VR生物反饋實驗室的建設(shè)與應(yīng)用

譚靜儀 許曉丹 李劼昊 王庭槐 董雪

摘?要：虛擬現(xiàn)實（VR）是用戶利用視、聽、嗅、觸等各種感覺通路完成對實際的模擬。VR科技能夠給生物反饋系統(tǒng)帶來更真實的生物反應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境與反饋信息，并且二者的融合比傳統(tǒng)的生物反饋科技有著更巨大的優(yōu)越性。本文簡要介紹廣州新華學(xué)院VR的生物反饋實驗室的建設(shè)及應(yīng)用情況，為其他高?；赩R的生物反饋實驗室建設(shè)及設(shè)備研制提供思路。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；VR生物反饋；實驗室建設(shè)

1?實驗室建設(shè)的意義

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality，VR）是計算機所制作的一種三維的虛擬世界，借助設(shè)備為使用者進行基于視、聽、觸覺的感受虛擬，并通過鍵盤、鼠標、VR等設(shè)備對操作進行人機交互，讓客戶有身入其境的感覺，這也是VR技術(shù)主要特征即用戶置身于由計算機系統(tǒng)生成的交互式的三維虛擬環(huán)境中，與之進行交互。參與者作為完整的個體投入其中，各種感知過程都得以完整實現(xiàn)。VR設(shè)備因其擁有強大的臨場性、沉浸感的特性，彌補了傳統(tǒng)方式的缺陷。［1］

生物反饋技術(shù)是運用現(xiàn)代科技手段，把人類一般注意不到的人體生物信息，如肌電、腦波、皮溫、心率、血壓等轉(zhuǎn)化為能夠讓病人所察覺到的生物信息，包括視、聽信息等，使病人通過這種信息，學(xué)會在特定區(qū)域內(nèi)進行調(diào)節(jié)內(nèi)臟器官功能的行為，從而矯治脫離正常區(qū)域的內(nèi)臟行為的治療手段與方法，是符合生物—心理—社會醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的一項非治療、無創(chuàng)性、能使患者終身受益的、對心身疾病尤為有效的認知行為療法。目前生物反饋作為身心疾病（高血壓、偏頭痛、注意力缺陷、肩頸痛、失眠、焦慮癥等）治療常規(guī)的有機組成部分并廣泛應(yīng)用于臨床治療。如今科技日益發(fā)達，行業(yè)間密切合作，“VR+X（應(yīng)用領(lǐng)域）”技術(shù)被廣泛應(yīng)用，已成為行業(yè)內(nèi)都可以采取或更進一步開發(fā)的新動力來源，尤其是VR技術(shù)和生物反饋科技與身心疾病的結(jié)合。［2］

虛擬現(xiàn)實應(yīng)用領(lǐng)域的Burdea指出“虛擬現(xiàn)實是電腦用戶利用視、聽、嗅、觸等各種感覺通路完成對實際的模仿?！盫R科技能夠給生物反饋系統(tǒng)帶來更真實的生物反應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境與反饋信息，并且二者的融合比傳統(tǒng)的生物反饋科技有著更巨大的優(yōu)越性［3］。在此背景下，廣州新華學(xué)院在王庭槐校長的帶領(lǐng)下，經(jīng)過多年的努力，建成了VR生物反饋綜合實驗室。本文簡要介紹本校VR的生物反饋實驗室的建設(shè)及應(yīng)用情況，為其他高?；赩R的生物反饋實驗室建設(shè)及設(shè)備研制提供思路。

2?實驗室配置與平臺

廣州新華學(xué)院生物反饋綜合實驗室，是由“萬人計劃”王庭槐教授領(lǐng)銜創(chuàng)建的國內(nèi)首間集教學(xué)、科研、臨床應(yīng)用“三位一體”的實用型實踐教學(xué)科研平臺。實驗室建筑面積約185平方米，包括生物反饋實驗室及分子醫(yī)學(xué)實驗室兩大平臺，共五間實驗室，具備完成核酸擴增、蛋白表達水平檢測、細胞功能學(xué)驗證等分子實驗技術(shù)的條件，也可實現(xiàn)實時監(jiān)測多種人體生理指標及生物反饋訓(xùn)練。近年來，該室結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為生物反饋訓(xùn)練提供逼真的反饋場景和反饋信號，進一步完善了平臺科研條件。

本研究所建筑周圍均實行了C級屏蔽，以期將外部電磁干擾降到最低，目前已配備了NEXUS32高參數(shù)生物反饋儀等裝置，可記錄ERP的生物相關(guān)電勢信息，24導(dǎo)腦電地形圖，神經(jīng)反饋（24導(dǎo)電極腦電、8導(dǎo)雙極腦電，肌電、心電、皮電、皮溫、血容積、吸氧），SCP大腦皮層的電勢信息，EOG眼電信息，HRV心率變異性生物信號，初步具備學(xué)生進行實驗條件，鼓勵學(xué)生投入到自主科研項目當中，提升學(xué)生的科研能力。

借助于以計算機技術(shù)為核心的虛擬現(xiàn)實信息技術(shù)，本實驗室成功構(gòu)建了基于虛幻現(xiàn)實技術(shù)的生物回饋科技平臺，用以克服傳統(tǒng)單純的生物反饋方式，形成與特定區(qū)域內(nèi)現(xiàn)實環(huán)境在視、聽、觸覺等領(lǐng)域類似的生物數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，幫助受試者達到理想的生物反饋狀態(tài)。

以下是本實驗室的四個主要分室的實景圖：

上圖為MindMediaNEXUS32多參數(shù)生物反饋儀（配套Biotrace分析系統(tǒng)），用途：可支持ERP事件相關(guān)電位技術(shù)、24導(dǎo)腦電地形圖、神經(jīng)傳遞（24導(dǎo)電極腦電、8導(dǎo)雙極腦電，肌電、心電、皮電、皮溫、血容積、通氣）、SCP腦皮層慢電勢術(shù)、EOG眼電術(shù)、HRV心率變化分析技術(shù)等功能，用于生理心理行為監(jiān)測和生理信號采集分析。

圖3a所示儀器為Biorad超高靈敏度快速免疫印跡成像分析系統(tǒng)，用途：由影像采集、圖像處理、統(tǒng)計分析等構(gòu)成。它可利用分析中直接獲取的DNA、RNA、核酸、蛋白電泳等數(shù)據(jù)的成像技術(shù)和研究，最后可得到凝膠條帶的峰值、蛋白質(zhì)量或堿基對數(shù)、范圍、長度、距離、體積以及樣本的數(shù)量。

圖3b所示儀器為Biorad實時熒光定量PCR儀，用途：基因表達差異定量、標準曲線定量，HRM高分辨溶解曲線分析。

用途：沉浸式體驗設(shè)備。通過虛擬現(xiàn)實搭建場景，實現(xiàn)在醫(yī)療和教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。比如讓醫(yī)學(xué)生佩戴VR頭顯進入虛擬手術(shù)室觀察人體各項器官、神經(jīng)元、心臟、大腦等，并進行相關(guān)臨床試驗，讓藥學(xué)生戴VR頭顯模擬在藥房的配藥操作，以及進行生物反饋的場景設(shè)定。

用途：任何人體結(jié)構(gòu)都可以獨立實現(xiàn)360度無死角旋轉(zhuǎn)，從任意角度查看、學(xué)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)；三維模型數(shù)據(jù)來源于國內(nèi)知名醫(yī)學(xué)專業(yè)本科院校尸體標本資源庫，尸體切片厚度≤0.5mm。

3?實驗室的應(yīng)用

作為創(chuàng)新型科研平臺，該實驗室為我校入選“六大人才計劃”的青年教師提供創(chuàng)新科研場所，有助于提高教師科研水平及科研成果質(zhì)量。該實驗室作為教學(xué)平臺面向全校醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生開設(shè)公選課《分子醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)》《生物反饋療法及其應(yīng)用》，并且為生理學(xué)、醫(yī)學(xué)信息、藥學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、心理學(xué)多個專業(yè)提供教學(xué)與科研的資源，致力于培養(yǎng)高素質(zhì)、應(yīng)用型醫(yī)學(xué)技術(shù)人才，為醫(yī)療、健康中心等機構(gòu)提供人才儲備。

在教學(xué)中，“VR+沉浸體驗式學(xué)習(xí)模式”使實驗教學(xué)變得更加生動有趣和立體，節(jié)約了實驗材料、避免了一些實驗危險。例如，就局部解剖學(xué)方面而言，傳統(tǒng)的2D影像中很多的細節(jié)因為拍攝角度問題，都沒有很好的表現(xiàn)。通過以VR方式呈現(xiàn)的視頻，360度的可視感受效果將會大大提高學(xué)生的練習(xí)積極性，讓學(xué)生更加清晰地看到動作細部和易于忽略的解剖區(qū)域，提高學(xué)習(xí)效率，又例如，在傳統(tǒng)的生物反饋實驗平臺上，放松過程通常要求參加者想象一定的放松場景，如海邊，樹林，草地等。但是參加者有時候也會由于緊張、懷疑等原因無法迅速地投入其中而達到完全放松，這樣就為整個過程的完成造成了相當?shù)恼系K，從而導(dǎo)致活動持續(xù)時間的拉長，并形成了疲勞效果。虛擬現(xiàn)實也會讓其沉浸在其中，不感到單調(diào)乏味。通過使用生物反饋儀呈現(xiàn)的椰子樹的隨風搖曳，隨著陽光模擬吊床搖擺，海面的潮汐浪涌，使圖像與生物指標相連接，如出現(xiàn)了“日出日落”的動畫，當氣溫升高時，太陽上升，使其沉浸程度增加，從被動的引導(dǎo)想象轉(zhuǎn)為主動放松，從而提高了生物反饋的有效性，這樣結(jié)合無疑對想象力差的參與者比較適合。［4］又如，讓藥學(xué)生戴VR頭顯模擬在藥房的配藥操作。

在科研上，該實驗室為教師提供了各類儀器設(shè)備供使用，目前依托該實驗室已展開的科研項目如下表所示：

結(jié)語

VR生物反饋實驗室，創(chuàng)造了一個逼真的實驗環(huán)境，讓學(xué)生和教師能夠高效地完成專業(yè)的教學(xué)與科研內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的逼真仿真模擬和自然的人機交互性大大地提高學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量，讓生物反饋相關(guān)的實驗成為現(xiàn)實。

參考文獻：

［1］閆曉麗，鄭延斌，姚飛，等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化學(xué)實驗室的設(shè)計實現(xiàn)［J］.科技視界，2013（33）：2627.

［2］許百華，趙業(yè).虛擬現(xiàn)實技術(shù)在心理治療中的應(yīng)用［J］.心理科學(xué)，2005，28（3）：654655.

［3］李濤.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在心理治療中的應(yīng)用［J］.中國臨床心理學(xué)雜志，2005，13（2）：244246.

［4］高浩，趙雨薇，王一儒，等.基于VR的生物反饋技術(shù)在心理領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展［J］.科技經(jīng)濟市場，2018（5）：2.

基金：廣州新華學(xué)院科研項目：虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助心率變異性生物反饋干預(yù)抑郁的療效及其機制（2018ZDX?KZZ01）

作者簡介：譚靜儀（1989—?），女，漢族，湖南郴州人，在讀博士，副教授，研究方向：醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)分析。

*通訊作者：王庭槐（1956—?），男，漢族，廣東潮州人，本科，教授，校長，研究方向：醫(yī)學(xué)。