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基于虚拟现实的老年人认知健康评估系统的设计与实现

2024-11-26 115 上传者：管理员

摘要：随着社会老龄化的加剧，老年人的认知健康日益受到关注。本文运用虚拟现实技术，利用其独特的沉浸感和交互性，专为我国老年人设计并开发了一套认知健康虚拟评估系统。文中深入探讨了该系统的设计理念和原则，详细描述了其主要功能模块与业务流程，介绍了系统开发中的关键技术。通过实证研究，该系统在评估老年人认知健康状况上是有效的，为认识评估领域的研究和实践提供了新的视角。

关键词：
神经心理学
老年人
老年痴呆
虚拟现实
认知健康
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据中国老龄协会预测，到2050年，我国60岁及以上的老年痴呆患者数量将达到2898万[1]。目前认知健康的评估主要依赖于传统的神经心理学测试量表，形式大多采用纸笔测试或电脑测试。量表评估存在着如形式单一、内容枯燥以及评估结果不准确性等诸多局限[2]。《智慧健康养老产业发展行动计划(2021-2025年)》明确提出了强化健康养老信息技术的支撑，以提升健康养老产品的智慧化水平。本文旨在利用虚拟现实技术，设计一款适合我国老年人的认知健康评估系统，并探索其应用的有效性，以期为老年人提供更加人性化、科技化的健康服务体验。

老年人认知健康状况包括认知正常、轻度认知障碍和痴呆三种情况，而针对MCI的早期筛查对于制定和实施护理干预策略至关重要[3]。文献研究发现，国外已有研究成功运用VR技术进行MCI筛查，常见场景是虚拟超市和虚拟厨房[4]，目前国内此类研究稀缺。本文提出的老年人认知健康评估虚拟系统是以Mo CA量表为基础，将评估内容融入虚拟超市购物任务中，借鉴了台湾学者刘芳等人研发的VR技术接受度量表维度，结合了Venkatesh的“感知享受”理念[5]，确定了系统设计原则：科学性、便捷性、仿真性和交互性。

1、系统功能设计

1.1整体结构设计

系统整体包含两大模块：VR体验和VR评估模块，如图1所示。体验模块是让老年人通过体验活动掌握VR的基本操作，熟悉虚拟购物的方式。具体包括选择最大数、排序、超市购物初体验三个交互活动。VR评估模块是让老人在语音和面板的提示下完成购物活动，主要包括功登录、购物、评估和反馈三大模块。

图1 系统整体结构设计

表1 虚拟超市购物过程设计

1.2购物过程设计

系统以购物为核心任务，包含八个购物环节：记忆购物清单、回忆特价商品、为商品贴标签、购物、展示所购物品、进行付款金额的计算、输入支付密码以及兑奖环节，分别对应有意记忆、无意记忆、语言命名能力、计算能力、时间定向感、持续注意力等不同的认知领域，具体见表1。

1.3系统运行环境设计

虚拟现实项目根据运行环境的不同分为4类：windows系统、苹果系统、Android系统以及头盔式设备。系统采用PICO4头盔式运行环境。图2是PICO4的整体设备，包括头盔和左右两个手柄。图3是手柄的结构，包括摇杆、抓握键、HOME键、菜单键等。PICO4主机更轻薄，设备重量更小，沉浸感最强。它可以实现62 mm～72 mm区间的灵活调节，满足不同头型、瞳距的用户需求，极大地提升了用户佩戴的舒适度。配备4K+超视感屏和105°超大视角，画面表现极佳，给用户带来沉浸式的视觉体验。

图2 硬件系统PICO4

图3 交互手柄结构

2、系统开发的关键技术

2.1次世代建模技术

系统开发前我们进行了实地调研，详细记录了超市的商品种类、布局及价格等信息。随后借助Maya2022,UE4等软件，运用了先进的次世代游戏建模技术，高度还原了超市整体布局，确保15个货架和近百种商品的精雕细刻，为老年人打造了一个高度真实的虚拟购物环境。同时，我们也充分考虑了PICO的性能和渲染效率，对模型结构进行了优化，平衡了场景的真实感和系统的运行效率（见图4）。

图4 超市洗化区

2.2全局光照渲染技术

全局光照渲染技术是在实时光照的基础上借助光照探测器捕获和使用场景中空白区域的信息，包括场景中的每一个细节，比如光线在不同物体表面的反射、折射和阴影等，确保无论是静态还是动态的游戏对象，都能够受到均匀的光照，使整个虚拟超市的明暗度和光照更加逼真，自然（见图5、图6）。

图5 光照探测器使用前的效果

图6 光照探测器使用后的效果

2.3交互检测技术

系统中交互检测技术包括射线检测和碰撞检测两类。贴标签和计算等活动均通过射线碰撞检测实现。老年人通过手柄发射射线，当射线与特定位置相接触时，弹出对应的交互面板。而在购买商品时，系统则通过检测右手手柄与商品的碰撞来触发购买操作。这些交互检测技术的精确运用，为老年人提供了自然、流畅的虚拟购物体验（见图7、图8）。

图7 射线检测

图8 碰撞检测

2.4原地漫游技术

鉴于老年人的身体特点，系统的场景漫游采用了原地模式。通过导入SDK插件，使用第一人称进行编程，老年人只需借助pico4的摇杆就可以实现在虚拟超市中漫游。这种设计不仅降低了老年人在评估过程中跌倒的风险，还充分考虑了场地的限制，使得评估更加安全和便捷。

2.5 AIGC技术

系统引入了AIGC技术，极大地提高开发效率。利用Stable Diffusion、Midjourney等AI应用快速生成了高质量的图片素材用于制作贴图和材质。系统中所需的音频素材均使用Uninstall tts-vue智能软件产生，高效逼真，极大地降低了开发的成本。

3、测试与验证

系统初代开发后招募了5名社区老年人对其进行了测试，经过多次反馈和修改确定了最终版本。我们招募了来自某市三个社区共55名符合纳排标准的老年志愿者，对系统进行了初步测试，结果显示系统在评估老年人认知健康方面具有很大的潜力。评测结果见表2。

表2 系统效度检验数据

4、结束语

虚拟现实技术为老年人认知健康评估开辟了新的路径。系统以其高度的场景逼真度、自然的交互体验和趣味性，显著提升了老年人的参与意愿。然而，该技术也存在一定局限，如对设备的依赖性，这在一定程度上制约了系统的推广。此外，当前系统的评估样本尚显不足，其有效性仍需通过更大规模的样本来进一步验证。展望未来，随着科技的持续进步，我们相信虚拟现实技术将在老年人认知健康管理方面展现无可比拟的优势。

参考文献:

[1]蔡明,胡卿茹,贾世豪,等.社区老年人轻度认知障碍筛查量表应用策略研究[J].中国全科医学,2022,25(25):3191-3195.

[2]艾亚婷,胡慧.社区老年人认知障碍筛查推荐建议[J].中国全科医学,2020,23(27):3375-3381.

[3]肖煌怡,袁建坤.网络化认知训练在改善老年人功能训练中应用的研究进展[J].护理研究,2024,38(1):82,86.

基金资助:河南科技攻关项目232102310506虚拟现实技术在老年人认知健康管理中的应用研究;河南省教改项目2024SJGLX0746信息化视阈下传统文化赋能职业院校人才培养的路径探索与实践; 2024年河南省科技攻关项目(项目编号:242102210114);河南省教育科学规划2024年度一般课题(项目编号:2024YB0500);2022年河南省职业教育教学改革研究与实践项目(项目编号:[2023]0309);

文章来源:余东先,赵建峰,贾亚娟.基于虚拟现实的老年人认知健康评估系统的设计与实现[J].科学技术创新,2024,(23):118-121.