JNER：脑卒中患者在增强现实环境下视觉空间知觉对距离判断和深度感知的影响：一项探索性研究

视觉空间感知（VSP）是一种能够正确感知物体相对于自身身体的物理位置并识别不同物体之间物理关系的能力。具体而言，VSP描述了对物体大小、形状、位置和运动的解释。视觉空间能力对于日常生活中的功能性任务是必不可少的，例如扣衬衫、组装家具，抓取物体和评估道路交通中的距离。VSP涉及多个方面，如视觉构造、双目立体视觉和空间定位。视觉建构是指能够看到单个元素中的图片，并根据其空间关系将其重新排列到原始图片中。双目立体视觉描述对深度的感知。它被定义为视觉上感知三维（3D）世界并估计物体距离的能力。尽管我们眼睛的视网膜将世界感知为一个平面的二维（2D）图像，但两个视网膜图像的融合导致在枕叶皮质生成3D图像。空间定位能力涉及形状的识别及其在空间中的定位。

视觉空间信息的加工途径始于双眼视网膜上视野的投射。两个视网膜的光感受器分别通过视神经将每只眼睛的图像作为神经信号传输。两条视神经在视交叉处相遇。视觉信息通过外侧膝状体进一步传递到枕皮质。这是第一个接收和融合双眼视觉输入的皮层区域。皮层信息处理通过两个独立的处理流在皮层视觉系统的较高区域继续进行。具体而言，背侧通路的神经元从V2和MT/V5上方的枕叶皮质进入大脑顶叶内区域，处理视觉空间信息，并对视差敏感。在较高的视觉处理水平上，背侧通路的神经元参与评估物体的深度、运动和位置，以及决定如何使用、操纵和解释物体。

中风后，脑组织因缺氧而受损，幸存者的神经结构通常受损，这对VSP有影响。患者在对侧空间的定向和注意力方面表现出困难。其次，偏盲是一个半视野的视觉丧失，是中风后导致VSP受损的常见症状。第三，中风后每五名患者被归类为立体盲。除了知觉困难外，中风幸存者还受到眼球运动障碍的影响，如凝视麻痹、斜视和眼球震颤。眼动障碍阻碍眼睛向枕叶皮质提供足够的输入，并导致立体视觉缺陷和视觉空间损伤。

增强现实（AR）、虚拟现实（VR）和主动视频游戏被用作神经康复设。这些技术干预有可能对运动学习产生积极影响，因为患者喜欢训练课程，表现出参与治疗的积极性，并受到激励。此外，游戏的挑战性和获得实时反馈的可能性也鼓励了一些患者。AR、VR和游戏设备提供了根据患者个人能力轻松调整任务难度的机会，从而使个性化治疗成为可能。此外，这些技术干预可以解决记忆等认知功能，也可以支持认知障碍患者进行日常生活活动。然而，中风后VSP的缺陷是否与全息物体的感知有关还没有研究。然而，目前尚不清楚VSP损伤患者是否能够将虚拟全息图视为3D，并在AR环境中充分判断距离。

为了填补文献中的这一空白，本文进行了“增强现实中的SPiAR空间感知”研究。为了比较应用AR期间VSP损伤与深度感知，对中风后患者和健康受试者（HS）在真实环境和AR环境中的立体视觉和空间感知进行评估。主要目的是比较有和没有立体视觉损伤的受试者对全息物体的感知。第二个目的是研究真实环境中的VSP与AR环境中虚拟全息图的VSP感知之间的关系。本文发表在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》。

本研究的目的是调查中风后患者在AR应用期间VSP损伤对感知深度能力的影响。在探索性研究的设计中，对真实和AR环境中的立体视觉和空间感知进行了评估。在第一步中，一组HS用来测试新开发的AR任务在评估立体视觉方面的有效性。第二步，对中风后的患者进行测试。每个参与者在40分钟的会议中执行一次测试程序。有注意力或认知缺陷的患者参加两次单独的治疗，每次持续20分钟。由于本研究背后的动机是提高AR治疗在神经康复中的适用性，因此针对AR治疗的潜在使用者进行了探讨。因此，对接受机器人或AR治疗的患者进行筛选，以确定其参与资格（n=42）。纳入标准为中风诊断，不限制病变位置，因为尚不清楚中风部位是否影响深度感知。招募了10名视力正常或矫正至正常的受试者和10名立体视觉有问题的受试者。这两个HS亚组的性别和年龄（±2岁）相匹配。设计了三个距离判断任务和一个三维度任务。分析了立体视觉受损对每项AR任务表现的影响。AR任务表现通过VSP的各个方面进行建模，使用HS和患者的单独回归分析。

实验流程

在HS中，立体视觉对所有AR距离判断任务（p=0.021，p=0.002，p=0.046）和三维度任务（p=0.003）的表现有显著影响。立体视觉的个体质量显著预测了每个距离判断任务的准确性，并与全息图的三维感知能力高度相关（p=0.001）。在中风存活者中，立体视觉受损仅对一项距离判断任务（p=0.042）有特定的恶化效应，而三维度任务则不受影响（p=0.317）。回归分析证实，患者的立体视觉质量对AR任务绩效没有影响，而空间定位/视觉构建显著预测了两项AR任务中几何物体距离估计的准确性。

评估判断距离能力的任务

总之，因为立体视觉的存在，HS的立体视觉质量也会影响全息图的距离判断能力及其3D感知能力，而空间定位/视觉构建对任务绩效没有影响。基于这一发现，假设开发的AR任务在评估立体视觉方面的有效性。在卒中后患者中，立体视觉受损会影响三项距离估计任务中的一项。虽然立体视觉的质量不能显著预测AR环境中准确判断距离的能力，但空间定位/视觉构造可以显著预测距离估计测试几何条件下的性能。患者将全息图视为3D的能力既不受VSP的影响，也与VSP的任何方面无关。

VSP损伤降低了在AR环境中估计距离和感知三维度的能力。立体视觉是HS患者完成任务的关键，而空间定位/视觉建构在患者中占主导地位。由于中风后存在VSP损伤，当AR应用于神经康复治疗时，这些发现可能至关重要。为了最大限度地提高治疗效果，AR游戏的设计应适合VSP受损患者。

Höhler, C., Rasamoel, N.D., Rohrbach, N. et al. The impact of visuospatial perception on distance judgment and depth perception in an Augmented Reality environment in patients after stroke: an exploratory study. J NeuroEngineering Rehabil 18, 127 (2021). https://doi.org/10.1186/s12984-021-00920-5