在虚拟现实环境中，运动想象在脑机接口系统中具有广泛的应用。本文阐述了使用个性化的数字化身，这些化身在虚拟现实环境中模拟参与者所想象执行的动作，以增强沉浸感和身体所有权感知。
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本文内容
摘要
摘要
本研究通过整合脑机接口（BCI）与虚拟现实（VR）技术，并结合三维（3D）虚拟形象的个性化定制，提出了一种神经康复领域的创新框架。传统的康复方法往往难以充分调动患者的参与度，主要原因是无法提供深度沉浸式和高度互动的体验。本研究致力于通过运动想象（MI）技术填补这一空白，即让参与者在不实际执行动作的情况下在脑海中模拟身体运动。该方法利用大脑的神经机制，在想象运动时激活与实际运动执行相关的脑区，从而促进康复进程。该系统的核心在于将虚拟现实的沉浸式能力与脑电图（EEG）的精确性相结合，以捕捉并解析与运动想象相关的脑电活动。系统采用以个性化3D虚拟形象形式呈现的“数字孪生”技术，显著增强用户在虚拟环境中的沉浸感。这种增强的具身感对于实现有效的康复至关重要，旨在加强患者与其虚拟化身之间的连接。通过这种方式，该系统不仅旨在提升运动想象的表现，还力求提供更具参与感和疗效的康复体验。借助脑机接口的实时应用，系统可将用户想象中的动作直接转化为3D虚拟形象在虚拟空间中的实际行为，从而向用户提供即时反馈。这一反馈回路对于强化与运动控制及康复相关的神经通路至关重要。该系统的最终目标是通过提升运动想象训练的互动性和对用户认知过程的响应能力，显著增强其有效性，从而为神经康复领域开辟一条全新的路径。
引言
随着脑机接口（BCI）和沉浸式虚拟现实（VR）等先进技术的引入，神经系统功能障碍患者的康复范式正在经历变革性转变，为促进功能恢复提供了更精细且有效的手段。运动想象（MI）是基于BCI的康复技术的核心方法，指在不实际执行动作的情况下，在心理上排演身体运动过程1。MI利用了一种神经机制：想象某一动作会引发与实际执行该动作时高度相似的大脑活动模式2,3,4。具体而言，进行运动想象会导致大脑电活动的α频段（8–13 Hz）和β频段（13–25 Hz）出现一种称为事件相关去同步化（ERD）的现象5,6,7。ERD反映了基础脑节律的抑制状态，这种模式在实际运动过程中同样存在，因而为在BCI辅助康复框架中应用MI提供了神经基础7。MI与实际运动在皮层激活模式上的相似性表明，MI能够有效刺激参与运动控制的神经网络，使其成为运动功能障碍患者的重要康复工具8。此外，MI的实践已不仅限于单纯的心理排演，还扩展至动作观察策略的应用
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方案
本研究旨在探讨利用通过脑电图（EEG）记录的运动想象（MI）信号，在虚拟现实（VR）环境中实时控制三维虚拟化身的可行性。研究重点是通过个性化虚拟化身以使其与受试者外貌高度相似，从而增强沉浸感和身体所有权感。该实验方案已获得Vellore理工学院伦理审查委员会的批准。参与者在了解研究目的、实验流程及潜在风险后，均签署了书面知情同意书。
1. 实验设置
注意：确保系统包含所有组件，如图1所示的实验装置示意图中所示（所用设备见材料表）。
- 3D虚拟形象开发
- 虚拟形象建模
- 在数据采集前一天，从各个角度采集每位参与者的多张面部照片，并进行精确的身体测量。
- 点击 建模软件 打开后，立即找到性别滑块。将此滑块调整为与拟创建模型的性别一致。
- 导航至屏幕顶部的“建模”选项卡，点击该选项卡以访问身体自定义选项。
- 使用躯干、手臂、腿部等各个部分下方的滑块来调整身体模型。重点关注以下基本测量数据：身高、胸围/ bust、腰围、臀围、腿长和臂长。
- 点击 姿态/动画 标签，然后选择基础动画....
- 虚拟形象建模
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结果
结果显示来自5名遵循上述方案的个体。共有5名健康成人（3名女性）参与了本研究，年龄范围为21至38岁。
每位参与者在运动想象训练和测试条件下的个体分类表现如图2所示。为评估分类器在训练和测试阶段区分左、右运动想象信号的准确性，计算了所有受试者的平均混淆矩阵（见图3）。
训练期间针对左侧和右侧运动想象计算得到的CSP权重被投影为一名代表性受试者的地形图模式，如图4A所示。此外，对同一名受试者在C4电极（位于对应左手的对侧右侧感觉运动区）和C3电极（位于对应右手的左侧感觉运动区）采集的脑电数据进行了时频分析。用于识别事件相关谱扰动（ERSP）的时频图显示了在一次试验过程中8至30 Hz频率段振幅随时间动态变化的情况，如图4B中运动想象训练阶段所示。重点关注α频段（8–12 Hz）和β频段（13–.......
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讨论
将运动想象（MI）与虚拟现实（VR）技术结合应用于康复，有望利用大脑固有的运动规划与执行机制，为康复治疗提供一条颇具前景的途径。MI 能够在特定脑电频段诱导出与实际运动神经活动相似的事件相关去同步化现象2,3,4，从而为参与运动控制的神经网络的激活与强化提供坚实的基础8。这一过程因 VR 技术的沉浸性而进一步增强：VR 不仅可显著提升个体的临场感与身体归属感，还有助于运动过程的可视化，从而丰富运动想象的体验16。
开发高度逼真、与所代表个体外貌相近的个性化三维虚拟形象，是该领域的一项重要创新13,14,15。该方法在概.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者谨此感谢所有参与者所付出的时间与积极参与。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Alienware 笔记本电脑 | Dell | 配备 GTX1070 显卡的高端游戏笔记本电脑 | |
| Oculus Rift-S 虚拟现实头盔 | Meta | 虚拟现实头盔 | |
| OpenBCI Cyton Daisy | OpenBCI | 脑电图系统 | |
| OpenBCI 无凝胶帽 | OpenBCI | 用于在受试者头皮上放置脑电电极的无凝胶帽 |
参考文献
- Andrade, J., Cecílio, J., Simões, M., Sales, F., Castelo-Branco, M. Separability of motor imagery of the self from interpretation of motor intentions of others at the single trial level: An eeg study. J. NeuroEng. Rehabil. 14 (1), 1-13 (2017).
- Lorey, B., et al.
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重印与许可
