面向ADHD的利用HTCVive采集手部运动数据的可行性研究.docx

? ? 面向ADHD的利用HTCVive采集手部运动数据的可行性研究 ? ? 邓婉婷，战荫伟，罗 洁 (1.广东工业大学 计算机学院，广州 510006； 2.中山大学 生物医学工程学院，广州 510080) 0 引言 注意力缺陷伴多动障碍(ADHD, attention deficit hyperactivity disorder)是一种常见的儿童神经发育障碍，患病率在5%～7%之间[1]，表现为注意力不集中、过度活跃和冲动[2]。由于ADHD缺乏具有鉴别意义的病因学或病理学改变，目前医生主要依靠临床观察和评分量表来进行诊断[3]。然而有研究者指出，量表本质上是主观的，准确性不可靠。无法客观诊断是导致ADHD患病率长期上升的原因之一[4-6]。因此，如何克服现有诊断方法的不足，为医生提供客观、有效的工具来辅助诊断ADHD就成为研究热点。脑电图(EEG, electroencephalogram)[7]和连续行为任务测试(CPT, continuous performance task)[8]是目前最流行的客观工具，但管理成本高、设备昂贵、专业性强。有研究者甚至质疑CPT测试的诊断效用，指出CPT评判指标与家长和教师对注意力不集中和多动冲动行为评分呈弱相关[9]。 近年来，虚拟现实(VR, virtual reality)技术快速发展，性价比不断提升，因而在儿童精神疾病的诊断中的应用逐渐广泛，表现出生态效度高、实验条件可控等优势[10-11]。使用VR技术可以构建一个视觉、听觉、触觉等高度真实的场景，给用户带来多种感觉通道的融合体验。在VR场景中，用户通过头戴式显示器(HMD, head-mounted display)和传感设备(数据手套、手柄等)，就可以身临其境地与VR系统进行交互，使用户从一个被动想象者转变为一个主动、积极学习者，从而有助于研究者观察个体的行为和发现他们的认知缺陷。近年来，VR技术在ADHD儿童的治疗领域的应用也开展起来。由Rizzo等人[12]开发的虚拟教室，提供多感官参与的注意力测试功能，已经成为诊断和表征ADHD患者注意力不集中症状的一种有效工具。Adams等人[13]和Bioulac等人[14]通过比较ADHD儿童和正常儿童在虚拟教室环境测试中的注意力表现，发现ADHD儿童持续注意力显著低于正常儿童。Rodríguez等人[15]与Pollak等人[16]的工作均表明，与传统的CPT测试相比，基于VR的CPT测试更能有效区分ADHD患者与对照组，而且更受参与者的欢迎。此外，由VR所带来的沉浸感可以使被试忘记正在接受测试任务而产生更多的自发行为。 上述研究表明，将虚拟现实技术用于辅助评估ADHD是一种可行且有效的方法。然而，它们只通过测试过程中被试的注意力表象，来衡量其在各种注意力挑战任务中的反应时间、表现和错误情况，而未对他们与VR系统交互过程中的活动水平进行客观测量。 人体运动能力的客观测量在辅助医学诊断中起着重要作用[17-18]。在ADHD的诊断中，临床指导也鼓励专业人员收集儿童的行为信息[19]。文献[20]表明，与对照组相比，多动为ADHD患者的核心特征。早期的研究[21]采用活动记录仪对被试的活动水平进行监测，发现ADHD患者大多比正常儿童活跃。近期Lin等人[22]通过佩戴在被试手上的智能手表(内含陀螺仪和加速度计)来测量他们在课堂上的手部运动，发现ADHD患者比对照组手部动作变化速度更快、频率更高。手作为人体主要的运动器官，在与VR系统的交互过程中扮演着重要角色，被试可通过系统提供的实时视觉反馈来引导手部运动。因此，我们有必要深入探讨ADHD患者与对照组在视觉反馈引导下的手部交互过程中的运动差异，充分利用VR系统中的运动捕捉功能，实时采集被试在VR环境中的手部交互运动数据，即手部的空间位置坐标，用于量化被试的手部运动，辅助医生进行ADHD的客观诊断。 HTC Vive是一款集头戴式显示设备和运动捕捉为一体的虚拟现实系统[23]，与市面上主流的运动捕捉系统如VICON、OptiTrack相比，具有体积小、便于携带、价格低廉等优点，因而受到众多研究人员的青睐[24]。HTC Vive系统由三大类部件组成：一个头戴式显示器、一对手持控制器、两个激光发射器。 HTC Vive系统可以实时追踪定位手持控制器的位置和方向，手持控制器在虚拟空间中的真实运动同时又可以反馈给系统，当用户使用手持控制器与VR系统进行交互时，系统通过追踪手持控制器的运动便可追踪到用户的手部运动。 HTC Vive系统使用激光发射器交替发射水平和垂直的同步激光束进行扫描，手持控制器表面分布的多个光敏传感器测量激光到达的时间，解算出它们与激光发射器所形成的水平夹角和垂直夹角[25]。手持控制器融合多个光敏传感器的角