VR生物反馈实验室的建设与应用

谭静仪 许晓丹 李劼昊 王庭槐 董雪

摘 要：虚拟现实（VR）是用户利用视、听、嗅、触等各种感觉通路完成对实际的模拟。VR科技能够给生物反馈系统带来更真实的生物反应现场环境与反馈信息，并且二者的融合比传统的生物反馈科技有着更巨大的优越性。本文简要介绍广州新华学院VR的生物反馈实验室的建设及应用情况，为其他高校基于VR的生物反馈实验室建设及设备研制提供思路。

关键词：虚拟现实；VR生物反馈；实验室建设

1 实验室建设的意义

虚拟现实技术（VirtualReality，VR）是计算机所制作的一种三维的虚拟世界，借助设备为使用者进行基于视、听、触觉的感受虚拟，并通过键盘、鼠标、VR等设备对操作进行人机交互，让客户有身入其境的感觉，这也是VR技术主要特征即用户置身于由计算机系统生成的交互式的三维虚拟环境中，与之进行交互。参与者作为完整的个体投入其中，各种感知过程都得以完整实现。VR设备因其拥有强大的临场性、沉浸感的特性，弥补了传统方式的缺陷。［1］

生物反馈技术是运用现代科技手段，把人类一般注意不到的人体生物信息，如肌电、脑波、皮温、心率、血压等转化为能够让病人所察觉到的生物信息，包括视、听信息等，使病人通过这种信息，学会在特定区域内进行调节内脏器官功能的行为，从而矫治脱离正常区域的内脏行为的治疗手段与方法，是符合生物—心理—社会医学系统的一项非治疗、无创性、能使患者终身受益的、对心身疾病尤为有效的认知行为疗法。目前生物反馈作为身心疾病（高血压、偏头痛、注意力缺陷、肩颈痛、失眠、焦虑症等）治疗常规的有机组成部分并广泛应用于临床治疗。如今科技日益发达，行业间密切合作，“VR+X（应用领域）”技术被广泛应用，已成为行业内都可以采取或更进一步开发的新动力来源，尤其是VR技术和生物反馈科技与身心疾病的结合。［2］

虚拟现实应用领域的Burdea指出“虚拟现实是电脑用户利用视、听、嗅、触等各种感觉通路完成对实际的模仿。”VR科技能够给生物反馈系统带来更真实的生物反应现场环境与反馈信息，并且二者的融合比传统的生物反馈科技有着更巨大的优越性［3］。在此背景下，广州新华学院在王庭槐校长的带领下，经过多年的努力，建成了VR生物反馈综合实验室。本文简要介绍本校VR的生物反馈实验室的建设及应用情况，为其他高校基于VR的生物反馈实验室建设及设备研制提供思路。

2 实验室配置与平台

广州新华学院生物反馈综合实验室，是由“万人计划”王庭槐教授领衔创建的国内首间集教学、科研、临床应用“三位一体”的实用型实践教学科研平台。实验室建筑面积约185平方米，包括生物反馈实验室及分子医学实验室两大平台，共五间实验室，具备完成核酸扩增、蛋白表达水平检测、细胞功能学验证等分子实验技术的条件，也可实现实时监测多种人体生理指标及生物反馈训练。近年来，该室结合虚拟现实技术，为生物反馈训练提供逼真的反馈场景和反馈信号，进一步完善了平台科研条件。

本研究所建筑周围均实行了C级屏蔽，以期将外部电磁干扰降到最低，目前已配备了NEXUS32高参数生物反馈仪等装置，可记录ERP的生物相关电势信息，24导脑电地形图，神经反馈（24导电极脑电、8导双极脑电，肌电、心电、皮电、皮温、血容积、吸氧），SCP大脑皮层的电势信息，EOG眼电信息，HRV心率变异性生物信号，初步具备学生进行实验条件，鼓励学生投入到自主科研项目当中，提升学生的科研能力。

借助于以计算机技术为核心的虚拟现实信息技术，本实验室成功构建了基于虚幻现实技术的生物回馈科技平台，用以克服传统单纯的生物反馈方式，形成与特定区域内现实环境在视、听、触觉等领域类似的生物数字化学习环境，帮助受试者达到理想的生物反馈状态。

以下是本实验室的四个主要分室的实景图：

上图为MindMediaNEXUS32多参数生物反馈仪（配套Biotrace分析系统），用途：可支持ERP事件相关电位技术、24导脑电地形图、神经传递（24导电极脑电、8导双极脑电，肌电、心电、皮电、皮温、血容积、通气）、SCP脑皮层慢电势术、EOG眼电术、HRV心率变化分析技术等功能，用于生理心理行为监测和生理信号采集分析。

图3a所示仪器为Biorad超高灵敏度快速免疫印迹成像分析系统，用途：由影像采集、图像处理、统计分析等构成。它可利用分析中直接获取的DNA、RNA、核酸、蛋白电泳等数据的成像技术和研究，最后可得到凝胶条带的峰值、蛋白质量或碱基对数、范围、长度、距离、体积以及样本的数量。

图3b所示仪器为Biorad实时荧光定量PCR儀，用途：基因表达差异定量、标准曲线定量，HRM高分辨溶解曲线分析。

用途：沉浸式体验设备。通过虚拟现实搭建场景，实现在医疗和教学领域的应用。比如让医学生佩戴VR头显进入虚拟手术室观察人体各项器官、神经元、心脏、大脑等，并进行相关临床试验，让药学生戴VR头显模拟在药房的配药操作，以及进行生物反馈的场景设定。

用途：任何人体结构都可以独立实现360度无死角旋转，从任意角度查看、学习解剖结构；三维模型数据来源于国内知名医学专业本科院校尸体标本资源库，尸体切片厚度≤0.5mm。

3 实验室的应用

作为创新型科研平台，该实验室为我校入选“六大人才计划”的青年教师提供创新科研场所，有助于提高教师科研水平及科研成果质量。该实验室作为教学平台面向全校医学相关专业学生开设公选课《分子医学实验技术》《生物反馈疗法及其应用》，并且为生理学、医学信息、药学、生物医学工程、心理学多个专业提供教学与科研的资源，致力于培养高素质、应用型医学技术人才，为医疗、健康中心等机构提供人才储备。

在教学中，“VR+沉浸体验式学习模式”使实验教学变得更加生动有趣和立体，节约了实验材料、避免了一些实验危险。例如，就局部解剖学方面而言，传统的2D影像中很多的细节因为拍摄角度问题，都没有很好的表现。通过以VR方式呈现的视频，360度的可视感受效果将会大大提高学生的练习积极性，让学生更加清晰地看到动作细部和易于忽略的解剖区域，提高学习效率，又例如，在传统的生物反馈实验平台上，放松过程通常要求参加者想象一定的放松场景，如海边，树林，草地等。但是参加者有时候也会由于紧张、怀疑等原因无法迅速地投入其中而达到完全放松，这样就为整个过程的完成造成了相当的障碍，从而导致活动持续时间的拉长，并形成了疲劳效果。虚拟现实也会让其沉浸在其中，不感到单调乏味。通过使用生物反馈仪呈现的椰子树的随风摇曳，随着阳光模拟吊床摇摆，海面的潮汐浪涌，使图像与生物指标相连接，如出现了“日出日落”的动画，当气温升高时，太阳上升，使其沉浸程度增加，从被动的引导想象转为主动放松，从而提高了生物反馈的有效性，这样结合无疑对想象力差的参与者比较适合。［4］又如，让药学生戴VR头显模拟在药房的配药操作。

在科研上，该实验室为教师提供了各类仪器设备供使用，目前依托该实验室已展开的科研项目如下表所示：

结语

VR生物反馈实验室，创造了一个逼真的实验环境，让学生和教师能够高效地完成专业的教学与科研内容。虚拟现实技术的逼真仿真模拟和自然的人机交互性大大地提高学校的教学质量，让生物反馈相关的实验成为现实。

参考文献：

［1］闫晓丽，郑延斌，姚飞，等.基于虚拟现实技术的网络虚拟化学实验室的设计实现［J］.科技视界，2013（33）：2627.

［2］许百华，赵业.虚拟现实技术在心理治疗中的应用［J］.心理科学，2005，28（3）：654655.

［3］李涛.虚拟现实技术在心理治疗中的应用［J］.中国临床心理学杂志，2005，13（2）：244246.

［4］高浩，赵雨薇，王一儒，等.基于VR的生物反馈技术在心理领域的应用与发展［J］.科技经济市场，2018（5）：2.

基金：广州新华学院科研项目：虚拟现实技术辅助心率变异性生物反馈干预抑郁的疗效及其机制（2018ZDX KZZ01）

作者简介：谭静仪（1989— ），女，汉族，湖南郴州人，在读博士，副教授，研究方向：医学数据分析。

*通讯作者：王庭槐（1956— ），男，汉族，广东潮州人，本科，教授，校长，研究方向：医学。