楊建剛，醫(yī)學(xué)博士，西北大學(xué)附屬第一醫(yī)院（西安市第一醫(yī)院）主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師。在青光眼診療方面居國內(nèi)先進(jìn)水平。近年來發(fā)表學(xué)術(shù)論文51篇，其中SCI收錄8篇。主持或參與科研課題23項(xiàng)，其中國家自然科學(xué)基金2項(xiàng)，國家重大項(xiàng)目1項(xiàng)；近年來專注兒童青少年近視的研究，先后獲得陜西省科技廳重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈（群）、西安市科技局人工智能技術(shù)攻關(guān)等項(xiàng)目資助及一系列創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獎(jiǎng)勵(lì)，在眼科科研轉(zhuǎn)化方面處于國內(nèi)先進(jìn)水平。

摘要：

目的" 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)與眼視覺密切關(guān)聯(lián)，隨著軟硬件設(shè)備的發(fā)展與進(jìn)步，VR廣泛應(yīng)用于眼科領(lǐng)域。本文詳述了VR技術(shù)在眼科臨床研究和科普培訓(xùn)領(lǐng)域中的研究與運(yùn)用過程；總結(jié)目前應(yīng)用VR技術(shù)的研究成果及其優(yōu)勢，包括在弱視、斜視、近視、青光眼等方面的新療效，以及在白內(nèi)障等手術(shù)培訓(xùn)及科普教育中的應(yīng)用研究；探討了應(yīng)用VR的危險(xiǎn)和困境，并預(yù)測未來的應(yīng)用趨勢；根據(jù)VR在目前研究應(yīng)用中的不足，展望其在弱視、近視等疾病中的應(yīng)用前景，為以后的臨床研究提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)；眼視覺；弱視；斜視；近視；白內(nèi)障；青光眼

中圖分類號(hào)：G434；R-4""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/jdyxb202403024

收稿日期：2023-11-27" 修回日期：2024-03-07

基金項(xiàng)目：陜西省重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈群項(xiàng)目（2022ZDLSF03-11），西安市創(chuàng)新能力強(qiáng)基計(jì)劃人工智能技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目（21RGZN00）

Supported by Key Industrial Chain Group Project of Shaanxi Province （2022ZDLSF03-11） and Artificial Intelligence Technology Research Project of Xi’an Innovation Ability Strong Base Plan （21RGZN00）

通信作者：楊建剛，主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師. E-mail：dryjg@126.com

網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：//link.cnki.net/urlid/61.1399.R.20240316.2211.002 （2024-03-18）

Application and prospect of virtual reality technology in ocular diseases

ZHANG Shanshan1，2， LI Qinhua1，2， XUE Yukun2，

YAN Yongtai2， SHEN Lixin1， YANG Jiangang2

（1. College of Life Science， Northwest University， Xi’an 710069; 2. Department of Ophthalmology，

The First Affiliated Hospital of Northwest University， Xi’an First Hospital， Xi’an 710002， China）

ABSTRACT：

Objective" Virtual reality （VR） technology is closely related to eye vision. With the development and progress of hardware and software equipment， VR has been applied widely in the field of ophthalmology. This article describes the application of VR technology in the clinical research and ophthalmology education， reviews the current research results and advantages of this new technology， including the new curative effect in amblyopia/strabismus， myopia and glaucoma， as well as research on the technology’s application in cataract surgery training and ophthalmology education. The article also discusses the dangers and difficulties of VR application and predicts its future application trend. In view of the shortcomings of VR in current research applications， the paper discusses and looks forward to provide powerful strategies for amblyopia， myopia and other ophthalmic diseases and clinical research.

KEY WORDS： virtual reality （VR） technology; ophthalmology; amblyopia; strabismus; myopia; cataract; glaucoma

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和高速通信技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，基于計(jì)算機(jī)圖像、多媒體和多傳感器的虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)得到了迅速發(fā)展［1］。第1臺(tái)VR機(jī)器結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)和仿真技術(shù)等實(shí)現(xiàn)所有的感官體驗(yàn)，如全彩色3D視頻、音頻、振動(dòng)和大氣效果。VR所需基礎(chǔ)配件包括頭戴式顯示器（head-mounted display，HMD）

（HMD）、主機(jī)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和控制器。HMD通過雙目視差原理使用戶能夠可視化3D環(huán)境，并通過HMD與3D環(huán)境交互可使用戶能夠通過定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收圖像及不同視角。沉浸式體驗(yàn)虛擬環(huán)境的關(guān)鍵是與3D環(huán)境可能的交互水平以及沉浸在環(huán)境中的感知［2］。

近年來VR技術(shù)的應(yīng)用已擴(kuò)展到臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如在身體康復(fù)、疼痛管理、手術(shù)培訓(xùn)、解剖學(xué)教育和精神疾病治療等的研究和應(yīng)用。VR具有沉浸感（immersion）、臨場感（immediacy）和互動(dòng)性（interaction）3個(gè)基本特征［3］，能夠模擬多種感官渠道交互并進(jìn)行位置跟蹤，在臨床應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。目前VR開始涉及眼科領(lǐng)域，如近視、弱視、青光眼、白內(nèi)障等的培訓(xùn)、診斷/篩查和治療［4］。本文總結(jié)了VR在眼科應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)及研究成果，分析VR技術(shù)在眼科領(lǐng)域的優(yōu)勢，展望未來的應(yīng)用趨勢。

1" VR技術(shù)發(fā)展概況

VR是利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維虛擬世界，提供用戶視覺等感官的模擬，使用戶能在虛擬環(huán)境中感受并觀察事物［5］。VR最早可追溯到20世紀(jì)50年代，Morton Helig發(fā)明了第1臺(tái)VR設(shè)備，它擁有3D立體聲、3D顯示、震動(dòng)座椅、風(fēng)扇以及氣味生成器，實(shí)現(xiàn)了視覺、嗅覺、聽覺的感官體驗(yàn)。SUTHERLAND和SPROULL發(fā)明了第1個(gè)VR HMD，該頭顯設(shè)備被用于跟蹤佩戴者的觀看方向［6］。VR最早由美國宇航局和對開發(fā)太空探索飛行模擬器和訓(xùn)練系統(tǒng)感興趣的政府機(jī)構(gòu)推動(dòng)。但由于高成本及技術(shù)限制，VR經(jīng)歷了一段發(fā)展停滯期。2012年傲庫路思（Oculus Rift）的出現(xiàn)將人們視野重新拉回到VR領(lǐng)域，開啟了VR發(fā)展的新時(shí)代。同時(shí)，在過去的20年里，大量研究者對VR技術(shù)在醫(yī)療方面支持可視化、模擬和干預(yù)指導(dǎo)的能力，以及幫助診斷、分類或治療的能力展開了評估［7-8］。

2" VR在眼部疾病研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1" 在弱視方面的應(yīng)用

弱視是兒童視力障礙最常見的疾病，患病率為2%～3%［9］。張威等［10］的研究發(fā)現(xiàn)，VR視覺訓(xùn)練對治療3～6歲兒童輕度屈光參差性弱視療效更顯著，表明基于VR的視覺訓(xùn)練不僅可以提高患兒視力，還有助于改善雙眼立體視覺。任小軍等［11］分析“增視能”視覺VR訓(xùn)練軟件對172例5～8歲弱視兒童的治療效果，結(jié)果表明該軟件對屈光不正性弱視治愈效果優(yōu)于屈光參差性和斜視性弱視。WADDINGHAM等［12］開發(fā)了一種新型交互式雙目治療（I-BiTTM）系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過使用動(dòng)態(tài)刺激治療弱視和斜視，6例患兒弱視眼經(jīng)過每周1～2次，每次20 min的訓(xùn)練，視力平均增加了10個(gè)字母，而對I-BiTTM治療有反應(yīng)的5名患者視力平均增加了13個(gè)字母，整個(gè)治療過程中無患兒出現(xiàn)不適反應(yīng)。RAJAVI等［13］使用I-BiTTM系統(tǒng)治療弱視兒童，發(fā)現(xiàn)停止使用I-BiTTM系統(tǒng)1月后無弱視復(fù)發(fā)病例，表明該系統(tǒng)有望作為一種治療兒童弱視的新技術(shù)手段。此外，RASTEGARPOUR［14］也開發(fā)了一種基于VR的弱視治療系統(tǒng)ABG InSight （v1.2β），該系統(tǒng)使用帶有濾色片的眼鏡能夠成功過濾掉某種顏色的元素，使得患者必須使用弱視眼完成訓(xùn)練從而達(dá)到治療目的。由此可見，VR在弱視的治療方面具有巨大潛力，但基于VR治療弱視研發(fā)的ABG InSight系統(tǒng)由于收集的樣本量小、臨床數(shù)據(jù)較少，只是一個(gè)潛在治療方法，而對有效治療弱視仍需繼續(xù)研究和改進(jìn)。

2.2" 在斜視方面的應(yīng)用

斜視是一種以雙眼無法看到同一方向?yàn)樘卣鞯囊曈X障礙［15］。兒童斜視的發(fā)生與第三腦神經(jīng)麻痹有關(guān)，VR技術(shù)可以給予大腦視覺刺激，觸發(fā)神經(jīng)可塑性機(jī)制，促進(jìn)突觸增強(qiáng)，從而達(dá)到治療目的。LI等［16］進(jìn)行了一項(xiàng)針對間歇性外斜視（IXT）患者雙眼視覺神經(jīng)可塑性訓(xùn)練效果的研究。通過6月的感知訓(xùn)練，25例5～39歲IXT患者的斜視程度下降，并發(fā)現(xiàn)患者的立體視覺得到重建，說明利用VR進(jìn)行感知訓(xùn)練可以修復(fù)視覺功能缺陷。有研究發(fā)現(xiàn)VR可用于居家監(jiān)測斜視［17］，這為斜視的早期發(fā)現(xiàn)提供了較為便利的途徑；同時(shí)，MOON等［18］還開發(fā)了一個(gè)VR應(yīng)用程序，用于斜視的診斷訓(xùn)練；此外，VR用于小兒眼科斜視教學(xué)，使學(xué)生通過與信息、環(huán)境的互動(dòng)來獲得知識(shí)和技能，從而彌補(bǔ)了現(xiàn)階段斜視教學(xué)存在的諸多不足［19］。但是由于兒童配合醫(yī)生檢查程度欠佳，使得斜視的檢查、診斷難以掌握，導(dǎo)致斜視誤診誤治現(xiàn)象較多，因此VR在斜視治療方面有待進(jìn)一步研究。

2.3" 在近視方面的應(yīng)用

近視是最常見的眼疾，通常始于6～12歲。ZHAO等［20］基于周圍離焦假說和光照假說，提出VR可較好地模擬近中心離焦?fàn)顟B(tài)，從而調(diào)節(jié)和控制眼軸伸長。研究發(fā)現(xiàn)，使用VR可訓(xùn)練睫狀肌，緩解睫狀肌痙攣，釋放視覺疲勞，減緩近視發(fā)展［21-22］。TUENBULLl等［23］發(fā)現(xiàn)佩戴VR HMD后，脈絡(luò)膜厚度顯著增加。脈絡(luò)膜是視網(wǎng)膜和鞏膜的中介，脈絡(luò)膜厚度的變化反映了眼睛中視網(wǎng)膜和鞏膜之間生長信號(hào)通路的變化［24］。脈絡(luò)膜厚度增加發(fā)生在近視散焦后，表明視力增長減慢，近視進(jìn)展減緩［25-28］。AMORIM-DE-SOUSA等［29］使用VR接受藍(lán)光刺激后，發(fā)現(xiàn)藍(lán)光刺激對近視有改善作用。

雖然VR理論上可以用于近視預(yù)防和控制，但現(xiàn)有VR設(shè)備分辨率低，視野小，過度使用VR設(shè)備甚至可能加速青少年近視的進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)近視兒童在玩VR游戲30 min后，立體視敏度被破壞，雙眼平衡值急劇惡化［20］。所以，即使VR設(shè)備可用于近視預(yù)防和控制，也需要更多的研究以評估其對青少年視覺功能的影響，建立安全使用的科學(xué)指導(dǎo)。

2.4" 在白內(nèi)障手術(shù)訓(xùn)練中的應(yīng)用

白內(nèi)障手術(shù)是眼科最常見的手術(shù)，在眼科學(xué)培訓(xùn)中占有重要地位。VR手術(shù)模擬器為醫(yī)師和研究生在風(fēng)險(xiǎn)低、仿真度高的虛擬環(huán)境中提供手術(shù)訓(xùn)練，這種學(xué)習(xí)模式既保證了訓(xùn)練效果，又避免了在真實(shí)人體上操作而造成可能的風(fēng)險(xiǎn)。目前白內(nèi)障手術(shù)培訓(xùn)中應(yīng)用最多的是EyeSi手術(shù)模擬器。李佳駿等［30］將EyeSi手術(shù)模擬器應(yīng)用于眼科住院醫(yī)師白內(nèi)障手術(shù)技能培訓(xùn)，發(fā)現(xiàn)EyeSi手術(shù)模擬器組住院醫(yī)師操作考核評分高于實(shí)體動(dòng)物手術(shù)操作訓(xùn)練組。THOMSEN等［31］通過在EyeSi手術(shù)模擬器上對不同熟練程度的眼科醫(yī)師進(jìn)行白內(nèi)障手術(shù)培訓(xùn)，經(jīng)過VR訓(xùn)練后，新手和有手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師的手術(shù)室表現(xiàn)均有不同程度提高。EyeSi手術(shù)模擬器除了提高臨床手術(shù)技能，還能降低白內(nèi)障手術(shù)后囊破裂率（PCR）。FERRIS等［32］研究了EyeSi手術(shù)模擬器使用前、后或不使用對PCR率的影響，結(jié)果顯示模擬器訓(xùn)練可顯著降低術(shù)后PCR率，通過術(shù)前培訓(xùn)，對即將開始手術(shù)的醫(yī)師非常有益。綜上所述，臨床醫(yī)師使用VR手術(shù)模擬器訓(xùn)練白內(nèi)障手術(shù)所獲得的經(jīng)驗(yàn)使手術(shù)效率更高，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)更低。

2.5" 在青光眼中的應(yīng)用

青光眼是導(dǎo)致不可逆盲的主要原因，定期檢查視功能、視乳頭和視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層有助于及早發(fā)現(xiàn)青光眼并進(jìn)行干預(yù)［33］，因此對視功能的定期評估是青光眼診斷和長期治療的關(guān)鍵。FBIO等［34］進(jìn)行一項(xiàng)尋路實(shí)驗(yàn)，以莫里斯水迷宮導(dǎo)航任務(wù)為模型，使用VR構(gòu)建兩個(gè)不同房間（房間A具有多個(gè)視覺線索，房間B具有單一視覺線索）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。青光眼患者在房間A中執(zhí)行尋路任務(wù)平均花費(fèi)時(shí)間高于健康受試者，而在房間B中完成任務(wù)所花時(shí)間沒有明顯差異，該結(jié)果表明VR環(huán)境可能是評估視功能的有用方法。評估20例青光眼患者對iCare HOME眼壓計(jì)（HT）和虛擬視野（VF）設(shè)備在青光眼家庭監(jiān)測中的可接受性和可行性，結(jié)果表明73.7%患者認(rèn)為VF易于使用且對青光眼監(jiān)測有用［35］。此外，VR可用于青光眼篩查，但不能用于青光眼嚴(yán)重程度的分級［36］。而眼動(dòng)跟蹤技術(shù)可作為青光眼患者注視模式的一項(xiàng)評估工具，用于青光眼早期篩查［37］。FAN等［38］對青光眼患者進(jìn)行雙眼VR訓(xùn)練，視野指數(shù)和平均缺損在訓(xùn)練3個(gè)月后顯著改善，表明雙眼VR訓(xùn)練可以顯著改善青光眼患者的視野缺損。

2.6" 對眼調(diào)節(jié)與聚散（輻輳）功能的研究

長時(shí)間使用VR可導(dǎo)致眼球適應(yīng)能力、聚散性降低和視覺不適，包括視疲勞、干眼癥、調(diào)節(jié)性斜視、視頻終端綜合征等功能性眼?。?9］。YOON等［40］發(fā)現(xiàn)，使用VR 30 min引起集合近點(diǎn)和調(diào)節(jié)近點(diǎn)增加，同時(shí)出現(xiàn)流淚、視力模糊、復(fù)視等癥狀，但不會(huì)引起屈光度變化。LONG等［41］發(fā)現(xiàn)，每次使用VR 10 min，調(diào)節(jié)幅度增加了0.53，而視力、屈光不正和瞳孔直徑無變化。這表明使用VR可顯著改善成年人眼球的調(diào)節(jié)幅度，而不改變視力和屈光不正。有研究發(fā)現(xiàn)，使用VR治療聚散功能不全調(diào)節(jié)功能障礙治療12周，測試雙眼聚散/調(diào)節(jié)功能，受試者輻輳功能不全癥狀、正融合聚散性、近水平隱斜、單眼調(diào)節(jié)幅度和單眼調(diào)節(jié)靈活度均有改善［42］，表明其是一種新的治療聚散/調(diào)節(jié)功能障礙的方法。

3" VR與眼科培訓(xùn)

眼科學(xué)是以手術(shù)操作為基礎(chǔ)的專業(yè)學(xué)科，需要熟練精確顯微技術(shù)操作，但住院醫(yī)師和研究生往往缺乏足夠的實(shí)踐機(jī)會(huì)，VR為這一困境提供了解決方案，VR可以使住院醫(yī)師和研究生不受時(shí)間、場地的限制，反復(fù)在不同的臨床場景下訓(xùn)練并掌握臨床操作。WILLIAMS［43］將VR應(yīng)用于瞳孔檢查，96%的受訪者認(rèn)為VR可提高其練習(xí)瞳孔檢查的信心和能力，因此VR可作為一種學(xué)習(xí)工具，提供特定的學(xué)習(xí)場景。JIN等［44］開發(fā)一個(gè)可模擬年齡相關(guān)性黃斑變性、青光眼、遠(yuǎn)視和糖尿病視網(wǎng)膜病變的軟件，該軟件包含處于正常和病理狀態(tài)的眼球解剖結(jié)構(gòu)，眼科學(xué)學(xué)生可使用該軟件認(rèn)識(shí)了解不同狀態(tài)眼球結(jié)構(gòu)，為眼科學(xué)學(xué)生提供新的實(shí)踐方法。隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展，其在眼科教學(xué)中的應(yīng)用將更廣泛更深入。在高等醫(yī)學(xué)教育中，VR技術(shù)可模擬疾病狀態(tài)、眼球解剖結(jié)構(gòu)以及臨床任務(wù)等教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在開放、自主、互動(dòng)的虛擬環(huán)境中，運(yùn)用多種感官自主探索和體驗(yàn)，開展高效、安全、經(jīng)濟(jì)的學(xué)習(xí)實(shí)踐［45］。VR教學(xué)可有效地模擬真實(shí)的醫(yī)學(xué)教學(xué)環(huán)境，不受場地時(shí)間的限制，發(fā)揮夯實(shí)學(xué)生理論基礎(chǔ)、增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力、提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力、提高教學(xué)質(zhì)量的作用［46］。

4" 應(yīng)用困境

眼睛是人類感官中最重要的器官，大腦中大約80%的知識(shí)都是通過眼睛獲取的，眼睛的重要性不言而喻?，F(xiàn)階段臨床醫(yī)學(xué)生眼球解剖仍然使用豬眼球，但兩者結(jié)構(gòu)存在差別，操作手感亦有不同之處，使用豬眼球獲得的實(shí)踐能力并不能完全應(yīng)用于人眼。如何將VR推廣應(yīng)用到眼科解剖仍然是研究者需要解決的問題。此外，將“眼科”、“虛擬現(xiàn)實(shí)”作為關(guān)鍵詞，在知網(wǎng)、萬方等網(wǎng)站上檢索國內(nèi)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，眼科學(xué)與VR的相關(guān)研究較少，表明兩者結(jié)合的研究不夠深入，未來研究者可加強(qiáng)此方面研究。VR軟件開發(fā)與制作存在軟件開發(fā)者缺乏醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)知識(shí)，存在軟件操作性與專業(yè)性之間的問題，使得VR技術(shù)在眼科培訓(xùn)過程中也面臨一定的困境［47］。最后，VR的成本問題也是制約VR技術(shù)推廣應(yīng)用的一大阻礙。

5" 展" 望

作為一項(xiàng)新興技術(shù)，VR技術(shù)在眼科各領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢日趨明顯。在弱視/近視的治療中，基于VR的視覺訓(xùn)練不僅對視覺神經(jīng)的可塑有效果，還能改善雙眼立體視覺、提高雙眼視力、修復(fù)視覺功能缺陷，亦能訓(xùn)練睫狀肌，增加脈絡(luò)膜厚度，減緩近視發(fā)展，為眼部疾病的治療提供了新的方法。在手術(shù)模擬領(lǐng)域，現(xiàn)有手術(shù)模擬器多用于白內(nèi)障手術(shù)的訓(xùn)練，對于眼科其他手術(shù)如青光眼、視網(wǎng)膜手術(shù)、腫瘤切除術(shù)等暫無應(yīng)用，未來需開發(fā)更多手術(shù)模擬器種類以應(yīng)對手術(shù)學(xué)習(xí)需求。但VR技術(shù)仍存在一定問題，HMD顯示屏質(zhì)量和計(jì)算能力限制了能夠開發(fā)虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境的模擬，不利于VR推廣。因此，VR仍需繼續(xù)發(fā)展，以期未來能夠進(jìn)行大樣本、高質(zhì)量、大范圍的研究。

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（編輯" 國" 榮）