VR生物反饋實驗室的建設與應用

譚靜儀 許曉丹 李劼昊 王庭槐 董雪

摘?要：虛擬現實（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帶來更真實的生物反應現場環境與反饋信息，并且二者的融合比傳統的生物反饋科技有著更巨大的優越性。本文簡要介紹廣州新華學院VR的生物反饋實驗室的建設及應用情況，為其他高校基于VR的生物反饋實驗室建設及設備研制提供思路。

關鍵詞：虛擬現實；VR生物反饋；實驗室建設

1?實驗室建設的意義

虛擬現實技術（VirtualReality，VR）是計算機所制作的一種三維的虛擬世界，借助設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技術主要特征即用戶置身于由計算機系統生成的交互式的三維虛擬環境中，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。VR設備因其擁有強大的臨場性、沉浸感的特性，彌補了傳統方式的缺陷。［1］

生物反饋技術是運用現代科技手段，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，學會在特定區域內進行調節內臟器官功能的行為，從而矯治脫離正常區域的內臟行為的治療手段與方法，是符合生物—心理—社會醫學系統的一項非治療、無創性、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）治療常規的有機組成部分并廣泛應用于臨床治療。如今科技日益發達，行業間密切合作，“VR+X（應用領域）”技術被廣泛應用，已成為行業內都可以采取或更進一步開發的新動力來源，尤其是VR技術和生物反饋科技與身心疾病的結合。［2］

虛擬現實應用領域的Burdea指出“虛擬現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。”VR科技能夠給生物反饋系統帶來更真實的生物反應現場環境與反饋信息，并且二者的融合比傳統的生物反饋科技有著更巨大的優越性［3］。在此背景下，廣州新華學院在王庭槐校長的帶領下，經過多年的努力，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及應用情況，為其他高校基于VR的生物反饋實驗室建設及設備研制提供思路。

2?實驗室配置與平臺

廣州新華學院生物反饋綜合實驗室，是由“萬人計劃”王庭槐教授領銜創建的國內首間集教學、科研、臨床應用“三位一體”的實用型實踐教學科研平臺。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學實驗室兩大平臺，共五間實驗室，具備完成核酸擴增、蛋白表達水平檢測、細胞功能學驗證等分子實驗技術的條件，也可實現實時監測多種人體生理指標及生物反饋訓練。近年來，該室結合虛擬現實技術，為生物反饋訓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高參數生物反饋儀等裝置，可記錄ERP的生物相關電勢信息，24導腦電地形圖，神經反饋（24導電極腦電、8導雙極腦電，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，初步具備學生進行實驗條件，鼓勵學生投入到自主科研項目當中，提升學生的科研能力。

借助于以計算機技術為核心的虛擬現實信息技術，本實驗室成功構建了基于虛幻現實技術的生物回饋科技平臺，用以克服傳統單純的生物反饋方式，形成與特定區域內現實環境在視、聽、觸覺等領域類似的生物數字化學習環境，幫助受試者達到理想的生物反饋狀態。

以下是本實驗室的四個主要分室的實景圖：

上圖為MindMediaNEXUS32多參數生物反饋儀（配套Biotrace分析系統），用途：可支持ERP事件相關電位技術、24導腦電地形圖、神經傳遞（24導電極腦電、8導雙極腦電，肌電、心電、皮電、皮溫、血容積、通氣）、SCP腦皮層慢電勢術、EOG眼電術、HRV心率變化分析技術等功能，用于生理心理行為監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，用途：由影像采集、圖像處理、統計分析等構成。它可利用分析中直接獲取的DNA、RNA、核酸、蛋白電泳等數據的成像技術和研究，最后可得到凝膠條帶的峰值、蛋白質量或堿基對數、范圍、長度、距離、體積以及樣本的數量。

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：沉浸式體驗設備。通過虛擬現實搭建場景，實現在醫療和教學領域的應用。比如讓醫學生佩戴VR頭顯進入虛擬手術室觀察人體各項器官、神經元、心臟、大腦等，并進行相關臨床試驗，讓藥學生戴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定。

用途：任何人體結構都可以獨立實現360度無死角旋轉，從任意角度查看、學習解剖結構；三維模型數據來源于國內知名醫學專業本科院校尸體標本資源庫，尸體切片厚度≤0.5mm。

3?實驗室的應用

作為創新型科研平臺，該實驗室為我校入選“六大人才計劃”的青年教師提供創新科研場所，有助于提高教師科研水平及科研成果質量。該實驗室作為教學平臺面向全校醫學相關專業學生開設公選課《分子醫學實驗技術》《生物反饋療法及其應用》，并且為生理學、醫學信息、藥學、生物醫學工程、心理學多個專業提供教學與科研的資源，致力于培養高素質、應用型醫學技術人才，為醫療、健康中心等機構提供人才儲備。

在教學中，“VR+沉浸體驗式學習模式”使實驗教學變得更加生動有趣和立體，節約了實驗材料、避免了一些實驗危險。例如，就局部解剖學方面而言，傳統的2D影像中很多的細節因為拍攝角度問題，都沒有很好的表現。通過以VR方式呈現的視頻，360度的可視感受效果將會大大提高學生的練習積極性，讓學生更加清晰地看到動作細部和易于忽略的解剖區域，提高學習效率，又例如，在傳統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的障礙，從而導致活動持續時間的拉長，并形成了疲勞效果。虛擬現實也會讓其沉浸在其中，不感到單調乏味。通過使用生物反饋儀呈現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，從被動的引導想象轉為主動放松，從而提高了生物反饋的有效性，這樣結合無疑對想象力差的參與者比較適合。［4］又如，讓藥學生戴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：

結語

VR生物反饋實驗室，創造了一個逼真的實驗環境，讓學生和教師能夠高效地完成專業的教學與科研內容。虛擬現實技術的逼真仿真模擬和自然的人機交互性大大地提高學校的教學質量，讓生物反饋相關的實驗成為現實。

參考文獻：

［1］閆曉麗，鄭延斌，姚飛，等.基于虛擬現實技術的網絡虛擬化學實驗室的設計實現［J］.科技視界，2013（33）：2627.

［2］許百華，趙業.虛擬現實技術在心理治療中的應用［J］.心理科學，2005，28（3）：654655.

［3］李濤.虛擬現實技術在心理治療中的應用［J］.中國臨床心理學雜志，2005，13（2）：244246.

［4］高浩，趙雨薇，王一儒，等.基于VR的生物反饋技術在心理領域的應用與發展［J］.科技經濟市場，2018（5）：2.

基金：廣州新華學院科研項目：虛擬現實技術輔助心率變異性生物反饋干預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：醫學數據分析。

*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：醫學。