體上進行操作的風險性[2]。與外科分類繁多，功能豐富的手術(shù)模擬器相比，VR手術(shù)模擬器在眼科領(lǐng)域的應(yīng)用較晚，且主要是針對白內(nèi)障手術(shù)的模擬，德國Eyesi是白內(nèi)障手術(shù)模擬器的代表，其能提供白內(nèi)障手術(shù)中具體手術(shù)步驟的模擬[3]。目前的研究顯示，Eyesi對實習醫(yī)師的手術(shù)學習具有良好的培訓效果[4，5]。Selvander等[6]的研究表明，在白內(nèi)障手術(shù)訓練方面，使用Eyesi進行手術(shù)學習的學員能很快掌握操作技巧[6]，Ng等[7]的研究發(fā)現(xiàn)實習醫(yī)師對Eyesi的學習效果感到滿意，使用Eyesi能夠增強實際手術(shù)時的信心。

通過手術(shù)模擬器進行手術(shù)學習并非是完美無缺的，仍需要結(jié)合傳統(tǒng)學習手段才能更好發(fā)揮效果。McCannel[8]研究發(fā)現(xiàn)，通過Eyesi進行手術(shù)學習的實習醫(yī)生在實際手術(shù)中造成玻璃體丟失的比例要高于在動物眼上進行手術(shù)訓練的醫(yī)師，而在撕囊這一手術(shù)步驟中2種訓練模式培訓的醫(yī)師出現(xiàn)玻璃體丟失情況的比例相近，造成該情況的原因可能是Eyesi手術(shù)訓練對手術(shù)步驟的學習側(cè)重不一，除關(guān)鍵手術(shù)步驟外的訓練缺乏區(qū)分度[9]，導致醫(yī)師在除撕囊以外的手術(shù)步驟上獲得的訓練不夠。除此以外，對Eyesi手術(shù)訓練的研究表明目前Eyesi的評分系統(tǒng)存在缺陷，并不能完整反映醫(yī)師的手術(shù)操作水平[10]。

1.2 VR與青光眼

使用VR技術(shù)可對青光眼患者病情嚴重程度及對日常行為的影響進行評估。臨床上，醫(yī)師一般難以確切了解患者視野縮窄的程度對其生活帶來何種影響，患者家屬也無法較好地針對患者的病情進行照顧。Goh等[11]提出了一種評估青光眼患者在日常生活中是否受到影響的檢查方法，在該項研究中，患者完成VR檢測任務(wù)的表現(xiàn)可以反映患者在日常生活中遇到的困難。一款名為OpenVisSim的平臺利用VR技術(shù)評估了真實世界中視野喪失對患者日常生活的影響[12]，在針對患者進行個性化護理時，該評估方法比一份視野檢查報告單顯得更有說服力。

VR技術(shù)在一些涉及青光眼的實驗研究中也有應(yīng)用。Daga等[13]應(yīng)用VR技術(shù)創(chuàng)造虛擬環(huán)境下的尋路實驗，發(fā)現(xiàn)青光眼患者在尋路任務(wù)方面表現(xiàn)得更差，青光眼患者在日常駕駛尋路過程中與正常人之間是有差異的。利用VR技術(shù)，研究人員可以在虛擬環(huán)境中設(shè)計實驗。Diniz-Filho等[14]利用VR技術(shù)在青光眼患者眼前展示不同的動態(tài)視覺刺激，觀察患者的姿勢反應(yīng)，評估患者在測試平臺上的體位姿勢、重心和平衡變化，發(fā)現(xiàn)青光眼患者的平衡控制不好且跌倒風險更大。VR技術(shù)的應(yīng)用使一些在真實環(huán)境中不便開展的實驗能夠?qū)嵤兄诳蒲腥藛T對青光眼患者進行深入的探討。

一些研究表明VR技術(shù)有助于青光眼患者生活質(zhì)量的改善。Sayed等[15]使用VR技術(shù)增強青光眼患者的中心視野，提高青光眼患者行走中的避障能力。Li等[16]使用VR訓練刺激青光眼患者的殘余視力，經(jīng)過3 個月的訓練后，2/3 患者的視野范圍擴大，但此研究報道僅為初步研究，存在實驗數(shù)據(jù)的不足。

1.3 VR與近視

中國至少有6億人患有近視，80%的中小學生患有近視或假性近視[17]，近視防控面臨著嚴峻的形勢。目前一些有關(guān)VR在近視治療與預防工作上的研究可能為這一問題提供新的思路。Maiello等[18]利用VR環(huán)境進行眼部屈光調(diào)節(jié)和近視的防控研究，結(jié)果顯示VR環(huán)境中豐富的視差可能有助于預防近視。Turnbull等[19]的研究也表明，VR設(shè)備的使用并不會導致近視，并且出乎意料的是，在受試者中觀察到了眼底脈絡(luò)膜增厚的現(xiàn)象。

進行戶外運動能夠抑制近視，這種抑制來自戶外環(huán)境中的光照刺激[20]，這提示可以應(yīng)用VR改善光照環(huán)境以達到預防近視的目的。例如可以在視野中呈現(xiàn)特定波長、頻率、強度的光照條件，通過比較不同光照條件對眼部造成的影響進行近視抑制相關(guān)的研究，同時得益于VR眼鏡良好的包裹性帶來的暗室效果，在實驗過程中可避免外界光照對實驗結(jié)果的影響。這些優(yōu)勢可能有助于VR技術(shù)在未來的近視防控中發(fā)揮作用。但在VR技術(shù)應(yīng)用于近視防控的同時，也有研究者為VR技術(shù)使用的安全性表示擔憂[21]。例如，較低的VR圖像分辨率和刷新率也可能會加速近視進展。總之，在近視領(lǐng)域，VR作為一項新的技術(shù)在應(yīng)用與推廣前仍需要更多的臨床驗證。

1.4 VR與一般眼病的治療及眼科檢查

弱視屬于視覺發(fā)育相關(guān)疾病[22]。弱視的遮蓋療法一般是指遮蓋優(yōu)勢眼以提高弱勢眼視力。VR設(shè)備允許在雙側(cè)眼中僅針對目標眼展示畫面，這一特點使VR技術(shù)有助于弱視的治療。Herbison等[23]通過VR互動游戲，將游戲背景和玩家呈現(xiàn)給兒童的雙眼，而障礙物、敵人、金幣等僅呈現(xiàn)給弱側(cè)眼，從而起到針對弱視眼訓練的作用。而Li等[24]則利用VR平臺對受試者進行雙眼視覺訓練以治療間歇性外斜視，他們的結(jié)果顯示在經(jīng)過6個月的訓練后，部分患者的眼位得到了改善。?iak等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，在使用OculusRift頭盔及配套程序?qū)Τ赡耆跻暬颊哌M行治療后，超過90%的患者弱視眼視力有所提高。輻輳調(diào)節(jié)矛盾是現(xiàn)有VR設(shè)備的缺點之一，但這也為通過VR設(shè)備進行視功能訓練提供了可能性，通過調(diào)節(jié)VR設(shè)備顯示的視差，改變眼球的匯聚程度[26]，從而達到視功能訓練的目的。

VR技術(shù)能輔助眼科檢查。一項眼位不正檢測方法的研究結(jié)果表明，使用VR眼鏡較傳統(tǒng)方法測試，具有控制亮度，無需頭部固定，提供患者交互目標等優(yōu)越性[27]。在進行斜視眼偏角測量時，應(yīng)用VR技術(shù)能降低頭部意外運動造成的結(jié)果偏差，從而更準確測量眼偏角[28]。在視野檢查領(lǐng)域，VR技術(shù)的發(fā)展帶來了小型視野計的問世。Tsapakis等[29]利用VR眼鏡和智能手機對受試者進行視野測試，同時與HFA視野計的檢查結(jié)果進行對比，結(jié)果顯示頭戴式視野計在檢查結(jié)果的準確性方面差于HFA視野計，但頭戴式視野計具有簡易、便捷、不受檢查環(huán)境限制的優(yōu)點，選擇這一類的視野計能便于對患者進行篩查、隨訪和病情追蹤。Versek介紹了一款名為NeuroDotVR的技術(shù)平臺，該平臺通過使用HMD提供特定的視覺刺激，檢測視覺誘發(fā)電位的變化情況，用于眼科疾病的輔助診斷[30]。一些研究者利用VR平臺提供定量的視覺刺激，研究人群中雙目失衡的情況，以探究視覺障礙患者的發(fā)病原因[31]。在眼科輔助檢查方面，VR技術(shù)的應(yīng)用代表著小型檢測儀器的發(fā)展趨勢，未來可能在一些眼科篩查工作中發(fā)揮作用。

1.5 VR與手術(shù)輔助和眼科教育

將VR技術(shù)與眼科手術(shù)結(jié)合能夠使醫(yī)師實時掌握手術(shù)情況，獲得眼球立體結(jié)構(gòu)的信息。Maloca等[32]使用VR技術(shù)繪制OCT掃描數(shù)據(jù)，使得掃描圖像由傳統(tǒng)的平面顯示變?yōu)閂R頭盔中的立體圖像顯示，提高了觀察者的沉浸感。Draelos等[33]利用VR技術(shù)結(jié)合OCT掃描進行手術(shù)，以實時了解手術(shù)進度。這些研究提示VR技術(shù)可能會成為下一代醫(yī)學圖像顯示方法和平臺。

觀看手術(shù)視頻是眼科醫(yī)師進行手術(shù)學習的一種方式，在VR眼鏡中觀看手術(shù)視頻能夠提高觀看者的沉浸感，并且3D手術(shù)視頻記錄了立體結(jié)構(gòu)信息，有助于觀看者的理解。Gallagher等[34]提出了一種簡單的立體手術(shù)視頻的制作和觀看方法，他們使用2臺手機連接到顯微鏡上用于記錄手術(shù)過程，手術(shù)完成后將手機放入VR眼鏡中，就能夠觀看立體的手術(shù)視頻。在一些眼科手術(shù)上也可以發(fā)現(xiàn)VR技術(shù)的身影，例如在屈光手術(shù)中，一些設(shè)備和手術(shù)顯微鏡能夠?qū)崟r跟蹤眼球，并在眼球上疊加標記或其他信息，以矯正眼球運動造成的偏移。VR技術(shù)推動遠程手術(shù)的發(fā)展，Ho[35]使用3D攝影機拍攝畫面，應(yīng)用VR設(shè)備完成了1例虛擬白內(nèi)障手術(shù)，但他們發(fā)現(xiàn)手術(shù)過程中實時畫面的延遲會對醫(yī)師的手眼配合造成干擾，這提示VR技術(shù)可應(yīng)用于遠程手術(shù)，但通信速度和傳輸信號的穩(wěn)定性是待解決的問題。在復雜眼科手術(shù)的術(shù)前準備中，VR可能發(fā)揮作用，例如在眼部腫瘤手術(shù)前可使用CT、MRI技術(shù)對眼部進行掃描，對手術(shù)計劃切除的部分進行重建[36]，隨后在VR設(shè)備上進行模擬手術(shù)，可以降低手術(shù)風險。

在眼科教育領(lǐng)域，一些新學習模式也在逐步被探索。Dyer等[37]通過VR技術(shù)使學生參與體驗黃斑變性老年患者的日常生活，使醫(yī)學生切身體驗疾病對患者的影響，這種教學方法能使醫(yī)學生從患者的角度審視疾病。傳統(tǒng)教學對一種疾病的學習來源于教科書上的描述，而通過VR使醫(yī)學生體驗疾病的影響，在未來可能成為豐富醫(yī)學教育的手段。

2 VR技術(shù)的發(fā)展形勢與應(yīng)用困境

2.1 發(fā)展形勢

2016年VR一詞風靡全球。交互性、智能化是VR技術(shù)的特點。如何利用VR技術(shù)的優(yōu)勢滿足眼科發(fā)展的需要是一個值得思考的問題，這要求在應(yīng)用VR技術(shù)時要有新的思路。VR技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用可以提供思考的方向：BioVR是一個生物數(shù)據(jù)集成的可視化平臺[38]，其能夠?qū)Φ鞍仔蛄羞M行3D渲染；TeraVR平臺能精確重建小鼠腦神經(jīng)三維模型[39]，以便于研究者進行大腦的研究。這些例子提示開發(fā)者可以考慮構(gòu)建3D的眼部結(jié)構(gòu)模型，在VR眼鏡中進行展示，既便于醫(yī)學生的學習也可以對普通人群進行宣教；弱視可以通過訓練改善癥狀，結(jié)合VR技術(shù)，患者在家也能進行訓練治療。

2.2 應(yīng)用困境

視網(wǎng)膜中的黃斑部高度敏感，但僅覆蓋了人眼0.2%的觀察范圍，為了彌補這一缺陷，人類的眼球具有高度的靈活性[40]，如何將靈活的眼球與VR技術(shù)中的瞳孔追蹤相適應(yīng)，是研究者需要解決的難題。國內(nèi)缺乏有關(guān)醫(yī)師對醫(yī)療VR平臺態(tài)度的研究報告，這可能對VR技術(shù)臨床應(yīng)用的推廣造成影響。加拿大在2016年對其全國的耳鼻喉頭頸外科實習醫(yī)師進行了一項評估調(diào)查，目的在于調(diào)查實習醫(yī)師對VR手術(shù)訓練平臺的相關(guān)態(tài)度，從而改善手術(shù)培訓模式[41]，這項調(diào)查的結(jié)果顯示大部分實習醫(yī)師對VR手術(shù)訓練模式持支持態(tài)度。未來研究者應(yīng)對我國眼科領(lǐng)域VR技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進行具體調(diào)查，了解臨床醫(yī)師對VR技術(shù)的認可態(tài)度，以便制定合適的推廣政策。另外，成本問題也可能會制約VR技術(shù)的推廣應(yīng)用。Paul等[42]對VR手術(shù)訓練在美國眼科醫(yī)學教育中的應(yīng)用情況進行了調(diào)查，結(jié)果顯示較高的培訓成本是影響制約VR手術(shù)訓練發(fā)展的主要原因。

3 VR技術(shù)的應(yīng)用對健康的影響

使用者在長時間應(yīng)用VR技術(shù)進行沉浸式體驗后會產(chǎn)生不同程度的暈動癥，這對于用戶來說是非常不利的。Kim等[43]對VR眼鏡系統(tǒng)基本的硬件和軟件組成部分進行體驗評價問卷調(diào)查，結(jié)果顯示VR設(shè)備的好壞與暈動癥的發(fā)生密切相關(guān)，不良的設(shè)備會促進暈動癥的形成。Yu等[44]建立了VR環(huán)境下的暈動癥測量指標，這些指標為降低暈動癥的發(fā)生概率提供了參考。使用VR技術(shù)導致暈動癥這一缺點在一些研究中卻被用于治療眩暈，Bergeron等[45]系統(tǒng)分析了VR環(huán)境治療眩暈疾病的相關(guān)研究，證明VR對治療前庭刺激導致眩暈的有效性。

1項有關(guān)使用3D智能眼鏡對大腦海馬體功能影響的研究報告指出，VR可能會對海馬體和其他涉及空間導航的大腦區(qū)域產(chǎn)生危害[46]。使用VR設(shè)備是否會造成光敏性癲癇？目前雖未有研究對二者的關(guān)系進行明確的闡述，但仍有學者認為應(yīng)當對此持謹慎態(tài)度[47]，VR設(shè)備中復雜的光刺激引起光敏性癲癇發(fā)病的可能性不能忽視。

4 總結(jié)

VR技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用帶動了眼科學的進步。在手術(shù)模擬領(lǐng)域，仿真手術(shù)已成為實習醫(yī)師進行手術(shù)技巧學習的一種途徑，但僅僅針對白內(nèi)障手術(shù)的模擬滿足不了日益增多的手術(shù)學習需求，未來應(yīng)增加更多不同種類手術(shù)的模擬。在一些眼部疾病的治療中，VR技術(shù)的應(yīng)用也為醫(yī)師提供了新的思路。眼科檢查是了解患者病癥的重要方法，VR技術(shù)使一些眼科檢查儀器具有便攜性。隨著信息傳輸速度的加快，VR技術(shù)未來將在眼科領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用，如VR技術(shù)將在遠程手術(shù)，地區(qū)醫(yī)療資源分配模式方面發(fā)揮作用，這是技術(shù)進步帶來的新趨勢，新一代的眼科醫(yī)生應(yīng)該為此做好準備。

利益沖突申明本研究無任何利益沖突

作者貢獻聲明彭振、張旭：參與選題、設(shè)計；撰寫論文；根據(jù)編輯部的修改意見進行核修。吳呈潤：參與選題、設(shè)計