沈振乾,孫 斐,王 瑤,王勇軍
天津工業(yè)大學(xué) 1電子與信息工程學(xué)院 2生命科學(xué)學(xué)院,天津 300387 3天津市北辰醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科,天津 300134
虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)是一個(gè)集成了多門學(xué)科的綜合技術(shù),涉及諸多領(lǐng)域,具有多感知性、沉浸性、交互性和想象性。用戶可以通過VR設(shè)備對(duì)虛擬三維場(chǎng)景進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)和交互,這種體驗(yàn)和交互方式相比于基于平面設(shè)備的傳統(tǒng)體驗(yàn)和交互手段有了質(zhì)的飛躍[1]。常見的VR設(shè)備包括頭戴式顯示器(head mounted display,HMD)、空間定位器、操作手柄等。
當(dāng)人們長時(shí)間使用VR設(shè)備,沉浸在VR環(huán)境中時(shí),可能會(huì)發(fā)生視覺誘發(fā)暈動(dòng)病(visual induced motion sickness,VIMS),也稱為VR暈動(dòng)病。VIMS通常是由一個(gè)人暴露在視覺和本體感覺運(yùn)動(dòng)脫鉤的環(huán)境中引起的,VIMS患者常會(huì)出現(xiàn)頭痛、胃痛、惡心、定向障礙、出汗、疲勞,甚至嘔吐[2],因此,VIMS一直被認(rèn)為是VR應(yīng)用的主要障礙。目前,針對(duì)VIMS的研究尚處于初期階段,本文探究人體生理因素與VIMS之間的關(guān)系,歸納緩解和預(yù)防暈動(dòng)病的現(xiàn)有治療方法,為VIMS下一步的研究趨勢(shì)提供思路,同時(shí)可幫助減少VR不良反應(yīng)并增加人體對(duì)VR系統(tǒng)的適應(yīng)性。
暈動(dòng)病發(fā)病機(jī)制感覺沖突理論是暈動(dòng)病發(fā)病機(jī)制廣泛接受的假設(shè),具體來說可以分為兩大類感覺沖突:(1)半規(guī)管和耳石器之間的沖突;(2)視覺和前庭信號(hào)之間的沖突。兩者在傳輸信號(hào)時(shí)發(fā)生矛盾,就會(huì)導(dǎo)致眩暈[3]。前庭器官位于左右內(nèi)耳,有研究認(rèn)為:前庭器官的功能及形態(tài)不對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致與暈動(dòng)病有關(guān)的感覺沖突[4-5]。
暈動(dòng)病評(píng)估方式一般來說,暈動(dòng)病的評(píng)估方法大致可以歸納為兩類:主觀評(píng)估法和主客觀相結(jié)合評(píng)估法。
主觀評(píng)估法是指通過主觀感受調(diào)查問卷-模擬疾病量表(simulator sickness questionnaire,SSQ)評(píng)分進(jìn)行評(píng)估[6]。SSQ中包含了對(duì)各種暈動(dòng)病產(chǎn)生的身體不適癥狀的評(píng)分,通過相應(yīng)的公式計(jì)算得到一個(gè)表征眩暈程度的分?jǐn)?shù),SSQ評(píng)分以對(duì)暈動(dòng)病產(chǎn)生的癥狀進(jìn)行分類,得到更細(xì)分的眩暈程度得分,對(duì)暈動(dòng)病進(jìn)行更加具體的解釋[7]。
主客觀相結(jié)合評(píng)估法是在主觀評(píng)估法的基礎(chǔ)上,引入客觀的生理信號(hào)數(shù)據(jù),使客觀指標(biāo)與主觀數(shù)據(jù)相互對(duì)應(yīng),更精確對(duì)暈動(dòng)病進(jìn)行評(píng)估的方法[8]。研究表明,有許多生理信號(hào)如心電信號(hào)、皮膚電反應(yīng)信號(hào)、眼動(dòng)信號(hào)和腦電信號(hào)(electroencephalography,EEG)等都可以作為VIMS的評(píng)估指標(biāo)[9]。
研究人員也在積極尋找評(píng)估暈動(dòng)病的其他方式,Kim等[10]通過對(duì)現(xiàn)有的SSQ進(jìn)行修訂,開發(fā)了VR環(huán)境中的暈動(dòng)病測(cè)量指數(shù),可用作VR環(huán)境中的測(cè)量指標(biāo)。
EEG分析EEG具有噪聲強(qiáng)、隨機(jī)性強(qiáng)、非平穩(wěn)、非線性的特點(diǎn),能夠直觀地反映人腦的生理活動(dòng),為研究人的許多高級(jí)認(rèn)知功能提供依據(jù)[11]。按照引發(fā)電位改變的緣由,EEG一般分為自發(fā)EEG和誘發(fā)EEG兩類:自發(fā)EEG指大腦神經(jīng)細(xì)胞群沒有受到特定的刺激時(shí),人腦自發(fā)生理活動(dòng)在頭皮產(chǎn)生的電位變化,誘發(fā)EEG指人的感官受到刺激(如聲、光、電等)所誘發(fā)產(chǎn)生的電位變化[12]。
大腦被分為4個(gè)不同腦葉,各個(gè)區(qū)域功能各不相同(圖1)。額葉區(qū)位于前額附近區(qū)域,主要負(fù)責(zé)高級(jí)認(rèn)知功能,如思維、判斷、情緒和語言功能,頂葉區(qū)位于頭頂后部,主要負(fù)責(zé)整合感官信息;枕葉區(qū)在腦后中心偏下位置,被稱為視覺皮層;顳葉區(qū)分別位于兩耳附近,主要處理聽覺信息以及嗅覺信息。Nürnberger等[13]發(fā)現(xiàn)受試者在觀看VR視頻產(chǎn)生眩暈時(shí),大腦大部分區(qū)域的信息流動(dòng)發(fā)生遞減,尤其是涉及前庭信號(hào)處理和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的大腦區(qū)域,說明在經(jīng)歷VIMS時(shí),大腦接受、傳輸和處理信息的能力下降。Lin等[14]從左、右運(yùn)動(dòng)區(qū),頂葉區(qū),枕側(cè)區(qū)和枕中線腦區(qū)在線提取與暈動(dòng)相關(guān)的EEG特征,通過神經(jīng)模糊預(yù)測(cè)模型(SONFIN)成功地將EEG中與暈動(dòng)相關(guān)的特征轉(zhuǎn)化為VIMS疾病等級(jí),以判斷是否發(fā)生暈動(dòng)病,平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率可以達(dá)到約82%。
圖1 腦葉分布圖
腦電波根據(jù)頻率的不同通常分為5種不同的波,即δ波、θ波、α波、β波和γ波,前3種屬于慢波,常發(fā)生于正常人處在自然狀態(tài)、熟睡或疲勞狀態(tài),后兩者屬于快波,一般出現(xiàn)在精神狀態(tài)緊張或亢奮情況下[15]。趙蕾蕾等[16]在用基于VR技術(shù)的駕駛模擬器平臺(tái)誘發(fā)暈動(dòng)病的試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)隨著眩暈程度的增加,受試者大腦的頂葉區(qū)、枕葉區(qū)和初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)有明顯的腦電頻率波動(dòng),EEG中θ波功率譜密度的重心頻率升高。Krokos等[17]的研究表明大腦中δ,θ和α頻段的頻譜功率增加與暈動(dòng)病的存在密切相關(guān)。
EEG評(píng)估暈動(dòng)病,大部分采用經(jīng)典的功率譜估計(jì)來處理EEG,因此,通過腦電功率譜變化來評(píng)估暈動(dòng)病是較為常見的有效方法。此外,有些研究通過建立測(cè)量系統(tǒng),可以把收集到的EEG直接量化,從而更直觀地預(yù)測(cè)暈動(dòng)病的產(chǎn)生[18]。Liu等[19]采用基于VR的車輛駕駛模擬器誘導(dǎo)受試者產(chǎn)生VIMS,并采集EEG進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在VIMS發(fā)生后,受試者EEG中的重心頻率、功率譜熵等數(shù)據(jù)均出現(xiàn)下降,因此通過監(jiān)測(cè)這些數(shù)據(jù)變化,可達(dá)到預(yù)測(cè)VIMS發(fā)病的目的。
在使用EEG評(píng)估VIMS時(shí),EEG數(shù)據(jù)常常使用頭戴電極帽采集,電極帽雖然穿戴便捷,但在試驗(yàn)中可能會(huì)出現(xiàn)與受試者頭部接觸不良的現(xiàn)象,引入較多的噪聲數(shù)據(jù),因此改善和開發(fā)更精準(zhǔn)的EEG測(cè)量設(shè)備也是研究的一個(gè)重點(diǎn)方向??傮w來說,使用EEG對(duì)VIMS進(jìn)行評(píng)估與檢測(cè)是目前研究中使用最多的方法。
姿勢(shì)搖擺分析已有研究證明姿勢(shì)搖擺是暈動(dòng)病的一個(gè)重要表現(xiàn)[20]。在虛擬環(huán)境中,視覺場(chǎng)景移動(dòng),身體姿勢(shì)穩(wěn)定性就會(huì)改變,換句話說,姿勢(shì)搖擺是對(duì)視覺或前庭線索的反應(yīng)。Chang等[21]認(rèn)為暈動(dòng)病會(huì)使身體姿勢(shì)活動(dòng)改變,而對(duì)身體進(jìn)行被動(dòng)約束可以有效減少暈動(dòng)病的發(fā)生率,將受試者進(jìn)行被動(dòng)約束后,暈動(dòng)病發(fā)生率降為20.83%,而沒有進(jìn)行被動(dòng)約束的暈動(dòng)病發(fā)生率為66.67%,兩組有顯著差異。Chardonnet等[22]研究認(rèn)為可通過測(cè)量用戶在使用平衡板時(shí)水平面上的重心投影來表征用戶的身體搖擺情況,如當(dāng)人感到眩暈時(shí),其重心投影的軌跡長度會(huì)增加。劉明明[23]使用VR環(huán)境下的駕駛模擬器來誘發(fā)暈動(dòng)病產(chǎn)生,通過平衡板和加速計(jì)采集受試者的眩暈數(shù)據(jù),提取出能夠區(qū)分眩暈和非眩暈狀態(tài)的有效指標(biāo)。
姿勢(shì)搖擺存在性別差異,暈動(dòng)病在女性中比在男性中更常見,因此,有研究認(rèn)為女性表現(xiàn)出更大的暈動(dòng)病傾向[24]。Munafo等[25]認(rèn)為VR引發(fā)的暈動(dòng)病可能會(huì)讓女性面臨更大的風(fēng)險(xiǎn)。Curry等[26]在研究中發(fā)現(xiàn)暈動(dòng)病產(chǎn)生的姿勢(shì)搖擺受到內(nèi)在因素(性別)和外在因素(虛擬車輛的控制)的共同影響。大多數(shù)研究普遍認(rèn)為隨著眩暈程度增加,人的姿態(tài)搖擺幅度同樣也增加,也有部分研究認(rèn)為暈動(dòng)病中姿勢(shì)搖擺的性別差異,可能與認(rèn)知功能的性別差異有關(guān)。女性對(duì)頭部運(yùn)動(dòng)的耐受性較低,在觀看VR視頻時(shí)可能會(huì)表現(xiàn)出更大的眩暈傾向[24]。
然而,有研究則認(rèn)為姿勢(shì)搖擺并不一定代表發(fā)生暈動(dòng)病,將眩暈與平衡聯(lián)系在一起的結(jié)論過于絕對(duì)和極端[27]。Dennison等[28]分別使用HMD和臺(tái)式顯示器讓參與者觀看VR視頻來快速產(chǎn)生暈動(dòng)病,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)參與者經(jīng)歷視覺擾動(dòng)時(shí),HMD產(chǎn)生的姿勢(shì)反應(yīng)更大,無論是否產(chǎn)生暈動(dòng)病,都會(huì)誘發(fā)姿勢(shì)搖擺,首次顯示出姿勢(shì)搖擺可能是因?yàn)镠MD比臺(tái)式顯示器更能引起觀看者的沉浸感,而不是產(chǎn)生了暈動(dòng)病,這一發(fā)現(xiàn)與其他報(bào)告姿勢(shì)搖擺與暈動(dòng)病密切相關(guān)的結(jié)論并不一致。
目前,還沒有研究能對(duì)暈動(dòng)病中的姿勢(shì)搖擺提出具體的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),姿勢(shì)變化的測(cè)量方式在許多研究中各不相同,導(dǎo)致結(jié)論差異較大,因此研究人員還需建立新的方法來跟蹤、感知和測(cè)量實(shí)際姿勢(shì)搖擺的變化[29]。
眼動(dòng)分析眼動(dòng)數(shù)據(jù)中包含了大量的信息,既有視覺注意力信息,又有眩暈控制和心理因素信息[30]。當(dāng)人們?cè)谟^看VR內(nèi)容時(shí),許多眼動(dòng)參數(shù),如注視數(shù)目、注視時(shí)長、掃視幅度、掃視速度和凝視位置等都會(huì)發(fā)生顯著變化[31]。Lee等[32]提出基于三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的暈動(dòng)病預(yù)測(cè)模型,計(jì)算給定VR視頻中每個(gè)視頻幀的光流圖、視差圖和顯著性圖(分別代表運(yùn)動(dòng)速度、圖像深度和眼動(dòng))作為三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,暈動(dòng)病的嚴(yán)重程度作為模型的輸出,結(jié)果證明該模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)暈動(dòng)病。
眼動(dòng)信號(hào)分析的重要內(nèi)容還包括眨眼頻率、眨眼周期以及眨眼潛伏期等,賈瑞雙[33]在研究中提到視覺誘發(fā)的暈動(dòng)病會(huì)給人體帶來視覺刺激以及視覺負(fù)荷,導(dǎo)致人體的眨眼抑制機(jī)制會(huì)受到一定程度的影響,故眨眼這一眼動(dòng)行為同樣可以作為VIMS的一個(gè)有效評(píng)估指標(biāo)。
心率變異性分析人的心率不是穩(wěn)定不變的,同一時(shí)段內(nèi),每次心跳間的間隔也是不一樣的,這種心率的差異就叫做心率變異性(heart rate variability,HRV)[34]。心跳受自主神經(jīng)系統(tǒng)影響,通常認(rèn)為是自主神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)引起的。交感神經(jīng)提升心率,從而導(dǎo)致HRV下降,副交感神經(jīng)降低心率,導(dǎo)致HRV上升[35]。Holmes等[36]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),HRV會(huì)隨著暈動(dòng)病程度的增加而顯著增加,這可能是由于心臟交感神經(jīng)刺激的增加而引起的。人眼所接受的視覺信息與前庭平衡器所接受的運(yùn)動(dòng)信號(hào)的不匹配可影響迷走神經(jīng),導(dǎo)致迷走神經(jīng)功能異常,從而引發(fā)暈動(dòng)病,而HRV和神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)密切相關(guān),因此HRV可能是衡量暈動(dòng)病程度微小變化的有用指標(biāo)[37]。
皮膚電信號(hào)分析人體的皮膚電阻和電導(dǎo)隨皮膚汗腺機(jī)能變化而改變,這些可測(cè)量的皮膚電改變被稱為皮膚電信號(hào)。皮膚電信號(hào)能夠反映心理狀態(tài),包含豐富的情感信息,是一種易于獲取的基本生理信號(hào)[38]。皮膚電信號(hào)中包含了大量有效的信息,如當(dāng)人體皮膚電阻值產(chǎn)生改變時(shí),可借此來檢測(cè)人體神經(jīng)系統(tǒng)變化,從而判斷是否產(chǎn)生暈動(dòng)病[39]。Kim等[40]在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了生理信號(hào)(心率和皮膚電信號(hào))以及使用SSQ評(píng)分作為評(píng)估VR暈動(dòng)病的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫,提出的VR疾病評(píng)估網(wǎng)絡(luò)能夠檢測(cè)出暈動(dòng)病的嚴(yán)重程度,其預(yù)測(cè)性能比現(xiàn)有的其他研究更加精準(zhǔn)。Nalivaiko等[41]發(fā)現(xiàn)暈動(dòng)病產(chǎn)生時(shí),手指溫度會(huì)發(fā)生小幅度變化,證實(shí)了暈動(dòng)病與皮膚體溫調(diào)節(jié)血管張力的變化有關(guān)。皮膚電信號(hào)的水平因人而異,甚至同一個(gè)人在不同的時(shí)間和環(huán)境中也可能有所不同,因此,為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且直觀地評(píng)估皮膚電信號(hào)與眩暈之間的關(guān)系,有必要在研究中排除每個(gè)受試者皮膚電信號(hào)本底差異的干擾,保證數(shù)據(jù)精準(zhǔn)有效。
暈動(dòng)病被認(rèn)為是一種生理性眩暈,不是嚴(yán)格意義上的真正疾病,而是對(duì)異常情況的正常生理反應(yīng)。暈動(dòng)病的最佳防治方法就是不參與運(yùn)動(dòng),但如果運(yùn)動(dòng)是無法避免時(shí),可以應(yīng)用以下治療方案預(yù)防或治療暈動(dòng)病。
藥物對(duì)策抗膽堿能藥和抗組胺藥是有效的多發(fā)性暈動(dòng)病預(yù)防藥。常見的抗膽堿能藥為東莨菪堿,東莨菪堿是一種對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的毒蕈堿受體具有非選擇性的乙酰膽堿拮抗劑,是目前最有效的抗暈動(dòng)病劑[42]。東莨菪堿常常采用鼻內(nèi)給藥方式,因?yàn)槭欠乔秩胄缘倪f送途徑,能夠快速作用(15 min左右),避免了首次傳遞代謝,且較低劑量下也可增強(qiáng)療效,從而最大限度地減少了不良反應(yīng)[43]。比較流行的抗組胺藥為苯海拉明,預(yù)防和治療暈動(dòng)病的能力源于其抗組胺特性[44]。一些精神安定藥物,如苯妥英、巴氯芬等,對(duì)暈動(dòng)病也有治療作用,但大多具有明顯的不良反應(yīng),如嗜睡和抑郁[45]。
行為治療前庭系統(tǒng)和視覺沖突易導(dǎo)致暈動(dòng)病,因此,保持視覺與前庭系統(tǒng)相對(duì)一致能夠較好地避免發(fā)生暈動(dòng)病。例如,在汽車中,側(cè)向或向后看會(huì)向大腦呈現(xiàn)不相關(guān)的視覺信息,易誘發(fā)暈動(dòng)病,因此目光保持向前,盡量不要側(cè)身或向后看,可避免發(fā)生暈動(dòng)癥[46]。Wibirama等[47]發(fā)現(xiàn)在觀看3D視頻內(nèi)容期間,通過持續(xù)凝視特定位點(diǎn)可以降低暈動(dòng)疾病水平。乙醇會(huì)導(dǎo)致前庭誘發(fā)眼球運(yùn)動(dòng)的視覺抑制紊亂,因此不飲酒對(duì)避免發(fā)生暈動(dòng)病是有幫助的[48]。另外,有研究表明悅耳的音樂和氣味以及頭部振動(dòng)和精神分心可有效減輕暈動(dòng)病癥狀[49-50]。
習(xí)服訓(xùn)練在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)反復(fù)或持續(xù)暴露于運(yùn)動(dòng)環(huán)境中(習(xí)服訓(xùn)練)會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)人的暈動(dòng)病反應(yīng)下降,習(xí)服訓(xùn)練是治療暈動(dòng)病最有效的療法之一[51]。
通過重復(fù)或延長的運(yùn)動(dòng)刺激能夠在動(dòng)物或者人類中誘導(dǎo)產(chǎn)生短暫的習(xí)慣,通常這種習(xí)慣可持續(xù)數(shù)周,且循序漸進(jìn)的刺激與突然發(fā)作的刺激相比能夠產(chǎn)生較少的不適癥狀,并能更快的使人適應(yīng)。例如,常年駕駛的人更不容易發(fā)生暈動(dòng)病,海上惡劣的條件下,大多數(shù)人會(huì)在幾天內(nèi)適應(yīng)。但上岸超過3個(gè)月后,適應(yīng)消失,且增加暈動(dòng)病易感性,因此,暈動(dòng)病的習(xí)服訓(xùn)練是在盡可能接近再現(xiàn)感官?zèng)_突環(huán)境中做適應(yīng)訓(xùn)練[52]。
與使用旋轉(zhuǎn)椅、繞線樓梯和秋千的傳統(tǒng)地面訓(xùn)練相比,視覺-前庭習(xí)慣化聯(lián)合訓(xùn)練更有效,視覺-前庭感覺沖突發(fā)生后,大腦可能會(huì)儲(chǔ)存適當(dāng)?shù)暮圹E,使感覺沖突成為“暴露史”的一部分,等再發(fā)生這種情況,期望和接收到的感官信息之間就沒有沖突,因此,在一段時(shí)間后,暈動(dòng)病的癥狀就不再出現(xiàn)[53]。一些研究還表明,正面投影亮點(diǎn)的垂直、水平和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的光動(dòng)力學(xué)訓(xùn)練可以重建海上遇到的海浪影響,是預(yù)防暈船的有效訓(xùn)練方式[54]。此外,偽隨機(jī)電流前庭刺激可用于宇航員暈動(dòng)病的訓(xùn)練,從太空返回后觀察到宇航員具有姿勢(shì)不穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)障礙和動(dòng)態(tài)視力降低等癥狀,可以根據(jù)間歇性或連續(xù)性電刺激來訓(xùn)練宇航員的耐受性,減少暈動(dòng)病發(fā)生率[55]。
隨著VR技術(shù)廣泛的運(yùn)用和沉浸式體驗(yàn)更多地融入人們生活,VIMS及健康相關(guān)的問題已不容忽視。EEG分析是目前VIMS研究中使用最多的評(píng)估方法,眼動(dòng)分析、姿勢(shì)搖擺也具備很大的參考價(jià)值。在基于生理信號(hào)評(píng)估暈動(dòng)病的研究中,應(yīng)注意選取VR視頻的質(zhì)量,避免因?yàn)橐曨l質(zhì)量問題影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并且要盡量擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集規(guī)模,以得到精確的VIMS檢測(cè)結(jié)果。在治療方面,目前沒有發(fā)現(xiàn)絕對(duì)有效的治療方案,但還是有些藥物和行為訓(xùn)練可以起到抑制暈動(dòng)病產(chǎn)生、緩解暈動(dòng)病癥狀的效果。此外,虛擬環(huán)境的差異,是否有過類似經(jīng)歷,暴露在VR視頻中的時(shí)間長短等也都是影響暈動(dòng)病的重要因素。
綜上,在VR技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天,研究人員應(yīng)該更加關(guān)注VIMS這一領(lǐng)域,在未來工作中進(jìn)一步深入研究生理變化與前庭和視覺沖突之間的關(guān)系,優(yōu)化客觀測(cè)量生理信號(hào)來預(yù)測(cè)暈動(dòng)病的方法,開發(fā)新的抗暈動(dòng)病藥物和醫(yī)療設(shè)備,探索更好的防治措施,從而促進(jìn)VR產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。