上海六院等团队开发全球首个青少年VR智能运动干预系统

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6月23日，上海交通大学医学院附属第六人民医院李华婷教授团队联合上海交通大学计算机学院/人工智能教育部重点实验室盛斌教授团队，携手上海体育大学王继红研究员团队、上海科技大学/上海临床研究中心曾嵘教授团队及新加坡国立大学林水德教授团队，在国际顶尖医学期刊《自然医学》上发表重要研究成果，宣布成功开发全球首个专为青少年设计的VR智能运动干预系统——REVERIE（中文名“灵境”）。该系统通过沉浸式体验与智能教练的结合，为青少年提供更具吸引力和个性化的运动干预，旨在助力解决日益严峻的青少年超重和肥胖问题。

青少年肥胖已成为全球性的公共健康危机，其患病率正迅速上升。据相关数据显示，从1990年到2022年间，全球5岁至19岁儿童和青少年中的肥胖人口增加了约3倍。青春期肥胖不仅显著增加心血管代谢风险，还可能导致持久性认知功能下降。尽管体育锻炼是一线治疗方法，但运动动机不足、同伴压力及缺乏个性化指导等因素限制了青少年参与体育活动的意愿和实际参与度。因此，开发安全、个性化且富有同理心的运动干预手段尤为重要。

虚拟现实技术通过将用户沉浸于一个由计算机生成的交互式环境，为肥胖运动干预提供了新的可能性。然而，当前大多数VR运动干预系统仍采用“一刀切”的设计，难以根据使用者的个体特征进行精准适配。这种缺乏个性化的模式不仅影响实际干预效果，甚至可能带来运动挫败感、身体负担加重等负面影响。此外，全球范围内关于VR干预有效性的高质量随机对照试验仍较稀缺，制约了其在临床实践中的广泛应用与科学评估。

为弥补上述研究空白，研究团队创新性地提出了一种融合“模板驱动”与“反馈导向”的深度强化学习策略。借助高精度动作捕捉技术，团队对专业教练在乒乓球和足球教学过程中的动作进行系统采集，构建专家教练模板，用于训练具有自主教学能力的虚拟教练智能体。在部署运行后，这一系统将持续采集虚拟教练智能体与青少年用户的交互数据，用于虚拟教练智能体的持续强化学习与策略微调，从而实现针对青少年的个性化方式引导的运动干预。该系统创新性地利用了深度强化学习驱动且基于Transformer架构的虚拟教练孪生智能体，并通过迭代用户交互进行优化，可以提供安全、沉浸式、富有同理心且有效的运动指导，其生物力学表现和运动心率响应与同样运动类型的真实世界运动无显著差异。

在研究过程中，研究团队完成了全球首例聚焦超重肥胖青少年群体的虚拟现实运动干预随机对照试验（RCT）。在随机对照临床研究中，共纳入227名超重或肥胖的青少年，随机分配至对照组、真实乒乓球运动组、真实足球运动组、VR乒乓球运动组和VR足球运动组。对照组维持原有生活及运动习惯不变，运动组在学校原有的体育课基础上增加每周三次相应的运动干预课程，真实运动组与VR运动组通过实时监测心率的臂带将运动强度控制在相同强度区间，同时两组的技能训练内容保持一致。所有参与者在研究期间均接受统一的饮食管理，干预持续八周时间。主要研究终点为体脂含量变化，次要研究终点包括体成分、糖脂代谢、体适能、心理健康、认知功能等。

研究结果显示，VR运动在减脂和代谢改善方面与真实运动相当，在运动能力、心理健康及运动意愿维持方面更具优势。尤其在认知功能上，VR运动组表现出感知能力增强和工作记忆准确率提升。

脑功能影像显示，VR运动相较于传统真实运动在认知增强方面涉及的不同神经机制，揭示了网络交互的层级化组织模式，从简单任务时局限于额顶任务控制网络内部的调节，到复杂任务时涉及更广泛的跨网络交互，VR运动干预能够显著影响工作记忆加工，提高神经元效率和神经可塑性。VR运动后，肠道微生物组、代谢组和脂质组的特征发生显著改变，真实运动干预后则主要观察到蛋白质组的显著变化。与差异多组学特征相关的脑区尤其集中在额叶、颞叶和楔前叶等，与认知行为学指标联系密切。