开发虚拟现实模拟以减少接受磁共振成像的儿科患者的焦虑

摘要

在这里，我们提出了一种协议来开发虚拟现实 （VR） 游戏化模拟，以减少接受 MRI 扫描的儿科患者的焦虑。通过复制核磁共振环境的景象和声音，VR 体验将帮助孩子们熟悉手术过程，旨在提高舒适度和合作性。

摘要

磁共振成像 （MRI） 是儿科护理中一种有价值的诊断工具，可提供高分辨率图像，无需电离辐射;然而，陌生的环境、密闭的空间和嘈杂的噪音可能会引起痛苦、幽闭恐惧症和焦虑。这可能会导致对镇静的需求增加和成像时间延长。在安大略省伦敦的维多利亚儿童医院，儿童生活计划目前使用娃娃和 MRI 模型，通过基于学习的方法帮助减轻儿科患者的焦虑。虽然这些方法很有效，但它们提供 MRI 体验真实表示的能力有限。为了解决这个问题，我们使用虚拟现实 （VR） 开发了一种专为维多利亚儿童医院儿科患者设计的游戏化 MRI 体验，这是一种通过耳机体验的计算机生成的 3D 环境。该模拟复制了 MRI 环境的视觉、声音和空间方面，帮助孩子们事先熟悉体验。虽然我们的 VR 室是维多利亚儿童医院真实 MRI 室的复制品，但可以通过修改环境细节来适应其他设施的使用。未来的工作将通过定量和定性评估评估模拟在减少焦虑方面的有效性。

引言

磁共振成像 （MRI） 是一种非侵入性技术，用于生成软组织的三维图像，以帮助疾病诊断和治疗监测¹。MRI 被认为是对儿童最安全的成像方式之一，因为它不涉及电离辐射¹;然而，该过程对于年轻患者来说尤其具有挑战性。儿童必须在密闭隧道中静卧长达一个小时，同时暴露在巨大的噪音中²，这种经历可能会导致恐惧、焦虑、幽闭恐惧症或对诊断本身的高度恐惧 1,2,3,4,5。这种焦虑可能导致身体不安（5-10 岁的儿童特别容易运动⁶）、依从性差或行为困难⁷。MRI 程序高度依赖于患者的合作，因为毫米级的轻微移动会扭曲图像，导致需要重复扫描。这可能会让家庭感到痛苦，也会给医院带来经济负担⁸.父母或看护人的焦虑可能会给孩子在核磁共振检查期间带来压力，因为孩子经常反映成人的情绪⁹;因此，父母在手术过程中的参与和依从已被证明有助于儿童 MRI 扫描的成功¹⁰。

在 MRI 之前，有几种技术用于控制儿科焦虑，但它们的有效性有限。镇静剂或麻醉剂有助于在扫描过程中保持儿童静止，但它们与不良事件的发生率较高有关，包括协调性受损、头晕和激动加剧 ^8,11。作为替代方案，心理准备已被证明可以减轻医疗环境中的儿科压力 ^12,13,14，并降低 MRI 前对镇静和麻醉的需求 ^10,15。心理准备包括在平板电脑上使用交互式视频^16,17、教育和分散注意力的技巧 ^6,7、游戏疗法⁷、认知行为疗法培训¹⁸ 和物理模拟 MRI ^19,20。然而，这种方法有局限性，加拿大安大略省伦敦的维多利亚儿童医院就证明了这一点。儿童生活计划中的儿童生活专家在 MRI 检查前使用各种心理准备工具来解决儿科患者的焦虑或恐惧;根据孩子的年龄、焦虑程度和性格，干预措施可能包括图画书、iPad视频、玩具复制品模型、大型MRI复制品或扫描前游览（图1）。在扫描过程中，孩子们还可以将舒适的玩具或毯子带入 MRI 或观看屏幕上的视频。这些方法旨在教育孩子了解 MRI 过程，同时提供分散注意力、舒适和熟悉;然而，这些干预措施也有缺点：由于房间正在使用，通常无法参观;图画书、复制模型和 iPad 视频可能无法吸引年龄较大的儿童或提供 MRI 体验的全貌;这些方法都无法复制 MRI 的巨响;而且，也许，最重要的是，他们不允许孩子们练习在封闭的空间里保持静止。因此，需要引人入胜且身临其境的新颖干预措施来解决这些限制。

虚拟现实 （VR） 是一种通过头戴式显示器观看的三维 （3D） 计算机生成的环境，已越来越多地用于教育、培训和医疗保健。VR 创建了现实世界的交互式和逼真的模拟²¹，孩子们对此特别敏感，因为这项技术在虚拟世界中创造了物理存在的感觉^22,23。研究表明，VR 可有效减少儿科院前焦虑：Eijlers 等人的一项荟萃分析发现，VR 干预可显着减轻接受医疗程序的儿童的疼痛和焦虑，尤其是用作分散注意力的工具时²⁴;同样，Chiu等人证明，沉浸式VR可以通过提供虚拟医院参观²⁵，通过熟悉有效减少儿童的术前焦虑。这些好处延伸到儿科 MRI 准备，VR 有可能减少对镇静的需求;几项研究探索了 VR 作为 MRI 前干预工具，并取得了积极的结果。例如，Ashmore 等人开发了一款免费的 VR 应用程序，该应用程序使用 360° 视频引导儿童完成 MRI，这种技术因其易用性和帮助性而受到工作人员和患者的高度评价，同时防止五分之四的患者使用全身麻醉²⁶。Saliba 等人的一项随机对照试验发现，即使接触 5 分钟的 VR MRI 体验也能显着降低儿科患者的焦虑²⁷。此外，带有标准手册的定制 VR MRI 应用程序和 Stunden 等人创建的医院儿童生活计划发现，VR 组报告的护理人员满意度更高，护理人员焦虑显着降低。这是一个重要的发现，因为父母看护者的痛苦预计会影响儿童在医疗过程中的反应²⁸。基于这些发现，最近的研究评估了 VR MRI 准备工具中交互性和游戏化的影响。Yang等人的一项研究引入了一种基于头戴式显示器（HMD）的独立VR MRI模拟器，该模拟器具有多个模块，包括静止游戏、360°视频和正念部分。他们的试点研究表明，与标准教育材料相比，参与度、满意度和感知有效性显着更高²⁹。Yang等人进行的另一项研究比较了四种模式：2D视频、360°视频、被动VR和游戏化交互式VR，游戏化VR条件显着减少了头部运动，并改善了青少年自我报告的准备和参与度。这项研究的结果支持了这样的假设，即行为排练和即时反馈可能会提高程序准备情况并减少由于动作³⁰ 导致的扫描失败。Liszio 和 Masuch 同样证明，结合脱敏和交互式讲故事的有趣、以儿童为中心的 VR 应用程序可以减少与 MRI 相关的焦虑。该设计强调了游戏化和逐渐暴露于压力诱导刺激的作用，这与现代儿科框架³¹ 一致。然而，尽管取得了这些成功的结果，该技术尚未得到充分实施。

维多利亚儿童医院 MRI 体验的 VR 模拟旨在解决现有儿科 MRI 准备工具的局限性。每个组件的设计都是通过咨询儿童生活专家、MRI 技术人员以及对医院 MRI 扫描程序的直接观察来决定的。医院环境最初是使用 3D 建模重新创建的，以形成详细的虚拟环境。然后将 3D 模型集成到游戏引擎中，以创建身临其境的 VR 体验。在开发过程中使用了多种工具，包括：“水平”，代表使用医院环境的 3D 建模构建的物理 MRI 室;“关卡音序器”，这是一种基于时间轴的动画工具，用于为对象制作动画和同步运动;模拟用户视角的动画“电影摄像机演员”，营造滑入虚拟视角的感觉;复制 MRI 机器噪音的音轨，与滑动动画同步以模仿 MRI 的听觉体验;一个屏幕模拟，以复制附在床上的 MRI 安全分心屏幕，MRI 技术人员可以将其作为视频上传，供儿童在扫描过程中观看，以帮助儿童保持静止;VR 棋子，它在虚拟环境中充当用户实体，因为它包括头部和手部跟踪;以及“可抓取对象”，这是一个手持式交互式立方体，用于开始 MRI 模拟序列，当拿起时，会触发动画时间线的开始。为了支持看护者和儿童生活专家的参与，集成了多人游戏系统，使多个用户（例如技术人员、父母、看护人或儿童生活专家）能够通过客户端-服务器模型在同一虚拟环境中进行交互，使用麦克风语音聊天来支持玩家之间的实时通信，减轻儿童的孤立感。

本研究的目的是在安大略省伦敦维多利亚儿童医院开发 MRI 体验的游戏化虚拟模拟，供儿童生活计划用作 MRI 前儿科患者的焦虑干预措施。该模拟通过虚拟现实 （VR） 头戴式显示器观看，旨在让儿童熟悉核磁共振扫描仪和周围环境，通过提供真实生活体验的准确和身临其境的表现来减少焦虑。多人游戏模式允许年轻患者参与模拟，从而提高各个年龄段的易用性。尽管本研究中开发的 VR 模拟是专门以维多利亚医院为蓝本的，但这些方法具有适应性，可用于重建任何熟悉环境可能有助于缓解患者焦虑的医疗环境。这是第一项已知报告虚拟 MRI 体验的研究，该体验结合了多人游戏功能的附加交互功能、用于退出体验的手持工具、MRI 内的视频屏幕和语音聊天模式。通过这项研究，我们希望开发一种工具，未来将供维多利亚儿童医院的儿童生活专家使用，以改善儿科患者的生活。

方案

本研究的伦理批准已获得西部大学健康科学研究伦理委员会 （HSREB）（项目 ID：116749）。从人类参与者那里获得了书面知情同意书。所需试剂和设备列在 材料表中。

资产的1. 3D建模

注意：使用 3D 建模软件创建 MRI 机器及其周围环境的逼真、按比例缩放的 3D 模型。

1. 摄影记录
   1. 从多个角度捕捉真实 MRI 室的摄影记录。确保所有墙壁、设备、家具和建筑特征都可见，以提供准确的参考材料。
2. 3D 形状建模
   1. 启动 3D 建模软件。
   2. 将参考图像导入到工作区中。
   3. 使用几何图元（如立方体、圆柱体和平面）创建构成 MRI 室基础的形状。
   4. 根据参考图像调整地板、天花板、墙壁和橱柜的尺寸，以匹配现实世界的比例。
   5. 通过分层和修改圆柱体、球体和曲面来构建 MRI 机器和视频屏幕，以复制扫描仪孔和外部结构。
   6. 应用细分和斜角修改器以平滑边缘并创建逼真的轮廓。
   7. 使用顶点模式细化曲线元素并向模型添加结构细节。
3. 空间校准
   1. 使用相机匹配工具在参考图像上叠加三维轴。
   2. 将虚拟摄像机视角与原始照片对齐，以确保空间准确性和比例性。
   3. 根据校准的相机视图定位和缩放所有 3D 对象，确认它们与参考图像的对齐，以确保正确的深度、旋转和放置。
4. 纹理
   1. 将材质和纹理应用到模型的每个表面。选择与真实 MRI 室环境相匹配的颜色。
   2. 在必要时使用 UV 编辑工具将纹理图像包裹在对象上。
   3. 调整表面属性，包括粗糙度、反射率和金属特性，以模拟逼真的照明交互。
5. 协同开发
   1. 配置专用网络以支持建模软件中的实时多用户编辑。
   2. 通过允许多个参与者在同一文件中构建和放置资产，实现同时协作。
      注意：完成的 3D 模型应在空间和视觉上与真实房间非常相似，准确捕获其尺寸、布局和关键组件（图 2 和 图 3）。模型完成后，可以将其导入到游戏引擎中，以添加与VR一起使用所需的功能元素。

2. 功能仿真开发

1. 关卡创建
   1. 在游戏引擎中创建一个基本关卡或导入预构建的 3D 模型³²。
   2. 将之前建模的 3D 虚拟资产导入到新关卡中，以匹配真实场景（图 4）。
   3. 放置定向光和点光等照明元素。
   4. 构建场景后，配置世界设置。
      1. 将游戏模式设置为默认的VR游戏模式，以确保玩家进入游戏时，VR模式会自动开启。
      2. 将默认pawn类设置为 VR pawn，以确保在PlayerStart位置生成VRpawn。
2. 关卡排序器
   1. 通过导航到 过 场动画（Cinematics） 创建关卡序列器，然后在虚幻引擎的关卡主视口中选择 添加关卡序列（Add Level Sequence ）。重命名并保存序列{Engine， #4}。
   2. 自动打开Sequencer窗口后，从异常值导入所需的Actor（例如，光源、静态网格体），并将Actor拖到Sequencer时间轴上，或者通过单击 轨迹（Track） 和 Actor³³ 将其加载。
   3. 编辑序列中的变换，例如位置、旋转和缩放。
3. 音频集成
   1. 通过 MRI 采集控制台麦克风录制 3T 扫描仪的 MRI 声音，患者坐在桌子上。记录 MP 范围、扩散和 EPI 序列。
      注意：记录的 MRI 扫描仪上没有激活安静参数。通过 VR 耳机播放时，预先录制的 MRI 声音最高可达 75db。
   2. 添加 MRI 声音的.wav音轨。点击 轨道，然后在音序器窗口中点击音 轨 以找到MRI音频。
   3. 选择 MRI 音频文件并将其定位在时间轴上。
   4. 将音频与动画播放同步，以便在用户躺下并滑入 MRI 机器时开始播放。
4. 摄像机动画
   1. 通过在Sequencer窗口中导航到 轨道、Actor到 Sequencer和 过场动画摄像机Actor 来添加过场动画摄像机Actor。
   2. 选择 过场动画摄像机Actor，然后在Sequencer中进行跟踪和变换。
   3. 在时间轴的开头添加关键帧。移动到末尾，调整摄像机的变换，并添加第二个关键帧以动画化摄像机移动。
   4. 将电影摄像机Actor、虚拟腿部、MRI声音、视频显示和屏幕添加到杠杆Sequencer轨道并放置关键帧。同步动画中的所有网格，使整个身体随着电影摄像机移动（补充图 1）。
   5. 使用排序器中的播放按钮预览动画（图5）。
5. 屏幕模拟
   1. 首先导入可在 MRI 中使用的任何视频的 MP4 视频文件。
   2. 使用媒体播放器加载视频并生成素材。
   3. 将材质应用于默认静态网格体（例如，展平的立方体）以充当屏幕。
   4. 应用插入大厅位置的默认静态网格体的先前建模的3D外部。
   5. 使用 Media Player 触发节点播放视频，以在屏幕上显示分散注意力的内容（图 6 和 图 7）。
6. 可抓取对象和动画触发器
   1. 将抓取组件添加到默认多维数据集中，以实现人机交互³⁴ （图 8）。
   2. 通过在握把位置周围创建球体追踪，使用运动控制器握把按钮实现手部交互。
      1. 在输入握把时将Actor附加到控制器。
      2. 松开控制器握把按钮后分离Actor。
   3. 配置抓取组件以触发动画，例如开始 MRI 扫描。
   4. 使用蓝图逻辑在抓取对象后打开门限制。当物体没有被抓住时，关闭输入通道以防止意外触摸（补充图 2）。
   5. 按右控制器的触发键触发动画。在VRpawn中调用播放动画函数。
   6. 确保蓝图可以在当前关卡找到相应的序列玩家和匹配的关卡序列Actor（补充图3）。
7. 创建基于小部件的界面
   1. 创建新的用户小组件蓝图。
   2. 将虚拟按钮添加为标记为“ 重置方向”、“重新启动”、“创建会话”和 “加入会话 ”的下拉列表的一部分（图 9）。
   3. 将“创建会话”绑定到启动服务器并加载正确级别的逻辑（补充图 4）。
      注意：由于 VR 控制器上的输入选项数量有限，因此使用控件按钮而不是控制器输入。如果跟踪未对齐，重置方向按钮将使用户的视图重新居中;restart 将 VR pawn 传送回“PlayerStart”;创建会话将创建一个新的多人游戏会话和服务器;查找服务器将搜索要加入的可用会话。
8. 创建多人游戏模拟³⁵
   1. 修改配置文件以启用在线功能。
      1. 安装并集成 高级会话 插件。
      2. 为语音聊天和多人游戏模式启用以下插件： 在线子系统实用程序、高级 Steam 会话 和 高级会话。
      3. 添加按钮转换器，通过打开 项目设置（Project Settings） 并导航到 输入（Input） 分段，将Meta Quest控制器输入与虚幻引擎事件连接起来。将 RightTrigger 设置为 Oculus Touch （R） Trigger、将 LeftTrigger 设置为 Oculus Touch （L） Trigger、将 LeftXForQuit 设置为 Oculus Touch （L） X Press。使用这些映射触发语音聊天并通过VR控制器启用菜单交互。
   2. 使用基于控件的界面中的 创建会话（Create a session ） 按钮启动会话，并让服务器加入正确的关卡。
      1. 使用下拉列表显示从会话搜索结果中检索到的服务器名称。
      2. 使用会话查找功能从会话搜索结果中检索可用的服务器名称。
      3. 将每个服务器名称传递给小部件项，并将其添加到下拉列表中。
      4. 允许用户从列表中选择会话并加入相应的服务器。
   3. 定义默认角色，例如服务器（技术人员或父级）和患者或客户端（子级或其他用户）。
      1. 将 PlayerStart Actor 放置在关卡中，并根据分配的角色为每个 actor 添加显示名称，以区分多人游戏模式下的用户：Player1：技术员或护理人员;玩家 2：患者或客户（补充图 5）。
      2. 使用蓝图逻辑，通过玩家计数器分配PlayerStart标签。
      3. 如果需要更多玩家，请在关卡中创建另一个 PlayerStart，并更改名称标签以表示 客户端（Client） 或 患者（Patient） 编号。
   4. 实现头部和手部同步，以实现更好的用户交互。
      1. 将头戴式设备和手控器的跟踪组件添加到VR棋子中。
      2. 在 事件 更新（Event Tick） 中，从头戴显示设备和手控器收集本地变换数据。
      3. 如果控制器属于本地播放器，请使用远程过程调用将转换数据发送到服务器。如果控制器属于远程玩家，则从服务器接收变换数据并将其应用于网格体或摄像机Actor（图10）。
   5. 使用客户端-服务器模型（CS 模式）在用户之间同步作并将所有信息传递给服务器（补充图 6）。
      注意：应将信息传递到服务器，以便将后续作分发到每个端口，从而允许执行同步。使用多人游戏模式时，小部件必须从“点击时”更改为“按下时”（补充图 7）。
9. 语音聊天集成³⁶
   1. 打开 VR Pawn 蓝图。
   2. 向VR Pawn添加语音捕获组件以启用录音功能。
   3. 将组件设置为在进入多人游戏会话时激活。
   4. 将语音系统配置为与会话状态链接，并仅在连接到服务器时激活
   5. 配置 VoiceThread 组件以激活语音聊天。通过在多人游戏会话期间启动两个 PlayerStarts 并确认双向音频传输来测试语音聊天。
10. 退出和重置功能
    1. 创建退出动画并将其加载到关卡中。
    2. 使用蓝图逻辑在触发退出动画之前停止当前动画（补充图8）。
    3. 添加复位功能，如果未对准，则将用户传送回起始位置（补充图 9 和 补充图 10）。
11. 与健康志愿者进行预测试
    1. 在 5 名之前经历过 MRI 扫描作为预测试的健康研究生志愿者身上测试模拟。
    2. 使用 5 点李克特量表调查，让健康志愿者对 VR MRI 与他们之前使用真实 MRI 的体验的相似性进行评分。使用8个问题，反映核磁共振机和房间的物理外观、噪音、扫描过程中的视觉效果、被限制或封闭的感觉、静止不动的感觉以及对环境的整体印象。

结果

成功开发了一种功能性、沉浸式和逼真的 VR MRI 模拟，以帮助维多利亚儿童医院的儿科患者为 MRI 手术做准备。模拟的补充功能运行可靠，表明其已准备好进行临床测试。第一个成功的结果是使用 3D 建模技术准确再现了 MRI 扫描仪和周围环境。由于参考照片用于校准虚拟资产以匹配现实世界的空间维度，因此最终环境实现了高水平的视觉和空间保真度，与儿童在现实生活中扫描过程中会遇到的情况非常相似。第二个关键发展是创建了逼真的虚拟 MRI 扫描，该扫描非常模仿滑入现实生活中的 MRI 孔的感官体验。孩子们将被指示像在实际手术过程中一样躺在现实世界中，并使用带有扫描仪音频的相机动画序列体验模拟 MRI 扫描。VR MRI 是目前为维多利亚儿童医院开发的唯一一种干预措施，使儿童生活专家能够演示和描述 MRI 的声音。

几个额外的技术功能被成功地集成到环境中，包括连接到 MRI 床前部的视频屏幕，可以播放 MP4 视频文件以复制现实生活中的视频干扰策略。还引入了交互式可抓取立方体，将复杂的控制器手势简化为更直观的单动触发器，从而提高了可靠性并减少了激活扫描序列的错误。这些新增功能有望提高模拟的长期可...

讨论

虚拟 MRI 模拟的发展是由影响其在儿科环境中的可用性的设计决策决定的。儿童生活专家和 MRI 技术人员的意见在虚拟复制现实世界的程序方面发挥了重要作用。例如，根据儿童生活专家的建议，在床上方加入一个视频 MRI 显示器，这在实际扫描中通常用作分散注意力的工具，被实施到虚拟 MRI 中。同样，添加“离开模拟”按钮的灵感来自核磁共振成像过程中使用的现实世界挤压球，作为儿童表达痛苦的一种方法。这些以儿童为中心的决定与文献一致，强调可定制和身临其境的 VR 元素在减少程序焦虑和加强合作方面的重要性³⁷。它们还展示了在设计过程的早期让医疗保健专业人员参与以确保临床相关性的价值。

在开发过程中发现了一些可用性挑战，并有助于进一步改进。儿童生活专家强调，由于过于复杂的控制或技术问题，以前用于 MRI 前焦虑的 VR 工具都失败了。为了解决这个问题，用于激活 MRI 扫描的原始手势被使用立方体的简化“抓取”交互所取代，并添加了基于小部件的界面。这些调整旨在提高可访问性，特别是对于年...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
高级会话插件	插件	https://vreue4.com/generated-node-documentation?section=advanced-sessions-plugin	在虚幻引擎 Blender 软件中启用 Steam 多人游戏功能
	Blender Foundation	https://www.blender.org/	用于对 3D 虚拟 MRI 环境和资产进行建模
Fspy Fspy	Project （GitHub）	https://fspy.io/	用于摄像机匹配和透视校准
Hamachi	LogMeIn	https://vpn.net/	在开发过程中为多人游戏会话创建虚拟局域网
Meta Quest 3 和 3S 耳机	Meta	https://www.meta.com/ca/quest/?srsltid=AfmBOooSwFweWKye9LY HHsSsuGhZgdZZxi-m7xAFtC ecIK2ekZnTAhGr	VR头戴式设备，用于测试和部署模拟
多用户插件	虚幻引擎商城	https://dev.epicgames.com/documentation/en-us/unreal-engine/multi-user-editing-in-unreal-engine	虚幻引擎中实现实时协作编辑
Steam	Valve Corporation	https://store.steampowered.com/	多人游戏连接所需的在线服务平台（通过Steam在线子系统）
虚幻引擎	Epic Games	https://www.unrealengine.com/en-US	用于开发VR模拟的游戏引擎
语音聊天插件 / VOIP Talker	虚幻引擎	https://dev.epicgames.com/documentation/en-us/unreal-engine/voice-chat-with-epic-online-services	VR多人游戏环境中启用语音聊天
Windows PC	Microsoft	自组装	构建 VR 项目的开发和测试平台。AMD Ryzen 9 5900X CPU、Nvidia RTX 3080Ti GPU、32GB RAM 和 2 TB SSD 4TB 硬盘