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为探究 VR 显示模态及视觉扰动方向对步态参数和稳定性的影响，研究人员开展相关研究。结果表明 HMD 在步态速度控制变异性等方面有差异，且受视觉扰动影响更大。该研究为平衡控制研究和训练提供新视角，值得科研读者一读。
在如今这个科技飞速发展的时代，虚拟现实（VR）技术就像一颗闪耀的新星，在各个领域都展现出了巨大的潜力，尤其是在研究人体平衡和姿势控制机制方面。你知道吗？我们平常走路看似简单，可背后却有着复杂的平衡和姿势控制过程。随着年龄增长，或者一些疾病的影响，很多人的平衡能力会下降，这就大大增加了他们摔倒受伤的风险。为了更好地理解和改善平衡问题，科学家们把目光投向了 VR 技术。
VR 技术可以通过制造一些意想不到的视觉干扰，来模拟那些在现实生活中很难遇到的不稳定场景，从而研究人们在这些情况下的平衡反应。比如说，它能让你在虚拟环境中体验到地面突然晃动，或者周围景象快速变化的感觉。而且，之前的研究也发现，当人们在虚拟环境中遇到视觉干扰时，会不自觉地调整自己的走路方式，像步子迈得更短、更慢、更宽，也更不稳定，这其实是身体为了保持平衡做出的努力。
但是呢，VR 世界也有不同的 “打开方式”，主要就是头戴式显示器（HMD）和投影式沉浸式房间（IR）这两种系统。它们虽然都能带你进入虚拟世界，但提供的视觉体验却不太一样。HMD 就像给你戴上了一个 “魔法头盔”，让你完全沉浸在虚拟场景中，和现实世界暂时隔绝；而 IR 则像是把你带到了一个四周都是大屏幕的房间，在感受虚拟场景的同时，还能看到一些现实环境的元素。
这两种系统的硬件特性差别可大了。HMD 的视野范围、焦距、分辨率等会影响你对虚拟世界的感知，而且戴在头上还有一定重量，长时间使用可能会让人觉得累。IR 呢，虽然没有这些问题，但它可能会受到现实环境中一些固定物体的影响，比如投影仪屏幕的边界，这也会改变你对虚拟场景的感受。之前有研究发现，在改变视流速度时，HMD 比 IR 更能让人们的时空步态参数发生变化。可让人困惑的是，到目前为止，我们还不太清楚这两种 VR 系统提供的不同视觉信息，对人们在面对视觉干扰时的平衡反应有什么影响。
为了弄清楚这些问题，来自 [作者单位] 的研究人员进行了一项有趣的研究，并把研究成果发表在了《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》期刊上，论文题目是《Differential effects of virtual reality display modality and visual perturbation direction on gait parameters and stability》。他们发现，在没有视觉干扰的情况下，HMD 虽然不会改变人们走路速度、步长和步时的平均值，但会让这些参数的变异性增加；而当引入视觉干扰，特别是在左右方向（ML）的干扰时，HMD 会让人们的步态变异性更大，平衡稳定性更差。这意味着 HMD 在研究和训练平衡控制方面可能更有潜力，为我们研究和改善平衡问题提供了新的方向。
那么，研究人员是怎么开展这项研究的呢？他们找了 16 位身体状况良好的年轻人参与实验。这些年轻人要在一台特制的跑步机上走路，这台跑步机可以根据他们骨盆的位移自动调整速度，就像一个贴心的小助手，能让他们始终保持在跑步机的中心位置。同时，研究人员用一个 9 摄像头的动作捕捉系统，像 “火眼金睛” 一样，精确地追踪他们身体上 41 个标记点的运动，以此来获取他们的运动数据。
在虚拟场景方面，研究人员自己开发了一个虚拟环境，里面是一个无限循环的学校走廊场景。参与者通过两种方式来观看这个虚拟场景，一种是戴着 HMD，另一种是在 IR 环境中。在实验过程中，他们会经历不同的视觉条件，比如没有额外视觉干扰的正常状态，还有在前后方向（AP）和左右方向（ML）添加视觉干扰的状态。而且，实验的顺序也是精心安排的，每个参与者都要经历所有的条件，这样可以尽量减少其他因素对实验结果的影响。最后，研究人员用线性混合效应模型对收集到的数据进行分析，找出不同视觉条件和 VR 系统对步态参数、稳定性指标和关节运动学的影响。
下面我们来看看具体的研究结果。首先是在没有视觉干扰的正常走路情况下，研究人员发现，虽然 HMD 和 IR 这两种 VR 系统在平均步速、步长和步时上没有明显差异，但 HMD 却让速度变异性显著增加。这就好比你在 IR 环境中走路，每一步的速度都比较稳定，而戴上 HMD 后，速度就像坐过山车一样，一会儿快一会儿慢。在稳定性方面，除了步宽变异性在基线预实验时较低外，其他稳定性指标在不同条件下并没有明显差异。不过，深入的运动学分析发现，在实验后的测试中，参与者的髋关节运动轨迹特征有显著差异，而且 HMD 条件下膝关节和踝关节的变异性也增加了。这说明，虽然在正常走路时两种系统对平衡的影响不大，但 HMD 还是悄悄地改变了一些身体运动的细节。
当引入视觉干扰后，有趣的事情发生了。视觉干扰对平均步速、步长和步时都有显著影响。在有 AP 视觉干扰时，参与者走得比正常视流速度下更快；而 ML 干扰则让步时更短、步长更短。而且，HMD 系统的步长整体比 IR 系统短，特别是在 ML 干扰的情况下，这种差异更明显。在变异性方面，HMD 系统的各项时空变异性指标都比 IR 系统大，ML 干扰又会让变异性进一步增加，尤其是在 HMD 系统中。在稳定性指标上，ML 干扰会让步宽增加，稳定性降低，而且这种变化在 HMD 系统中更明显。关节运动学分析还发现，不同的 VR 系统和视觉干扰条件会对关节角度产生显著影响，特别是髋关节的内收角度和活动范围。比如说，在 HMD - ML 环境中，髋关节的内收角度和活动范围最小，这意味着参与者在这个环境中为了保持平衡，身体的姿势调整得更厉害。
综合这些研究结果和讨论，这项研究意义重大。它首次直接比较了不同 VR 显示模式下，人们在跑步机上行走时对视觉干扰的反应，让我们清楚地看到了 HMD 和 IR 系统的差异。研究表明，虽然在正常走路时两种系统对平衡和平均步长的影响不大，但 HMD 会让速度控制的变异性增加。而当遇到视觉干扰时，HMD 系统的反应更强烈，尤其是在 ML 方向的干扰下，它能显著增加步态变异性，降低平衡稳定性。这一发现为我们研究和训练平衡控制提供了新的思路，让我们知道 HMD 系统在研究感觉冲突下的步态稳定性方面更有优势，或许可以成为沉浸式房间设置的一种更有效、更实用的替代方案。同时，它也为未来的研究指明了方向，比如可以进一步探索不同 VR 系统中特定视觉和物理特征对步态行为的影响，以及如何更好地利用 VR 技术来改善人们的平衡能力，预防摔倒等问题。
