Den fordybende Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping Platform til vurdering af instrumentelle aktiviteter i dagligdagen

Summary

Virtual reality (VR) er en kraftfuld, men underudnyttet tilgang til at fremme diagnosticering og behandling af neurologisk sygdom. Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping-platformen kombinerer state-of-the-art VR-indhold med et omnidirektionelt løbebånd for at kvantificere instrumentelle aktiviteter i dagligdagen – en foreslået prodromal markør for neurologisk sygdom.

Abstract

Et fald i udførelsen af instrumentelle aktiviteter i dagligdagen (IADLs) er blevet foreslået som en prodromal markør for neurologisk sygdom. Eksisterende kliniske og præstationsbaserede IADL-vurderinger er ikke mulige for integration i klinisk medicin. Virtual reality (VR) er et kraftfuldt, men underudnyttet værktøj, der kan fremme diagnosticering og behandling af neurologisk sygdom. En hindring for vedtagelse og skalering af VR i klinisk neurologi er VR-relateret sygdom som følge af sensoriske uoverensstemmelser mellem de visuelle og vestibulære systemer (dvs. bevægelsesproblem).

Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping (CC-VRS) -platformen forsøger at løse bevægelsesproblemet ved at koble et omnidirektionelt løbebånd med VR-indhold i høj opløsning, så brugeren fysisk kan navigere i en virtuel købmand for at simulere shopping. CC-VRS består af grundlæggende og komplekse shoppingoplevelser; begge kræver at gå 150 m og hente fem genstande. Den komplekse oplevelse har yderligere scenarier, der øger de kognitive og motoriske krav til opgaven for bedre at repræsentere kontinuummet af aktiviteter forbundet med shopping i den virkelige verden. CC-VRS-platformen giver objektive og kvantitative biomekaniske og kognitive resultater relateret til brugerens IADL-ydeevne. Indledende data indikerer, at CC-VRS resulterer i minimal VR-sygdom og er mulig og tolerabel for ældre voksne og patienter med Parkinsons sygdom (PD). De overvejelser, der ligger til grund for udvikling, design og hardware- og softwareteknologi, gennemgås, og der gives indledende modeller for integration i primærpleje og neurologi.

Introduction

I 2008 identificerede National Academy of Engineering 14 store udfordringer for ingeniørarbejde i det 21^. århundrede¹. En af dem var integrationen af virtual reality (VR) i medicin. Der er gjort fremskridt med brugen af VR til træning for medicinstuderende ^2,3, kirurgisk planlægning³, reduktion af angst forbundet med medicinske interaktioner⁴, hjælp til styring af akut⁵ og kræftrelateret smerte⁶ og forøgelse af motorisk genopretning efter slagtilfælde⁷. På trods af disse lovende applikationer er nytten af VR i medicin ikke fuldt ud realiseret, især inden for evaluering og behandling af neurologisk sygdom. Mens fremskridt inden for VR-teknologi har minimeret barrierer som omkostninger, headsetkomfort og intuitive brugervenlighedsfunktioner, fortsætter VR-sygdom med at hindre integrationen af VR i medicin⁸.

Virtual reality-sygdom refererer til følelser, der ligner køresyge (f.eks. Kvalme, opkastning, svimmelhed)^9,10,11, der opstår under VR-oplevelser. Selvom der ikke er enighed om en enkelt teori til at forklare VR-sygdom, er sensorisk konfliktteori en førende forklaring¹². Kort fortalt antyder sensorisk konfliktteori, at VR-sygdom stammer fra sensoriske forskelle; visuel strømningsinformation angiver kroppens fremadgående bevægelse gennem rummet, mens det vestibulære system indikerer, at kroppen er stationær¹³. Denne uoverensstemmelse i sensorisk information resulterer i dårlig balance, rumlig desorientering og ukontrollable posturale bevægelser, der er forløbere for VR-sygdom. Mens den præcise mekanisme, der ligger til grund for VR-sygdom, diskuteres, vil reduktion af uoverensstemmelsen mellem kilder til sensorisk information sandsynligvis reducere VR-sygdom¹⁴ og lette VR-adoption i en medicinsk indstilling.

Bevægelse kombineret med VR har længe været foreslået som en tilgang til at reducere sensorisk mismatch ved både fysisk og visuelt at fordybe brugeren i det virtuelle miljø^15,16. Flere undersøgelser hos ældre voksne med og uden neurologisk sygdom har med succes parret fordybende og ikke-fordybende VR-systemer med traditionelle ensrettede løbebånd 17,18,19. Disse undersøgelser viser, at en VR og ensrettet løbebånd intervention typisk tolereres godt¹⁸, og interventionen kan reducere faldfrekvensen^17,19. Disse resultater giver et lovende fundament for en vellykket integration af bevægelse og VR. Imidlertid tillader den eksterne motorhastighed på et ensrettet løbebånd ikke brugeren at ændre hastigheder eller udføre sving for at interagere med mere komplekse realistiske virtuelle miljøer.

I løbet af de sidste to årtier har fremskridt inden for bevægelsessporingshardware og -software lettet udviklingen af mere fordybende og interaktive virtuelle miljøer. Et stort fremskridt har været udviklingen af det omnidirektionelle løbebånd²⁰. Kort fortalt bruger et omnidirektionelt løbebånd samtidig lineære og roterende bevægelser for at gøre det muligt for brugeren at ambulere i enhver retning i et selvvalgt tempo. Generelt brugt i spilindustrien udvider omnidirektionelle løbebånd mulighederne for at udnytte VR-miljøer i den kliniske indstilling ved både at løse VR-sygdomsproblemet og lette oprettelsen af realistiske miljøer, der bedre udfordrer brugerens fysiske evner, såsom at dreje eller ændre retninger. Især virtuelle replikationer af fuldskala hverdagsmiljøer kan lette evalueringen af kognitiv og motorisk funktion under udførelsen af instrumentelle aktiviteter i dagligdagen (IADLs).

Instrumentelle aktiviteter i dagligdagen (IADLs) er funktionelle opgaver (f.eks. shopping, medicinering, madlavning), der er afgørende for at opretholde en uafhængig livsstil²¹. Evnen til at opnå fælles IADLs er blevet foreslået som en prodromal markør for neurologisk sygdom. Nylige data fra langsigtede, prospektive undersøgelser indikerer fald i IADL’er, der sandsynligvis går forud for en diagnose af Parkinsons sygdom (PD) med 5-7 år^22,23 og en diagnose af Alzheimers sygdom^24,25. I modsætning til grundlæggende aktiviteter i dagligdagen (BADL’er)²⁶ kræver IADL’er typisk samtidig udførelse af to opmærksomhedskrævende opgaver (f.eks. Motorkognitiv, motorisk-motorisk eller kognitiv-kognitiv)²⁷. Langt de fleste daglige husholdnings- og samfundsaktiviteter udføres under dobbeltopgaveforhold^28,29.

Selvom fald i dobbeltopgave klart påvirker IADL-ydeevne, er traditionelle kliniske motoriske evalueringer ^30,31,32 og neuropsykologiske tests ^33,34 utilstrækkelige til at evaluere IADL’er, da disse vurderinger adskiller funktion i diskrete komponenter uden hensyntagen til deres indbyrdes afhængighed. Nuværende metoder til direkte IADL-vurdering er afhængige af bias-tilbøjelige selvrapporteringsspørgeskemaer³⁵ eller lange og byrdefulde præstationsbaserede evalueringer³⁶. Ingen af tilgangene giver objektiv, kvantitativ indsigt i en persons niveau af IADL-funktion i fællesskabsmiljøet.

Fremskridt inden for VR-teknologi kombineret med de tekniske fremskridt, der ligger til grund for omnidirektionelle løbebånd, giver mulighed for at skabe et interaktivt og fordybende miljø. En virtuel købmand og indkøbsopgave blev oprettet for samtidig at vurdere motorisk, kognitiv, kognitiv-motorisk og IADL-ydeevne. Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping (CC-VRS) platformen blev udviklet i samarbejde af et team af biomedicinske ingeniører, softwareudviklere, fysioterapeuter, ergoterapeuter og neurologer.

En dagligvareopgave blev valgt til at kvantificere IADL-præstation baseret på anbefalinger fra American Occupational Therapy Association²⁶. Virtual Multiple Errands Task (VMET)³⁷, Timed Instrumental ADL Scale³⁸ og Penn Parkinson’s Daily Activities Questionnaire-15 (PDAQ-15)³⁹ anerkender shopping som en vigtig indikator for motorisk og ikke-motorisk ydeevne forbundet med neurologisk sygdom. Andre har brugt et fordybende VR-headset til at skabe et købmandsmiljø i et forsøg på at estimere IADL-ydeevne 37,40,41. De har dog undladt at evaluere en vigtig komponent i dagligvareindkøb: bevægelse. Generelt kræver nuværende VR-købmandsparadigmer, at deltageren bruger en håndholdt controller til at teleportere eller navigere i en avatar i hele købmanden. Vi havde til formål at integrere bevægelse i brugerens virtuelle shoppingoplevelse. CC-VRS-udviklingsprocessen begyndte med en formel opgaveanalyse af en typisk købmandsoplevelse. Som angivet i figur 1 afspejler ni grundlæggende opgavekomponenter en blanding af elementer, der kan karakteriseres som motoriske, kognitive eller kognitive motoriske aktiviteter, der er nødvendige for en vellykket præstation, som det er karakteristisk for alle IADL’er.

Figur 1: Analyse af indkøbsopgave. En opgaveanalyse blev udført for at identificere rækkefølgen af handlinger og arten af disse handlinger for vellykket dagligvareindkøb i den virkelige verden. Ni primære sekvenser blev identificeret og blev brugt til at informere udviklingen af de grundlæggende og komplekse indkøbsopgaver. Sekvenserne blev klassificeret som motoriske (blå), kognitive (gule) og kognitive-motoriske (grøn); Nærmere oplysninger om tilsvarende resultater findes i tabel 1. Klik her for at se en større version af denne figur.

CC-VRS-platformen replikerer en realistisk, mellemstor købmand via et fordybende VR-headset. Mens han går på et omnidirektionelt løbebånd, følger brugeren en kontinuerlig, udpeget rute gennem butikken, lokaliserer varer på en indkøbsliste og placerer varerne i en virtuel indkøbskurv. Tilvejebringelse af en bestemt rute standardiserer afstanden gennem den virtuelle butik, reducerer antallet af navigationsfejl og letter større præcision i at adskille potentielle ændringer i IADL-ydeevne fra navigationsfejl eller suboptimale søgestrategier, der anvendes af brugeren. 150 m-ruten kræver flere drejninger, hvilket øger motorkompleksiteten^42,43 og sandsynligheden for at udløse frysning af gang i neurologiske patientpopulationer, da frysninger oftere observeres under drejning end lige linjegang^44,45. Både afstanden til navigationsstien og antallet af varer på indkøbslisten kan konfigureres af klinikeren til at matche brugerens evner eller målene for vurderingssessionen.

Hver bruger gennemfører et grundlæggende og et komplekst shoppingscenarie. Grundscenariet kræver blot, at du følger ruten og vælger varer fra indkøbslisten. I det komplekse scenarie får brugeren en liste over forskellige dagligvarer, mens han følger den samme rute gennem butikken, men yderligere kognitive og motoriske krav introduceres (forsinket verbal tilbagekaldelse, prissammenligning og forhindring af forhindringer beskrevet i protokolafsnittet nedenfor). Omgivende købmandsstøj i både de grundlæggende og komplekse scenarier fuldender den fordybende oplevelse. Oversigts- og detaljeringsdata om brugerens ydeevne – herunder korrekte og forkerte indsamlede varer, antal og hyppighed af aktiveringer af indkøbslister, stopvarighed og gangmålinger – genereres automatisk og er tilgængelige for gennemgang af klinikeren.

Målet med CC-VRS er objektivt at kvantificere ydeevnen af IADLs hos ældre voksne og personer med risiko for eller diagnosticeret med neurologisk sygdom. CC-VRS giver en fordybende og realistisk oplevelse for brugeren, og den giver præcise, biomekanisk baserede resultater af kognitiv og motorisk funktion, der har potentiale til at tjene som prodromale markører for neurologisk sygdom eller objektive mål for sygdomsprogression. CC-VRS bruges i øjeblikket i tre relaterede projekter, der sigter mod: (1) forståelse af virkningerne af sund aldring og neurologisk sygdom på IADL-ydeevne, (2) bestemmelse af muligheden for klinisk integration i primærpleje og en bevægelsesforstyrrelsesklinik og (3) identifikation af den neurale signatur, der ligger til grund for frysning af gangen hos avancerede PD-patienter med dyb hjernestimulering (DBS) -systemer. Samlet vil disse projekter udnytte CC-VRS-platformen og tilhørende resultater til bedre at forstå, hvordan aldring og neurologisk sygdom påvirker aspekter af IADL-ydeevne. Dette manuskript beskriver udviklingen, designet og hardware- og softwareteknologien i CC-VRS og dets nye resultater, der kan lette integrationen i sundhedsvæsenet.

Protocol

Den skitserede protokol følger retningslinjerne fra Cleveland Clinic human research ethics committee. Alle deltagere gennemførte processen med informeret samtykke og gav skriftlig tilladelse til at offentliggøre fotos taget under dataindsamlingen. 1. Opsætning og kalibrering af udstyr (5 min) VR-system Sørg for, at systemet indeholder alle komponenter, der er beskrevet i det eksperimentelle opsætningsdiagram, der er beskrevet i figur 2, herunder et VR-headset, to håndcontrollere, en VR-taljesporing, to VR-fodsporere, basestationer til overvågning af VR-enhedernes position og et avanceret gaming-skrivebord med et 2080ti-grafikkort til at køre VR-systemet og CC-VRS-softwaren (se materialetabellen). Start Steam VR på skrivebordet for at koordinere VR-komponenterne og overvåge status for hver VR-enhed under hele dataindsamlingen. Tænd for hver VR-enhed, og se efter en grøn indikatorlampe for at bekræfte aktiv sporing af Steam VR. Kalibrer grænserne og retningen for det virtuelle rum ved at vælge Rumopsætning i Steam VR-menuen og følge vejledningen på skærmen ved hjælp af håndcontrollerne. VR-headset Placer headsettet i det UV-hygiejniske rengøringssystem, og kør en desinficeringscyklus mellem brugerne. Omnidirektionel løbebånd Tænd for det rundstrålende løbebånd ved hjælp af den grønne tænd / sluk-knap på den vedhæftede fodpedal. Start den tilsvarende software på den stationære computer. For at kalibrere skal du bruge funktionen Select User Tracker i applikationen og identificere waist tracker som den passende sporingsenhed. Centrer derefter denne tracker på den omnidirektionelle løbebåndsoverflade og brug funktionen Set Center Point til at kalibrere midten af løbebåndsplatformen. Indstil taljemåleren på ringen, og brug funktionen Set Ring Height til at kalibrere gelænderets højde.BEMÆRK: Løbebåndet og den tilsvarende software er afhængig af VR-taljetrackerens position i forhold til platformen for at fungere korrekt som reaktion på brugerens bevægelser. Brugeren begynder stationært, placeret i midten af løbebåndet. Når brugeren bevæger sig væk fra midten, reagerer systemet på brugerens bevægelser og hastighed ved at generere den passende løbebåndsbevægelse, der vil forny brugeren på platformen. CC-VRS ansøgning Når alle VR-sporingsenheder og det omnidirektionelle løbebånd er kalibreret og aktiveret, skal du starte CC-VRS-applikationen fra skrivebordet. Følg menuerne på skærmen for at indtaste bruger-id’et og starte den relevante prøvetype. Figur 2: Oversigt over CC-VRS-platformen. En skildring af hele CC-VRS-platformen. Brugeren bærer et VR-headset og navigerer gennem en virtuel købmand ved at gå på det omnidirektionelle løbebånd. En subtil grøn linje leveres til brugeren via VR-headsettet som navigationshjælpemiddel. De fem varer på indkøbslisten kan findes langs denne forudsatte 150 m sti. En førstepersonsvisning af brugeren leveres til eksperimentatoren via kontrolcomputeren og skærmen. Den tid, der er nødvendig for at opsætte CC-VRS-systemet, er ca. 5 min. Forkortelser: VR = virtual reality; CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping. Klik her for at se en større version af denne figur. 2. Klargøring af bruger (15 min) Undersøgelse af tolerabilitet (basislinje) Hvis der indsamles data om VR-sygdom, skal du bede brugeren om at udfylde simulatorsygespørgeskemaet, før CC-VRS-oplevelsen påbegyndes. Sele Monter brugeren i en helkropssele, der fastgøres omkring ben og bryst. Klip selen i et loftmonteret kabel over midten af det rundstrålende løbebånd for at forhindre fald og øge komfortniveauet for brugeren uden at hindre naturlig gang. VR-trackere Fastgør venstre og højre fodsporere på brugerens fødder ved hjælp af lynlåse omkring snørebåndene. Skru taljetrackeren på det specialdesignede taljebælte, og juster bæltet, indtil trackeren sidder midt i brugerens lænderegion. Placer venstre og højre controller i brugerens hænder, og stram stropperne, indtil de er sikre og komfortable. Omnidirektionel løbebåndskendskab Før du tager headsettet på, skal du give brugeren tid til at gå og tænde det omnidirektionelle løbebånd. Forklar vigtigheden af taljesporingspositionen i forhold til midten af løbebåndsplatformen, og tilskynd brugeren til at blive komfortabel med at gå mod yderkanterne af løbebåndets grænse, mens han holder gelænderet for støtte. Frakobl løbebåndet via applikationen for at fortsætte med brugerforberedelsen. Høretelefon Når brugeren står på det stationære omnidirektionelle løbebånd, skal du placere headsettet på brugerens hoved og hjælpe med justeringer (øverste vægtbærende rem, bageste stabilitetsknap og interpupillær afstandsskyder for klarhed), indtil pasformen er behagelig, og displayet er klart. Sørg for, at de headsetmonterede højttalere er placeret over ørerne og indstillet til et passende lydstyrkeniveau. Bed brugeren om at stå nær midten af den omnidirektionelle løbebåndsplatform, og klik på Start på applikationen for at aktivere løbebåndet igen. Start CC-VRS-applikationen fra skrivebordet, hvis den ikke blev lanceret tidligere. 3. Administration af CC-VRS (30 min) I løbet af CC-VRS-oplevelsen skal du overvåge brugerens fremskridt gennem butikken via skrivebordsdisplayet og være forberedt på at stoppe det omnidirektionelle løbebånd, hvis brugeren oplever ubehag eller ustabilitet. Indtast bruger-id. Vælg Omfattende vejledning for at indlæse et lille øvelsesmiljø, der introducerer brugeren til det overordnede mål for CC-VRS-vurderingen ud over navigationsruten, indkøbslisten og yderligere kognitive krav i det komplekse scenarie. Sørg for, at brugeren er fortrolig med følgende controllerfunktioner, før du fortsætter med testen: Aktivér indkøbslisten ved at løfte venstre hånd og holde A – eller B-knappen nede på controlleren (figur 3A). Luk indkøbslisten ved at slippe A- eller B-knappen . Vælg varer fra hylderne ved hjælp af controllerudløserne (figur 3A). Placer varer i indkøbsvognen ved hjælp af controllerudløserne. Sørg for, at brugeren er fortrolig med følgende kognitive og motoriske krav i det komplekse scenarie: Udfør en forsinket mundtlig tilbagekaldelse af fem ord, der præsenteres via en auditiv meddelelse i starten af scenariet, svarende til komponenten Forsinket tilbagekaldelse i Montreal Cognitive Assessment test (MoCA)46. Udfør en prissammenligningsopgave for salgsvarer (f.eks. Vælge den mest omkostningseffektive løsning mellem 8 oz ketchup til $ 1.00 vs 16 oz til $ 1.50) (Figur 3B). Undgå forhindringer i butikken, herunder spild på gulvet og indsnævrede gange forårsaget af placering af andre kunder eller vogne langs stien (figur 3C). Gentag om nødvendigt vejledningen (ca. 5 minutter i alt), indtil brugeren demonstrerer færdigheder med ovenstående funktioner og forståelse af opgaven. Vælg Grundlæggende scenarie. Vælg kurvelængde og antallet af listeelementer. Bed brugeren om at begynde at gå, så snart butikken er synlig på headsettets display. Tilskynd brugeren til at udføre opgaven så effektivt som muligt og bevæge sig hurtigt, samtidig med at fejl minimeres. Når brugeren har fuldført opgaven ved at gå til betaling i butikken, skal du gennemgå de oversigtsmetrics, der vises på skrivebordsskærmen, og afslutte det virtuelle miljø. Vælg Komplekst scenarie. Vælg kurvelængden og antallet af listeelementer. Giv brugeren lignende instruktioner som i grundscenariet. Mind brugeren om de yderligere kognitive krav i det komplekse scenarie. Når brugeren har fuldført opgaven ved at gå til betaling i butikken, skal du gennemgå de oversigtsdata, der vises på skrivebordsskærmen (figur 3D), og afslutte det virtuelle miljø. Undersøgelse af tolerabilitet Hvis der indsamles data om VR-sygdom, skal du bede brugeren om at udfylde simulatorsygespørgeskemaet straks efter afslutningen af CC-VRS-oplevelsen og igen op til 30 minutter senere. Undersøgelse af brugervenlighed Hvis der indsamles data om platformens anvendelighed, skal du bede brugeren om at udfylde systemanvendelighedsskalaen straks efter afslutningen af CC-VRS’en. Figur 3: CC-VRS-miljø. (A) En førstepersonsvisning af en CC-VRS-bruger, der aktivt ser indkøbslisten med venstre hånd og vælger en tilsvarende vare med højre hånd. Brugere kan intuitivt interagere med ethvert element i hele købmanden ved hjælp af VR-håndcontrollere. (B) Et eksempel på en opgave til sammenligning af salgspriser, som brugeren møder i det komplekse scenarie. For en vare på indkøbslisten, der er angivet som en UDSALGSvare, skal brugeren sammenligne enhedspriserne for to varer af forskellig størrelse og vælge den indstilling, der repræsenterer den bedste aftale. (C) Et førstepersonsbillede af en indsnævret gang, der findes i det komplekse scenarie. Ud over de mange sving langs navigationsruten tilføjer de stramme passager motorisk kompleksitet, der øger sandsynligheden for at udløse frysning af gang i neurologiske populationer. (D) Et eksempel på de sammenfattende resultater, der vises for eksperimentatoren efter afslutningen af et komplekst scenarie, herunder korrekte og forkerte elementer, samlet tid til at fuldføre scenariet og antal ord, der er tilbagekaldt. De specifikke metrics på denne skærm kan konfigureres af eksperimentatoren. Forkortelser: VR = virtual reality; CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping. Klik her for at se en større version af denne figur. 4. Datafiler og resultater Gennemse den oversigtsfil (.csv), der automatisk genereres for hver prøveversion, og som indeholder konfigurerbare målepunkter til at karakterisere CC-VRS’ens samlede ydeevne. Gennemgå den detaljerede datafil (.csv), der indeholder placeringen og rotationen af trackere, controllere og headset i hele opgavens varighed. Data om listeaktivering, elementinteraktion og forhindringskollisioner registreres også automatisk og udsendes til denne fil.

Representative Results

Et projekt er i øjeblikket i gang for at fastslå gyldigheden af CC-VRS til vurdering af kognitiv, motorisk og IADL-funktion hos unge voksne, ældre voksne uden neurologisk sygdom og personer med PD. Hver deltager gennemførte selvstudiet, grundlæggende og komplekse scenarier ved hjælp af den samme 150 m sti og 5-punkts lister for at muliggøre sammenligning af ydeevne på tværs af grupper. Detaljerede kognitive og positionsdata blev brugt til at etablere informative sammenfattende målinger, der skelner CC-VRS-ydeevne mellem populationer med kendte forskelle i kognitiv, motorisk og IADL-funktion. Yderligere biomekaniske og dual-tasking metrics blev beregnet til yderligere at karakterisere funktionsniveauet på tværs af forskellige domæner (tabel 1). CC-VRS-resultat Domæne Kognitiv Korrekte og forkerte elementer Udøvende funktion Aktivering af lister (antal og varighed) Arbejdshukommelse Tilbagekaldelse af salgsvare (nummer korrekt) Deklarativ hukommelse Sammenligning af salgspriser (succes og varighed) Behandlingshastighed Kognitiv-motorisk Prøveperiodens varighed Global (IADL) funktion Stop (antal og varighed) Interferens med dobbelt opgave Ganghastighed i nærheden af listeelementer Interferens med dobbelt opgave Kollisioner med undgåelseshindringer Respons hæmning Motor Hastighed, trinlængde, gangvariation Ganghastighed og kvalitet Drejehastighed, drejetid Drej kvalitet Trinbredde, symmetri Postural stabilitet Antal nulkrydsninger i acceleration Gående flydende Rækkevidde og transportvarighed på udvalgte varer Øvre ekstremitetsfunktion Tabel 1: CC-VRS-resultatmålinger. En ikke-udtømmende liste over mulige resultatmålinger for CC-VRS-platformen, der primært er udpeget som kognitiv, motorisk eller kognitiv-motorisk. Disse resultater blev udviklet på grundlag af den opgaveanalyse, der blev brugt til at designe CC-VRS som en økologisk gyldig vurdering af IADL-funktionen. De domæner, der er fanget af disse resultater, repræsenterer spektret af enkelt- og dobbeltopgavefunktioner, der er nødvendige for en vellykket gennemførelse af dagligvareindkøb og andre IADL’er. I modsætning til eksisterende neuropsykologi og motoriske evalueringer vurderer CC-VRS disse domæner under forhold, der mere præcist afspejler de komplekse krav fra IADL-miljøer inden for hjemme- og samfundsmiljøer. Forkortelser: CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping; IADL = instrumentel aktivitet i dagligdagen. Figur 4 giver et overblik over basisscenariets ydeevne for en deltager med PD. Deltagerens vandresti gennem butikken blev sammenlignet med den ideelle sti på navigationsruten, og placeringen af korrekte indkøbsvarer blev noteret. Ved hjælp af positionsdata fra VR-trackere blev deltagerens øjeblikkelige hastighed gennem butikken registreret og plottet. Tilføjelse af konteksten for listeaktivering og elementvalg gav indsigt i deltagerens dobbelte opgaveevne og samlede kapacitet til effektivt at fuldføre IADL-opgaven. Baseret på resultaterne af foreløbige analyser varierede den samlede CC-VRS-præstation mellem raske unge voksne og personer med PD (figur 5). Resultater af den samlede prøvevarighed, antal og varighed af stop samt antal og varighed af listevisninger under opgaven er lovende målinger til at skelne mellem grupper. Ældre voksne og personer med PD krævede mere tid til at gennemføre hvert scenarie og brugte mere tid på at stoppe og aktivere indkøbslisten sammenlignet med raske yngre voksne. Unge voksne viste øget dobbelt opgavekapacitet ved samtidig at gå og aktivere listen, mens personer med PD mere almindeligt aktiverer indkøbslisten, mens de stoppes. Yderligere resultater, herunder tid brugt på at søge efter elementer, gangmålinger og resultaterne af de kognitive krav i det komplekse scenarie, er tilgængelige til analyse. I en separat CC-VRS-brugervenlighedsundersøgelse for personer med PD udfyldte 10 deltagere Simulator Sickness Questionnaire (SSQ)47,48 for at evaluere symptomerne på VR-sygdom ved baseline, umiddelbart efter at have afsluttet CC-VRS-oplevelsen og 30 minutter efter afslutningen af opgaven. SSQ er udviklet i forbindelse med flysimuleringer og fanger 16 almindelige symptomer på en 4-punkts skala og er blevet vedtaget til brug i VR-applikationer. Individuelle symptomscorer kombineres og vægtes for at danne underscorer inden for domænerne kvalme, oculomotorisk og desorienteringssymptomklynger ud over en samlet score. Samlede SSQ-score varierer fra 0 til 235,6. Figur 6 viser resultaterne af SSQ afsluttet ved baseline (gennemsnitlig samlet score 13,1 ± 16,7), umiddelbart efter CC-VRS (29,5 ± 27,9) og 30 minutter efter CC-VRS (14,2 ± 15,6) for deltagere med PD (N = 10). Generelt var de samlede SSQ-score for deltagere med PD milde efter CC-VRS, og de mest almindeligt godkendte symptomer var generelt ubehag, træthed, øjenbelastning, fokuseringsbesvær og svedtendens. Især rapporterede mange af deltagerne milde symptomer ved baseline. Ikke desto mindre gennemførte 9/10 deltagere den fulde vurdering, inklusive tutorial, grundlæggende og komplekse scenarier, i gennemsnit 29,0 ± 5,9 min. Man var ude af stand til at tolerere CC-VRS på grund af sygdom. Disse data giver overbevisende bevis for, at CC-VRS-platformen tolereres godt af de fleste personer med neurologisk sygdom. Samlet set tyder den generelle mangel på rapporterede signifikante VR-sygdomssymptomer på, at kobling af VR-indhold med et omnidirektionelt løbebånd er muligt og kan løse VR-bevægelsesproblemet for de fleste individer. De 10 deltagere, der gennemførte brugervenlighedsundersøgelsen, deltog i et semistruktureret interview efter deres brug af CC-VRS. Alle deltagere godkendte, at undersøgelsen var deres første gang ved hjælp af VR og / eller en omnidirektionel løbebånd. Sammenfattende bemærkninger om løbebåndet omfattede følgende: Nem tilpasning af løbebånd: Deltagerne følte sig generelt godt tilpas på løbebåndet inden for få minutter, da gåturen efterlignede overjordiske trin. Deltagerne påpegede to aspekter af gangart, der krævede tilpasning: (1) Træk af taljesporeren tilbage til midten af løbebåndet under stop og (2) at tage lidt kortere trin på grund af størrelsen på løbebåndsplatformen. Støtte til øvre ekstremitet var stabiliserende: Brugen af det cirkulære gelænder, der omfattede løbebåndet, gav et passende niveau af øvre ekstremitetsstøtte, der hjalp med opgaveafslutning. Udfordrende fysisk og kognitivt miljø: Deltagerne rapporterede, at deres posturale kontrol blev udfordret, mens de udførte indkøbsopgaverne. Der var trøst i at blive udnyttet, men selen begrænsede ikke bevægelsen i noget fly. Realistisk miljø: De visuelle og auditive skærme lignede en rigtig købmand og var imponerende for VR-naive brugere. Deltagerne rapporterede, at realismen hos de andre shoppere og ganghindringer motiverede dem til at undgå kollisioner, og at navigationsruten var enkel at følge. Desorientering: Klager over desorientering og sygdom tilpasset de enkelte SSQ-score. Nogle deltagere udviste indledende visuospatiale udfordringer i løbet af de første mange minutter af CC-VRS, der resulterede i, at den enkelte kom i tæt tilnærmelse til købmandshylderne, hvilket de følte skabte en følelse af desorientering. Deltagere med PD fra begge ovennævnte undersøgelser (N = 24) gennemførte System Usability Scale (SUS) efter CC-VRS-færdiggørelsen. SUS er et 10-punkts spørgeskema, der måler brugervenlighed, global tilfredshed og lærbarhed af et system49,50. Scores spænder fra 0 til 100, hvor 68 angiver gennemsnitlig brugervenlighed. Samlede SUS-scorer mellem 72,6 og 78,8 svarer til en karakter på “B”, og scorer større end 78,8 giver en “A”51. Blandt 24 deltagere med PD, der gennemførte CC-VRS-platformen (Tutorial, Basic og Complex Sessions), modtog CC-VRS en gennemsnitlig score på 75,7 ± 18,9. Figur 4: Oversigt over CC-VRS-ydeevne. (A) En person med Parkinsons sygdom, der gennemfører det grundlæggende scenario for CC-VRS-platformen. (B) Deltagerens navigationssti og ganghastighed, når de udfører opgaven. De blå firkanter repræsenterer en vare, der var på indkøbslisten og blev hentet. Indlejret på navigationsguidelinjen er en heatmap-linje, der repræsenterer deltagerens øjeblikkelige ganghastighed; baseline ganghastighed beregnes over den første 20 m lige linjegang. Enhver øjeblikkelig hastighed mindre end 0,5x baseline ganghastighed er rød; øjeblikkelig hastighed over 1,5x den førnævnte gennemsnitshastighed er grøn. Der er en lineær overgang fra rød til gul til grøn mellem 0,5x og 1,5x af den gennemsnitlige lige linje ganghastighed. Ganghastighed i løbet af forsøget (C) og antallet af listeaktiveringer (D) præsenteres. Især havde denne deltager 15 listevisninger i løbet af forsøget, på trods af at han kun havde fem varer på indkøbslisten. Forkortelse: CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping. Klik her for at se en større version af denne figur. Figur 5: CC-VRS af raske unge voksne versus Parkinsons sygdom. Den kumulative afstand, der blev gået af en sund ung voksen (A) og en deltager med PD (B) under udførelsen af grundscenariet. Generelt gik begge deltagere omtrent samme afstand, som de fulgte navigationslinjen. Deltageren med PD tog dog væsentligt længere tid (410 s) end den unge voksne (350 s) for at fuldføre scenariet. De grønne søjler repræsenterer antallet og varigheden af en listeaktivering under opgaven. Den unge voksne så listen syv gange for i alt 73,1 s, mens deltageren med PD så listen 16 gange for i alt 94,3 s. De blå prikker afspejler et fysisk stop ved deltageren. Inspektion af de unge voksnes præstationer indikerer, at de havde færre samlede stop og samtidig kunne gå og se listen. Omvendt havde deltageren med PD 17 stop, der hver svarede til en listevisning, hvilket tyder på, at de ikke var i stand til effektivt at dobbelttaske (f.eks. gå og se listen samtidigt). Forkortelser: CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping; PD = Parkinsons sygdom. Klik her for at se en større version af denne figur. Figur 6: Symptomoplevelse efter CC-VRS. I alt 10 deltagere med PD udførte CC-VRS som en del af en brugervenlighedsundersøgelse. Hver deltager udfyldte simulatorsygeskemaet før, umiddelbart efter og 30 minutter efter afslutningen af CC-VRS-oplevelsen. SSQ fanger 16 symptomer på VR-sygdom med en maksimal score på 235,6. De fleste deltagere med PD godkendte milde symptomer ved baseline, med symptomer noget forhøjet umiddelbart efter CC-VRS og vendte tilbage til baseline niveauer inden for 30 minutter efter afslutningen af platformen. Hele CC-VRS (Tutorial, Basic og Complex Scenarios) tog i gennemsnit 29 minutter at gennemføre, og den gennemsnitlige SSQ-score efter gennemførelse af CC-VRS var 29,5 (i rødt). Forkortelser: CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping; PD = Parkinsons sygdom; SSQ = Simulator sygdom spørgeskema. Klik her for at se en større version af denne figur.

Discussion

CC-VRS-platformen ser til dato ud til mest effektivt at løse bevægelsesproblemet i VR ved at kombinere state-of-the-art VR-indhold med et omnidirektionelt løbebånd. Et kritisk aspekt af cc-vrs’s problemfrit fordybende miljø er at sikre korrekt kommunikation mellem løbebåndet og VR-softwaren. Korrekt opsætning af alle aspekter af VR-systemet – inklusive basestationer, fod- og taljesporere og håndcontrollere – er bydende nødvendigt. Hvis sporing er inkonsekvent eller upålidelig, er det nødvendigt at justere orienteringen og placeringen af basestationerne eller tilføje en anden basestationsenhed. Korrekt dækning af det fysiske rum giver stabil synkronisering mellem VR-hardwaren og det omnidirektionelle løbebånd og sikrer, at positions- og orienteringsdataene fra VR-enhederne er komplette, nøjagtige og præcise⁵². Kalibrering af det rundstrålende løbebånd anbefales i starten af hver dataindsamlingssession for at sikre optimal responsivitet, mens du navigerer i det virtuelle miljø.

Patientkendskab til løbebåndet er kritisk inden administration af CC-VRS. Selvom det er intuitivt og enkelt at betjene, kræver det omnidirektionelle løbebånd brugerkendskab, der bedst udføres inden introduktionen af VR-headsettet og de deraf følgende rumlige orienteringsudfordringer. For at imødekomme den enkelte brugers behov og målene for denne vurdering kan følgende funktioner konfigureres for hvert CC-VRS-scenarie: 1) løbebånd lav eller høj maksimal hastighed, 2) gentagelse af tutorial-modul, 3) rutelængde gennem butikken og 4) antal varer på indkøbslisten. Disse ændringer optimerer vurderingen af de kognitive, motoriske og dual-tasking kapaciteter hos en bred funktionel vifte af patienter.

Manglen på enkeltplatformsteknologi, der er i stand til at standardisere IADL-ydeevne ved hjælp af objektive og kvantitative resultater, der karakteriserer kognitiv og motorisk funktion, repræsenterer en kritisk barriere i den tidlige identifikation og effektiv behandling af aldersrelaterede neurologiske sygdomme som PD eller Alzheimers sygdom. Nuværende metoder til estimering af IADL-funktion ved hjælp af selvrapporteringsspørgeskemaer, selvom de er lette at administrere, er modtagelige for bias. Under selvrapportering har ældre voksne en tendens til at over- eller undervurdere IADL-kapaciteter⁵³. På samme måde fejlbedømte informanter, der gennemfører IADL-forespørgsler, ofte kapaciteter på grund af observatørernes misforståelser eller videnshuller³⁵.

Et alternativ til selvrapporterende og informantvurderede spørgeskemaer er præstationsbaseret IADL-evaluering. Præstationsbaserede evalueringer gennemføres typisk af en uddannet ergo- eller fysioterapeut. Mens en række præstationstest og vejledninger er tilgængelige, er de ikke befordrende for integration i klinisk pleje, hvilket ofte kræver rigelig tid og specialiseret plads og udstyr, der ikke typisk findes på en primærpleje eller neurologiudbyders kontor. En af de mest anvendte præstationsbaserede vurderinger, Direct Assessment of Functional Status (DAFS), kræver ca. 40 minutter at administrere, og dens scoring er stort set baseret på ekspertudtalelse fra testadministratoren. Selvom DAFS er nyttig til iscenesættelse af Alzheimers sygdom, mangler den følsomhed og registrerer ikke IADL-fald i det milde kognitive svækkelsesstadium²⁴. Sammensmeltning af den virtuelle og virkelige verden ved at kombinere VR med et omnidirektionelt løbebånd giver mulighed for at fange IADL-ydeevne under komplekse kognitive forhold, der bedre replikerer virkelige miljøer, hvilket potentielt resulterer i tidligere diagnoser af neurologisk sygdom⁵⁴.

CC-VRS-platformen adresserer det kliniske hul ved at give en standardiseret, systematisk, objektiv og kvantitativ tilgang til karakterisering af IADL-kapaciteter hos ældre voksne og dem med neurologisk sygdom. Baseret på indledende brugervenlighedstest og data kan de grundlæggende og komplekse CC-VRS-scenarier gennemføres helt på mindre end 30 minutter. I lighed med andre fordybende VR-undersøgelser med PD¹⁸ oplever de fleste mennesker med PD milde symptomer på køresyge. Fra et brugervenlighedsperspektiv modtog CC-VRS en samlet SUS-rating på 75,7, svarende til en bogstavklasse “B” og faldende mellem deskriptorkategorierne “god” og “fremragende”⁵⁵. Til sammenligning rapporterer en nylig vurdering af populære telefon- og tabletapplikationer en gennemsnitlig SUS-score på 77.7 for de 10 bedste applikationer på tværs af alle platforme⁵⁶, inklusive mobilapplikationer som The Weather Channel og YouTube. Kommentarer fra deltagerne viste, at de fleste brugere nød realismen og evnen til at interagere med CC-VRS-platformen. Det er vigtigt, at deltagerne følte sig udfordret fra et fysisk og kognitivt aspekt, hvilket indikerer, at designet nåede sit mål om at skabe en dynamisk platform, der genskabte en kompleks IADL-oplevelse.

Vi har tidligere vist, at teknologi med succes kan integreres i kliniske arbejdsgange i udredning af patienter med hjernerystelse⁵⁷ og i et travlt neurologisk tilbud til patienter med multipel sklerose (MS)⁵⁸. Endvidere forbedrede brugen af teknologi til håndtering af hjernerystelse resultaterne og reducerede omkostningerne⁵⁹, mens brugen heraf til behandling af MS førte til en besparelse på 27 % i tidsforbruget på dokumentation i den elektroniske patientjournal for hver patient⁶⁰. I betragtning af det fortsatte mål om at reducere omkostningerne ved levering af pleje⁶¹ , og at den tid, der bruges på at dokumentere i den elektroniske patientjournal, ofte nævnes for lægeudbrændthed⁶², vil integrationen af CC-VRS-platformen i klinisk pleje sandsynligvis give en betydelig værditilvækst til hospitalssystemerne. To projekter er i gang, hvor CC-VRS-platformen er integreret i 1) et regionalt primærplejefamiliesundhedscenter, der primært behandler raske ældre voksne og 2) en specialiseret klinik for bevægelsesforstyrrelser på Cleveland Clinic.

Manglen på en nøjagtig og pålidelig fysiologisk eller digital biomarkør for PD og Alzheimers sygdom forårsager store vanskeligheder med tidlig diagnose og måling af sygdomsprogression^63,64. CC-VRS-platformen har potentialet til at levere en digital biomarkør under en enkelt teknologisk platform, der vil forbedre klinisk pleje og kan resultere i kortere og mere effektive kliniske forsøg ved at reducere afhængigheden af subjektive og meget variable kliniske resultater (f.eks. Movement Disorder Society – Unified Parkinson’s disease Rating Scale motor portion (MDS-UPDRS III)). Evalueringen af motorisk og kognitiv funktion inden for klinisk neurologi er ikke avanceret dramatisk i løbet af de sidste tre årtier med hensyn til vurdering af personer med PD og de tilhørende kardinalmotoriske symptomer, endsige kognitive eller dobbeltopgaveproblemer. Det mest berømte fremskridt i vurderingen af personer med PD er revisionen af den subjektive kliniske ratingskala (MDS-UPDRS III). Det er vigtigt, at vi ikke mener, at CC-VRS vil erstatte MDS-UPDRS III. Vi mener snarere, at dens største værdi kan realiseres i primærplejepraksis ved at give en standardiseret og objektiv tilgang til kvantificering af IADL’er. Selvom det er for tidligt at tro, at CC-VRS i sin nuværende form er en prodromal markør for neurologisk sygdom, kan resultaterne bruges til at rejse et “rødt” eller “gult” flag med hensyn til neurologisk funktion, der kan udløse en konsultation af en bevægelsesforstyrrelser, neuropsykologi eller geriatrisk specialist. Med hensyn til dets anvendelse i PD klinisk pleje forventes det, at CC-VRS kan bruges til titrering af medicin eller i den eventuelle programmering af dybe hjernestimuleringsenheder. Både primærplejen og PD-specifikke brugssager er i øjeblikket i pilotfasen. Ved virkelig at fordybe brugeren i et realistisk miljø og måle meningsfulde og vigtige aspekter af kognitiv og motorisk funktion repræsenterer CC-VRS et første skridt i skabelsen af en potentielt effektiv og skalerbar digital biomarkør for neurologisk sygdom.

Området for klinisk neurologi, især bevægelsesforstyrrelser, er fyldt med eksempler på teknologi udviklet til at kvantificere et enkelt, isoleret PD-symptom via accelerometer eller andre sensorteknologier 65,66,67,68,69. Så vidt vi ved, er ingen af disse tilgange, bortset fra vores balance 70,71,72,73 og tremor applikationer⁷⁴, blevet integreret i rutinemæssig PD klinisk pleje. Tidligere teknologi er ofte gyldig og pålidelig; Fokus har dog været på teknologiudvikling med ringe hensyntagen til gennemførligheden af klinisk integration^75,76. Patienter, udbydere, hospitaler og tilsynsorganer er i stigende grad interesserede i resultatmål, der kvantificerer ændringer i meningsfulde daglige handlinger 77,78,79,80. Den kliniske integration af præcise og meningsfulde målinger af neurologiske symptomer og IADL-ydeevne er nødvendig for systematisk at evaluere den samlede effektivitet af en intervention eller bestemme potentialet for en intervention til at bremse sygdomsprogression. Udviklingen af en standardiseret tilgang til IADL-vurdering, der er egnet til rutinemæssig klinisk brug, appellerer til at lette omfattende forståelse og behandling af neurologisk sygdom på meningsfulde aktiviteter.

CC-VRS-tilgangen til evaluering af IADL-ydeevne for at hjælpe med diagnosticering og styring af neurologisk sygdom har potentialet til at transformere sundhedsvæsenet gennem tidlig diagnose og mere præcis sporing af sygdomsprogression. Det er dog fuldt ud anerkendt, at systemet ikke er uden begrænsning. Omkostningerne ved det omnidirektionelle løbebånd er betydelige og kan tjene som en barriere for udbredt vedtagelse uden systematiske sundhedsøkonomiske undersøgelser for at identificere det potentielle “break even” -punkt mellem omkostningerne ved vurderingen i forhold til værdien af tidlig diagnose eller mere præcis sporing af sygdomsprogression. Især blev huller i erhvervelsen af PD-patientcentrerede resultater med teknologi fremhævet af National Institute of Neurological Disorders and Stroke PD Conference⁷⁸, MDS Task Force on Technology⁷⁷ og FDA. De opfordrede til teknologi, der måler meningsfulde PD-aktiviteter og integration af disse resultater i klinisk pleje. Vi evaluerer i øjeblikket integrationen af CC-VRS i en primærplejeindstilling og et bevægelsesforstyrrelsescenter på Cleveland Clinic; disse implementeringer vil udnytte mere overkommelige omnidirektionelle løbebånd. En vellykket indsamling af data kræver en indledende investering af tid fra klinikeren for at lære at oprette og betjene systemet. Løbende kliniske piloter vil bedre informere mængden af træning, der kræves for at blive en dygtig bruger. Man kunne forestille sig en model, hvor en tekniker er ansat til at betjene systemet, og patienterne udfører indkøbsopgaverne i stedet for at sidde i et venteværelse før en aftale. Disse data kan derefter øjeblikkeligt integreres i den elektroniske patientjournal, inden de ser deres udbyder. Denne type applikationer har potentialet til at blive fremtidens venteværelse for patienter.

Materials

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