虚拟现实技术在眼科领域的应用现状及研究进展

彭振 吴呈润 张旭

作者单位：南昌大学附属眼科医院 南昌大学眼视光学院 330006

虚拟现实（Virtual reality，VR）技术是自20世纪60年代发展起来的实用型技术，涵盖计算机、仿真技术领域，其基本原理是通过计算机技术模拟出具有高度仿真的虚拟环境。VR设备可以通过不同硬件的组合实现对触觉、听觉等不同感官刺激的模拟，目前常见的VR设备由头戴式显示器（Head mount display，HMD）、降噪耳机、遥控手柄组成。增强现实（Augmented Reality，AR）是一种将虚拟信息与真实世界融合的技术，与VR技术相比，AR技术发展较晚，但AR技术具有体积小，与真实世界的交互性更强，用户不易产生眩晕感的优点。应注意的是，在实际临床应用中，VR技术与AR技术无清晰的分界，在一定情况下可以融合[1]。

在医学领域，利用VR技术可视化的特点，将抽象事物具体化，使复杂的图像能以立体的形式展现，便于剖析观察。在眼科手术的学习中，可利用VR技术对复杂手术进行模拟学习；同时，使用VR技术评估青光眼疾病进展，可以为医师提供一种评估患者生活质量的方式；对于近视等屈光眼病，VR所呈现出的仿真光线强度、视野等环境内容可能在一定程度上改善患者的病情，现笔者介绍近年来相关的研究。

1 VR技术在眼科中的应用

1.1 VR与白内障手术训练

VR手术模拟器允许规培实习医生在一个低风险，高仿真的虚拟环境中进行手术训练。该种学习模式在保证训练效果的同时，避免了在真实人体上进行操作的风险性[2]。与外科分类繁多，功能丰富的手术模拟器相比，VR手术模拟器在眼科领域的应用较晚，且主要是针对白内障手术的模拟，德国Eyesi是白内障手术模拟器的代表，其能提供白内障手术中具体手术步骤的模拟[3]。目前的研究显示，Eyesi对实习医师的手术学习具有良好的培训效果[4，5]。Selvander等[6]的研究表明，在白内障手术训练方面，使用Eyesi进行手术学习的学员能很快掌握操作技巧[6]，Ng等[7]的研究发现实习医师对Eyesi的学习效果感到满意，使用Eyesi能够增强实际手术时的信心。

通过手术模拟器进行手术学习并非是完美无缺的，仍需要结合传统学习手段才能更好发挥效果。McCannel[8]研究发现，通过Eyesi进行手术学习的实习医生在实际手术中造成玻璃体丢失的比例要高于在动物眼上进行手术训练的医师，而在撕囊这一手术步骤中2种训练模式培训的医师出现玻璃体丢失情况的比例相近，造成该情况的原因可能是Eyesi手术训练对手术步骤的学习侧重不一，除关键手术步骤外的训练缺乏区分度[9]，导致医师在除撕囊以外的手术步骤上获得的训练不够。除此以外，对Eyesi手术训练的研究表明目前Eyesi的评分系统存在缺陷，并不能完整反映医师的手术操作水平[10]。

1.2 VR与青光眼

使用VR技术可对青光眼患者病情严重程度及对日常行为的影响进行评估。临床上，医师一般难以确切了解患者视野缩窄的程度对其生活带来何种影响，患者家属也无法较好地针对患者的病情进行照顾。Goh等[11]提出了一种评估青光眼患者在日常生活中是否受到影响的检查方法，在该项研究中，患者完成VR检测任务的表现可以反映患者在日常生活中遇到的困难。一款名为OpenVisSim的平台利用VR技术评估了真实世界中视野丧失对患者日常生活的影响[12]，在针对患者进行个性化护理时，该评估方法比一份视野检查报告单显得更有说服力。

VR技术在一些涉及青光眼的实验研究中也有应用。Daga等[13]应用VR技术创造虚拟环境下的寻路实验，发现青光眼患者在寻路任务方面表现得更差，青光眼患者在日常驾驶寻路过程中与正常人之间是有差异的。利用VR技术，研究人员可以在虚拟环境中设计实验。Diniz-Filho等[14]利用VR技术在青光眼患者眼前展示不同的动态视觉刺激，观察患者的姿势反应，评估患者在测试平台上的体位姿势、重心和平衡变化，发现青光眼患者的平衡控制不好且跌倒风险更大。VR技术的应用使一些在真实环境中不便开展的实验能够实施，有助于科研人员对青光眼患者进行深入的探讨。

一些研究表明VR技术有助于青光眼患者生活质量的改善。Sayed等[15]使用VR技术增强青光眼患者的中心视野，提高青光眼患者行走中的避障能力。Li等[16]使用VR训练刺激青光眼患者的残余视力，经过3 个月的训练后，2/3 患者的视野范围扩大，但此研究报道仅为初步研究，存在实验数据的不足。

1.3 VR与近视

中国至少有6亿人患有近视，80%的中小学生患有近视或假性近视[17]，近视防控面临着严峻的形势。目前一些有关VR在近视治疗与预防工作上的研究可能为这一问题提供新的思路。Maiello等[18]利用VR环境进行眼部屈光调节和近视的防控研究，结果显示VR环境中丰富的视差可能有助于预防近视。Turnbull等[19]的研究也表明，VR设备的使用并不会导致近视，并且出乎意料的是，在受试者中观察到了眼底脉络膜增厚的现象。

进行户外运动能够抑制近视，这种抑制来自户外环境中的光照刺激[20]，这提示可以应用VR改善光照环境以达到预防近视的目的。例如可以在视野中呈现特定波长、频率、强度的光照条件，通过比较不同光照条件对眼部造成的影响进行近视抑制相关的研究，同时得益于VR眼镜良好的包裹性带来的暗室效果，在实验过程中可避免外界光照对实验结果的影响。这些优势可能有助于VR技术在未来的近视防控中发挥作用。但在VR技术应用于近视防控的同时，也有研究者为VR技术使用的安全性表示担忧[21]。例如，较低的VR图像分辨率和刷新率也可能会加速近视进展。总之，在近视领域，VR作为一项新的技术在应用与推广前仍需要更多的临床验证。

1.4 VR与一般眼病的治疗及眼科检查

弱视属于视觉发育相关疾病[22]。弱视的遮盖疗法一般是指遮盖优势眼以提高弱势眼视力。VR设备允许在双侧眼中仅针对目标眼展示画面，这一特点使VR技术有助于弱视的治疗。Herbison等[23]通过VR互动游戏，将游戏背景和玩家呈现给儿童的双眼，而障碍物、敌人、金币等仅呈现给弱侧眼，从而起到针对弱视眼训练的作用。而Li等[24]则利用VR平台对受试者进行双眼视觉训练以治疗间歇性外斜视，他们的结果显示在经过6个月的训练后，部分患者的眼位得到了改善。Žiak等[25]的研究发现，在使用OculusRift头盔及配套程序对成年弱视患者进行治疗后，超过90%的患者弱视眼视力有所提高。辐辏调节矛盾是现有VR设备的缺点之一，但这也为通过VR设备进行视功能训练提供了可能性，通过调节VR设备显示的视差，改变眼球的汇聚程度[26]，从而达到视功能训练的目的。

VR技术能辅助眼科检查。一项眼位不正检测方法的研究结果表明，使用VR眼镜较传统方法测试，具有控制亮度，无需头部固定，提供患者交互目标等优越性[27]。在进行斜视眼偏角测量时，应用VR技术能降低头部意外运动造成的结果偏差，从而更准确测量眼偏角[28]。在视野检查领域，VR技术的发展带来了小型视野计的问世。Tsapakis等[29]利用VR眼镜和智能手机对受试者进行视野测试，同时与HFA视野计的检查结果进行对比，结果显示头戴式视野计在检查结果的准确性方面差于HFA视野计，但头戴式视野计具有简易、便捷、不受检查环境限制的优点，选择这一类的视野计能便于对患者进行筛查、随访和病情追踪。Versek介绍了一款名为NeuroDotVR的技术平台，该平台通过使用HMD提供特定的视觉刺激，检测视觉诱发电位的变化情况，用于眼科疾病的辅助诊断[30]。一些研究者利用VR平台提供定量的视觉刺激，研究人群中双目失衡的情况，以探究视觉障碍患者的发病原因[31]。在眼科辅助检查方面，VR技术的应用代表着小型检测仪器的发展趋势，未来可能在一些眼科筛查工作中发挥作用。

1.5 VR与手术辅助和眼科教育

将VR技术与眼科手术结合能够使医师实时掌握手术情况，获得眼球立体结构的信息。Maloca等[32]使用VR技术绘制OCT扫描数据，使得扫描图像由传统的平面显示变为VR头盔中的立体图像显示，提高了观察者的沉浸感。Draelos等[33]利用VR技术结合OCT扫描进行手术，以实时了解手术进度。这些研究提示VR技术可能会成为下一代医学图像显示方法和平台。

观看手术视频是眼科医师进行手术学习的一种方式，在VR眼镜中观看手术视频能够提高观看者的沉浸感，并且3D手术视频记录了立体结构信息，有助于观看者的理解。Gallagher等[34]提出了一种简单的立体手术视频的制作和观看方法，他们使用2台手机连接到显微镜上用于记录手术过程，手术完成后将手机放入VR眼镜中，就能够观看立体的手术视频。在一些眼科手术上也可以发现VR技术的身影，例如在屈光手术中，一些设备和手术显微镜能够实时跟踪眼球，并在眼球上叠加标记或其他信息，以矫正眼球运动造成的偏移。VR技术推动远程手术的发展，Ho[35]使用3D摄影机拍摄画面，应用VR设备完成了1例虚拟白内障手术，但他们发现手术过程中实时画面的延迟会对医师的手眼配合造成干扰，这提示VR技术可应用于远程手术，但通信速度和传输信号的稳定性是待解决的问题。在复杂眼科手术的术前准备中，VR可能发挥作用，例如在眼部肿瘤手术前可使用CT、MRI技术对眼部进行扫描，对手术计划切除的部分进行重建[36]，随后在VR设备上进行模拟手术，可以降低手术风险。

在眼科教育领域，一些新学习模式也在逐步被探索。Dyer等[37]通过VR技术使学生参与体验黄斑变性老年患者的日常生活，使医学生切身体验疾病对患者的影响，这种教学方法能使医学生从患者的角度审视疾病。传统教学对一种疾病的学习来源于教科书上的描述，而通过VR使医学生体验疾病的影响，在未来可能成为丰富医学教育的手段。

2 VR技术的发展形势与应用困境

2.1 发展形势

2016年VR一词风靡全球。交互性、智能化是VR技术的特点。如何利用VR技术的优势满足眼科发展的需要是一个值得思考的问题，这要求在应用VR技术时要有新的思路。VR技术在其他领域的应用可以提供思考的方向：BioVR是一个生物数据集成的可视化平台[38]，其能够对蛋白序列进行3D渲染；TeraVR平台能精确重建小鼠脑神经三维模型[39]，以便于研究者进行大脑的研究。这些例子提示开发者可以考虑构建3D的眼部结构模型，在VR眼镜中进行展示，既便于医学生的学习也可以对普通人群进行宣教；弱视可以通过训练改善症状，结合VR技术，患者在家也能进行训练治疗。

2.2 应用困境

视网膜中的黄斑部高度敏感，但仅覆盖了人眼0.2%的观察范围，为了弥补这一缺陷，人类的眼球具有高度的灵活性[40]，如何将灵活的眼球与VR技术中的瞳孔追踪相适应，是研究者需要解决的难题。国内缺乏有关医师对医疗VR平台态度的研究报告，这可能对VR技术临床应用的推广造成影响。加拿大在2016年对其全国的耳鼻喉头颈外科实习医师进行了一项评估调查，目的在于调查实习医师对VR手术训练平台的相关态度，从而改善手术培训模式[41]，这项调查的结果显示大部分实习医师对VR手术训练模式持支持态度。未来研究者应对我国眼科领域VR技术的应用现状进行具体调查，了解临床医师对VR技术的认可态度，以便制定合适的推广政策。另外，成本问题也可能会制约VR技术的推广应用。Paul等[42]对VR手术训练在美国眼科医学教育中的应用情况进行了调查，结果显示较高的培训成本是影响制约VR手术训练发展的主要原因。

3 VR技术的应用对健康的影响

使用者在长时间应用VR技术进行沉浸式体验后会产生不同程度的晕动症，这对于用户来说是非常不利的。Kim等[43]对VR眼镜系统基本的硬件和软件组成部分进行体验评价问卷调查，结果显示VR设备的好坏与晕动症的发生密切相关，不良的设备会促进晕动症的形成。Yu等[44]建立了VR环境下的晕动症测量指标，这些指标为降低晕动症的发生概率提供了参考。使用VR技术导致晕动症这一缺点在一些研究中却被用于治疗眩晕，Bergeron等[45]系统分析了VR环境治疗眩晕疾病的相关研究，证明VR对治疗前庭刺激导致眩晕的有效性。

1项有关使用3D智能眼镜对大脑海马体功能影响的研究报告指出，VR可能会对海马体和其他涉及空间导航的大脑区域产生危害[46]。使用VR设备是否会造成光敏性癫痫？目前虽未有研究对二者的关系进行明确的阐述，但仍有学者认为应当对此持谨慎态度[47]，VR设备中复杂的光刺激引起光敏性癫痫发病的可能性不能忽视。

4 总结

VR技术的发展与应用带动了眼科学的进步。在手术模拟领域，仿真手术已成为实习医师进行手术技巧学习的一种途径，但仅仅针对白内障手术的模拟满足不了日益增多的手术学习需求，未来应增加更多不同种类手术的模拟。在一些眼部疾病的治疗中，VR技术的应用也为医师提供了新的思路。眼科检查是了解患者病症的重要方法，VR技术使一些眼科检查仪器具有便携性。随着信息传输速度的加快，VR技术未来将在眼科领域有着更广泛的应用，如VR技术将在远程手术，地区医疗资源分配模式方面发挥作用，这是技术进步带来的新趋势，新一代的眼科医生应该为此做好准备。

利益冲突申明本研究无任何利益冲突

作者贡献声明彭振、张旭：参与选题、设计；撰写论文；根据编辑部的修改意见进行核修。吴呈润：参与选题、设计