基于虚拟现实的双眼视功能训练系统设计

刘斯烨

浙江工业大学教育科学与技术学院，杭州 310000

·数字医学·

基于虚拟现实的双眼视功能训练系统设计

刘斯烨

浙江工业大学教育科学与技术学院，杭州 310000

目前主流的弱视治疗方式为遮盖治疗，每日遮盖优势眼数小时，有时治疗长达几个月，患者的依从性较低，其次也在一定程度上影响其双眼视功能。该研究提出一种新颖的针对双眼的弱视治疗方案：基于虚拟现实技术，结合感知学习理论与视功能训练原理，设计并实现一个交互式双眼视功能训练系统，让患者佩戴VR眼镜，双眼分离式训练并操作互动游戏来提高视力。通过使用该系统，患者的懒惰眼不断接收刺激，而优势眼也不会被完全抑制，锻炼患者的融合视，提高立体视觉。该系统应用于弱视临床治疗，具有易操作性、趣味性和先进性，增加患者的治疗依从性，提高治疗效果。

虚拟现实；感知学习；双眼视觉；VR眼镜；交互式

弱视是一种较为常见的空间视觉发育混乱且进行光学矫正后远视力仍≤0.8的眼科临床疾病，是临床上最常见的引起单眼失明的病因，其患病率国外平均为2.0%～2.5%，国内平均为2.8%，我国的弱视儿童有1 000多万，还有大量的成人弱视患者［1］。弱视患者的学习、工作以及生活都会受到不同程度的影响，严重者还会产生心理负面情绪。传统的治疗方式有遮盖疗法、抑制疗法、屈光治疗和针刺疗法等，大多都是针对单眼进行训练，患者依从性低，也会在一定程度上损害深度知觉。该研究提出了一种新的治疗系统，克服了许多上面所述的问题，与传统的单眼修复治疗有所不同，直接针对双眼视功能进行训练，不仅可以取得良好的治疗效果，也有利于双眼视功能提高与治疗效果的保持。

1 理论研究

1.1 治疗原理

弱视患者的主要损伤在视皮层，由于各种因素的影响，降低了传输过程中的视觉信息，视觉皮层中用以响应视觉信息的视觉细胞也会减少或被阻碍生长，削弱了视觉传达的功能，使视功能发育延迟，最终导致弱视［2］。临床上最早记录的弱视病例在1700年，自1740年以来，对弱视的治疗方法就以“遮盖”治疗为主［3］，其次还有抑制疗法（服用阿托品或使用光学镜片抑制）、屈光治疗、药物治疗、针刺疗法以及综合治疗等方法［4］。弱视的治疗具有两个主要目的：①使懒惰眼恢复并达到正常的视力水平；②保持视觉提升并避免倒退［5］。

1.2 传统治疗方式

传统的治疗方式大多是针对单眼进行训练，但对于具备双眼视觉的人类来说，只使用单眼（弱视眼）来感受视觉环境，虽有治疗效果，同时也造成很多问题，如患者容易产生心理负面情绪、依从性低等。其中，最明显受损的即为深度知觉，对于双眼视功能的提升几乎无效，有些服用药品治疗也出现了副作用。根据临床上的相关记录，有些患者使用阿托品治疗后，优势眼反而变成了弱视眼［6-7］。儿童眼病调查组（The pediatric eye disease investigator group，PEDIG）在1998招募患者就遮盖时间长短的不同进行分组治疗，其研究结果表明，每日遮盖超过6 h与遮盖时间2～6 h的治疗效果相近［8-10］。其次，传统遮盖过程中，患者的依从性相对较低，不少研究小组都对干预材料进行研发，Tjiam等［11］在遮盖治疗时让患者观看卡通漫画，能显著提高患者的依从性；Pradeep等［12］的分组研究中发现，增加干涉组中途退出的患者数量与不合格的患者数量都少于对照组。再次，弱视治疗中另一个备受关注的则为停止治疗后的复发。有数据表明，13%～24%的患者治疗完成后一年其矫正视力都会下降标准视力表两行或更多，引起复发的原因与治疗时的视野、斜视、有无屈光参差，以及异常双眼视功能等有关［13-15］。

1.3 基于虚拟现实的视功能训练系统设计原理

虚拟现实（virtual reality）技术，即以计算机技术为核心，结合其他相关学科技术，模拟真实的现实环境生成高近似度的数字化环境，用户在该环境下借助特定的装备进行互动操作［16］。随着计算机技术的兴起，虚拟现实技术也开始应用于各个领域，在医疗方面也有其独特的应用。例如：杨素红等［17］利用视觉虚拟现实训练软件增视能，将虚拟场景与弱视治疗相结合，获得了很好的治疗效果。其次，根据近年来的有关弱视治疗的文献研究发现，在弱视训练中加入感知学习（perceptual learning），也被相关实验证实可提升视觉敏感期后患者懒惰眼的视力。感知学习最早由Eleanor Gibson（1963）定义，其原理是利用大脑神经系统的可塑性，通过特定的视觉刺激和视觉学习，激活视觉神经的信号通路，矫治和改善大脑神经系统的信号加工处理能力，从而达到治疗目的［18］。近年来，随着感知学习重获重视，许多游戏性的训练内容被加入到弱视的治疗环节中。Hess等［19-20］利用感知学习原理，配合光学透镜将弱视患者的双眼在同一屏幕进行分离式训练。实验结果表明，通过这种专门的行为训练，成人弱视患者的视觉和立体视觉都有所提升。但该设备需要患者双眼跟屏幕保持一定的距离和角度，对操作和实施都造成了一些困难。

该研究设计开发了一个基于虚拟现实的感知觉双眼视功能训练系统，该系统将虚拟现实技术与感知学习相结合，重新设计视功能训练模块，同一屏幕内有两个不同图像，有别于传统的单眼遮盖治疗，可同时使用双眼进行分离式训练。患者佩戴VR眼镜后，过滤掉外界环境中的视觉干扰，扩展了视野，透过镜片，两幅不同的图像经过复杂的视觉通路传递给大脑最终形成一幅图像，原理如图1所示。患者如果想控制黑色圆点移动到灰色圆点的位置，就需要双眼进行配合操作，训练时将动态的图像呈现给懒惰眼，静态辅助图像呈现给优势眼，懒惰眼最先获得动态视觉信息，得到良好的视觉刺激，在提高视力的同时也锻炼了双眼融合视功能。

图1 训练原理图

2 硬件系统

在最初进行系统设计时，我们对临床医师与患者或患者父母进行访谈调研，结合他们的意见，获得更好、更方便的治疗且要优于单眼治疗法，采取家庭可配备的装置是最受支持的。因此，我们的平台使用移动版实现方式，配合便携VR眼镜，以及无线蓝牙手柄进行互动操作，用户可携带并在方便的时候使用它。图2、图3为系统硬件结构图与硬件实物图，该系统在Android平台运行，要求手机设备主频1.5GHz以上，内存1G以上，软件系统为Android 4.0及以上，且支持蓝牙4.0及以上。

图2 硬件结构图

图3 硬件实物图

通过VR眼镜将双眼所视图像分开呈现，将需要互动操作的动态图像呈现给懒惰眼，静态辅助图像呈现给优势眼，双眼协同操作，完成训练任务，达到治疗效果。由于传统训练设备多数较大不好携带，该系统采用移动方式搭载，更加便携且易于训练。佩戴轻量级的VR眼镜，治疗过程中扩展视野，排除干扰的同时也不会有强烈的压迫感；用蓝牙手柄连接手机进行互动操作，此训练系统的新颖治疗方式也显著增加患者的训练依从性，能够使治疗方案完整有效地进行下去，提高治愈率，相对缩短了疗程。

3 软件系统

3.1 软件技术支持

该系统基于Unity 3D游戏引擎，使用C＃编程语言进行编写开发，Unity 3D内置的游戏元素、类库以及物理引擎等都非常便于编写二维、三维视频游戏、交互式动画等内容，并支持多平台运行。在数据处理方面，采用JSON数据格式与服务器进行数据交互。具体软件结构如图4所示，该系统分为移动客户端与服务器端两部分，移动客户端包括用户的注册、信息填写、懒惰眼与优势眼的左右选择、训练模块选择及交互操作组成；服务器搭建在PC机上，用户在使用时将移动端设备连接到PC机发射的Wi-fi，实现移动端与服务器端用户信息与训练数据的传输。

图4 软件结构图

3.2 功能设计

①用户注册及登录：首次使用时需要患者进行个人信息的填写，设备离线时用户数据会保存到本地文件中，连接网络后可选择上传到服务器。注册成功后可直接使用个人账号密码登录系统，再次使用登录后可记录曾经训练的内容及训练时间。未登录也可以在注册前进行试训练。

②训练选择：患者可根据自己的喜好对训练内容进行选择。

③训练过程：单次训练时间不超过15 min，患者需要佩戴VR眼镜配合使用无线蓝牙手柄进行训练。

④数据保存与上传：训练结束后，患者可将该次训练数据保存并上传至服务器端，支持离线本地保存。

图5 训练模块示意图

3.3 训练过程设计

训练过程以PacMan游戏为例进行详细介绍，该游戏简单、流行，很容易上手。它需要玩家控制豆豆人在迷宫中上、下、左、右移动，吃豆豆获得积分；其次还要注意躲避怪物，不要被吃掉。训练开始，首先患者根据自己的实际情况进行左、右眼选择。选择后佩戴VR眼镜进入训练主场景，图5分别展示了两个选项的训练场景。该部分将场景中摄像机增加为两个，即Left-Camera和RightCamera，并通过设置左右两个相机的Viewpoint属性，实现场景的分屏显示。图5中的左图，靠左边的图像为优势眼所视屏幕，右边则为懒惰眼所视屏幕，我们让懒惰眼观看有豆豆人及小怪物的屏幕，优势眼观看静止的豆豆，这两个屏幕的迷宫地图是完全一致的，患者佩戴VR眼镜后，两个屏幕会融合，但是要吃掉豆豆则必须努力使用懒惰眼观察，并用蓝牙手柄控制豆豆人的移动，还要注意躲避有固定移动轨迹的怪物来完成训练任务。训练过程中记录患者的训练时间及相关数据，在随后的训练中可根据患者的表现调整训练内容的难度。

相关核心代码如下：

在训练的过程中，懒惰眼收到了动态、有趣的视觉信号，患者更加努力地使用懒惰眼，持续性刺激懒惰眼视觉神经的同时也没有完全停止对优势眼的使用。通过双眼分离式训练，提高视力的同时也锻炼了融合视觉功能，从而达到更好地治疗效果。当然，该设想可以将多种游戏进行重新设计，多模块、多难度等级的设计，不会使训练疗程变得枯燥乏味，在随后的研究中，该研究将致力于完善整个系统。

4 效果分析

在系统测试试用阶段，招募了5名患者进行为期一个月的跟踪训练，期间这5名患者并未使用过其他训练或治疗方式进行治疗，该系统训练内容有趣且新颖，5名患者基本都能坚持进行训练。具体训练过程为：第一天对患者进行系统及操作方面的讲解，并进行试操作；第二天开始正式训练，每天训练30 min，分两个阶段完成，中间休息5～10 min。训练开始前与结束后对患者视力情况进行记录，具体情况如表1所示。

表1 患者训练记录表

训练前使用标准对数视力表对5名患者视力进行前测，训练结束后再次测试，患者视力前后对比如图6所示，使用SPSS对该组数据进行配对样本t检验，t＝－6.532，sig＝0.003（即P＜0.005），有显著性差异。表明该训练结果可以有效提高患者的视力。

图6 患者视力训练前后对比柱状图

目前，临床上治疗弱视的方法不一，最广泛且有效的遮盖疗法以及抑制疗法大多是针对单眼进行训练治疗，这样或多或少都有一些缺陷。人类的双眼视功能分为三个阶段，即同时视、融合视和立体视觉，弱视治疗的最终目的是建立立体视觉。我们在文中提出了治疗弱视的双眼视功能训练系统便携式设备的工作原型；该装置结合虚拟现实技术，利用双眼分任务进行精细操作，刺激视觉神经；基于感知学习理论，结合视功能训练原理，设计训练模块等内容；游戏的交互式操作使训练不再枯燥乏味，提高患者的依从性，可以取得更好的治疗效果；在现场测试中获得了患者的支持与喜爱，在随后的研究中我们会持续改进该设备的可用性，提高治疗效果。

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Design of binocular visual function training system based on virtual reality

Liu Siye
Collage of Educational Science＆Technology，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310000，China

Themost popular current approach to the treatment of amblyopia is occlusion.Daily coverage of the dominant eye lasts for hours，sometimes for up to severalmonths.The compliance of patients is low and this approach rarely results in establishment of binocular function.We propose a novel interactive binocular amblyopia therapy approach based on virtual reality technology aswell as perceptual learning theory and visual function training principle.Patients play interactive games with virtual reality glasses thatmake the two eyes trained separately to improve their vision.By using this system，the lazy eye can be constantly stimulated with the dominant eye not being completely controlled.This system can enhance the patient＇s fusion vision and stereo vision.The system is applied to clinical treatment of amblyopia，with advantages such as easy operation，fun and being advanced；it can increase patient compliance and improve therapeutic effect.

virtual reality；perceptual learning；binocular vision；virtual reality glasses；interactive

G434

：A

：1004-5287（2017）04-0455-05

：10.13566／j.cnki.cmet.cn61-1317／g4.201704026

2017-02-24

刘斯烨（1991-），女，河北唐山人，硕士，主要研究方向：视觉与感知学习。