不同头戴式虚拟现实对人体平衡与姿势控制的影响

张恒瑞， 孟昭莉， 崔配， 王瑞怡

大连理工大学，辽宁 大连市 116024

0 引言

虚拟现实(virtual reality, VR)近年发展迅速[1]，头戴式虚拟现实技术(helmet-mounted display, HMD)不断发展，被应用于各个行业，如航空业、制造业等[2-3]，在健康领域也有广泛应用。VR 能用于外科手术的技能培训[4-5]，在运动损伤康复和运动康复方面上也表现出较大价值和潜力。基于VR 的训练能有效减轻前庭功能低下患者的眩晕症状；VR 平衡训练能提高老年人平衡能力，减少摔倒风险[6-7]。此外，VR 在注意力障碍、空间感知障碍、记忆障碍、运动障碍康复方面，也取得较好效果[8-9]。

HMD 具有强大的VR 游戏功能[10]，而VR 游戏能用作平衡相关的评定和训练。Rausch 等[11]将过山车VR 游戏用于平衡姿势评价，改良了平衡误差评分系统。Rebêlo 等[12]采用VR 游戏对老年人进行平衡训练，与传统平衡训练一样能有效改善平衡能力。

受试者在VR 环境中平衡稳定性虽被多次研究，但并无统一结论；使用HMD 后人体姿势控制的研究也大多停留在平衡稳定性上[13]。本研究采用不同平面和不同VR环境，探究人体在VR环境中的平衡稳定能力，以及VR游戏后人体平衡和姿势控制功能的变化。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2022 年3 月至4 月，在大连理工大学方便招募在校男性大学生30 例，年龄(24±2.3)岁，身高(178.2±6.37) cm，体质量(73.7±14.1) kg，体质量指数(23.1±3.7) kg/m2。

试验在大连理工大学体育与健康学院实验室进行。对照组不使用任何训练方式，预试验中未发现前后平衡测试结果差异，故本试验未设置空白对照组。

纳入标准：①视力或矫正视力正常；②无前庭性疾病；③理解能力正常，能够服从指挥完成测试；④试验前1 个月内无踝关节扭伤史，不存在影响下肢站立的相关疾病；⑤从未使用过头戴式VR 设备；⑥签署知情同意书。

排除标准：使用过头戴式VR 设备或提前得知试验采用的VR内容。

剔除与脱落标准：①试验过程中自行退出；②无法完成基本试验流程。

1.2 方法

受试者签署知情同意书后进入试验，先后进行动态背景VR平衡训练和静态背景VR平衡训练，两次试验间隔1周[10]。

受试者戴HMD 进行训练，训练内容参照Rebêlo等[12]的研究。其中动态背景(第1 次试验)选用Incell，内容为受试者在一条跑道上奔跑并躲避障碍物；静态背景(第2 次试验)选用Baskhead，内容为在安静的体育馆中接住对面抛来的球。训练分3次，每次10 min，间隔5 min。训练期间若受试者发生严重不适，则暂停干预，休息，并适当延长后续干预时间以保证总干预时间相等；若休息后仍然无法承受，则将该受试者排除。

1.3 测试方法

试验分为3个阶段：基线阶段、VR平衡训练阶段和训练后阶段。基线阶段和训练后采用相同方法测量受试者压力中心(center of pressure, COP)平均移动速度(sway velocity, SV)。

1.3.1 测试仪器

采用OR6-6 三维测力平台(美国AMTI 公司)，采样频率1 000 Hz，

数据滤波，频率选为包含生理信息的10 Hz[14]。SV 由人体COP 在矢状轴和冠状轴上的移动距离计算[15]：

其中，xi是受试者COP 在矢状轴第i个时间点的移动距离；yi是受试者COP 在冠状轴第i个时间点的移动距离。SV越大，人体平衡稳定性越低[16]。

头戴VR 设备选用Oculus Rifts (美国FACEBOOK公司)。

平衡测试中使用海绵垫干扰人体本体感觉。海绵垫的参数参照刘波等[17]的研究，大小50 cm×50 cm×15 cm，密度40 D。

1.3.2 平衡测试

受试者在8 种站立条件下进行测量，包括T1睁眼稳定平面站立、T2闭眼稳定平面站立、T3静态VR 稳定平面站立、T4动态VR 稳定平面站立、T5睁眼海绵垫上站立、T6闭眼海绵垫上站立、T7静态VR 海绵垫上站立和T8动态VR 海绵垫上站立。静态VR 环境选择SteamVR 主控制房间，HMD 提供的画面会随人体头部摆动而改变，模拟人体在现实环境中的视觉信息；动态VR环境选择过山车虚拟环境[11]。

受试者赤足，安静站立在测力平台上，双脚与肩同宽，目视前方，双手环抱胸前，保持身体直立。每种条件重复测量2次，每次30 s，间隔20 s。测量过程保证试验场所安静[18-19]。

参照刘波等[17]和El-Kahky[20]的研究，计算各个阶段感觉权重：

其中T1～T6为相应试验条件下的SV。

1.4 统计学分析

采用SPSS 23.0、Excel 2007 和Origin 2021 等软件进行统计学分析。计量资料符合正态分布，以(±s)表示，组间比较采用独立样本t检验，组内比较采用配对样本t检验。显著性水平α= 0.05。

2 结果

30 例受试者均完成第1 次试验，1 例受试者退出第2次试验。

动态平衡训练后，2例受试者无法完成动态VR海绵垫条件测试；静态平衡训练后，3 例受试者无法完成动态VR海绵垫条件测试。

2.1 SV

动态VR 平衡训练后，除睁眼海绵垫上站立无显著性差异(P＞ 0.05)，睁眼稳定平面站立SV 提高(P＜0.05)外，其余各条件下SV 均明显降低(P＜ 0.01)。各条件间比较，训练后，不同平面下，静态VR 条件下SV 均与睁眼条件下接近(P＞ 0.05)；其他条件间SV 均有显著性差异(P＜ 0.05)。见表1。

表1 动态VR平衡训练前后不同条件下SV比较单位：mm/s

静态VR平衡训练后，睁眼稳定平面站立时SV提高(P＜ 0.05)，睁眼海绵垫上站立、闭眼稳定平面站立、静态VR 稳定平面站立SV 无显著性差异(P＞0.05)，其他条件下SV 均下降(P＜ 0.05)。各条件间比较，治疗前后，稳定平面站立时，静态VR 条件下SV均与睁眼条件下接近(P＞ 0.05)；治疗后，稳定平面站立时，静态VR 条件下SV 与闭眼条件下接近(P＞0.05)；其他条件间SV均有非常显著性差异(P＜ 0.01)。见表2。

表2 静态VR平衡训练前后不同条件下SV比较单位：mm/s

睁眼在海绵垫上站立时，受试者SV 高于稳定平面站立时(P＜ 0.01)。见表3。

表3 海绵垫对人体COP平均速度的影响

2.2 感觉权重

两种训练前，各感觉权重均无显著性差异(P＞0.05)。两种训练后，视觉权重均显著下降(P＜ 0.001)，本体感觉权重无显著性差异(P＞ 0.05)。动态VR 平衡训练后，正常本体感觉下的视觉权重低于静态VR 平衡训练后(P＜ 0.01)。本体感觉受干扰情况下，视觉权重均显著提高(P＜ 0.001)；屏蔽视觉后，本体感觉权重明显提高(P＜ 0.01)。见表4。

表4 两次训练前后人体感觉权重比较单位：%

3 讨论

本研究显示，闭眼条件下SV 高于对应的睁眼条件。视觉在感觉信息中贡献约35%的线索[20-21]，视觉屏蔽后人体姿势稳定性下降[22]。

HMD 可模拟出与现实环境相似的静态视觉景象，以及与真实环境截然不同的动态视觉景象。VR 对人体姿势稳定性的影响研究较多，但结论不同[23-25]。

本研究显示，HMD 提供的虚拟环境在一定程度上影响人体的平衡能力。沉浸在安静的静态虚拟环境中，人体平衡稳定性处于睁眼站立与闭眼站立之间，这可能是因为人体在虚拟环境中得到部分视觉信息，有利于维持自身平衡。HMD 头盔增加人体头部重量，可能导致平衡下降[26]。但也有研究表明，HMD 导致人体头部增加的重量并不会影响平衡稳定[27]。HMD内容与现实环境的差异可能是导致平衡稳定性下降的主要原因。老年人更加依赖视觉维持身体平衡，受HMD视觉内容的影响更加显著[28]。

动态VR 环境对受试者平衡稳定性的干扰较大，这可能由于视觉与本体感觉和前庭感觉之间出现感觉冲突，影响姿势控制[29]。在观看过山车VR 站立时，部分受试者报告有眩晕的感觉，这一定程度反映受试者的感觉冲突[30]。这种对视觉的干扰可用于平衡功能的评价[23]。但不同动态环境内容可能会对平衡功能产生不同影响[31]，商用虚拟环境能否替代传统平衡测试中视觉干扰范式，还有待进一步研究。

经过VR 平衡训练后，受试者在稳定平面站立时SV 升高。这可能由于虚拟环境所提供的视觉信息对中枢神经系统产生干扰，将虚拟环境感知为真实环境并做出相应调整，当人体感知现实条件时，适应虚拟环境的中枢神经系统对维持平衡产生消极影响[16]。

本研究显示，动态VR 平衡训练后，受试者稳定平面上闭眼站立稳定性提高，但静态VR 平衡训练效果不明显。提示动态VR 平衡训练后，人体能更加有效利用本体感觉和前庭感觉维持身体平衡；这可能与受试者在动态背景中视觉刺激与现实环境差异较大，使受试者对视觉的依赖性降低有关[32]。动态VR 平衡训练也能提高受试者在静态VR条件下的平衡稳定性，而静态VR平衡训练效果不明显，同样表明动态VR平衡训练后对视觉依赖的下降。

本研究使用海绵垫干扰受试者的踝关节本体感觉，降低了受试者的平衡稳定性。海绵垫刚度较低，足部与海绵垫接触面会出现旋转，肌梭无法提供正确的本体感觉信息[33]。

本研究显示，本体感觉受到干扰，受试者的视觉权重提高；同样，屏蔽视觉后，受试者的本体感觉权重也提高。与此前的研究结果相似[34-35]。

本研究还显示，经过VR 训练后，受试者都表现出视觉权重下降的现象；而且动态VR 训练后权重更低。表明动态VR 平衡训练强烈的视觉刺激确实对受试者产生较大影响，使视觉权重降低。

本研究未发现VR 训练对受试者本体感觉权重的影响。由于本研究采用的本体感觉干扰方法无法完全屏蔽人体的本体感觉，无法计算出前庭感觉权重。但受试者在海绵垫上闭眼站立时稳定性提高，提示受试者对前庭感觉的利用提高。相对不断受到较大刺激的前庭感觉，本体感觉虽然也受到刺激，但相对视觉和前庭感觉来说并不强烈，这可能导致本体感觉权重未发生明显变化。

本研究的对象只有大学生，VR 平衡训练对不同人群的具体应用仍需要进一步研究。

4 结论

HMD 提供的VR 环境会降低人体平衡稳定性，人体在静态背景VR 环境中平衡稳定性较高，在使用基于HMD 的VR 平衡训练时可以使用静态背景VR 内容以保证训练的安全性与舒适性。动静态VR 平衡训练都能降低人体对视觉的依赖，可能提高人体对前庭感觉的利用，这对降低老年人摔倒风险、提高运动员技能等方面有积极的意义；动态背景VR 平衡训练的训练效果更加显著。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。