沈振乾，孫 斐，王 瑤，王勇軍

天津工業(yè)大學 1電子與信息工程學院 2生命科學學院，天津 300387 3天津市北辰醫(yī)院康復醫(yī)學科，天津 300134

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術是一個集成了多門學科的綜合技術，涉及諸多領域，具有多感知性、沉浸性、交互性和想象性。用戶可以通過VR設備對虛擬三維場景進行沉浸式體驗和交互，這種體驗和交互方式相比于基于平面設備的傳統(tǒng)體驗和交互手段有了質的飛躍[1]。常見的VR設備包括頭戴式顯示器(head mounted display，HMD)、空間定位器、操作手柄等。

當人們長時間使用VR設備，沉浸在VR環(huán)境中時，可能會發(fā)生視覺誘發(fā)暈動病(visual induced motion sickness，VIMS)，也稱為VR暈動病。VIMS通常是由一個人暴露在視覺和本體感覺運動脫鉤的環(huán)境中引起的，VIMS患者常會出現(xiàn)頭痛、胃痛、惡心、定向障礙、出汗、疲勞，甚至嘔吐[2]，因此，VIMS一直被認為是VR應用的主要障礙。目前，針對VIMS的研究尚處于初期階段，本文探究人體生理因素與VIMS之間的關系，歸納緩解和預防暈動病的現(xiàn)有治療方法，為VIMS下一步的研究趨勢提供思路，同時可幫助減少VR不良反應并增加人體對VR系統(tǒng)的適應性。

暈動病的發(fā)病機制和評估方式

暈動病發(fā)病機制感覺沖突理論是暈動病發(fā)病機制廣泛接受的假設，具體來說可以分為兩大類感覺沖突：(1)半規(guī)管和耳石器之間的沖突；(2)視覺和前庭信號之間的沖突。兩者在傳輸信號時發(fā)生矛盾，就會導致眩暈[3]。前庭器官位于左右內耳，有研究認為：前庭器官的功能及形態(tài)不對稱會導致與暈動病有關的感覺沖突[4-5]。

暈動病評估方式一般來說，暈動病的評估方法大致可以歸納為兩類：主觀評估法和主客觀相結合評估法。

主觀評估法是指通過主觀感受調查問卷-模擬疾病量表(simulator sickness questionnaire，SSQ)評分進行評估[6]。SSQ中包含了對各種暈動病產生的身體不適癥狀的評分，通過相應的公式計算得到一個表征眩暈程度的分數(shù)，SSQ評分以對暈動病產生的癥狀進行分類，得到更細分的眩暈程度得分，對暈動病進行更加具體的解釋[7]。

主客觀相結合評估法是在主觀評估法的基礎上，引入客觀的生理信號數(shù)據(jù)，使客觀指標與主觀數(shù)據(jù)相互對應，更精確對暈動病進行評估的方法[8]。研究表明，有許多生理信號如心電信號、皮膚電反應信號、眼動信號和腦電信號(electroencephalography，EEG)等都可以作為VIMS的評估指標[9]。

研究人員也在積極尋找評估暈動病的其他方式，Kim等[10]通過對現(xiàn)有的SSQ進行修訂，開發(fā)了VR環(huán)境中的暈動病測量指數(shù)，可用作VR環(huán)境中的測量指標。

評估暈動病的生理指標

EEG分析EEG具有噪聲強、隨機性強、非平穩(wěn)、非線性的特點，能夠直觀地反映人腦的生理活動，為研究人的許多高級認知功能提供依據(jù)[11]。按照引發(fā)電位改變的緣由，EEG一般分為自發(fā)EEG和誘發(fā)EEG兩類：自發(fā)EEG指大腦神經細胞群沒有受到特定的刺激時，人腦自發(fā)生理活動在頭皮產生的電位變化，誘發(fā)EEG指人的感官受到刺激(如聲、光、電等)所誘發(fā)產生的電位變化[12]。

大腦被分為4個不同腦葉，各個區(qū)域功能各不相同(圖1)。額葉區(qū)位于前額附近區(qū)域，主要負責高級認知功能，如思維、判斷、情緒和語言功能，頂葉區(qū)位于頭頂后部，主要負責整合感官信息；枕葉區(qū)在腦后中心偏下位置，被稱為視覺皮層；顳葉區(qū)分別位于兩耳附近，主要處理聽覺信息以及嗅覺信息。Nürnberger等[13]發(fā)現(xiàn)受試者在觀看VR視頻產生眩暈時，大腦大部分區(qū)域的信息流動發(fā)生遞減，尤其是涉及前庭信號處理和運動檢測的大腦區(qū)域，說明在經歷VIMS時，大腦接受、傳輸和處理信息的能力下降。Lin等[14]從左、右運動區(qū)，頂葉區(qū)，枕側區(qū)和枕中線腦區(qū)在線提取與暈動相關的EEG特征，通過神經模糊預測模型(SONFIN)成功地將EEG中與暈動相關的特征轉化為VIMS疾病等級，以判斷是否發(fā)生暈動病，平均預測準確率可以達到約82%。

圖1 腦葉分布圖

腦電波根據(jù)頻率的不同通常分為5種不同的波，即δ波、θ波、α波、β波和γ波，前3種屬于慢波，常發(fā)生于正常人處在自然狀態(tài)、熟睡或疲勞狀態(tài)，后兩者屬于快波，一般出現(xiàn)在精神狀態(tài)緊張或亢奮情況下[15]。趙蕾蕾等[16]在用基于VR技術的駕駛模擬器平臺誘發(fā)暈動病的試驗時，發(fā)現(xiàn)隨著眩暈程度的增加，受試者大腦的頂葉區(qū)、枕葉區(qū)和初級運動區(qū)有明顯的腦電頻率波動，EEG中θ波功率譜密度的重心頻率升高。Krokos等[17]的研究表明大腦中δ，θ和α頻段的頻譜功率增加與暈動病的存在密切相關。

EEG評估暈動病，大部分采用經典的功率譜估計來處理EEG，因此，通過腦電功率譜變化來評估暈動病是較為常見的有效方法。此外，有些研究通過建立測量系統(tǒng)，可以把收集到的EEG直接量化，從而更直觀地預測暈動病的產生[18]。Liu等[19]采用基于VR的車輛駕駛模擬器誘導受試者產生VIMS，并采集EEG進行分析，發(fā)現(xiàn)在VIMS發(fā)生后，受試者EEG中的重心頻率、功率譜熵等數(shù)據(jù)均出現(xiàn)下降，因此通過監(jiān)測這些數(shù)據(jù)變化，可達到預測VIMS發(fā)病的目的。

在使用EEG評估VIMS時，EEG數(shù)據(jù)常常使用頭戴電極帽采集，電極帽雖然穿戴便捷，但在試驗中可能會出現(xiàn)與受試者頭部接觸不良的現(xiàn)象，引入較多的噪聲數(shù)據(jù)，因此改善和開發(fā)更精準的EEG測量設備也是研究的一個重點方向?？傮w來說，使用EEG對VIMS進行評估與檢測是目前研究中使用最多的方法。

姿勢搖擺分析已有研究證明姿勢搖擺是暈動病的一個重要表現(xiàn)[20]。在虛擬環(huán)境中，視覺場景移動，身體姿勢穩(wěn)定性就會改變，換句話說，姿勢搖擺是對視覺或前庭線索的反應。Chang等[21]認為暈動病會使身體姿勢活動改變，而對身體進行被動約束可以有效減少暈動病的發(fā)生率，將受試者進行被動約束后，暈動病發(fā)生率降為20.83%，而沒有進行被動約束的暈動病發(fā)生率為66.67%，兩組有顯著差異。Chardonnet等[22]研究認為可通過測量用戶在使用平衡板時水平面上的重心投影來表征用戶的身體搖擺情況，如當人感到眩暈時，其重心投影的軌跡長度會增加。劉明明[23]使用VR環(huán)境下的駕駛模擬器來誘發(fā)暈動病產生，通過平衡板和加速計采集受試者的眩暈數(shù)據(jù)，提取出能夠區(qū)分眩暈和非眩暈狀態(tài)的有效指標。

姿勢搖擺存在性別差異，暈動病在女性中比在男性中更常見，因此，有研究認為女性表現(xiàn)出更大的暈動病傾向[24]。Munafo等[25]認為VR引發(fā)的暈動病可能會讓女性面臨更大的風險。Curry等[26]在研究中發(fā)現(xiàn)暈動病產生的姿勢搖擺受到內在因素(性別)和外在因素(虛擬車輛的控制)的共同影響。大多數(shù)研究普遍認為隨著眩暈程度增加，人的姿態(tài)搖擺幅度同樣也增加，也有部分研究認為暈動病中姿勢搖擺的性別差異，可能與認知功能的性別差異有關。女性對頭部運動的耐受性較低，在觀看VR視頻時可能會表現(xiàn)出更大的眩暈傾向[24]。

然而，有研究則認為姿勢搖擺并不一定代表發(fā)生暈動病，將眩暈與平衡聯(lián)系在一起的結論過于絕對和極端[27]。Dennison等[28]分別使用HMD和臺式顯示器讓參與者觀看VR視頻來快速產生暈動病，試驗發(fā)現(xiàn)，當參與者經歷視覺擾動時，HMD產生的姿勢反應更大，無論是否產生暈動病，都會誘發(fā)姿勢搖擺，首次顯示出姿勢搖擺可能是因為HMD比臺式顯示器更能引起觀看者的沉浸感，而不是產生了暈動病，這一發(fā)現(xiàn)與其他報告姿勢搖擺與暈動病密切相關的結論并不一致。

目前，還沒有研究能對暈動病中的姿勢搖擺提出具體的測量標準，姿勢變化的測量方式在許多研究中各不相同，導致結論差異較大，因此研究人員還需建立新的方法來跟蹤、感知和測量實際姿勢搖擺的變化[29]。

眼動分析眼動數(shù)據(jù)中包含了大量的信息，既有視覺注意力信息，又有眩暈控制和心理因素信息[30]。當人們在觀看VR內容時，許多眼動參數(shù)，如注視數(shù)目、注視時長、掃視幅度、掃視速度和凝視位置等都會發(fā)生顯著變化[31]。Lee等[32]提出基于三維卷積神經網(wǎng)絡的暈動病預測模型，計算給定VR視頻中每個視頻幀的光流圖、視差圖和顯著性圖(分別代表運動速度、圖像深度和眼動)作為三維卷積神經網(wǎng)絡的輸入，暈動病的嚴重程度作為模型的輸出，結果證明該模型能夠準確地預測暈動病。

眼動信號分析的重要內容還包括眨眼頻率、眨眼周期以及眨眼潛伏期等，賈瑞雙[33]在研究中提到視覺誘發(fā)的暈動病會給人體帶來視覺刺激以及視覺負荷，導致人體的眨眼抑制機制會受到一定程度的影響，故眨眼這一眼動行為同樣可以作為VIMS的一個有效評估指標。

心率變異性分析人的心率不是穩(wěn)定不變的，同一時段內，每次心跳間的間隔也是不一樣的，這種心率的差異就叫做心率變異性(heart rate variability，HRV)[34]。心跳受自主神經系統(tǒng)影響，通常認為是自主神經系統(tǒng)活動引起的。交感神經提升心率，從而導致HRV下降，副交感神經降低心率，導致HRV上升[35]。Holmes等[36]在試驗中發(fā)現(xiàn)，HRV會隨著暈動病程度的增加而顯著增加，這可能是由于心臟交感神經刺激的增加而引起的。人眼所接受的視覺信息與前庭平衡器所接受的運動信號的不匹配可影響迷走神經，導致迷走神經功能異常，從而引發(fā)暈動病，而HRV和神經系統(tǒng)活動密切相關，因此HRV可能是衡量暈動病程度微小變化的有用指標[37]。

皮膚電信號分析人體的皮膚電阻和電導隨皮膚汗腺機能變化而改變，這些可測量的皮膚電改變被稱為皮膚電信號。皮膚電信號能夠反映心理狀態(tài)，包含豐富的情感信息，是一種易于獲取的基本生理信號[38]。皮膚電信號中包含了大量有效的信息，如當人體皮膚電阻值產生改變時，可借此來檢測人體神經系統(tǒng)變化，從而判斷是否產生暈動病[39]。Kim等[40]在實驗中測量了生理信號(心率和皮膚電信號)以及使用SSQ評分作為評估VR暈動病的基準數(shù)據(jù)庫，提出的VR疾病評估網(wǎng)絡能夠檢測出暈動病的嚴重程度，其預測性能比現(xiàn)有的其他研究更加精準。Nalivaiko等[41]發(fā)現(xiàn)暈動病產生時，手指溫度會發(fā)生小幅度變化，證實了暈動病與皮膚體溫調節(jié)血管張力的變化有關。皮膚電信號的水平因人而異，甚至同一個人在不同的時間和環(huán)境中也可能有所不同，因此，為了使實驗數(shù)據(jù)準確且直觀地評估皮膚電信號與眩暈之間的關系，有必要在研究中排除每個受試者皮膚電信號本底差異的干擾，保證數(shù)據(jù)精準有效。

暈動病防治

暈動病被認為是一種生理性眩暈，不是嚴格意義上的真正疾病，而是對異常情況的正常生理反應。暈動病的最佳防治方法就是不參與運動，但如果運動是無法避免時，可以應用以下治療方案預防或治療暈動病。

藥物對策抗膽堿能藥和抗組胺藥是有效的多發(fā)性暈動病預防藥。常見的抗膽堿能藥為東莨菪堿，東莨菪堿是一種對中樞神經系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的毒蕈堿受體具有非選擇性的乙酰膽堿拮抗劑，是目前最有效的抗暈動病劑[42]。東莨菪堿常常采用鼻內給藥方式，因為是非侵入性的遞送途徑，能夠快速作用(15 min左右)，避免了首次傳遞代謝，且較低劑量下也可增強療效，從而最大限度地減少了不良反應[43]。比較流行的抗組胺藥為苯海拉明，預防和治療暈動病的能力源于其抗組胺特性[44]。一些精神安定藥物，如苯妥英、巴氯芬等，對暈動病也有治療作用，但大多具有明顯的不良反應，如嗜睡和抑郁[45]。

行為治療前庭系統(tǒng)和視覺沖突易導致暈動病，因此，保持視覺與前庭系統(tǒng)相對一致能夠較好地避免發(fā)生暈動病。例如，在汽車中，側向或向后看會向大腦呈現(xiàn)不相關的視覺信息，易誘發(fā)暈動病，因此目光保持向前，盡量不要側身或向后看，可避免發(fā)生暈動癥[46]。Wibirama等[47]發(fā)現(xiàn)在觀看3D視頻內容期間，通過持續(xù)凝視特定位點可以降低暈動疾病水平。乙醇會導致前庭誘發(fā)眼球運動的視覺抑制紊亂，因此不飲酒對避免發(fā)生暈動病是有幫助的[48]。另外，有研究表明悅耳的音樂和氣味以及頭部振動和精神分心可有效減輕暈動病癥狀[49-50]。

習服訓練在相當一段時間內反復或持續(xù)暴露于運動環(huán)境中(習服訓練)會導致大多數(shù)人的暈動病反應下降，習服訓練是治療暈動病最有效的療法之一[51]。

通過重復或延長的運動刺激能夠在動物或者人類中誘導產生短暫的習慣，通常這種習慣可持續(xù)數(shù)周，且循序漸進的刺激與突然發(fā)作的刺激相比能夠產生較少的不適癥狀，并能更快的使人適應。例如，常年駕駛的人更不容易發(fā)生暈動病，海上惡劣的條件下，大多數(shù)人會在幾天內適應。但上岸超過3個月后，適應消失，且增加暈動病易感性，因此，暈動病的習服訓練是在盡可能接近再現(xiàn)感官沖突環(huán)境中做適應訓練[52]。

與使用旋轉椅、繞線樓梯和秋千的傳統(tǒng)地面訓練相比，視覺-前庭習慣化聯(lián)合訓練更有效，視覺-前庭感覺沖突發(fā)生后，大腦可能會儲存適當?shù)暮圹E，使感覺沖突成為“暴露史”的一部分，等再發(fā)生這種情況，期望和接收到的感官信息之間就沒有沖突，因此，在一段時間后，暈動病的癥狀就不再出現(xiàn)[53]。一些研究還表明，正面投影亮點的垂直、水平和扭轉運動的光動力學訓練可以重建海上遇到的海浪影響，是預防暈船的有效訓練方式[54]。此外，偽隨機電流前庭刺激可用于宇航員暈動病的訓練，從太空返回后觀察到宇航員具有姿勢不穩(wěn)定、運動障礙和動態(tài)視力降低等癥狀，可以根據(jù)間歇性或連續(xù)性電刺激來訓練宇航員的耐受性，減少暈動病發(fā)生率[55]。

小結與展望

隨著VR技術廣泛的運用和沉浸式體驗更多地融入人們生活，VIMS及健康相關的問題已不容忽視。EEG分析是目前VIMS研究中使用最多的評估方法，眼動分析、姿勢搖擺也具備很大的參考價值。在基于生理信號評估暈動病的研究中，應注意選取VR視頻的質量，避免因為視頻質量問題影響實驗結果，并且要盡量擴大數(shù)據(jù)采集規(guī)模，以得到精確的VIMS檢測結果。在治療方面，目前沒有發(fā)現(xiàn)絕對有效的治療方案，但還是有些藥物和行為訓練可以起到抑制暈動病產生、緩解暈動病癥狀的效果。此外，虛擬環(huán)境的差異，是否有過類似經歷，暴露在VR視頻中的時間長短等也都是影響暈動病的重要因素。

綜上，在VR技術蓬勃發(fā)展的今天，研究人員應該更加關注VIMS這一領域，在未來工作中進一步深入研究生理變化與前庭和視覺沖突之間的關系，優(yōu)化客觀測量生理信號來預測暈動病的方法，開發(fā)新的抗暈動病藥物和醫(yī)療設備，探索更好的防治措施，從而促進VR產業(yè)的健康發(fā)展。