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2023年7月 第38卷 第7期11
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虚拟现实技术在儿童青少年近视视觉功能异常中的应用研究

Application of virtual reality based visual training in children and adolescents with myopia

来源期刊: 眼科学报 | 2023年11月 第38卷 第11期 730-735 发布时间: 收稿时间:2024/3/13 15:50:36 阅读量:1955
作者:
关键词:
近视短期可塑性训练立体视功能虚拟现实技术
short-term plasticity training myopia stereoscopic function virtual reality technology
DOI:
10.12419/2309240002
目的:比较轻、中、重度近视患儿之间的视觉功能的差异,探索虚拟现实下的短期可塑训练对近视视觉功能的改善效果。方法:选择2022年6月—2022年9月就诊于苏州大学附属儿童医院的6~16岁儿童102例,按照屈光度分为正常对照组、轻度近视组和中重度近视组,进行眼科常规检查和视知觉功能检查,并进行视觉短期可塑训练。结果:近视患儿存在立体视功能缺损,近视程度与精细立体视功能损害呈正相关,各组之间比较差异具有统计学意义(P<0.05),部分患儿存在中心凹抑制。训练后,轻度近视组的中距离精细立体视功能得到改善,比较差异具有统计学意义(P<0.05)。结论:近视患儿存在立体视功能异常和中心凹抑制,且立体视功能的损害随着近视程度的增加而加重。轻度近视患儿部分精细立体视功能经过虚拟现实短期可塑训练可得到改善,而中重度近视患儿精细立体视功能改善不明显。
Objective: To compare the difference of visual function among children with myopia in different diopter, and explore the effect of short-term plastic training of virtual reality on visual function improvement. Methods: The 102 children aged 6-16 years who admitted to Children's Hospital of SoochowUniversity from June 2022 to September 2022 were recruited and divided into control group, mild myopia group and middle and high myopia group according to diopter. Routine ophthalmologic examination and visual perception function examination were carried out, and short-term plastic training was implemented. After the training, visual perception function examination was completed again. Results: There were significant differences in stereoscopic function defect at different distances among myopic children, a negative correlation between myopia and stereoscopic function was found. while there were several cases have foveal suppression. After training, the fine stereopsis at medium distance of the mild myopia group was significantly improved with significance statistical difference. Conclusions: Myopia can lead to the abnormality of stereopsis and foveal suppression in children. The defect of binocular visual function increases with the increase of myopia. Short term plastic training of virtual reality can partially improve the fine stereoscopic function of mild myopia children whileshowsnosigni ficanceimprovementof the fine stereoscopic function in middle and high myopia group.
视觉系统的异常发育会导致不同类型的眼病,其中最常见的是近视,主要表现为视远时锐度降低以及视觉信息加工处理的异常,包括对比敏感度[1-2]、模糊感知[3-4]、双眼视觉[5]、双眼平衡[6]以及注意力[7]。Vera-Diaz等[5]发现近视患者的时间视觉处理存在异常。还有研究者发现,重度近视患者视觉通路的敏感度降低,尤其是负责运动感知的大细胞途经的敏感度下降[8]
现阶段对于近视的研究主要针对近视防控中矫正视力以及眼轴变化,而对于近视本身是否能影响患儿视觉功能的研究仍不十分清楚,其具体机制尚未明确。因此本研究旨在比较正视患儿以及近视患儿之间的视觉功能差异,并探索虚拟现实的短期可塑训练对视觉功能改善效果,期望能加深关于近视对视觉功能影响的认识。

1 资料与方法

1.1 研究对象

选取2022年6月—9月首次就诊于苏州大学附属儿童医院眼科门诊的6~16岁近视患儿。招募散瞳后球镜度数小于?0.50 D的初诊近视患儿入组[9],入组患儿既往没有进行过任何形式的屈光矫正,排除屈光间质、眼部器质性病变、1.00 D以上的散光以及斜弱视等疾病,入组102例(男56例、女46例)。按屈光度分为对照组28例,轻度近视组(等效球镜度数?0.50~?3.00 D)56例和中重度近视组(中度近视?3.00~?6.00 D,重度近视大于?6.00 D)18例[10-11]。所有的患儿以及患儿家属均对本研究的内容以及风险知情同意,受检者家属均已签署知情同意书,本研究方案遵循《赫尔辛基宣言》,经苏州大学附属儿童医院伦理委员会批准(批件号:2016KS004)。

1.2 检查方法

眼科检查方法:门诊所有患儿均测量裸眼视力,进行快速散瞳检影验光结果测量患儿的屈光度;规律戴镜3个月后复诊并完成视知觉功能检查。双眼视知觉功能检查包括Titmus立体视和随机点静态0阶立体视检查、中心凹抑制检查。轻度和中重度组进行短期可塑训练后再次完成视知觉功能检查(训练前后的视知觉功能检查和短期可塑训练均在戴镜状态下进行)。
Titmus立体视检查方法:在自然光线下,受检儿童眼距离Titmus手册(美国 Stereo Optical公司)上图像0.4 m,受检儿童佩戴偏光3D眼镜,首先通过观察蝴蝶图片判明是否具有立体视功能,在患儿具有立体视之后,指导患儿指出圆圈图中由1~9号中每个编号图形凸起的圆圈位置,1~9号依次代表了800″、400″、200″、140″、100″、80″、60″、50″和40″,按照患儿能看到的最小秒角记录结果。
随机点静态0阶立体视检查方法:使用灰色背景(44 cd/m2)下的随机点分布图(54 cd/m2),背景图大小为5°×5°;背景图中央置一枚随机点组成的3°×3°大小的E视标,视标具有不同的视差,依次为100″、200″、300″、400″,视标周边参考点始终保持相对零视差。被检查者佩戴分光镜观察视标,在分别距离屏幕0.8 m(中距离)和1.5 m(远距离)判断视标中E字母开口方向后按下键盘上相同方向的按键。检查时按照400″、300″、200″和100″的顺序进行检查,能感知上述视标即可判定其具有立体视觉功能;患儿能感知100″结果记为4分,200″记为3分,300″记为2分,400″记为1分,无法感知记为0分。
中心抑制检查方法12:受检者位于光线合适的环境中,佩戴分视镜,距离屏幕0.8 m,屏幕显示出F和L两个视标,操作者手动将两眼的图像重合。询问受检者看到的图像结果。受检者如看到E字母则记为5分,若看到EF或者EL任意一项记为4分,若看见ELF图像则记为3分,看见F或者L图像记为2分,如果看见LF图像则记为1分。分数越低则患儿中心抑制越明显。

1.3 虚拟现实短期可塑训练

受试者进行虚拟现实短期可塑性训练[13-15]。通过佩戴虚拟现实(virtual reality,VR)眼镜一体机(PICO NEO3)进行立体视训练。在训练过程中,眼睛可以远近、左右、上下交替,并旋转 360°。这样,眼睛可以在虚拟环境中改变角度、方向和视距,并通过操纵手柄,判断由远及近的方块的箭头方向。每个受试者接受了2次立体视训练,每次训练时长为6 min,中间休息5 min。不同年龄儿童以及不同组患儿接受的训练方式均相同。

1.4 统计学方法

使用SPSS19.0软件(IBM公司,Aemonk,NY)进行统计分析。使用方差分析比较不同组之间年龄差异,Bonferroni法两两比较不同组间的年龄差异;使用独立样本Kruskal-Wallis比较训练前各组之间的差异,比较不同组之间的差异时检验水准经过校正,P值均为校正后的结果(除以比较次数);使用Spearman秩相关分析近视与立体视、黄斑中心凹之间的相关性;使用Wilcoxon符号秩检验比较各组训练前后的改善情况;使用χ2检验比较组间性别差异。P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 基本资料

本研究共纳入患儿102例,基本信息以及统计结果详见表1。

表1 基本资料及统计结果

Table1 Basic information and statistical results

针对年龄使用方差分析ANOVA组间差异结果显示P<0.001,提示不同组间年龄分布存在差异,两两比较显示正常组与近视组之间差异具有统计学意义P<0.001,近视患儿年龄更大,轻度近视组与中重度近视组之间差异不具有统计学意义P=0.584。针对性别使用χ2检验分析显示P=0.046,提示不同组之间性别组成有所不同,近视患儿与对照组相比男性患儿比例较高。
由于各组之间年龄分布差异存在统计学意义,且年龄大小可能影响患儿对视觉功能检查的结果,我们在进行整体比较的同时将患儿进一步分为低龄(<10岁)和高龄(≥10岁)分层统计分析以减少误差。

2.2 短期可塑训练对双眼视感知觉功能的影响

2.2.1 短期可塑训练对立体视功能的影响和改善
1)训练前近视程度与中距离(0.8 m)和远距离(1.5 m)精细立体视均呈负相关,中距离相关系数?0.543、P<0.001,远距离相关系数?0.406、P<0.001。随着近视程度的增加,患儿中距离以及远距离的精细立体视功能均下降,故近视程度与精细立体视功能损害呈正相关性,各组之间比较结果差异具有统计学意义(图1 A、B)。
进一步按照年龄分层分析,低龄儿童中距离(0.8 m)和远距离(1.5 m)精细立体视与近视程度呈负相关,中距离相关系数?0.363、P=0.002,远距离相关系数?0.348、P=0.013。高龄儿童中距离(0.8 m)和远距离(1.5 m)精细立体视与近视程度呈负相关,中距离相关系数?0.527,P<0.001,远距离相关系数?0.353,P=0.010。
Titmus检查(0.4 m)秒角度与近视程度具有正相关性,相关系数为0.305、P=0.002,提示近视程度越高,受检者Titmus检测结果的秒角值越高,立体视功能越差。各组之间分布差异具有统计学意义(图1 C)。
图1 训练前各组之间立体视功能的差异
Figure 1 Differences in stereoscopic vision function between groups before training
进一步按照年龄分层分析,低龄儿童Titmus检查秒角度与近视程度呈正相关,相关系数为0.305、P=0.023;高龄儿童Titmus检查秒角度与近视程度无关(P=0.064)。
2)训练后各组立体视功能的改善
中距离精细立体视:轻度组训练后与训练前立体视功能比较差异具有统计学意义(P=0.026,图2)。训练后轻度近视组患儿中距离立体视功能较训练前有提高。
图2 训练后各组之间中距离立体视功能的差异
Figure 2 Differences in mid range stereoscopic vision function between groups after training
远距离精细立体视:经过短期训练后远距离精细立体视改善不明显。Titmus检查:训练后轻度近视以及中重度近视组较训练前无明显改善。
进一步按照年龄分层分析,低龄儿童训练前后Titmus检查、中距离以及远距离立体视功能比较差异无统计学意义,而高龄儿童中轻度组训练后中距离精细立体视得到改善,差异具有统计学意义(P=0.041)。
2.2.2 短期可塑训练对中心凹抑制功能的影响和改善
部分患儿训练前存在E视标检测黄斑中心凹抑制,部分患儿存在中心凹抑制(F/L,LF)的情况(见表2),组间分布差异不具有统计学意义(Kruskal-Wallis,P=0.810),将近视度与中心凹抑制程度进行相关分析,相关系数?0.185、P=0.138,无明显相关性。训练后轻度近视组8/56患儿中心凹抑制改善,中重度近视组4/18患儿中心凹抑制得到改善,但与训练前整体比较差异无统计学意义。

表2 各组检查前中心凹抑制检查结果

Table 2 Results of central depression inhibition test before each group examination

进一步按照年龄分层分析,发现低龄儿童中正常组与高龄组各组之间分布比较差异不具有统计学意义,训练前后比较差异亦不具有统计学意义。

3 讨论

在学龄期尤其是早期发生的近视,不仅导致屈光不正、远视力下降,还因患儿处于视觉发育的时期,近视可影响患儿的视觉功能和视觉皮层的发展。本研究结果表明,近视患儿双眼视功能的损害随着近视程度的增加而加重。
在患儿规律戴镜3个月后仍然存在视觉功能的缺损,本研究发现近视患儿近距离Titmus立体视、中距离和远距离精细立体视相较于正常对照儿童均出现下降,近视程度与患儿立体视功能呈负相关,提示随着近视程度的增加,患儿远、中、近立体视功能均下降。近视患儿还可出现中心凹抑制的情况,部分患儿存在单眼抑制,通过训练后部分可改善。研究显示中心凹抑制可能与黄斑区视觉突触数量减少有关[16-17],且与视觉皮层信号处理降低均有关系[18]。患儿视觉功能的损害可能与其屈光不正有关。
本研究评估了VR短期可塑性训练是否可以改善近视患儿立体视觉功能。近年来,VR已成为一种新的、安全、有效的工具,用于不同条件下的神经康复[19-20]。通过触发神经可塑性机制,促进视觉感知缺陷的康复[15]。本研究对近视患儿进行VR短期可塑性训练,可使其立体视功能以及中心凹抑制部分得到改善。在数字技术发展中出现的新疗法中,VR已成为视觉训练领域非常有吸引力的工具,可促进视觉治疗的依从性。与计算机生成的3D环境的呈现一致,VR使用户能够完全沉浸在模拟世界中,通过多种感官通道进行视觉、听觉或触觉交互。基于VR的治疗可以诱导皮层重组,并促进不同年龄阶段不同神经元连接的激活,从而导致运动和功能技能的对比改善。
相对比之前单纯地观看(如佩戴红蓝眼镜或偏振眼镜)视觉刺激的训练方法,基于VR技术的视觉训练是传统视觉训练一种更有趣的替代方案,可以控制每只眼睛中看到不同的图像,并可以通过使用手部追踪功能在模拟环境中加强手眼协调技能的练习。通过VR环境给患儿提供了丰富的、身临其境的(深度感知、全视野刺激)感知体验,这对单(视觉)和多感官(视听)选择性注意力提出了强烈要求,同时进行自然的手部运动和身体运动(如抓取目标、身体旋转以躲避障碍物)。来自国外的研究表明[21-24],在VR环境中进行一项类似游戏的视觉训练,患有弱视的成年人立体视觉有所改善,表明提供 3D 提示和丰富反馈的基于 VR 的训练可能会更好地改善弱视患者的立体视觉,同时也提高了治疗依从性。然而,目前国内外还没有关于通过VR的短期可塑性训练在近视患儿视觉功能改善方面的报道和研究,因此,需要更多的研究来确定在各种更大的临床人群中通过VR进行视觉治疗的有效性。
本研究结合短期可塑性训练不仅为近视视觉功能的恢复提供新的方法,也为近视对视觉的损害的机制研究提供新的思路。这种新型的训练方法简单、易行,低龄儿童接受度高、配合程度好,同时又具有针对性强、互动性高、形式简单内容丰富的特点,患儿以及家属能在短时间内了解到儿童视觉可塑的潜力,增强患儿及其家属的依从性以及对治疗的信心。未来的临床研究应在更大样本的患儿中评估基于VR的近视患儿视觉功能的影响。在深入了解各种感觉和触觉操作如何影响神经过程之后,基于VR干预的全部潜力才会显现出来,因此需要进一步进行成像研究来评估基于VR的干预对大脑激活模式的影响以及各种训练参数对大脑功能长期变化的影响,以指导未来的临床研究。

利益冲突

所有作者均声明不存在利益冲突。

开放获取声明

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23、Godinez A, Martín-González S, Ibarrondo O, et al. Scaffolding depth cues and perceptual learning in VR to train stereovision: a proof of concept pilot study[ J]. Sci Rep, 2021, 11(1): 10129.Godinez A, Martín-González S, Ibarrondo O, et al. Scaffolding depth cues and perceptual learning in VR to train stereovision: a proof of concept pilot study[ J]. Sci Rep, 2021, 11(1): 10129.
24、Li RW, Tran KD, Bui JK, et al. Improving adult amblyopic vision with stereoscopic 3-dimensional video games[ J]. Ophthalmology, 2018, 125(10): 1660-1662.Li RW, Tran KD, Bui JK, et al. Improving adult amblyopic vision with stereoscopic 3-dimensional video games[ J]. Ophthalmology, 2018, 125(10): 1660-1662.
1、江苏省妇幼健康科研项目(F201910)。
This work was supported by the Maternal and Child Health Science Research Project of Jiangsu Province(F201910).()
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