李姬靜 綜述 袁進(jìn) 審校
中山大學(xué)中山眼科中心 眼科學(xué)國家重點實驗室 廣東省眼科視覺科學(xué)重點實驗室,廣州 510060
虛擬現(xiàn)實技術(shù)(virtual reality,VR)又稱虛擬環(huán)境或人工環(huán)境,是指利用計算機(jī)生成一種可對參與者直接施加視覺、聽覺和觸覺感受,并允許其交互地觀察和操作虛擬世界的技術(shù),具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性3個特點。狹義的VR指封閉式VR(即頭戴式顯示器)、眼鏡式VR及裸眼VR,廣義的VR還包括增強(qiáng)現(xiàn)實(augmented reality,AR)和混合現(xiàn)實。VR通過生成虛擬的三維場景,使用戶全方位獲取該虛擬場景中的相關(guān)信息,近年來在視功能評估與重建研究領(lǐng)域顯示了重要的應(yīng)用前景。本文就虛擬(增強(qiáng))現(xiàn)實技術(shù)在視功能評估與重建中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,并對其可能面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析。
視功能是人類視覺系統(tǒng)完成一定視覺任務(wù)的能力,視功能檢查主要包括視覺心理物理學(xué)檢查(如視力、視野、色覺、調(diào)節(jié)-集合、立體視覺)和視覺電生理檢查兩類。視功能評估是建立眼健康的前提和基礎(chǔ),目前視功能篩查場景中,對視力的分析常采用國際標(biāo)準(zhǔn)視力表或?qū)?shù)視力表進(jìn)行遠(yuǎn)視力檢查,對于高級視功能的檢查常采用Worth四點燈、馬氏桿、立體視本、同視機(jī)等設(shè)備,需要檢查者與患者之間的配合,耗時耗力、效率較低,且部分檢查對操作者的技術(shù)要求較高,在大范圍篩查中應(yīng)用受限。
VR技術(shù)采用紅外眼動跟蹤技術(shù),利用紅外光源對人眼瞳孔和虹膜進(jìn)行精確區(qū)分并實時檢測瞳孔中心位置來識別使用者的視線方向及注視點。在使用者自然移動的情況下,也能完全控制不同眼別呈現(xiàn)的畫面,再結(jié)合人機(jī)交互的特性,應(yīng)用至視力及視功能篩查中,可以對不同眼別進(jìn)行相應(yīng)的眼部客觀體征檢查,具有實現(xiàn)自動化篩查評估的潛力。
在驗光檢查方面,Pujol等搭建了基于VR技術(shù)的主觀驗光設(shè)備,利用紅外眼動跟蹤技術(shù)向被測眼投射不同大小的視標(biāo),對側(cè)眼僅呈現(xiàn)背景畫面,根據(jù)被檢者在輸入端反饋看清與否來自動切換視標(biāo),最終得出用戶的主觀驗光結(jié)果。在調(diào)節(jié)功能檢查方面,Goyal等在頭戴式VR顯示設(shè)備中添加平面反射鏡,通過編程將標(biāo)準(zhǔn)視力表投射到距離被檢眼不同距離處,根據(jù)被檢者在輸入端反饋的視標(biāo)開口方向準(zhǔn)確與否,確定單眼的調(diào)節(jié)近點和調(diào)節(jié)遠(yuǎn)點,最終得出被檢者的調(diào)節(jié)幅度。Li等研發(fā)的裸眼3D多級視功能篩查設(shè)備則是基于時空復(fù)用方式的指向背光顯示技術(shù),將投射至左眼或右眼圖像的背光源交替開啟,與顯示屏的刷新速率同步,利用人眼視覺暫留效應(yīng)使雙眼舒適地觀看到不同圖像,以此在大腦中形成立體效果,不僅可用于評估視力、色覺、雙眼平衡,還可以定量評估被檢者的立體視功能。這些基于VR技術(shù)的視功能檢查系統(tǒng)都已被證實與臨床技術(shù)人員的檢查結(jié)果一致性高、重復(fù)性好,并且其人機(jī)交互性能減少了檢查者與被檢者配合中的誤差,減少了人力成本和場地的使用,有望應(yīng)用于大范圍的視功能篩查中。
斜視指兩眼不能同時注視目標(biāo),屬眼外肌疾病,我國斜視患病率約為3%,斜視患者不僅視功能受到損害,其外觀問題也會對患者造成社會心理影響,斜視眼位的定量評估在治療方案的制定中扮演著重要角色。目前臨床上斜視患者的眼位偏斜度數(shù)多采用三棱鏡加交替遮蓋試驗進(jìn)行測量,三棱鏡的使用和眼位判定存在一定的主觀性,對檢查者的技能要求高,需要被檢者的高度配合,嬰幼兒患者測量難度較大。頭戴式VR顯示設(shè)備能夠在斜視眼和健康眼交替開關(guān)畫面,提供暗環(huán)境下的遠(yuǎn)、近距離注視目標(biāo),吸引患者的視線,模擬遮蓋試驗,聯(lián)合瞳孔跟蹤技術(shù),追蹤眼球的運動軌跡,通過直接測量眼球運動角度及添加三棱鏡反饋校準(zhǔn)眼位的方式客觀、準(zhǔn)確地自動量化眼位偏斜程度。
對于非共同性斜視患者,臨床上還會采用Hess屏或Lees屏等對功能不足或過強(qiáng)的肌肉進(jìn)行定量檢查,但結(jié)果的準(zhǔn)確性往往會受到操作誤差或患者檢查過程中頭部不固定的影響。VR頭戴式顯示設(shè)備能夠完全控制照明和患者交互時呈現(xiàn)的目標(biāo),消除頭部不固定的干擾。Nesaratnam等采用VR顯示技術(shù)對有正常視網(wǎng)膜對應(yīng)的非共同性斜視患者進(jìn)行斜視定性和定量檢查,檢測得出的患者水平及垂直方向的偏斜角度與Lees屏一致?;赩R的斜視眼位測量減小了測量難度,有望更高效地為斜視治療提供指導(dǎo)建議。
關(guān)于斜視患者的治療,臨床上一般采用手術(shù)調(diào)整眼外肌的方式進(jìn)行眼位矯正,而對于未達(dá)到手術(shù)指征、眼位偏斜度數(shù)較小的患者可采用斜視矯正訓(xùn)練。目前的訓(xùn)練方法,如筆尖訓(xùn)練等,較為單調(diào),患者依從性差。VR的高度仿真性和三維場景的構(gòu)建能夠大大提高訓(xùn)練的沉浸感,如Cepeda-Zapata等利用VR的高度仿真性,將傳統(tǒng)的斜視訓(xùn)練,如Brock索、視遠(yuǎn)視近訓(xùn)練和分開集合功能訓(xùn)練等搭載在VR設(shè)備中,使訓(xùn)練更具有吸引力和娛樂性。另外,Godinez等和Li等則通過構(gòu)建的交互式三維虛擬環(huán)境,誘導(dǎo)斜視患者進(jìn)行雙眼視物,提高神經(jīng)系統(tǒng)對雙目視覺的適應(yīng)水平。正常人在視物時,雙眼產(chǎn)生的視差可以誘導(dǎo)輻輳,但斜視患者的視差太大而超出了融合范圍。基于雙眼分視系統(tǒng)的VR技術(shù)通過放大斜視眼的視覺信號,使患者識別復(fù)視并反向抑制,增強(qiáng)中樞控制,從而刺激眼位矯正?;赩R的眼正位訓(xùn)練與傳統(tǒng)訓(xùn)練相比提供了更豐富的訓(xùn)練元素,能夠更好地提高患者的依從性。
3.1 VR與弱視眼間抑制量化評估
弱視是在視覺發(fā)育期由于異常視覺經(jīng)驗引起的單眼或雙眼最佳矯正視力(best corrected visual acuity,BCVA)低于相應(yīng)年齡視力;或雙眼視力相差2行及以上,視力較低眼為弱視,我國弱視檢出率可高達(dá)11.8%。弱視眼與非弱視眼的眼間抑制作用是弱視發(fā)生和發(fā)展的重要機(jī)制,而目前臨床上對于眼間抑制的評估通常采用Worth四點燈、線狀鏡等進(jìn)行定性測量,無法量化眼間抑制程度。VR的雙眼分視系統(tǒng)能夠向雙眼定向投射不同的畫面,在眼間抑制的測量上占據(jù)優(yōu)勢。Black等通過雙眼分視系統(tǒng)向弱視患者的弱視眼給予高對比度刺激,而非弱視眼給予變化的對比度刺激,患者在執(zhí)行簡單的信號/噪聲任務(wù)時,測量興奮性雙眼相互作用的強(qiáng)度。當(dāng)雙眼沒有對比度差異時,就達(dá)到了雙眼平衡狀態(tài),此時雙眼視覺刺激強(qiáng)度之差就是眼間抑制程度。這種基于VR的眼間抑制量化技術(shù)方便、快速,能夠為臨床醫(yī)師制定弱視雙眼治療方案提供更好的指導(dǎo)。
3.2 VR與弱視知覺學(xué)習(xí)
對于弱視治療,傳統(tǒng)采用遮蓋非弱視眼的方法來提高弱視眼視力,但這種方法往往依從性不高,長期遮蓋也可能使弱視兒童產(chǎn)生社會心理問題,且對于超過視覺敏感期的大齡弱視人群效果不佳。知覺學(xué)習(xí)是治療弱視的有效手段,不僅對于視覺發(fā)育敏感期的弱視兒童作用突出,對于成人大腦同樣具有可塑性,其通過特定的視知覺任務(wù)訓(xùn)練,例如光柵察覺、方向位置辨認(rèn)、圖形輪廓辨認(rèn)等,使視覺系統(tǒng)對外界信息感知能力顯著提高。除了可以引起初級視皮層的改變外,還能夠引起額葉、頂葉、顳葉等高級腦區(qū)的變化,使得雙眼視功能的重建穩(wěn)定而持久。
VR如今也成為一種安全、有效的神經(jīng)重塑治療的搭載工具,以VR為基礎(chǔ)的神經(jīng)康復(fù)治療可以有效地誘導(dǎo)大腦皮層重組,促進(jìn)不同年齡層不同神經(jīng)元連接的激活。Keller等研究發(fā)現(xiàn),10例獲得性腦損傷患者在經(jīng)過10周的VR交互性治療后,基于體素對T1加權(quán)的腦MRI圖像進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),海馬尾部、左側(cè)尾狀核、側(cè)扣帶區(qū)、中央溝深部和視皮層灰質(zhì)體積增加,說明在VR治療下,受損的大腦區(qū)域可以發(fā)生新皮層的重組。因此,推測將VR技術(shù)與知覺學(xué)習(xí)相結(jié)合,為弱視患者提供沉浸式的交互式知覺訓(xùn)練,有可能更好地提高弱視人群視皮層功能及視功能水平。
在VR知覺學(xué)習(xí)提高大齡弱視患者視力和視功能方面,?iak等在對17例平均年齡31.2歲(17~69歲)的屈光參差性弱視患者利用Oculus Rift OC DK2 VR頭戴式顯示器進(jìn)行8次40 min的雙眼知覺訓(xùn)練后,發(fā)現(xiàn)視力和立體視均有顯著改善,弱視眼的平均BCVA由(0.58±0.35)LogMAR提高到(0.43±0.38)LogMAR,立體視銳度由(263.3±135.1)降至(176.7±152.4),證實了VR知覺學(xué)習(xí)在治療成人弱視中的作用。雖然目前還沒有直接證據(jù)證明基于VR的知覺學(xué)習(xí)優(yōu)于傳統(tǒng)2D平臺的學(xué)習(xí),但VR通過提高場景真實性和沉浸感,利用云端大數(shù)據(jù)適時調(diào)整任務(wù)參數(shù),可實現(xiàn)個性化的針對訓(xùn)練,提高患者的依從性,有望更有效地提高弱視人群的視皮層功能。
3.3 VR與立體視訓(xùn)練
立體視受損是指由于雙眼視功能的破壞導(dǎo)致不能正確分辨所觀察景物遠(yuǎn)近距離,無法具有三維空間感,是弱視常見的雙眼視功能障礙之一。以往采用的同視機(jī)立體畫片訓(xùn)練操作復(fù)雜,精準(zhǔn)度不高,缺乏交互性,較為單調(diào)和枯燥。VR技術(shù)通過雙眼分視系統(tǒng)對用戶雙眼投射不同視差的圖像,以此形成不同的景深,這種三維成像的特性為立體視訓(xùn)練提供了技術(shù)支持。Vedamurthy等設(shè)計的“壓蟲游戲”是針對立體視的VR訓(xùn)練軟件,利用3D快門眼鏡達(dá)到雙眼分視,使用者雙眼分別看到“小蟲”視標(biāo)的不同部分,通過改變單眼所視的背景畫面紋理扭曲度或雙眼接收圖像的視差來讓使用者識別立體的“小蟲”視標(biāo),并用圓柱體擊打。根據(jù)擊打正確與否,不斷調(diào)整單眼和雙眼視覺線索的相對權(quán)重,逐步增強(qiáng)患者的立體視覺,結(jié)果顯示大多數(shù)患者訓(xùn)練中雙眼視差造成的立體深度感知能力逐漸增強(qiáng),立體視銳度降低。VR三維場景的搭建對立體視的訓(xùn)練具備獨特的優(yōu)勢,操作簡單而有趣味性,并且能更好地控制訓(xùn)練精度,提高弱視患者的立體視訓(xùn)練效果。
目前青光眼、老視等低視力人群采用的視力輔助設(shè)備一般分為光學(xué)助視器和電子助視器,能在一定程度上幫助患者提高視覺質(zhì)量,但存在成像質(zhì)量不足、縮放倍率有限、手持設(shè)備不穩(wěn)定且使用場景較為固定等問題。AR技術(shù)利用圖像增強(qiáng)、全息成像、添加音頻提示以及自適應(yīng)光學(xué)等技術(shù),輔助不同程度視覺損傷的低視力人群充分利用殘余視力,彌補(bǔ)視覺缺陷,提高低視力人群的生活質(zhì)量。
AR技術(shù)能夠?qū)⒂嬎銠C(jī)生成的虛擬元素疊加在真實世界中,通過對圖像的處理,例如放大或縮小、增加對比度和圖像邊緣強(qiáng)度、改變顏色等方式,優(yōu)化中心視力或夜視力,利用視覺提示突出物體或引導(dǎo)患者視線,縮短患者視物的搜索時間,提高搜索精度。Coughlan等研發(fā)的Augmented Reality for Visual Impairment(AR4VI)系統(tǒng)將增強(qiáng)的視覺信息與空間位置緊密耦合,形成多種圖像增強(qiáng)應(yīng)用,如Brighter、Bigger、Super Vision等。eSight和OxSight一類的頭戴式設(shè)備可以直接將增強(qiáng)的圖像直接送到視野范圍內(nèi),并且還擁有用圖層渲染場景、突出重要前景特征等更高層次功能。
AR技術(shù)還可以通過添加全息圖像來增強(qiáng)現(xiàn)實世界中的人和自然環(huán)境,呈現(xiàn)給患者視野中缺失的線索。例如,一些近眼顯示器和視網(wǎng)膜投影等頭戴式設(shè)備能夠讓患者在保持習(xí)慣的中央視力的同時看到外圍的微縮圖像,使周圍視野缺損的患者行動更加方便,減少跌倒發(fā)生的風(fēng)險。
同時,AR技術(shù)可以結(jié)合視覺反饋,通過三維空間或聽覺的呈現(xiàn)來提供真實世界體驗。一些頭戴式顯示設(shè)備能夠以音頻或其他非視覺形式向患者做出提示,例如OrCam設(shè)備在患者將手指指向感興趣文本區(qū)域時,系統(tǒng)可讀出文本內(nèi)容,以此輔助低視力人群進(jìn)行工作或?qū)W習(xí)。
此外,對于屈光不正或正視人群視遠(yuǎn)視近時產(chǎn)生的焦點變化,Padmanaban等通過計算機(jī)光學(xué)適應(yīng)能夠自動校正使用者配戴VR近眼顯示設(shè)備時的焦距,跟隨使用者的視線產(chǎn)生自然的焦點變化,提高了用戶的視覺質(zhì)量,也為低視力人群對比敏感度和深度覺等視功能的提高提供了潛在的可能性。將AR技術(shù)與計算機(jī)生成的圖像增強(qiáng)、全息成像、音頻提示和自適應(yīng)光學(xué)相結(jié)合,有望提供非侵入性的視覺模擬效果,極大地改善低視力人群的生活質(zhì)量。
近視是指眼在調(diào)節(jié)放松狀態(tài)下,平行光線進(jìn)入眼內(nèi)后聚焦在視網(wǎng)膜之前的狀態(tài),是患病率較高的慢性眼病之一,東亞和東南亞的近視患病率高達(dá)80%~90%。目前臨床上常通過使用低濃度阿托品滴眼液、配戴角膜塑形鏡等方式來防控近視的發(fā)生和發(fā)展,但近視的發(fā)生和發(fā)展尚未得到完全控制,防控近視相關(guān)的治療手段還有待進(jìn)一步發(fā)掘。VR基于其高度仿真、眼球追蹤、多焦點顯示等特點使其在近視防控中具備一定的應(yīng)用潛力,但同時由于觀看時調(diào)節(jié)-輻輳沖突的存在可能會誘導(dǎo)視疲勞等癥狀。
Munsamy等研究發(fā)現(xiàn),42名18~30歲正常成年人在觀看25 min Samsung Gear VR設(shè)備后,調(diào)節(jié)-輻輳的靈活度提高,人眼的調(diào)節(jié)-輻輳功能有所改善。Turnbull等研究發(fā)現(xiàn),19名18~35歲低度近視人群在觀看40 min Oculus Rift DK2設(shè)備后,雙眼屈光度、遠(yuǎn)近隱斜、注視穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)幅度和立體視等雖無明顯差異,但脈絡(luò)膜顯著增厚,這可能是由于觀看時的調(diào)節(jié)-輻輳沖突產(chǎn)生近視性離焦,或者是由于頭戴式設(shè)備的產(chǎn)熱使脈絡(luò)膜血流加快使其暫時增厚。此外,Turnbull等研究發(fā)現(xiàn),20名20~40歲的IT人員在進(jìn)行40 min的VR觀看后,淚膜脂質(zhì)層厚度增加,穩(wěn)定性得到顯著改善。這些研究結(jié)果提示,VR可能可以改善人眼調(diào)節(jié)功能,控制近視的發(fā)生和發(fā)展,改善干眼等視疲勞癥狀。
另一方面,也有研究發(fā)現(xiàn)觀看VR視頻會導(dǎo)致近視、視疲勞、一過性調(diào)節(jié)性斜視、視頻終端綜合征等功能性眼病。Ha等研究發(fā)現(xiàn),60名13~18歲屈光度為(-3.1±2.6)D的青少年在觀看VR設(shè)備30 min后,部分人會發(fā)生短暫的近視性改變,但經(jīng)過40 min休息后可以完全恢復(fù)。并且,Yoon等研究發(fā)現(xiàn),在58名20~39歲的輕中度近視人群中,使用2 h Samsung Gear VR頭戴式設(shè)備后,屈光度和脈絡(luò)膜厚度均無明顯變化,但調(diào)節(jié)近點、集合近點、立體視銳度、外斜度數(shù)等增加,且主觀視疲勞癥狀加重。推測其發(fā)生機(jī)制是由于VR顯示設(shè)備本身處于同一個平面,觀看時通過相同的調(diào)節(jié)使物體落在視網(wǎng)膜上,通過不同的輻輳角來形成不同的深度感知,輻輳角相比自然條件下觀看具有更高的變異性,輻輳負(fù)荷增加,以此形成的調(diào)節(jié)-輻輳沖突會導(dǎo)致視覺疲勞,進(jìn)而導(dǎo)致近視的發(fā)生和發(fā)展。
關(guān)于VR對近視及視疲勞的影響,不同研究得出了不同結(jié)論,這可能與觀看的設(shè)備、時長以及觀看人群的年齡、屈光狀態(tài)有關(guān)。如果觀看設(shè)備存在分辨率較低、視野小等問題可能會增加主觀視疲勞癥狀,也可能造成形覺剝奪的效果,加重近視的發(fā)生。長時間(2 h)的VR視頻觀看可能更容易造成視疲勞等不利影響,短時間(25~45 min)的觀看則可能會改善調(diào)節(jié)-輻輳靈活度,有利于延緩近視,在輕度近視成年人中可能會帶來更多有利的影響。
目前,關(guān)于VR對近視的影響尚存在爭議,但VR獨有的技術(shù)優(yōu)勢使其在近視防控中也具備一定的發(fā)展?jié)摿?。未來,VR利用眼球追蹤技術(shù)使觀看者中心視野清晰,而周邊視網(wǎng)膜產(chǎn)生近視離焦,再結(jié)合VR的高度仿真性控制光照和光譜成分,模擬戶外光照條件,可能可以用于控制眼軸的增長。此外,VR也可以通過采用不同的焦面顯示技術(shù)來模擬視遠(yuǎn)視近的活動,使睫狀肌得到拉伸訓(xùn)練,改善調(diào)節(jié)功能,從而延緩近視的發(fā)生和發(fā)展。
VR已經(jīng)在視功能評估、訓(xùn)練、助視等方面取得了一定的研究成果,未來具有很大的發(fā)展?jié)摿?,但目前還存在一定的不足,如VR技術(shù)的軟硬件性能還未完全滿足臨床應(yīng)用的需求;VR設(shè)備的操作界面不夠友好,人機(jī)交互性能較弱,三維結(jié)構(gòu)信息的呈現(xiàn)分辨率較低,效果不夠理想;低視力人群在使用AR設(shè)備時的移動便捷性上仍需改進(jìn),使用過程中的安全性還需進(jìn)一步探討,設(shè)備的電量續(xù)航問題也有待解決等。
另外,VR設(shè)備在使用過程中還存在一些安全隱患未得到完全解決。頭戴式VR顯示設(shè)備若在運行過程中過度發(fā)熱,可能會對眼部健康帶來不利影響。長時間使用VR設(shè)備可能會使部分使用者產(chǎn)生頭暈、惡心等不適癥狀,甚至?xí)霈F(xiàn)短時間內(nèi)的平衡感下降,這可能與使用VR設(shè)備過程中的視覺呈現(xiàn)與真實運動狀態(tài)不一致導(dǎo)致視覺-前庭沖突有關(guān)。在使用時進(jìn)行雙眼的光學(xué)矯正或提高視覺與真實運動狀態(tài)的一致性可能可以減少這種暈動癥狀。
VR設(shè)備應(yīng)用于臨床的規(guī)范性還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。與以往的2D設(shè)備視覺呈現(xiàn)不同,VR的三維成像效果改變了使用者的用眼習(xí)慣,對視覺的影響可能是雙面的。因此,關(guān)于VR對健康的影響還需更為詳細(xì)的評估,需要大樣本、多中心的隨機(jī)對照試驗來進(jìn)行臨床驗證。在診治不同類型、年齡和程度的眼病患者時,對VR設(shè)備的刺激參數(shù)、治療時長、治療頻率等方面需要更加詳細(xì)、科學(xué)的定義,規(guī)范篩查手段和治療方案,并且相關(guān)的法律法規(guī)及倫理規(guī)范也需要進(jìn)一步完善。
VR利用其雙眼分視、瞳孔追蹤、模擬仿真、人機(jī)交互等技術(shù)優(yōu)勢在視功能評估、斜弱視訓(xùn)練、低視力康復(fù)、近視防控等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿?,能夠極大地降低眼科診療中的人力成本,推動自動化診療的發(fā)展。未來,將VR技術(shù)與5G、云端及人工智能等技術(shù)相結(jié)合,進(jìn)一步提升人機(jī)交互的智能化水平,有望形成大規(guī)模的自動化診療數(shù)據(jù)庫。再將VR技術(shù)拓寬應(yīng)用于模擬手術(shù)等多個醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,建立全景式的虛擬交互醫(yī)學(xué)體系,為眼科學(xué)的發(fā)展帶來突破性的改革。
利益沖突
所有作者均聲明不存在利益沖突