用于诱发生态平衡紊乱的沉浸式虚拟生态环境

《IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics》：Immersive Ecological Virtual Environment for Inducing Balance Disturbances

评估虚拟环境中不同视觉干扰对用户平衡的影响及数据集构建方法。通过VR头显模拟室内外场景，结合肌电、皮肤电及惯性传感器数据，量化视觉扰动引发的平衡反应。研究验证了视觉干扰导致平衡失调的机制，并建立包含真实跌倒场景的综合性数据库，为临床康复和平衡训练提供工具支持。

　　

摘要：

本研究旨在评估不同视觉干扰对用户在沉浸式虚拟环境（VE）中平衡能力的影响，重点关注生态效度。研究人员使用虚拟现实头盔实施了多种视觉干扰，以观察其效果。研究目标是开发一个多功能工具，该工具通过动画模拟典型的家庭室内和室外环境，提供多种生态场景，用于评估用户在这些视觉干扰下的平衡能力。参与者在虚拟环境中接触到不可预测的视觉干扰，他们的反应通过惯性传感器、肌电图和皮肤电反应仪进行记录。收集了反映现实世界跌倒情景的全面数据集。在整个实验过程中，参与者在房屋内活动，而对视觉干扰的时间和性质毫不知情。统计分析确定了在引入视觉干扰时发生显著变化的变量。对于在外部干扰后恢复平衡至关重要的肌肉群表现出最明显的关联，这些肌肉群与导致平衡丧失的运动学变量类似。仅视觉干扰本身就可能导致平衡失调，而且这些干扰还通过统计分析进行了进一步分类。该工具为评估各种挑战性条件下的平衡能力提供了一个多功能平台，有助于平衡控制与训练方法的研究。通过该协议生成的数据集有助于深入了解视觉干扰对平衡能力及其相关补偿反应的影响，为其在临床和康复领域的应用提供了依据。

引言

由于自然跌倒事件较少，且难以以非侵入性和用户友好的方式从生活在社区中的老年人那里获取生物力学和生理数据，科学文献中关于现实世界跌倒的数据集严重不足[1]、[2]、[3]。这一数据缺口阻碍了跌倒预防策略的研究。沉浸式虚拟现实（VR）环境提供了一个独特的解决方案。通过结合空间感和真实性幻觉的概念，VR创造了一个令人信服的环境，使人们能够全面地感知周围环境为真实且可触知的[4]。这为加快收集视觉干扰后的姿势反应数据提供了机会，模拟了现实世界中的跌倒诱因。此外，VR的沉浸式特性正在彻底改变运动康复领域。研究表明，将VR系统整合到康复计划中具有多重益处[5]、[6]。我们的平衡感依赖于三个感觉系统的协调作用：本体感觉（身体意识）、前庭系统（平衡）和视觉[5]、[6]。这些系统共同作用，使我们能够感知周围环境并对即时情况做出反应并做出未来调整。然而，VR的沉浸式特性可能会改变我们对周围环境的感知，从而单独导致平衡丧失[7]。此外，头戴式显示器（HMD）通过呈现利用空间感和真实性幻觉的挑战性场景，进一步增强了沉浸体验[8]。