虚拟现实在提高帕金森患者平衡能力中的应用现状

施 聪

（四川省内江市内江师范学院，四川 内江 641100）

1 虚拟现实

近年来，虚拟现实技术（VR）在医学、教育、娱乐、工程等各领域发挥了越来越重要的作用。对VR的定义有由于研究领域和应用领域不同而存在差异。在VR的早期阶段，其定义极大程度上注重于其硬件特点。例如，Gigante对于虚拟现实的定义是“虚拟现实的特征是参与合成环境的错觉，而不是外部观察这种环境。它依赖于三维、立体、头部跟踪显示、手/身体跟踪和双耳声音”[1]。目前对虚拟现实的定义主要是基于人与计算机系统之间的关系。Damgrave就将虚拟现实定义为潜在现实或使用条件的人工复制，使用户能够体验和/或修改和/或与之互动[2]。

1.1 虚拟现实的特点

一般认为虚拟现实应具备三种基本特征包括：沉浸性；交互性和构想性。所谓沉浸性即用户通过显示设备和传感器交互装置在虚拟环境中产生真实体验。交互性，即用户与虚拟环境进行信息的交互影响，使使用者实时获得与真实自然环境相同的感受。构想性, 即用户在虚拟环境体验抽象概念的形象化过程。

1.2 虚拟现实系统

1.2.1 非头盔式系统

这类系统使用计算机处理所需的左眼和右眼的视觉，并将其投影到普通显示器上，然后通过专门设计的眼镜分别显示左眼和右眼的图像。它可以提供更高的分辨率，可以通过增加眼镜的数量来使其他用户有同步的体验，成本很小，但对使用者观察的位置和角度有一定的要求。

1.2.2 头盔式系统

头戴式显示器（HMD）也称为头盔式显示器，是一种在一只眼睛（单眼HMD）前面有一个显示光学装置，或在每只眼睛（双目HMD）前面有两个显示光学装置的装置。HMD戴在头上或作为头盔的一部分。相对于非头盔式系统，HMD对使用者观察的位置和角度没有要求。但有些使用者在初期使用时会出现不适感。

1.2.3 CAVE虚拟环境

Cruzneira在1992年开发了一种新的无人机界面的虚拟现实与科学可视化系统Cave。这个系统是在一个封闭的空间环境中，在参与者周围均存在显示屏。当参与者在CAVE中戴上液晶快门眼镜时，立体图像被投射到显示屏上。

2 帕金森病

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是一种以运动障碍为主的神经系统变性疾病。该疾病患者常具有共济失调和Tourette综合征症状。PD患者多为老年人，其平均发病年龄为60岁左右。根据美国国家卫生研究院（NIH）的报告，在美过每年约有50,000人被诊断出患有帕金森氏病，约有50万人患有这种疾病。在我国PD患者约占65岁以上人群PD的1.7%。PD的症状呈逐渐发展，早期患者多仅在静止情况下出现一只手轻微的震颤和身体僵硬的感觉，而后随着病程发展逐渐加重，乃至患者痴呆或脑瘫。

3 使用VR提高PD患者的平衡能力

对于PD患者而言，通过运动康复可以在一定程度上改善平衡能力，维持日常活动中的姿态，降低突发性跌倒的发生风险。研究表明运动可以保护和促进受损神经的再生，增强平衡，改善身体状态。通过进行适当强度的运动训练，可刺激PD患者多巴胺分泌，并改善运动障碍。但是需要注意的是由于PD患者自身运动能力差，存在运动迟缓，肌强直等多种运动障碍，在进行运动康复时，需严格控制运动强度并进行实时监控，避免运动风险的发生。这在很大程度上增加了PD患者进行运动康复的难度，也提高了其康复的成本。而VR由于可以通过建立虚拟化世界，并可通过特定的配套监控系统实时监控使用者的各项身体数据（包括实时监控使用者的运动动作，包括运动姿态）并可将监控数据实时反馈给对应的系统并改变对应的虚拟环境，达到交互式作用。其应用于PD患者的运动康复中，就可实时监控PD患者的运动姿态，保证PD患者的运动安全，同时也可根据其运动姿态的变化实时改变虚拟环境，增加或降低运动难度。这样即可保证PD患者在进行运动训练时的安全性，提高运动训练的效果也降低人力成本。简而言之，VR的练习可患者提供视觉，听觉和触觉反馈，并且可以通过调整交互作用影响运动难度及运动强度。而且由于VR的技术特点这种练习不会受到时间或地点方面的制约，因此患者可以进行持续的积极锻炼[9]。如基于家庭的VR 平衡训练系统。这是一种包括一体机触摸屏电脑和一台无线平衡板的PD患者平衡训练系统。PD患者佩戴HMD并在无线平衡板上行走时。由于佩戴HMD，PD患者可以在室内在模拟的虚拟环境下进行行走活动。这将降到PD患者练习的危险度。此外系统使用无线平衡板内有嵌入式称重传感器以测量使用者的足底压力中心。PD患者在进行练习时其足底的压力通过蓝牙将信号传输到计算机。计算机可以实时根据传入的足底压力信号，实时改变无线平衡板的灵敏度级别, 以修改训练难度。

另一项研究表明基于舞蹈运动开发的VR训练系统不仅可增强PD 患者的平衡能力还可改善PD 患者抑郁障碍等心理问题。这是一种让PD患者在VR环境下进行舞蹈练习的训练系统。该系统通过PD患者穿戴上本体感受装置，实时监测患者的身体主要部位（主要是下肢）的动作变化，而后通过HMD对PD患者提供视觉和听觉反馈。研究表明这种通过这种基于舞蹈练习的VR系统训练后，PD患者的平衡能力得以改善，在其日常生活的活动能力明显增强。

4 VR应用于PD存在的不足

4.1 虚拟程度不足

目前临床实验的VR技术基于成本开率，多数使用商业化的HMD达到虚拟效果。目前使用的HMD无法根据人眼聚焦变化而产生相应的效果，导致长时间配带HMD出现不适现象。这种为少数人在使用VR使会出现的生理上的不适感。Cobb在1999年发现了这种由于使用VR而导致使用者出现包括姿势不稳定，精神运动控制减弱，注意力不集中等症状，这种不适症类似于眩晕症并命名为虚拟现实不适症[3]。

4.2 成本过高

VR设备成本仍然过高。一个优良的VR系统首先需要一系列外部设备的支持，现有的沉浸式技术主要包括头盔显示器HMD和CAVE两种，其中CAVE的由于价格昂贵，仍无法应用于实际临床活动。HMD的成本合理但沉浸效果较低。此外交互式所需要的动作捕捉系统还无法做到成本和效果很好的平衡。VR系统的建立除设备要求之外还需要建立相对应的软件系统，这也需要不菲的人力成本。

4.3 建模的难度大

在建立VR系统环境时需要考虑两个坐标系, 即现实世界的坐标系和VR环境的坐标系。传统的虚拟环境的构建时，虚拟环境多为固定环境，完全可以由计算机先期合成的建立，虚拟环境为不变的环境，此种方法比较容易。但是实际情况是由于临床环境复杂多变，很多情况下需要虚拟环境来自现实世界，并能根据实际情况进行转换，这就需要实时获取并变化虚拟环境。这种方式下数据获取，传输和储存都存在较大压力，建模难度大增。