用于减轻儿童患者磁共振成像过程中焦虑情绪的虚拟现实模拟系统的开发

摘要

本文介绍了一种开发虚拟现实（VR）游戏化模拟的方案，旨在降低儿科患者在进行磁共振成像（MRI）扫描时的焦虑情绪。通过模拟MRI环境中的视觉和听觉体验，该VR训练可帮助儿童熟悉检查流程，从而提高其舒适度与配合度。

摘要

磁共振成像（MRI）是儿科诊疗中一种重要的诊断工具，可提供高分辨率图像且无需使用电离辐射；然而，其陌生的环境、狭小的空间以及巨大的噪音可能引发患儿的不适、幽闭恐惧和焦虑情绪。这可能导致对镇静剂的需求增加以及成像时间延长。在位于加拿大安大略省伦敦市的维多利亚儿童医院，儿童生活项目目前采用玩偶和MRI模型，通过基于学习的方法帮助减轻儿科患者的焦虑。尽管这些方法有效，但在真实还原MRI检查体验方面仍存在局限性。为解决这一问题，我们开发了一种专为维多利亚儿童医院儿科患者设计的、基于虚拟现实（VR）技术的游戏化MRI体验。虚拟现实是通过头戴设备体验的计算机生成三维环境。该模拟系统重现了MRI环境中的视觉、听觉和空间特征，帮助儿童在检查前熟悉整个过程。虽然我们的VR房间是维多利亚儿童医院真实MRI检查室的复制品，但通过调整环境细节，该系统也可适配其他医疗机构使用。后续研究将通过定量与定性评估，进一步验证该模拟系统在减轻焦虑方面的有效性。

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，以辅助疾病诊断和治疗监测¹。由于MRI不涉及电离辐射，因此被认为是儿童最安全的成像方式之一¹；然而，该过程对年幼患者可能尤为困难。儿童必须在一个封闭的隧道中保持静止长达一小时，同时暴露于巨大的噪音环境中²，这种体验可能引发恐惧、焦虑、幽闭恐惧症，或对诊断本身的强烈担忧^1,2,3,4,5。此类焦虑可能导致身体躁动（5至10岁儿童尤其容易移动⁶）、依从性差或行为困难⁷。MRI检查高度依赖患者的配合，因为毫米级别的微小移动就可能导致图像失真，从而需要重复扫描。这可能给家庭带来心理压力，并增加医院的经济负担⁸。父母或照护者的焦虑可能加剧儿童在MRI检查期间的压力，因为儿童的情绪常常会模仿成年人⁹；因此，父母或照护者的参与及其在检查过程中的配合已被证明有助于提高儿童MRI检查的成功率¹⁰。

目前有多种方法可用于管理儿童在进行磁共振成像（MRI）前的焦虑情绪，但其效果有限。镇静剂或麻醉剂虽有助于使儿童在扫描过程中保持静止，但可能增加不良事件的发生风险，包括协调能力受损、头晕以及躁动加剧^8,11。作为替代方案，心理准备已被证明可减轻儿童在医疗环境中的应激反应^12,13,14，并降低在MRI检查前对镇静或麻醉的需求^10,15。心理准备措施包括使用平板电脑播放互动视频^16,17、采用教育与分散注意力技术^6,7、游戏治疗⁷、认知行为疗法训练¹⁸，以及实体模拟MRI设备演练^19,20。然而，该方法仍存在局限性，加拿大安大略省伦敦市维多利亚儿童医院的情况即为佐证。该院儿童生活项目中的儿童生活专家会使用多种心理准备工具，在MRI检查前缓解患儿的焦虑或恐惧情绪；根据儿童的年龄、焦虑程度和个性特征，干预措施可能包括图画书、iPad视频、玩具模型、大型MRI模拟装置或检查前参观导览（图1）。扫描过程中，儿童还可携带安抚玩具或毛毯进入MRI设备，或通过屏幕观看视频。这些方法旨在向儿童普及MRI检查流程，同时提供分散注意力、心理安慰和环境熟悉化的作用；然而，这些干预手段也存在不足：由于检查室正在使用，参观导览往往无法安排；图画书、模型和iPad视频可能难以吸引年龄较大的儿童，也无法完整呈现MRI检查的真实体验；所有这些方法均无法模拟MRI设备产生的高分贝噪音；更重要的是，它们无法让儿童练习在密闭空间内保持静止的能力。因此，亟需开发更具吸引力和沉浸感的新型干预手段，以克服上述局限。

虚拟现实（VR）是一种通过头戴式显示器观看的三维（3D）计算机生成环境，近年来在教育、培训和医疗保健领域得到越来越广泛的应用。VR 能够创建逼真且可交互的现实世界模拟²¹，儿童对此尤其敏感，因为该技术能够使用户在虚拟环境中产生身临其境的感觉^22,23。研究表明，VR 能有效减轻儿童在入院前的焦虑：Eijlers 等人的一项荟萃分析发现，VR 干预能显著降低儿童在接受医疗操作过程中的疼痛和焦虑水平，尤其是在作为分散注意力工具使用时效果更为明显²⁴；类似地，Chiu 等人证明，通过提供虚拟医院导览实现环境熟悉化，沉浸式 VR 可有效降低儿童术前焦虑²⁵。这些益处也延伸至儿童磁共振成像（MRI）检查前的准备过程，VR 在此方面具有减少镇静需求的潜力；已有若干研究探索将 VR 作为 MRI 检查前的干预工具，并取得了积极成果。例如，Ashmore 等人开发了一款免费的 VR 应用程序，利用 360° 视频引导儿童完成 MRI 检查流程，该方法在医护人员和患者中均获得高度评价，被认为易于使用且富有帮助性，并在五名患者中的四人身上避免了全身麻醉的使用²⁶。Saliba 等人的一项随机对照试验发现，仅接触 5 分钟的 VR MRI 体验即可显著降低儿科患者的焦虑水平²⁷。此外，Stunden 等人开发了一款定制化的 VR MRI 应用程序，结合标准操作手册和医院儿童生活项目，结果显示使用 VR 的组别中，照护者满意度更高，照护者焦虑水平显著更低。这一发现尤为重要，因为父母照护者的心理 distress 预期会影响儿童在医疗操作期间的反应²⁸。基于这些发现，近期更多研究进一步评估了交互性和游戏化元素在 VR MRI 准备工具中的影响。Yang 等人的一项研究引入了一种基于独立式头戴显示器（HMD）的 VR MRI 模拟器，包含多个模块，如“保持静止”游戏、360° 视频以及正念训练部分。其初步研究表明，与传统教育材料相比，该系统在参与度、满意度和主观有效性方面均显著更高²⁹。另一项由 Yang 等人开展的研究比较了四种干预方式：2D 视频、360° 视频、被动式 VR 和游戏化交互式 VR，结果发现游戏化 VR 条件下，青少年的头部运动显著减少，自我报告的准备程度和参与度更高。该研究结果支持了行为预演和即时反馈可能提升操作准备度并减少因运动导致扫描失败的假设³⁰。Liszio 和 Masuch 同样证明，一种富有趣味性、以儿童为中心并融合脱敏训练和互动叙事的 VR 应用可有效降低与 MRI 相关的焦虑。该设计强调了游戏化和逐步暴露于应激刺激的重要性，这与现代儿科干预框架相一致³¹。然而，尽管取得了这些成功成果，该技术尚未得到全面推广和实施。

为解决现有儿童磁共振成像（MRI）准备工具的局限性，开发了维多利亚儿童医院MRI体验的虚拟现实（VR）模拟系统。各组件的设计均基于与儿童生活专家、MRI技术人员的咨询以及对医院MRI扫描流程的直接观察。首先通过三维（3D）建模重建医院环境，构建出细节丰富的虚拟场景；随后将该3D模型集成至游戏引擎中，以创建沉浸式VR体验。开发过程中使用了多种工具，包括："关卡"，即利用医院环境的3D建模构建的物理MRI检查室；"关卡序列器"，一种基于时间轴的动画工具，用于对物体进行动画处理并同步动作；可动画的"电影摄像机角色"，用于模拟用户的视角，营造滑入虚拟磁体孔道的感觉；一段复制MRI设备噪声的音频轨道，与滑动动画同步，以模拟MRI检查中的听觉体验；屏幕模拟功能，用于复制附着在检查床旁的MRI安全分散注意力显示屏，MRI技术人员可上传视频供儿童在扫描期间观看，以帮助其保持静止；VR角色实体（pawn），作为用户在虚拟环境中的化身，具备头部与手部追踪功能；以及"可抓取物体"，一个手持式交互立方体，用于启动MRI模拟流程，当被拾取时将触发动画时间轴的开始。为支持照护者与儿童生活专家的参与，系统集成了多人模式，采用客户端-服务器架构，允许多名用户（如技术人员、家长、照护者或儿童生活专家）在同一虚拟环境中互动，并通过麦克风进行语音聊天，实现玩家间的实时交流，从而减轻儿童的孤立感。

本研究旨在为安大略省伦敦市维多利亚儿童医院开发一款游戏化的磁共振成像（MRI）体验虚拟模拟系统，供儿童生活项目（Child Life Program）用作缓解儿童患者在进行MRI检查前焦虑情绪的干预手段。该模拟系统通过虚拟现实（VR）头戴式显示器观看，旨在使儿童熟悉MRI扫描仪及其周围环境，通过提供真实且沉浸式的实际体验再现，以减轻焦虑情绪。多人模式的设置使年龄较小的患者也能参与其中，从而提升不同年龄段儿童的使用便利性。尽管本研究开发的VR模拟系统是专门基于维多利亚医院的环境建模而成，但所采用的方法具有可适应性，可应用于重现任何可能通过环境熟悉化来缓解患者焦虑的医疗场景。这是目前已知首个报道包含多人互动功能、手持退出工具、MRI设备内部视频屏幕以及语音聊天模式等附加交互功能的虚拟MRI体验的研究。通过本研究，我们希望开发出一种未来可由维多利亚儿童医院的儿童生活专家使用的工具，以改善儿科患者的整体就医体验。

方案

本研究已获得西安大略大学健康科学研究伦理委员会（HSREB）的伦理批准（项目编号：116749）。已从人类受试者处获得书面知情同意书。所需试剂和设备列于材料表中。

1. 资产的3D建模

注意：使用三维建模软件创建磁共振成像设备及其周围环境的逼真且按比例缩放的三维模型。

1. 摄影记录
   1. 从多个角度拍摄真实 MRI 房间的照片，确保所有墙壁、设备、家具和建筑特征均清晰可见，以提供准确的参考材料。
2. 三维形状建模
   1. 启动三维建模软件。
   2. 将参考图像导入工作区。
   3. 使用立方体、圆柱体和平面等几何基本体创建构成 MRI 房间基础的形状。
   4. 根据参考图像，调整地板、天花板、墙壁和橱柜的尺寸，以匹配实际比例。
   5. 通过叠加和修改圆柱体、球体及曲面，构建 MRI 设备和视频屏幕，以复现扫描仪孔道和外部结构。
   6. 应用细分和倒角修饰器，使边缘平滑并形成逼真的轮廓。
   7. 使用顶点模式优化曲面元素，并为模型添加结构细节。
3. 空间校准
   1. 使用相机匹配工具在参考图像上叠加三维坐标轴。
   2. 将虚拟相机视角与原始照片对齐，确保空间准确性与比例正确。
   3. 根据校准后的相机视图对所有三维对象进行定位和缩放，确认其与参考图像一致，以保证深度、旋转和位置的准确性。
4. 材质贴图
   1. 为模型的每个表面应用材质和纹理，选择与真实 MRI 房间环境相匹配的颜色。
   2. 在必要时使用 UV 编辑工具将纹理图像包裹到对象表面。
   3. 调整表面属性，包括粗糙度、反射率和金属特性，以模拟真实的光照交互效果。
5. 协同开发
   1. 配置私有网络，以支持在建模软件中进行实时多用户编辑。
   2. 允许多个贡献者在同一文件中共同构建和放置资源，实现同步协作。
      注：完成的三维模型应在空间和视觉上高度还原真实房间，准确再现其尺寸、布局和关键组件（图 2 和 图 3）。模型完成后，可导入游戏引擎以添加与虚拟现实（VR）使用所需的功能性元素。

2. 功能仿真开发

1. 层级创建
   1. 在游戏引擎中创建一个基础关卡，或导入一个预构建的3D模型³².
   2. 将先前建模的3D虚拟资源导入新关卡，以匹配真实场景图4).
   3. 放置照明元素，例如定向光和点光源。
   4. 场景构建完成后，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自动启用VR模式。
      2. 将默认 pawn 类设置为 VR pawn，以确保在 PlayerStart 位置生成 VR pawn。
2. 梯度序列器
   1. 通过导航创建一个音序器 运动学，然后选择 添加层级序列 在 Unreal Engine 关卡的主视口中。重命名并保存序列{Engine, #4}。
   2. 测序器窗口自动打开后，从异常值中导入所需的参与者（例如灯光、静态网格体），然后将这些参与者拖拽至测序器时间轴，或通过点击导入 追踪，然后 演员³³.
   3. 编辑序列中的变换，例如位置、旋转和缩放。
3. 音频整合
   1. 使用3T磁共振扫描仪，在患者位于检查床上时，通过磁共振采集控制台的麦克风记录MRI扫描声音。记录MP范围、扩散及EPI序列。
      注意：记录的 MRI 扫描仪未启动静音参数。通过 VR 耳机播放时，预录制的 MRI 声音最高达到 75 分贝。
   2. 添加一段 MRI 声音的 .wav 音频轨道。单击 追踪，然后 音频轨道 在测序仪窗口中查找 MRI 音频。
   3. 在时间轴上选择并定位 MRI 音频文件。
   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. 通过导航添加一个电影摄像机角色 追踪，演员到 测序仪，以及 电影摄影机 演员 在测序仪窗口中。
   2. 选择 电影摄影机 演员，然后在测序仪中进行追踪和转化。
   3. 在时间轴的起始位置添加一个关键帧。移动到末尾，调整相机的变换，然后添加第二个关键帧以创建相机运动的动画。
   4. 添加电影摄像机角色、虚拟腿、MRI声音、视频显示和屏幕到杠杆序列器轨道并放置关键帧。同步动画中的所有网格，使整个身体随电影摄像机一起运动补充图1).
   5. 使用序列编辑器中的播放按钮预览动画（图5).
5. 屏幕模拟
   1. 首先导入一个可用于磁共振成像（MRI）的任意视频的MP4文件。
   2. 使用媒体播放器加载视频并生成素材。
   3. 将材质应用于默认的静态网格（例如，一个压平的立方体），以充当屏幕。
   4. 应用之前建模的默认静态网格的三维外部结构，该网格将插入大厅所在的位置。
   5. 使用媒体播放器触发节点播放视频，以在屏幕上显示分散注意力的内容（图6 和 图7).
6. 可抓取物体与动画触发器
   1. 将抓取组件添加到默认立方体以实现人机交互³⁴ (图8).
   2. 使用运动控制器的握持按钮实现手部交互，方法是在握持位置周围创建球形追踪。
      1. 在接收到握持输入时，将执行器连接到控制器。
      2. 松开控制器握把按钮时，解除与执行器的连接。
   3. 配置抓取组件以触发动画，例如启动 MRI 扫描。
   4. 使用蓝图逻辑在抓取物体后打开门禁限制；当物体未被抓取时，关闭输入通道以防止误触补充图2).
   5. 通过按下右侧控制器的触发键来启动动画。在VR角色中调用播放动画函数。
   6. 确保蓝图能够在当前关卡中找到对应的序列播放器及匹配的关卡序列角色补充图3).
7. 创建基于小工具的界面
   1. 创建一个新的用户控件蓝图。
   2. 将虚拟按钮作为下拉列表的一部分添加，该列表标注为： 重置方向，重新启动，创建会话，以及 加入会话 (图9).
   3. 结合 "创建会话" 启动服务器并加载正确关卡的逻辑（补充图4).
      注意：由于VR控制器的输入选项有限，请使用小工具按钮而非控制器输入。若追踪发生偏移，重置朝向按钮可重新校准用户的视角；重启按钮将把VR角色传送回 "播放开始"；创建会话将建立一个新的多人会话和服务器；查找服务器将搜索可加入的可用会话。
8. 创建一个多玩家模拟³⁵
   1. 修改配置文件以启用在线功能。
      1. 安装并整合 高级会话 插件
      2. 启用以下插件以支持语音聊天和多人模式： 在线子系统工具，高级蒸汽会话 和 高级实验课程.
      3. 在项目设置中打开输入部分，添加按钮转换器以将 Meta Quest 控制器输入与 Unreal Engine 事件连接。将 RightTrigger 的动作映射设置为 Oculus Touch (R) Trigger，LeftTrigger 映射为 Oculus Touch (L) Trigger，LeftXForQuit 映射为 Oculus Touch (L) X Press。利用这些映射通过 VR 控制器触发语音聊天并实现菜单交互。
   2. 使用 创建会话 在基于小部件的界面中点击按钮以启动会话，并让服务器加入正确的层级。
      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. 使用会话查找函数从会话搜索结果中获取可用的服务器名称。
      3. 将每个服务器名称传递给控件项，并添加到下拉列表中。
      4. 允许用户从列表中选择一个会话并加入相应的服务器。
   3. 定义默认角色，如服务器（技术人员或家长）和患者或客户端（儿童或其他用户）。
      1. 放置 播放开始 在层级中添加角色，并根据分配的角色为每个角色标注显示名称，以区分多人模式中的用户：Player1：技术人员或护理人员；Player2：患者或客户补充图5).
      2. 使用蓝图逻辑通过玩家计数器为 PlayerStart 分配标签。
      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或患者编号。
   4. 实现头部与手部的同步，以提升用户交互体验。
      1. 为VR角色添加头显和手柄控制器的追踪组件。
      2. 在事件中 蜱从头戴式设备和手柄控制器收集局部变换数据。
      3. 如果控制器属于本地玩家，则使用远程过程调用将变换数据发送至服务器；如果控制器属于远程玩家，则从服务器接收变换数据，并将其应用到网格或相机角色图10).
   5. 使用客户端-服务器模型（CS 模式）在用户之间同步操作，并将所有信息传递至服务器（补充图6).
      注意：应将信息传递给服务器，以便将后续操作分发到每个端口，从而实现同步。使用多人模式时，必须将小部件从 "已点击" 到 "压下时" (补充图7).
9. 语音聊天集成³⁶
   1. 打开VR角色蓝图。
   2. 向VR Pawn添加语音捕获组件以启用语音录制功能。
   3. 设置组件在进入多人游戏会话时激活。
   4. 配置语音系统以连接到会话状态，并仅在连接到服务器时激活
   5. 配置 VoiceThread 组件以启用语音聊天。通过启动两个 PlayerStart 并在多人会话期间确认双向音频传输，来测试语音聊天功能。
10. 退出与重置功能
    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. 添加一个重置功能，当用户位置错位时，可将其传送回起始位置补充图9 和 补充图10).
11. 健康志愿者的预试验
    1. 在5名既往接受过MRI扫描的健康研究生志愿者中进行模拟测试作为预实验。
    2. 使用五点李克特量表问卷，让健康志愿者对其经历的虚拟现实（VR）MRI体验与真实MRI检查的相似程度进行评分。问卷包含8个问题，涵盖MRI设备及检查室的物理外观、噪音、扫描过程中的视觉体验、被封闭或受限的感觉、保持静卧的感受，以及对整体环境的印象。

结果

成功开发了一种功能完整、沉浸感强且高度逼真的虚拟现实（VR）磁共振成像（MRI）模拟系统，旨在帮助维多利亚儿童医院的儿科患者为MRI检查做好准备。该模拟系统的附加功能运行稳定，表明其已具备进入临床测试的条件。首个成功成果是利用三维建模技术精确还原了MRI扫描仪及其周围环境。通过参考实景照片对虚拟资源进行校准，使其与真实空间尺寸相匹配，最终构建出在视觉和空间上均具有高保真度的环境，能够高度还原儿童在实际扫描过程中将面对的真实场景。第二个关键进展是创建了一个逼真的虚拟MRI扫描过程，能够高度模拟进入真实MRI设备孔道时的感官体验。儿童将在现实世界中按照实际检查要求躺下，通过摄像机动画序列结合扫描仪音频，体验模拟的MRI扫描过程。该VR MRI是目前在维多利亚儿童医院开发的唯一一种干预手段，使儿童生活专家能够向患儿演示并描述MRI检查的声音特点。

环境中成功整合了多项其他技术功能，包括安装在MRI检查床前方的视频屏幕，可播放MP4视频文件，以模拟现实生活中的视频分散注意力策略。此外，还引入了一个可交互抓取的立方体，将复杂的控制器手势简化为更直观的单动作触发机制，从而提高了可靠性，并减少了...

讨论

虚拟磁共振成像（MRI）模拟系统的开发受到一系列设计决策的影响，这些决策影响了其在儿科环境中的可用性。儿童生活专家（Child Life Specialists）和MRI技术人员的意见在虚拟还原真实世界操作流程方面发挥了重要作用。例如，病床上方设置视频MRI显示屏幕的做法在实际扫描中常被用作分散注意力的工具，这一设计正是根据儿童生活专家的建议被纳入虚拟MRI系统中的。同样，添加"退出模拟"按钮的灵感来源于实际MRI检查中使用的挤压球，儿童可通过挤压该球来表达不适。这些以儿童为中心的设计决策与现有文献一致，强调可定制且沉浸式的虚拟现实（VR）元素在减轻操作相关焦虑和提高儿童配合度方面的重要性³⁷。同时，这些设计也体现了在开发早期引入医疗专业人员以确保临床相关性的价值。

在开发过程中发现了若干可用性方面的挑战，这些挑战为后续的改进提供了依据。儿童生活专家强调，以往用于缓解MRI检查前焦虑的VR工具由于操作控制过于复杂或存在技术问题而未能成功。为解决这一问题，原本用于启动MRI扫描的手势操作已被简化 "抓取"...

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	社区插件	https://vreue4.com/generated-node-documentation?section=advanced-sessions-plugin	在虚幻引擎中启用 Steam 多人游戏功能
Blender 软件	Blender 基金会	https://www.blender.org/	用于建模 3D 虚拟 MRI 环境及资源
Fspy	Fspy 项目（GitHub）	https://fspy.io/	用于相机匹配与透视校准
Hamachi	LogMeIn	https://vpn.net/	用于在开发期间创建虚拟局域网以支持多人会话
Meta Quest 3 和 3S 头戴设备	Meta	https://www.meta.com/ca/quest/?srsltid=AfmBOooSwFweWKye9LY HHsSsuGhZgdZZxi-m7xAFtC ecIK2ekZnTAhGr	用于测试和部署模拟的 VR 头戴设备
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	在虚幻引擎中实现多人实时协同编辑
Steam	Valve 公司	https://store.steampowered.com/	多人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	在 VR 多人环境中启用语音聊天功能
Windows 电脑	Microsoft	自行组装	用于构建 VR 项目的开发与测试平台。配备 AMD Ryzen 9 5900X 处理器、Nvidia RTX 3080Ti 显卡、32GB 内存，以及 2TB 固态硬盘和 4TB 机械硬盘