基于虚拟现实技术的视功能评估与重建

李姬静 综述 袁进 审校

中山大学中山眼科中心 眼科学国家重点实验室 广东省眼科视觉科学重点实验室，广州 510060

虚拟现实技术(virtual reality，VR)又称虚拟环境或人工环境，是指利用计算机生成一种可对参与者直接施加视觉、听觉和触觉感受，并允许其交互地观察和操作虚拟世界的技术，具有沉浸性、交互性和构想性3个特点。狭义的VR指封闭式VR(即头戴式显示器)、眼镜式VR及裸眼VR，广义的VR还包括增强现实(augmented reality，AR)和混合现实。VR通过生成虚拟的三维场景，使用户全方位获取该虚拟场景中的相关信息，近年来在视功能评估与重建研究领域显示了重要的应用前景。本文就虚拟(增强)现实技术在视功能评估与重建中的应用现状进行综述，并对其可能面临的挑战进行分析。

1 VR技术辅助的视功能检查

视功能是人类视觉系统完成一定视觉任务的能力，视功能检查主要包括视觉心理物理学检查(如视力、视野、色觉、调节-集合、立体视觉)和视觉电生理检查两类。视功能评估是建立眼健康的前提和基础，目前视功能筛查场景中，对视力的分析常采用国际标准视力表或对数视力表进行远视力检查，对于高级视功能的检查常采用Worth四点灯、马氏杆、立体视本、同视机等设备，需要检查者与患者之间的配合，耗时耗力、效率较低，且部分检查对操作者的技术要求较高，在大范围筛查中应用受限。

VR技术采用红外眼动跟踪技术，利用红外光源对人眼瞳孔和虹膜进行精确区分并实时检测瞳孔中心位置来识别使用者的视线方向及注视点。在使用者自然移动的情况下，也能完全控制不同眼别呈现的画面，再结合人机交互的特性，应用至视力及视功能筛查中，可以对不同眼别进行相应的眼部客观体征检查，具有实现自动化筛查评估的潜力。

在验光检查方面，Pujol等搭建了基于VR技术的主观验光设备，利用红外眼动跟踪技术向被测眼投射不同大小的视标，对侧眼仅呈现背景画面，根据被检者在输入端反馈看清与否来自动切换视标，最终得出用户的主观验光结果。在调节功能检查方面，Goyal等在头戴式VR显示设备中添加平面反射镜，通过编程将标准视力表投射到距离被检眼不同距离处，根据被检者在输入端反馈的视标开口方向准确与否，确定单眼的调节近点和调节远点，最终得出被检者的调节幅度。Li等研发的裸眼3D多级视功能筛查设备则是基于时空复用方式的指向背光显示技术，将投射至左眼或右眼图像的背光源交替开启，与显示屏的刷新速率同步，利用人眼视觉暂留效应使双眼舒适地观看到不同图像，以此在大脑中形成立体效果，不仅可用于评估视力、色觉、双眼平衡，还可以定量评估被检者的立体视功能。这些基于VR技术的视功能检查系统都已被证实与临床技术人员的检查结果一致性高、重复性好，并且其人机交互性能减少了检查者与被检者配合中的误差，减少了人力成本和场地的使用，有望应用于大范围的视功能筛查中。

2 VR技术辅助的斜视眼位测量与矫正

斜视指两眼不能同时注视目标，属眼外肌疾病，我国斜视患病率约为3%，斜视患者不仅视功能受到损害，其外观问题也会对患者造成社会心理影响，斜视眼位的定量评估在治疗方案的制定中扮演着重要角色。目前临床上斜视患者的眼位偏斜度数多采用三棱镜加交替遮盖试验进行测量，三棱镜的使用和眼位判定存在一定的主观性，对检查者的技能要求高，需要被检者的高度配合，婴幼儿患者测量难度较大。头戴式VR显示设备能够在斜视眼和健康眼交替开关画面，提供暗环境下的远、近距离注视目标，吸引患者的视线，模拟遮盖试验，联合瞳孔跟踪技术，追踪眼球的运动轨迹，通过直接测量眼球运动角度及添加三棱镜反馈校准眼位的方式客观、准确地自动量化眼位偏斜程度。

对于非共同性斜视患者，临床上还会采用Hess屏或Lees屏等对功能不足或过强的肌肉进行定量检查，但结果的准确性往往会受到操作误差或患者检查过程中头部不固定的影响。VR头戴式显示设备能够完全控制照明和患者交互时呈现的目标，消除头部不固定的干扰。Nesaratnam等采用VR显示技术对有正常视网膜对应的非共同性斜视患者进行斜视定性和定量检查，检测得出的患者水平及垂直方向的偏斜角度与Lees屏一致。基于VR的斜视眼位测量减小了测量难度，有望更高效地为斜视治疗提供指导建议。

关于斜视患者的治疗，临床上一般采用手术调整眼外肌的方式进行眼位矫正，而对于未达到手术指征、眼位偏斜度数较小的患者可采用斜视矫正训练。目前的训练方法，如笔尖训练等，较为单调，患者依从性差。VR的高度仿真性和三维场景的构建能够大大提高训练的沉浸感，如Cepeda-Zapata等利用VR的高度仿真性，将传统的斜视训练，如Brock索、视远视近训练和分开集合功能训练等搭载在VR设备中，使训练更具有吸引力和娱乐性。另外，Godinez等和Li等则通过构建的交互式三维虚拟环境，诱导斜视患者进行双眼视物，提高神经系统对双目视觉的适应水平。正常人在视物时，双眼产生的视差可以诱导辐辏，但斜视患者的视差太大而超出了融合范围。基于双眼分视系统的VR技术通过放大斜视眼的视觉信号，使患者识别复视并反向抑制，增强中枢控制，从而刺激眼位矫正。基于VR的眼正位训练与传统训练相比提供了更丰富的训练元素，能够更好地提高患者的依从性。

3 VR技术辅助的弱视眼间抑制评估与视功能重建

3.1 VR与弱视眼间抑制量化评估

弱视是在视觉发育期由于异常视觉经验引起的单眼或双眼最佳矫正视力(best corrected visual acuity，BCVA)低于相应年龄视力；或双眼视力相差2行及以上，视力较低眼为弱视，我国弱视检出率可高达11.8%。弱视眼与非弱视眼的眼间抑制作用是弱视发生和发展的重要机制，而目前临床上对于眼间抑制的评估通常采用Worth四点灯、线状镜等进行定性测量，无法量化眼间抑制程度。VR的双眼分视系统能够向双眼定向投射不同的画面，在眼间抑制的测量上占据优势。Black等通过双眼分视系统向弱视患者的弱视眼给予高对比度刺激，而非弱视眼给予变化的对比度刺激，患者在执行简单的信号/噪声任务时，测量兴奋性双眼相互作用的强度。当双眼没有对比度差异时，就达到了双眼平衡状态，此时双眼视觉刺激强度之差就是眼间抑制程度。这种基于VR的眼间抑制量化技术方便、快速，能够为临床医师制定弱视双眼治疗方案提供更好的指导。

3.2 VR与弱视知觉学习

对于弱视治疗，传统采用遮盖非弱视眼的方法来提高弱视眼视力，但这种方法往往依从性不高，长期遮盖也可能使弱视儿童产生社会心理问题，且对于超过视觉敏感期的大龄弱视人群效果不佳。知觉学习是治疗弱视的有效手段，不仅对于视觉发育敏感期的弱视儿童作用突出，对于成人大脑同样具有可塑性，其通过特定的视知觉任务训练，例如光栅察觉、方向位置辨认、图形轮廓辨认等，使视觉系统对外界信息感知能力显著提高。除了可以引起初级视皮层的改变外，还能够引起额叶、顶叶、颞叶等高级脑区的变化，使得双眼视功能的重建稳定而持久。

VR如今也成为一种安全、有效的神经重塑治疗的搭载工具，以VR为基础的神经康复治疗可以有效地诱导大脑皮层重组，促进不同年龄层不同神经元连接的激活。Keller等研究发现，10例获得性脑损伤患者在经过10周的VR交互性治疗后，基于体素对T1加权的脑MRI图像进行分析发现，海马尾部、左侧尾状核、侧扣带区、中央沟深部和视皮层灰质体积增加，说明在VR治疗下，受损的大脑区域可以发生新皮层的重组。因此，推测将VR技术与知觉学习相结合，为弱视患者提供沉浸式的交互式知觉训练，有可能更好地提高弱视人群视皮层功能及视功能水平。

在VR知觉学习提高大龄弱视患者视力和视功能方面，Žiak等在对17例平均年龄31.2岁(17～69岁)的屈光参差性弱视患者利用Oculus Rift OC DK2 VR头戴式显示器进行8次40 min的双眼知觉训练后，发现视力和立体视均有显著改善，弱视眼的平均BCVA由(0.58±0.35)LogMAR提高到(0.43±0.38)LogMAR，立体视锐度由(263.3±135.1)降至(176.7±152.4)，证实了VR知觉学习在治疗成人弱视中的作用。虽然目前还没有直接证据证明基于VR的知觉学习优于传统2D平台的学习，但VR通过提高场景真实性和沉浸感，利用云端大数据适时调整任务参数，可实现个性化的针对训练，提高患者的依从性，有望更有效地提高弱视人群的视皮层功能。

3.3 VR与立体视训练

立体视受损是指由于双眼视功能的破坏导致不能正确分辨所观察景物远近距离，无法具有三维空间感，是弱视常见的双眼视功能障碍之一。以往采用的同视机立体画片训练操作复杂，精准度不高，缺乏交互性，较为单调和枯燥。VR技术通过双眼分视系统对用户双眼投射不同视差的图像，以此形成不同的景深，这种三维成像的特性为立体视训练提供了技术支持。Vedamurthy等设计的“压虫游戏”是针对立体视的VR训练软件，利用3D快门眼镜达到双眼分视，使用者双眼分别看到“小虫”视标的不同部分，通过改变单眼所视的背景画面纹理扭曲度或双眼接收图像的视差来让使用者识别立体的“小虫”视标，并用圆柱体击打。根据击打正确与否，不断调整单眼和双眼视觉线索的相对权重，逐步增强患者的立体视觉，结果显示大多数患者训练中双眼视差造成的立体深度感知能力逐渐增强，立体视锐度降低。VR三维场景的搭建对立体视的训练具备独特的优势，操作简单而有趣味性，并且能更好地控制训练精度，提高弱视患者的立体视训练效果。

4 虚拟(增强)现实技术在低视力人群中的视觉辅助增强

目前青光眼、老视等低视力人群采用的视力辅助设备一般分为光学助视器和电子助视器，能在一定程度上帮助患者提高视觉质量，但存在成像质量不足、缩放倍率有限、手持设备不稳定且使用场景较为固定等问题。AR技术利用图像增强、全息成像、添加音频提示以及自适应光学等技术，辅助不同程度视觉损伤的低视力人群充分利用残余视力，弥补视觉缺陷，提高低视力人群的生活质量。

AR技术能够将计算机生成的虚拟元素叠加在真实世界中，通过对图像的处理，例如放大或缩小、增加对比度和图像边缘强度、改变颜色等方式，优化中心视力或夜视力，利用视觉提示突出物体或引导患者视线，缩短患者视物的搜索时间，提高搜索精度。Coughlan等研发的Augmented Reality for Visual Impairment(AR4VI)系统将增强的视觉信息与空间位置紧密耦合，形成多种图像增强应用，如Brighter、Bigger、Super Vision等。eSight和OxSight一类的头戴式设备可以直接将增强的图像直接送到视野范围内，并且还拥有用图层渲染场景、突出重要前景特征等更高层次功能。

AR技术还可以通过添加全息图像来增强现实世界中的人和自然环境，呈现给患者视野中缺失的线索。例如，一些近眼显示器和视网膜投影等头戴式设备能够让患者在保持习惯的中央视力的同时看到外围的微缩图像，使周围视野缺损的患者行动更加方便，减少跌倒发生的风险。

同时，AR技术可以结合视觉反馈，通过三维空间或听觉的呈现来提供真实世界体验。一些头戴式显示设备能够以音频或其他非视觉形式向患者做出提示，例如OrCam设备在患者将手指指向感兴趣文本区域时，系统可读出文本内容，以此辅助低视力人群进行工作或学习。

此外，对于屈光不正或正视人群视远视近时产生的焦点变化，Padmanaban等通过计算机光学适应能够自动校正使用者配戴VR近眼显示设备时的焦距，跟随使用者的视线产生自然的焦点变化，提高了用户的视觉质量，也为低视力人群对比敏感度和深度觉等视功能的提高提供了潜在的可能性。将AR技术与计算机生成的图像增强、全息成像、音频提示和自适应光学相结合，有望提供非侵入性的视觉模拟效果，极大地改善低视力人群的生活质量。

5 VR技术在近视防控中的应用潜力

近视是指眼在调节放松状态下，平行光线进入眼内后聚焦在视网膜之前的状态，是患病率较高的慢性眼病之一，东亚和东南亚的近视患病率高达80%～90%。目前临床上常通过使用低浓度阿托品滴眼液、配戴角膜塑形镜等方式来防控近视的发生和发展，但近视的发生和发展尚未得到完全控制，防控近视相关的治疗手段还有待进一步发掘。VR基于其高度仿真、眼球追踪、多焦点显示等特点使其在近视防控中具备一定的应用潜力，但同时由于观看时调节-辐辏冲突的存在可能会诱导视疲劳等症状。

Munsamy等研究发现，42名18～30岁正常成年人在观看25 min Samsung Gear VR设备后，调节-辐辏的灵活度提高，人眼的调节-辐辏功能有所改善。Turnbull等研究发现，19名18～35岁低度近视人群在观看40 min Oculus Rift DK2设备后，双眼屈光度、远近隐斜、注视稳定性、调节幅度和立体视等虽无明显差异，但脉络膜显著增厚，这可能是由于观看时的调节-辐辏冲突产生近视性离焦，或者是由于头戴式设备的产热使脉络膜血流加快使其暂时增厚。此外，Turnbull等研究发现，20名20～40岁的IT人员在进行40 min的VR观看后，泪膜脂质层厚度增加，稳定性得到显著改善。这些研究结果提示，VR可能可以改善人眼调节功能，控制近视的发生和发展，改善干眼等视疲劳症状。

另一方面，也有研究发现观看VR视频会导致近视、视疲劳、一过性调节性斜视、视频终端综合征等功能性眼病。Ha等研究发现，60名13～18岁屈光度为(-3.1±2.6)D的青少年在观看VR设备30 min后，部分人会发生短暂的近视性改变，但经过40 min休息后可以完全恢复。并且，Yoon等研究发现，在58名20～39岁的轻中度近视人群中，使用2 h Samsung Gear VR头戴式设备后，屈光度和脉络膜厚度均无明显变化，但调节近点、集合近点、立体视锐度、外斜度数等增加，且主观视疲劳症状加重。推测其发生机制是由于VR显示设备本身处于同一个平面，观看时通过相同的调节使物体落在视网膜上，通过不同的辐辏角来形成不同的深度感知，辐辏角相比自然条件下观看具有更高的变异性，辐辏负荷增加，以此形成的调节-辐辏冲突会导致视觉疲劳，进而导致近视的发生和发展。

关于VR对近视及视疲劳的影响，不同研究得出了不同结论，这可能与观看的设备、时长以及观看人群的年龄、屈光状态有关。如果观看设备存在分辨率较低、视野小等问题可能会增加主观视疲劳症状，也可能造成形觉剥夺的效果，加重近视的发生。长时间(2 h)的VR视频观看可能更容易造成视疲劳等不利影响，短时间(25～45 min)的观看则可能会改善调节-辐辏灵活度，有利于延缓近视，在轻度近视成年人中可能会带来更多有利的影响。

目前，关于VR对近视的影响尚存在争议，但VR独有的技术优势使其在近视防控中也具备一定的发展潜力。未来，VR利用眼球追踪技术使观看者中心视野清晰，而周边视网膜产生近视离焦，再结合VR的高度仿真性控制光照和光谱成分，模拟户外光照条件，可能可以用于控制眼轴的增长。此外，VR也可以通过采用不同的焦面显示技术来模拟视远视近的活动，使睫状肌得到拉伸训练，改善调节功能，从而延缓近视的发生和发展。

6 VR技术存在的不足

VR已经在视功能评估、训练、助视等方面取得了一定的研究成果，未来具有很大的发展潜力，但目前还存在一定的不足，如VR技术的软硬件性能还未完全满足临床应用的需求；VR设备的操作界面不够友好，人机交互性能较弱，三维结构信息的呈现分辨率较低，效果不够理想；低视力人群在使用AR设备时的移动便捷性上仍需改进，使用过程中的安全性还需进一步探讨，设备的电量续航问题也有待解决等。

另外，VR设备在使用过程中还存在一些安全隐患未得到完全解决。头戴式VR显示设备若在运行过程中过度发热，可能会对眼部健康带来不利影响。长时间使用VR设备可能会使部分使用者产生头晕、恶心等不适症状，甚至会出现短时间内的平衡感下降，这可能与使用VR设备过程中的视觉呈现与真实运动状态不一致导致视觉-前庭冲突有关。在使用时进行双眼的光学矫正或提高视觉与真实运动状态的一致性可能可以减少这种晕动症状。

VR设备应用于临床的规范性还需要进一步加强。与以往的2D设备视觉呈现不同，VR的三维成像效果改变了使用者的用眼习惯，对视觉的影响可能是双面的。因此，关于VR对健康的影响还需更为详细的评估，需要大样本、多中心的随机对照试验来进行临床验证。在诊治不同类型、年龄和程度的眼病患者时，对VR设备的刺激参数、治疗时长、治疗频率等方面需要更加详细、科学的定义，规范筛查手段和治疗方案，并且相关的法律法规及伦理规范也需要进一步完善。

7 总结与展望

VR利用其双眼分视、瞳孔追踪、模拟仿真、人机交互等技术优势在视功能评估、斜弱视训练、低视力康复、近视防控等领域有着广泛应用和发展潜力，能够极大地降低眼科诊疗中的人力成本，推动自动化诊疗的发展。未来，将VR技术与5G、云端及人工智能等技术相结合，进一步提升人机交互的智能化水平，有望形成大规模的自动化诊疗数据库。再将VR技术拓宽应用于模拟手术等多个医学领域，建立全景式的虚拟交互医学体系，为眼科学的发展带来突破性的改革。

利益冲突