虚拟现实(VR)是一种强大但未充分利用的方法,可促进神经系统疾病的诊断和治疗。克利夫兰诊所虚拟现实购物平台将最先进的VR内容与全向跑步机相结合,以量化日常生活的工具活动 – 这是神经系统疾病的前驱标志物。
日常生活工具性活动(IADLs)表现的下降已被提议为神经系统疾病的前驱标志物。现有的临床和基于绩效的IADL评估对于整合到临床医学中是不可行的。虚拟现实(VR)是一种功能强大但未得到充分利用的工具,可以推进神经系统疾病的诊断和治疗。在临床神经病学中采用和扩展VR的一个障碍是视觉和前庭系统之间的感觉不一致(即运动问题)引起的VR相关疾病。
克利夫兰诊所虚拟现实购物(CC-VRS)平台试图通过将全向跑步机与高分辨率VR内容相结合来解决运动问题,使用户能够在虚拟杂货店中实际导航以模拟购物。CC-VRS由基本和复杂的购物体验组成;两者都需要步行150米并取回五个项目。复杂体验具有其他方案,这些方案增加了任务的认知和运动需求,以更好地表示与现实世界购物相关的活动的连续体。CC-VRS平台提供与用户IADL性能相关的客观和定量的生物力学和认知结果。初始数据表明,CC-VRS导致最小的VR疾病,并且对于老年人和帕金森病(PD)患者是可行和可耐受的。综述了开发、设计、硬件和软件技术背后的考虑因素,并提供了整合到初级保健和神经病学的初始模型。
2008年,美国国家工程院确定了21世纪工程的14大 挑战1。其中之一是将虚拟现实(VR)整合到医学中。在使用VR培训医学生2,3,手术计划3,减少与医疗互动相关的焦虑4,协助管理急性5 和癌症相关疼痛6,以及增强中风7后的运动恢复方面取得了进展。尽管有这些有希望的应用,但VR在医学上的效用尚未完全实现,特别是在评估和治疗神经系统疾病领域。虽然VR技术的进步已经最大限度地减少了成本、头戴式设备舒适度和直观可用性功能等障碍,但VR疾病继续阻碍VR与医学的整合8。
虚拟现实病是指在VR体验期间出现的类似于晕动病(例如恶心,呕吐,眩晕)的感觉9,10,11 。虽然在解释VR疾病时没有一个单一的理论是一致的,但感官冲突理论是一个主要的解释12.简而言之,感官冲突理论表明,VR疾病源于感官差异;视觉流动信息指示身体在空间中向前移动,而前庭系统指示身体是静止的13。感觉信息的这种差异导致平衡不良,空间定向障碍和无法控制的姿势运动,这些都是VR疾病的前兆。虽然VR病的精确机制存在争议,但减少感官信息源之间的不匹配可能会减少VR病14 并促进VR在医疗环境中的采用。
长期以来,运动与VR相结合一直被提出作为一种通过将用户在物理和视觉上沉浸在虚拟环境中来减少感官不匹配的方法15,16。一些针对有和没有神经系统疾病的老年人的研究已经成功地将沉浸式和非沉浸式VR系统与传统的单向跑步机配对17,18,19。这些研究表明,VR和单向跑步机干预通常耐受性良好18 ,并且干预可能会降低跌倒频率17,19。这些结果为运动和VR的成功整合提供了有希望的基础。但是,单向跑步机的外部电机起搏不允许用户更改速度或执行转弯以与更复杂的现实虚拟环境进行交互。
在过去的二十年中,运动跟踪硬件和软件的进步促进了更加身临其境和交互式虚拟环境的发展。一个重大的进步是全向跑步机20的发展。简而言之,全向跑步机同时利用线性和旋转运动,使用户能够以自选的速度向任何方向移动。在游戏行业中普遍使用的全向跑步机通过解决VR疾病问题和促进创建更能挑战用户物理能力(例如转动或改变方向)的现实环境,扩大了在临床环境中利用VR环境的机会。特别是,全面日常环境的虚拟复制可以促进在进行日常生活工具活动(IADLs)期间评估认知和运动功能。
日常生活的工具性活动(IADLs)是功能性任务(例如,购物,服用药物,准备食物),对维持独立生活至关重要21.完成常见IADL的能力已被提出作为神经系统疾病的前驱标志物。来自长期前瞻性研究的最新数据表明,IADL的下降可能早于帕金森病(PD)的诊断5-7年22,23 和阿尔茨海默病的诊断24,25。与日常生活的基本活动(BADL)26相反,IADL通常需要同时执行两项需要注意的任务(例如,运动 – 认知,运动 – 运动或认知 – 认知)27。绝大多数日常家庭和社区活动都是在双重任务条件下进行的28,29.
虽然双重任务下降明显影响IADL性能,但传统的临床运动评估30,31,32 和神经心理学测试33,34 不足以评估IADL,因为这些评估将功能分离为离散组件而不考虑它们的相互依赖性。目前的直接IADL评估方法依赖于容易产生偏见的自我报告问卷35 或冗长而繁琐的基于绩效的评估36。这两种方法都无法客观、定量地了解个人在社区环境中的IADL功能水平。
VR技术的进步,加上全向跑步机的工程进步,为创造互动和身临其境的环境提供了机会。创建了一个虚拟杂货店和购物任务,以同时评估运动,认知,认知运动和IADL性能。克利夫兰诊所虚拟现实购物(CC-VRS)平台由生物医学工程师,软件开发人员,物理治疗师,职业治疗师和神经科医生组成的团队合作开发。
根据美国职业治疗协会26的建议,选择了一个杂货店购物任务来量化IADL性能。虚拟多重差事任务(VMET)37,定时仪器ADL量表38和宾州帕金森氏症日常活动问卷-15(PDAQ-15)39 将购物视为与神经系统疾病相关的运动和非运动表现的重要指标。其他人使用沉浸式VR头显来创建杂货店环境,试图估计IADL性能为37,40,41。然而,他们未能评估杂货店购物的一个主要组成部分:运动。通常,当前的VR杂货店范式要求参与者使用手持控制器在整个杂货店中传送或导航头像。我们的目标是将运动整合到用户的虚拟购物体验中。CC-VRS开发过程始于对典型杂货店体验的正式任务分析。 如图1所示,九个基本任务组件反映了一系列元素的混合,这些元素可以表征为成功表现所需的运动,认知或认知运动活动,这是所有IADL的特征。
图 1:杂货店购物任务分析。 执行任务分析以确定动作的顺序以及这些动作的性质,以便在现实世界中成功购买杂货。确定了九个主要序列,并用于为 基本 和 复杂 购物任务的发展提供信息。序列分为运动(蓝色),认知(黄色)和认知运动(绿色); 表1提供了有关相应结局的详细信息。 请点击此处查看此图的大图。
CC-VRS平台通过沉浸式VR耳机复制逼真的中型杂货店。在全向跑步机上行走时,用户沿着商店的连续指定路线行驶,在购物清单上找到商品,然后将商品放入虚拟购物车中。提供指定的路径可以标准化通过虚拟商店的步行距离,减少导航错误的数量,并有助于更精确地将IADL性能的潜在变化与用户使用的导航错误或次优搜索策略分离。150米的路线需要多次转弯,这增加了运动复杂性42,43 和在神经患者群体中触发步态冻结的可能性,因为在转弯时观察到冻结的频率高于直线行走44,45。导航路径的距离和购物清单上的项目数量都可以由临床医生配置,以匹配用户的能力或评估会话的目标。
每个用户完成一个基本和一个复杂购物方案。基本方案只需遵循路线并从购物列表中选择项目。在复杂场景中,在沿着商店的相同路线行驶时,会向用户提供不同杂货商品的列表,但会引入其他认知和运动需求(延迟的口头召回、价格比较和下面的协议部分中描述的避障任务)。基本场景和复杂场景中的环境杂货店噪音都完成了沉浸式体验。有关用户表现的摘要和详细数据(包括收集的正确和不正确的项目、购物清单激活的数量和频率、停止持续时间和步态指标)是自动生成的,可供临床医生查看。
CC-VRS的目标是客观地量化IADL在老年人和有神经系统疾病风险或被诊断患有神经系统疾病的个体中的表现。CC-VRS为用户提供了身临其境和逼真的体验,它产生了精确的,基于生物力学的认知和运动功能结果,这些结果有可能作为神经系统疾病的前驱标志物或疾病进展的客观衡量标准。CC-VRS目前正在三个相关项目中使用,旨在:(1)了解健康老龄化和神经系统疾病对IADL表现的影响,(2)确定临床整合到初级保健和运动障碍诊所的可行性,以及(3)确定具有深部脑刺激(DBS)系统的高级PD患者步态冻结的神经特征。总的来说,这些项目将利用CC-VRS平台和相关结果来更好地了解衰老和神经系统疾病如何影响IADL性能的各个方面。这份手稿详细介绍了 CC-VRS 的发展、设计、硬件和软件技术及其新颖的成果,这些成果可以促进与医疗保健的整合。
迄今为止,CC-VRS平台似乎通过将最先进的VR内容与全向跑步机相结合,最有效地解决了VR中的运动问题。CC-VRS无缝沉浸式环境的一个关键方面是确保跑步机和VR软件之间的正确通信。正确设置VR系统的各个方面(包括定位器、脚部和腰部跟踪器以及手部控制器)势在必行。如果跟踪不一致或不可靠,则需要调整基站的方向和位置,或添加另一个基站单元。物理空间的适当覆盖提供了VR硬件和全向跑步机之间的稳定同步,并确保来自VR设备的位置和方向数据是完整,准确和精确的52。建议在每个数据收集会话开始时校准全向跑步机,以确保在虚拟环境中导航时获得最佳响应能力。
在使用 CC-VRS 之前,患者熟悉跑步机至关重要。虽然全向跑步机直观且易于操作,但需要用户熟悉,最好在引入VR头显和由此产生的空间定向挑战之前完成。为了满足个人用户的需求和本评估的目标,每个CC-VRS场景都可以配置以下功能:1)跑步机低或高最大速度,2)教程模块的重复,3)通过商店的路线长度,以及4)购物清单上的项目数量。这些修改优化了对各种功能患者的认知、运动和双重任务能力的评估。
缺乏能够通过使用客观和定量结果来标准化IADL性能的单平台技术,这些结果表征了认知和运动功能,这是早期识别和有效治疗年龄相关神经系统疾病(如PD或阿尔茨海默病)的关键障碍。目前使用自我报告问卷估计IADL功能的方法虽然易于管理,但容易产生偏差。在自我报告期间,老年人倾向于高估或低估IADL能力53。同样,由于观察者的误解或知识差距,完成IADL查询的线人经常误判能力35.
自我报告和线人评级问卷的替代方法是基于绩效的IADL评估。基于绩效的评估通常由训练有素的职业或物理治疗师完成。虽然有许多性能测试和指南可用,但它们不利于整合到临床护理中,通常需要充足的时间和专业空间和设备,而这些空间和设备通常在初级保健或神经病学提供者的办公室中找不到。最广泛使用的基于性能的评估之一,功能状态直接评估(DAFS),需要大约40分钟来管理,其评分主要基于测试管理员的专家意见。虽然 DAFS 在分期阿尔茨海默病中很有用,但它缺乏敏感性,并且在轻度认知障碍阶段24 时无法检测到 IADL 下降。通过将VR与全向跑步机相结合,将虚拟世界和现实世界融合在一起,提供了在复杂的认知条件下捕获IADL性能的机会,从而更好地复制现实世界的环境,从而可能导致神经系统疾病的早期诊断54。
CC-VRS平台通过提供标准化,系统,客观和定量的方法来表征老年人和神经系统疾病患者的IADL能力,从而解决了临床差距。根据初步的可用性测试和数据,基本和复杂的 CC-VRS 方案可以在不到 30 分钟的时间内完成。与PD18的其他沉浸式VR研究类似,大多数PD患者会出现轻微的晕动病症状。从可用性的角度来看,CC-VRS的总体SUS评级为75.7,对应于字母等级“B”,介于“良好”和“优秀”描述符类别55之间。相比之下,最近对流行的手机和平板电脑应用程序的评估报告称,在所有平台56(包括天气频道和YouTube等移动应用程序)中排名前10位的应用程序的平均SUS得分为77.7。与会者的评论表明,大多数用户都喜欢与CC-VRS平台互动的真实感和能力。重要的是,参与者从物理和认知方面感受到了挑战,这表明设计实现了创建一个动态平台的目标,该平台再现了复杂的IADL体验。
我们之前已经证明,技术可以成功地集成到脑震荡57 患者的临床工作流程中,以及为多发性硬化症(MS)58患者提供繁忙的神经学服务。此外,在脑震荡管理中使用技术改善了59的结局并降低了成本,而其在MS治疗中的使用导致在电子健康记录中记录的时间为每名患者节省了27%60。考虑到降低提供护理成本的持续目标61 ,以及经常引用在电子健康记录中记录医生倦怠62所花费的时间,将CC-VRS平台集成到临床护理中可能会为医院系统提供实质性的附加值。两个项目正在进行中,其中CC-VRS平台被整合到1)一个主要治疗健康老年人的区域初级保健家庭健康中心和2)克利夫兰诊所的一个专门的运动障碍诊所。
缺乏用于PD和阿尔茨海默病的准确可靠的生理或数字生物标志物导致早期诊断和测量疾病进展的巨大困难63,64。CC-VRS平台有可能在单一技术平台下提供数字生物标志物,该平台将增强临床护理,并通过减少对主观和高度可变的临床结果的依赖(例如,运动障碍协会 – 联合帕金森病评级量表运动部分(MDS-UPDRS III))来缩短和更有效的临床试验。在过去三十年中,临床神经病学领域对运动和认知功能的评估在评估PD患者和相关主要运动症状方面没有显着进展,更不用说认知或双重任务问题了。PD患者评估中最着名的进步是主观临床评分量表(MDS-UPDRS III)的修订。重要的是,我们认为中央人民武装力量系统不会取代《人类发展战略-扩大发展报告三》。相反,我们认为,通过提供标准化和客观的IADL量化方法,可以在初级保健实践中实现其最大价值。虽然认为目前形式的CC-VRS是神经系统疾病的前驱标志物还为时过早,但结果可用于在神经功能方面提高“红色”或“黄色”标志,这可能会引发运动障碍,神经心理学或老年病专家的咨询。就其在PD临床护理中的应用而言,预计CC-VRS可用于药物滴定或深部脑刺激装置的最终编程。初级保健和PD特定的用例目前都处于试点阶段。通过真正使用户沉浸在现实环境中并测量认知和运动功能的有意义和重要方面,CC-VRS代表了为神经系统疾病创建潜在有效和可扩展的数字生物标志物的第一步。
临床神经病学领域,特别是运动障碍,充满了通过加速度计或其他传感器技术65,66,67,68,69开发用于量化单个孤立的PD症状的技术示例。据我们所知,除了我们的天平70,71,72,73和震颤应用74之外,这些方法都没有被整合到常规的PD临床护理中。以前的技术通常是有效和可靠的;然而,重点一直放在技术开发上,很少考虑临床整合的可行性75,76。患者,提供者,医院和监管机构对量化有意义的日常行为变化的结果指标越来越感兴趣77,78,79,80。临床整合精确而有意义的神经系统症状和IADL表现测量是必要的,以系统地评估干预措施的整体有效性或确定干预措施减缓疾病进展的潜力。开发适合常规临床使用的标准化IADL评估方法很有吸引力,有助于全面了解和治疗有意义的活动的神经系统疾病。
CC-VRS评估IADL表现的方法有助于诊断和管理神经系统疾病,有可能通过早期诊断和更精确地跟踪疾病进展来改变医疗保健。但是,充分承认该系统并非没有限制。全向跑步机的成本是巨大的,并且可能成为广泛采用的障碍,而没有系统的健康经济学研究来确定评估成本相对于早期诊断价值或更精确地跟踪疾病进展之间的潜在“收支平衡”点。值得注意的是,国家神经疾病和中风PD会议78,MDS技术工作组77和FDA强调了通过技术获得以PD患者为中心的结果的差距。他们呼吁使用技术来衡量有意义的PD活动,并将这些结果整合到临床护理中。我们目前正在评估将CC-VRS整合到克利夫兰诊所的初级保健环境和运动障碍中心;这些部署将利用更实惠的全向跑步机。成功收集数据确实需要临床医生投入大量时间来学习如何设置和操作系统。正在进行的临床试点将更好地告知成为熟练用户所需的培训量。人们可以想象一个模型,其中雇用技术人员来操作系统,患者完成购物任务,而不是在预约之前坐在候诊室里。然后,这些数据可以在与他们的提供者见面之前立即集成到电子健康记录中。这些类型的应用程序有可能成为患者未来的候诊室。
The authors have nothing to disclose.
这项研究由迈克尔·福克斯帕金森氏症研究基金会(MJFF-020020)和爱德华和芭芭拉·贝尔家庭主席赞助。我们感谢榆树公园实验室(密歇根州底特律)在构建VR环境并与全向跑步机连接方面提供的帮助。我们也感谢伊芙琳·托曼和布兰妮·莫泽在项目开发和执行方面的帮助。
Cleanbox | Cleanbox | UV hygienic cleaning system used for disenfecting the VR headset | |
Desktop PC | Dell | High-end gaming desktop | |
Infinadeck Omnidirectional Treadmill | Infinadeck | Omnidirectional treadmill allows you walk in any direction | |
Safety Harness | Ymachray | Standard saftey harness to prevent the patient from falling | |
Valve Index Base Stations x3 | Valve | Tracking of the headset/controllers and trackers | |
Valve Index Controllers (one set of 2) | Valve | Hand controllers to interact with the digital content | |
Valve Index VR headset | Valve | VR headset | |
Vive tracker 3.0 x3 | HTC | Placed on feet and waist to track position and control movement of treadmill | |
Vive tracker straps | Skywin VR | Secures the Vive tracker around the waist | |
Zip ties | Used to affix Vive trackers to shoelaces |