Den uppslukande Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping Platform för bedömning av instrumentella aktiviteter i det dagliga livet

Summary

Virtual reality (VR) är ett kraftfullt men underutnyttjat tillvägagångssätt för att främja diagnos och behandling av neurologisk sjukdom. Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping-plattformen kombinerar toppmodernt VR-innehåll med ett rundstrålande löpband för att kvantifiera instrumentella aktiviteter i det dagliga livet – en föreslagen prodromal markör för neurologisk sjukdom.

Abstract

En minskning av utförandet av instrumentella aktiviteter i det dagliga livet (IADLs) har föreslagits som en prodromal markör för neurologisk sjukdom. Befintliga kliniska och prestationsbaserade IADL-bedömningar är inte möjliga att integrera i klinisk medicin. Virtual reality (VR) är ett kraftfullt men ändå underutnyttjat verktyg som kan främja diagnos och behandling av neurologisk sjukdom. Ett hinder för antagande och skalning av VR i klinisk neurologi är VR-relaterad sjukdom till följd av sensoriska inkonsekvenser mellan de visuella och vestibulära systemen (dvs. rörelseproblem).

Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping (CC-VRS) -plattformen försöker lösa rörelseproblemet genom att koppla ett rundstrålande löpband med högupplöst VR-innehåll, vilket gör det möjligt för användaren att fysiskt navigera i en virtuell livsmedelsbutik för att simulera shopping. CC-VRS består av grundläggande och komplexa shoppingupplevelser; båda kräver att man går 150 m och hämtar fem föremål. Den komplexa upplevelsen har ytterligare scenarier som ökar de kognitiva och motoriska kraven för uppgiften för att bättre representera kontinuum av aktiviteter som är associerade med verklig shopping. CC-VRS-plattformen ger objektiva och kvantitativa biomekaniska och kognitiva resultat relaterade till användarens IADL-prestanda. Initiala data indikerar att CC-VRS resulterar i minimal VR-sjukdom och är genomförbart och tolerabelt för äldre vuxna och patienter med Parkinsons sjukdom (PD). De överväganden som ligger till grund för utveckling, design och hårdvaru- och mjukvaruteknik granskas och initiala modeller för integration i primärvård och neurologi tillhandahålls.

Introduction

År 2008 identifierade National Academy of Engineering 14 Stora utmaningar för teknik under^{21-talet 1}. En av dessa var integrationen av virtuell verklighet (VR) i medicin. Framsteg har gjorts i användningen av VR för utbildning för medicinska studenter ^2,3, kirurgisk planering³, minskning av ångest i samband med medicinska interaktioner⁴, hjälp vid hantering av akut⁵ och cancerrelaterad smärta⁶ och förstärkning av motorisk återhämtning efter stroke⁷. Trots dessa lovande applikationer har nyttan av VR i medicin inte realiserats fullt ut, särskilt när det gäller att utvärdera och behandla neurologisk sjukdom. Medan framsteg inom VR-teknik har minimerat hinder som kostnad, headsetkomfort och intuitiva användbarhetsfunktioner, fortsätter VR-sjukdom att hindra integrationen av VR i medicin⁸.

Virtual reality-sjukdom avser känslor som liknar rörelsesjuka (t.ex. illamående, kräkningar, svindel)^9,10,11 som uppstår under VR-upplevelser. Även om ingen enskild teori är överens om att förklara VR-sjukdom, är Sensory Conflict Theory en ledande förklaring¹². Kortfattat föreslår sensorisk konfliktteori att VR-sjukdom uppstår från sensoriska skillnader; visuell flödesinformation indikerar kroppens framåtrörelse genom rymden medan det vestibulära systemet indikerar att kroppen är stationär¹³. Denna skillnad i sensorisk information resulterar i dålig balans, rumslig desorientering och okontrollerbara posturala rörelser som är föregångare till VR-sjukdom. Medan den exakta mekanismen som ligger till grund för VR-sjukdom diskuteras, kommer en minskning av missmatchningen mellan källor till sensorisk information sannolikt att minska VR-sjukdom¹⁴ och underlätta VR-antagande i en medicinsk miljö.

Locomotion i kombination med VR har länge föreslagits som ett tillvägagångssätt för att minska sensorisk missmatchning genom att både fysiskt och visuellt fördjupa användaren i den virtuella miljön ^15,16. Flera studier på äldre vuxna med och utan neurologisk sjukdom har framgångsrikt parat ihop uppslukande och icke-uppslukande VR-system med traditionella enkelriktade löpband 17,18,19. Dessa studier visar att en VR- och enkelriktad löpbandsintervention vanligtvis tolereras väl¹⁸ och interventionen kan minska fallfrekvensen^17,19. Dessa resultat ger en lovande grund för en framgångsrik integration av rörelse och VR. Den externa motorpacingen på ett enkelriktat löpband tillåter emellertid inte användaren att ändra hastigheter eller utföra svängar för att interagera med mer komplexa realistiska virtuella miljöer.

Under de senaste två decennierna har framsteg inom hårdvara och programvara för rörelsespårning underlättat utvecklingen av mer uppslukande och interaktiva virtuella miljöer. Ett stort framsteg har varit utvecklingen av det rundstrålande löpbandet²⁰. Kortfattat använder ett rundstrålande löpband samtidigt linjära och rotationsrörelser för att göra det möjligt för användaren att ambulera i vilken riktning som helst i en självvald takt. Generellt används i spelbranschen, omnidirektionella löpband breddar möjligheterna att utnyttja VR-miljöer i den kliniska miljön genom att både ta itu med VR-sjukdomsproblemet och underlätta skapandet av realistiska miljöer som bättre utmanar användarens fysiska förmåga, såsom att vrida eller ändra riktning. I synnerhet kan virtuella replikeringar av fullskaliga, vardagliga miljöer underlätta utvärderingen av kognitiv och motorisk funktion under utförandet av instrumentella aktiviteter i det dagliga livet (IADLs).

Instrumentella aktiviteter i det dagliga livet (IADLs) är funktionella uppgifter (t.ex. shopping, medicinering, matlagning) som är avgörande för att upprätthålla självständigt liv²¹. Förmågan att åstadkomma vanliga IADLs har föreslagits som en prodromal markör för neurologisk sjukdom. Nya data från långsiktiga, prospektiva studier indikerar att minskningar av IADLs sannolikt föregår en diagnos av Parkinsons sjukdom (PD) med 5-7 år ^22,23 och en diagnos av Alzheimers sjukdom ^24,25. Till skillnad från grundläggande aktiviteter i det dagliga livet (BADLs)²⁶ kräver IADLs vanligtvis samtidig utförande av två uppmärksamhetskrävande uppgifter (t.ex. motorisk-kognitiv, motorisk-motorisk eller kognitiv-kognitiv)²⁷. De allra flesta dagliga hushålls- och samhällsaktiviteter utförs under dubbla arbetsförhållanden^28,29.

Även om nedgångar med dubbla uppgifter tydligt påverkar IADL-prestanda, är traditionella kliniska motoriska utvärderingar ^30,31,32 och neuropsykologiska tester ^33,34 otillräckliga för att utvärdera IADLs, eftersom dessa bedömningar separerar funktionen i diskreta komponenter utan hänsyn till deras ömsesidiga beroende. Nuvarande metoder för direkt IADL-bedömning bygger på biasbenägna självrapporteringsformulär³⁵ eller långa och betungande prestationsbaserade utvärderingar³⁶. Ingen av metoderna ger objektiva, kvantitativa insikter om en individs nivå av IADL-funktion i samhällsmiljön.

Framsteg inom VR-teknik, i kombination med de tekniska framsteg som ligger till grund för rundstrålande löpband, ger en möjlighet att skapa en interaktiv och uppslukande miljö. En virtuell livsmedelsbutik och shoppinguppgift skapades för att samtidigt bedöma motorisk, kognitiv, kognitiv-motorisk och IADL-prestanda. Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping (CC-VRS) -plattformen utvecklades tillsammans av ett team av biomedicinska ingenjörer, mjukvaruutvecklare, fysioterapeuter, arbetsterapeuter och neurologer.

En uppgift att handla mat valdes för att kvantifiera IADL-prestanda baserat på rekommendationer från American Occupational Therapy Association²⁶. Virtual Multiple Errands Task (VMET)³⁷, Timed Instrumental ADL Scale³⁸ och Penn Parkinson’s Daily Activities Questionnaire-15 (PDAQ-15)³⁹ erkänner shopping som en viktig indikator på motorisk och icke-motorisk prestanda i samband med neurologisk sjukdom. Andra har använt ett uppslukande VR-headset för att skapa en livsmedelsbutiksmiljö i ett försök att uppskatta IADL-prestanda 37,40,41. De har dock misslyckats med att utvärdera en viktig del av matinköp: rörelse. I allmänhet kräver nuvarande VR-livsmedelsbutiksparadigmer att deltagaren använder en handhållen styrenhet för att teleportera eller navigera i en avatar i hela mataffären. Vi syftade till att integrera rörelse i användarens virtuella shoppingupplevelse. CC-VRS-utvecklingsprocessen började med en formell uppgiftsanalys av en typisk livsmedelsbutiksupplevelse. Som anges i figur 1 återspeglar nio grundläggande uppgiftskomponenter en blandning av element som kan karakteriseras som motoriska, kognitiva eller kognitiva motoriska aktiviteter som är nödvändiga för framgångsrik prestanda, vilket är karakteristiskt för alla IADLs.

Bild 1: Analys av uppgiftslämnare för dagligvaror. En uppgiftsanalys utfördes för att identifiera sekvensen av åtgärder och arten av dessa åtgärder för framgångsrik livsmedelsinköp i den verkliga världen. Nio primära sekvenser identifierades och användes för att informera utvecklingen av de grundläggande och komplexa shoppinguppgifterna . Sekvenserna klassificerades som motor (blå), kognitiv (gul) och kognitiv-motorisk (grön); Närmare uppgifter om motsvarande resultat finns i tabell 1. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

CC-VRS-plattformen replikerar en realistisk, medelstor livsmedelsbutik via ett uppslukande VR-headset. När du går på ett rundstrålande löpband följer användaren en kontinuerlig, bestämd rutt genom butiken, hittar artiklar på en inköpslista och placerar artiklarna i en virtuell kundvagn. Att tillhandahålla en angiven rutt standardiserar avståndet som går genom det virtuella arkivet, minskar antalet navigeringsfel och underlättar större precision när det gäller att skilja potentiella förändringar i IADL-prestanda från navigeringsfel eller suboptimala sökstrategier som används av användaren. Rutten på 150 m kräver flera varv, vilket ökar motorkomplexiteten ^42,43 och sannolikheten för att utlösa frysning av gång i neurologiska patientpopulationer, eftersom frysningar oftare observeras under svängning än rak linjevandring^44,45. Både avståndet till navigeringsvägen och antalet objekt på inköpslistan kan konfigureras av klinikern för att matcha användarens förmågor eller målen för bedömningssessionen.

Varje användare slutför ett grundläggande och ett komplext shoppingscenario. Det grundläggande scenariot kräver helt enkelt att du följer rutten och väljer artiklar från inköpslistan. I det komplexa scenariot får användaren en lista över olika livsmedelsartiklar medan han följer samma väg genom butiken, men ytterligare kognitiva och motoriska krav införs (fördröjd verbal återkallelse, prisjämförelse och hinderundvikande uppgifter som beskrivs i protokollavsnittet nedan). Omgivande livsmedelsbutiksbuller i både grundläggande och komplexa scenarier kompletterar den uppslukande upplevelsen. Sammanfattnings- och detaljdata om användarens prestanda – inklusive korrekta och felaktiga insamlade artiklar, antal och frekvens för aktivering av inköpslistor, stopplängd och gångmått – genereras automatiskt och är tillgängliga för granskning av klinikern.

Målet med CC-VRS är att objektivt kvantifiera prestanda för IADLs hos äldre vuxna och individer i riskzonen för eller diagnostiserade med neurologisk sjukdom. CC-VRS ger en uppslukande och realistisk upplevelse för användaren, och den ger exakta, biomekaniskt baserade resultat av kognitiv och motorisk funktion som har potential att fungera som prodromala markörer för neurologisk sjukdom eller objektiva mått på sjukdomsprogression. CC-VRS används för närvarande i tre relaterade projekt som syftar till att: (1) förstå effekterna av hälsosamt åldrande och neurologisk sjukdom på IADL-prestanda, (2) bestämma genomförbarheten av klinisk integration i primärvården och en rörelsestörningsklinik, och (3) identifiera den neurala signaturen som ligger till grund för frysning av gång i avancerade PD-patienter med system för djup hjärnstimulering (DBS). Sammantaget kommer dessa projekt att använda CC-VRS-plattformen och tillhörande resultat för att bättre förstå hur åldrande och neurologisk sjukdom påverkar aspekter av IADL-prestanda. Detta manuskript beskriver utvecklingen, designen och hårdvaru- och mjukvarutekniken för CC-VRS och dess nya resultat som kan underlätta integrationen i vården.

Protocol

Det skisserade protokollet följer riktlinjerna från Cleveland Clinic human research ethics committee. Alla deltagare slutförde processen för informerat samtycke och gav skriftligt tillstånd att publicera foton tagna under datainsamlingen. 1. Installation och kalibrering av utrustning (5 min) VR-system Se till att systemet innehåller alla komponenter som beskrivs i den experimentella installationen som beskrivs i figur 2, inklusive ett VR-headset, två handkontroller, en VR-midjespårare, två VR-fotspårare, basstationer för att övervaka VR-enheternas position och ett avancerat spelskrivbord med ett 2080ti-grafikkort för att köra VR-systemet och CC-VRS-programvaran (se materialtabellen). Starta Steam VR på skrivbordet för att samordna VR-komponenterna och övervaka statusen för varje VR-enhet under hela datainsamlingen. Slå på varje VR-enhet och leta efter en grön indikatorlampa för att verifiera aktiv spårning av Steam VR. Kalibrera gränserna och orienteringen för det virtuella utrymmet genom att välja Rumsinställning i Steam VR-menyn och följa anvisningarna på skärmen med handkontrollerna. VR-headset Placera headsetet i UV-hygieniska rengöringssystemet och kör en saneringscykel mellan användarna. Rundstrålande löpband Slå på det rundstrålande löpbandet med den gröna strömbrytaren på den bifogade fotpedalen. Starta motsvarande programvara på den stationära datorn. För att kalibrera, använd funktionen Välj användarspårare i applikationen och identifiera midjespåraren som lämplig spårningsenhet. Centrera sedan denna tracker på den rundstrålande löpbandsytan och använd funktionen Ställ in mittpunkt för att kalibrera mitten av löpbandsplattformen. Ställ in midjespåraren på ringen och använd funktionen Set Ring Height för att kalibrera ledstångens höjd.OBS: Löpbandet och motsvarande programvara förlitar sig på VR-midjespårarens position i förhållande till plattformen för att fungera korrekt som svar på användarens rörelser. Användaren börjar stationär, placerad i mitten av löpbandet. När användaren rör sig utanför mitten svarar systemet på användarens rörelser och hastighet genom att generera lämplig löpbandsrörelse som kommer att göra användaren på plattformen nyare. CC-VRS-applikation När alla VR-spårningsenheter och det rundstrålande löpbandet är kalibrerade och inkopplade, starta CC-VRS-applikationen från skrivbordet. Följ menyerna på skärmen för att ange användar-ID och initiera lämplig testversionstyp. Bild 2: Översikt över CC-VRS-plattformen. En skildring av hela CC-VRS-plattformen. Användaren bär ett VR-headset och navigerar genom en virtuell livsmedelsbutik genom att gå på det rundstrålande löpbandet. En subtil grön linje tillhandahålls användaren via VR-headsetet som ett navigationshjälpmedel. De fem föremålen på inköpslistan finns längs denna 150 m långa stig. En förstapersonsvy av användaren tillhandahålls till experimentören via kontrolldatorn och bildskärmen. Den tid som krävs för att installera CC-VRS-systemet är cirka 5 minuter. Förkortningar: VR = virtuell verklighet; CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 2. Förberedelse av användaren (15 min) Tolerabilitetsundersökning (baslinje) Om du samlar in data om VR-sjukdom, instruera användaren att fylla i simulatorsjukdomsfrågeformuläret innan du påbörjar CC-VRS-upplevelsen. Sele Montera användaren i en helkroppssele som sitter fast runt benen och bröstet. Fäst selen i en takmonterad kabel ovanför mitten av det rundstrålande löpbandet för att förhindra fall och öka komfortnivån för användaren utan att hindra naturlig gång. VR-spårare Fäst vänster och höger fotspårare på användarens fötter med hjälp av dragkedjor runt skosnörena. Skruva fast midjespåraren på det specialdesignade midjebältet och justera bältet tills trackern sitter mitt i användarens ländrygg. Placera vänster och höger styrenhet i användarens händer och dra åt remmarna tills de är säkra och bekväma. Omnidirektionell löpbandsförtrogenhet Innan du tar på dig headsetet, ge användaren tid att gå och slå på det rundstrålande löpbandet. Förklara vikten av midjespårarens position i förhållande till mitten av löpbandsplattformen och uppmuntra användaren att bli bekväm med att gå mot ytterkanterna på löpbandsgränsen medan du håller ledstången för stöd. Koppla ur löpbandet via applikationen för att fortsätta med användarförberedelser. Headset När användaren står på det stationära rundstrålande löpbandet placerar du headsetet på användarens huvud och hjälper till med justeringar (övre viktbärande rem, bakre stabilitetsvred och interpupillär avståndsreglage för tydlighet) tills passformen är bekväm och displayen är tydlig. Se till att de headsetmonterade högtalarna är placerade över öronen och inställda på en lämplig volymnivå. Instruera användaren att stå nära mitten av den rundstrålande löpbandsplattformen och klicka på Start på applikationen för att återansluta löpbandet. Starta CC-VRS-applikationen från skrivbordet om den inte startats tidigare. 3. Administrering av CC-VRS (30 min) Under hela CC-VRS-upplevelsen, övervaka användarens framsteg genom butiken via skrivbordsskärmen och var beredd att stoppa det rundstrålande löpbandet om användaren upplever obehag eller instabilitet. Ange användar-ID. Välj Omfattande självstudie om du vill läsa in en liten övningsmiljö som introducerar användaren till det övergripande målet för CC-VRS-utvärderingen, utöver navigeringsvägen, inköpslistan och ytterligare kognitiva krav i det komplexa scenariot. Se till att användaren är bekväm med följande styrfunktioner innan du fortsätter med testningen: Aktivera inköpslistan genom att höja vänster hand och hålla in A – eller B-knappen på handkontrollen (bild 3A). Stäng inköpslistan genom att släppa A – eller B-knappen . Välj objekt från hyllorna med hjälp av styrenhetens utlösare (figur 3A). Placera föremål i matvagnen med hjälp av kontrollutlösaren. Se till att användaren är bekväm med följande kognitiva och motoriska krav i det komplexa scenariot: Utför en fördröjd verbal återkallelse av fem ord som presenteras via ett auditivt meddelande i början av scenariot, liknande komponenten Fördröjd återkallelse i Montreal Cognitive Assessment-testet (MoCA)46. Utför en prisjämförelseuppgift för försäljningsartiklar (t.ex. välja det mest kostnadseffektiva alternativet mellan 8 oz ketchup för $ 1.00 vs 16 oz för $ 1.50) (Figur 3B). Undvik hinder i butiken, inklusive spill på golvet och avsmalnade gångar som orsakas av placering av andra shoppare eller vagnar längs vägen (figur 3C). Om det behövs upprepar du självstudien (cirka 5 minuter totalt) tills användaren visar kunskaper i ovanstående funktioner och förståelse för uppgiften. Välj Grundläggande scenario. Välj banlängd och antalet listobjekt. Instruera användaren att börja gå så snart butiken är synlig på headsetets display. Uppmuntra användaren att slutföra uppgiften så effektivt som möjligt, flytta snabbt samtidigt som fel minimeras. När användaren har slutfört uppgiften genom att nå butikskassan granskar du sammanfattningsmåtten som visas på skrivbordsskärmen och avslutar den virtuella miljön. Välj Komplext scenario. Välj banlängd och antal listobjekt. Ge liknande instruktioner till användaren som i det grundläggande scenariot. Påminn användaren om de ytterligare kognitiva kraven i det komplexa scenariot. När användaren har slutfört uppgiften genom att nå butikskassan granskar du sammanfattningsmåtten som visas på skrivbordsskärmen (bild 3D) och avslutar den virtuella miljön. Tolerabilitetsundersökning Om du samlar in data om VR-sjukdom, instruera användaren att fylla i simulatorsjukdomsfrågeformuläret omedelbart efter avslutad CC-VRS-upplevelse och igen upp till 30 minuter senare. Användbarhetsundersökning Om du samlar in data om plattformens användbarhet, instruera användaren att slutföra systemanvändbarhetsskalan omedelbart efter slutförandet av CC-VRS. (A) En förstapersonsvy av en CC-VRS-användare som aktivt tittar på inköpslistan med vänster hand och väljer ett motsvarande objekt med höger hand. Användare kan intuitivt interagera med alla artiklar i hela livsmedelsbutiken med hjälp av VR-handkontroller. (B) Ett exempel på en jämförelseuppgift för försäljningspris som användaren stöter på i det komplexa scenariot. För en artikel på inköpslistan som betecknas som en REA-artikel måste användaren jämföra enhetspriserna för två artiklar av olika storlek och välja det alternativ som representerar det bättre erbjudandet. (C) En förstapersonsvy av en smal gång som finns i det komplexa scenariot. Förutom de flera svängarna längs navigationsvägen lägger de snäva passagerna till motorkomplexitet som ökar sannolikheten för att utlösa frysning av gång i neurologiska populationer. (D) Ett exempel på de sammanfattande resultat som visas för experimentören när ett komplext scenario har slutförts, inklusive korrekta och felaktiga objekt, total tid för att slutföra scenariot och antalet ord som återkallats. De specifika måtten i den här skärmen kan konfigureras av experimenteraren. Förkortningar: VR = virtuell verklighet; CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 4. Datafiler och resultat Granska sammanfattningsfilen (.csv) som genereras automatiskt för varje utvärderingsversion, som innehåller konfigurerbara mått för att karakterisera CC-VRS: s övergripande prestanda. Granska den detaljerade datafilen (.csv) som innehåller spårarnas, styrenheternas och headsetets position och rotation under hela uppgiften. Data om listaktiveringar, objektinteraktion och hinderkollisioner registreras också automatiskt och matas ut till den här filen.

Representative Results

Ett projekt pågår för närvarande för att fastställa giltigheten av CC-VRS vid bedömning av kognitiv, motorisk och IADL-funktion hos unga vuxna, äldre vuxna utan neurologisk sjukdom och individer med PD. Varje deltagare slutförde självstudiekurser, grundläggande och komplexa scenarier med samma 150 m sökväg och 5-objektslistor för att möjliggöra jämförelse av prestanda mellan grupper. Detaljerade kognitiva data och positionsdata användes för att upprätta informativa sammanfattande mätvärden som skiljer CC-VRS-prestanda mellan populationer med kända skillnader i kognitiv, motorisk och IADL-funktion. Ytterligare biomekaniska och dubbla uppgiftsmått beräknades för att ytterligare karakterisera funktionsnivån över olika domäner (tabell 1). CC-VRS-resultat Domän Kognitiv Korrekta och felaktiga uppgifter Verkställande funktion Lista aktiveringar (antal och varaktighet) Arbetsminne Återkallelse av försäljningsartikel (nummer korrekt) Deklarativt minne Jämförelse av försäljningspriser (framgång och varaktighet) Bearbetningshastighet Kognitiv-motorisk Provperiodens längd Global funktion (IADL) Stopp (antal och varaktighet) Störningar med dubbla uppgifter Gånghastighet i närheten av listobjekt Störningar med dubbla uppgifter Kollisioner med undvikande hinder Respons hämning Motor Hastighet, steglängd, gångvariation Gånghastighet och kvalitet Svänghastighet, svängvaraktighet Vänd kvalitet Stegbredd, symmetri Postural stabilitet Antal nollkorsningar i acceleration Gångflytande Räckvidd och transporttid vid utvalda objekt Övre extremitetsfunktion Tabell 1: CC-VRS-utfallsmått. En icke-uttömmande lista över möjliga utfallsmått för CC-VRS-plattformen, betecknad som främst kognitiv, motorisk eller kognitiv-motorisk till sin natur. Dessa resultat utvecklades på grundval av den uppgiftsanalys som användes för att utforma CC-VRS som en ekologiskt giltig bedömning av IADL-funktionen. Domänerna som fångas upp av dessa resultat representerar det spektrum av en- och dubbeluppgiftsfunktioner som är nödvändiga för att framgångsrikt slutföra livsmedelsbutiker och andra IADLs. Till skillnad från befintliga neuropsykologiska och motoriska utvärderingar bedömer CC-VRS dessa domäner under förhållanden som mer exakt återspeglar de komplexa kraven från IADL-miljöer inom hem- och samhällsinställningar. Förkortningar: CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping; IADL = instrumentell aktivitet i det dagliga livet. Bild 4 ger en översikt över prestanda för det grundläggande scenariot för en deltagare med PD. Deltagarens vandringsled genom butiken jämfördes med den ideala vägen för navigeringsvägen, och platserna för korrekta shoppingartiklar noterades. Med hjälp av positionsdata från VR-spårarna registrerades och plottades deltagarens momentana hastighet genom butiken. Genom att lägga till kontexten för listaktiveringar och objektval fick du insikt i deltagarens dubbla uppgiftsförmåga och övergripande kapacitet att effektivt slutföra IADL-uppgiften. Baserat på resultaten av preliminära analyser skilde sig den totala CC-VRS-prestandan mellan friska unga vuxna och individer med PD (figur 5). Resultat av total utvärderingslängd, antal och varaktighet för stopp samt antal och varaktighet för listvyer under uppgiften är lovande mått för att skilja mellan grupper. Äldre vuxna och individer med PD krävde mer tid för att slutföra varje scenario och spenderade mer tid på att stoppa och aktivera inköpslistan jämfört med friska yngre vuxna. Unga vuxna visade ökad kapacitet med dubbla uppgifter genom att samtidigt gå och aktivera listan, medan individer med PD oftare aktiverar inköpslistan medan de stoppas. Ytterligare resultat, inklusive tid som ägnas åt att söka efter objekt, gångmått och resultaten av de kognitiva kraven i det komplexa scenariot, är tillgängliga för analys. I en separat CC-VRS-användbarhetsstudie för individer med PD fyllde 10 deltagare i Simulator Sickness Questionnaire (SSQ)47,48 för att utvärdera symtomen på VR-sjukdom vid baslinjen, omedelbart efter att ha slutfört CC-VRS-upplevelsen och 30 minuter efter att ha slutfört uppgiften. SSQ har utvecklats i samband med flygsimuleringar och fångar 16 vanliga symtom på en 4-punkts skala och har antagits för användning i VR-applikationer. Individuella symtompoäng kombineras och viktas för att bilda delpoäng inom områdena illamående, oculomotoriska och desorientationssymptomkluster, förutom en total poäng. Totala SSQ-poäng varierar från 0 till 235,6. Figur 6 visar resultaten av den SSQ som slutfördes vid baslinjen (genomsnittlig totalpoäng 13,1 ± 16,7), omedelbart efter CC-VRS (29,5 ± 27,9) och 30 min efter CC-VRS (14,2 ± 15,6) för deltagare med PD (N = 10). I allmänhet var de totala SSQ-poängen för deltagare med PD milda efter CC-VRS, och de vanligaste symtomen var allmänt obehag, trötthet, ögonbelastning, svårigheter att fokusera och svettning. Särskilt, många av deltagarna rapporterade milda symtom vid baslinjen. Ändå slutförde 9/10 deltagare den fullständiga utvärderingen, inklusive handledning, grundläggande och komplexa scenarier, i genomsnitt 29.0 ± 5.9 min. Man kunde inte tolerera CC-VRS på grund av sjukdom. Dessa data ger övertygande bevis för att CC-VRS-plattformen tolereras väl av de flesta individer med neurologisk sjukdom. Sammantaget tyder den allmänna bristen på signifikanta VR-sjukdomssymtom som rapporterats på att det är möjligt att koppla VR-innehåll till ett rundstrålande löpband och kan ta itu med VR-rörelseproblemet för de flesta individer. De 10 deltagarna som slutförde användbarhetsstudien deltog i en semistrukturerad intervju efter deras användning av CC-VRS. Alla deltagare godkände att studien var första gången de använde VR och / eller ett rundstrålande löpband. Sammanfattande kommentarer om löpbandet inkluderade följande: Enkel anpassning av löpband: Deltagarna kände sig bekväma på löpbandet i allmänhet inom några minuter, eftersom promenaden efterliknade steg över marken. Deltagarna påpekade två aspekter av gång som krävde anpassning: (1) Midjespårarens dragning tillbaka till mitten av löpbandet under stopp och (2) att ta något kortare steg på grund av storleken på löpbandsplattformen. Stödet för övre extremitet stabiliserades: Användningen av den cirkulära ledstången som omfattade löpbandet gav en lämplig nivå av stöd för övre extremitet som hjälpte till att slutföra uppgiften. Utmanande fysisk och kognitiv miljö: Deltagarna rapporterade att deras posturala kontroll utmanades när de utförde shoppinguppgifterna. Det fanns tröst i att bli utnyttjad, men selen begränsade inte rörelsen i något plan. Realistisk miljö: De visuella och auditiva skärmarna liknade en riktig livsmedelsbutik och var imponerande för VR-naiva användare. Deltagarna rapporterade att realismen hos de andra shopparna och gånghindren motiverade dem att undvika kollisioner och att navigationsvägen var enkel att följa. Desorientering: Klagomål om desorientering och sjukdom i linje med de enskilda SSQ-poängen. Vissa deltagare uppvisade initiala visuospatiala utmaningar under de första minuterna av CC-VRS som resulterade i att individen kom i nära kontakt med livsmedelshyllorna, vilket de kände skapade en känsla av desorientering. Deltagare med PD från båda ovannämnda studier (N = 24) slutförde System Usability Scale (SUS) efter cc-VRS-slutförande. SUS är ett frågeformulär med 10 artiklar som mäter användarvänlighet, global tillfredsställelse och lärbarhet för ett system49,50. Poängen varierar från 0 till 100, där 68 indikerar genomsnittlig användbarhet. Övergripande SUS-poäng mellan 72.6 och 78.8 motsvarar betyget “B” och poäng större än 78.8 tjänar ett “A”51. Bland 24 deltagare med PD som slutförde CC-VRS-plattformen (Tutorial, Basic och Complex Sessions) fick CC-VRS en genomsnittlig poäng på 75,7 ± 18,9. Bild 4: Sammanfattning av CC-VRS-prestanda. (A) En person med Parkinsons sjukdom som slutför det grundläggande scenariot för CC-VRS-plattformen. (B) Deltagarens navigeringsväg och gånghastighet när de slutför uppgiften. De blå rutorna representerar ett objekt som fanns på inköpslistan och som har hämtats. Inbäddad på navigeringsguidelinjen finns en värmekartlinje som representerar deltagarens momentana gånghastighet; baslinjens gånghastighet beräknas över den första 20 m raka linjen. Varje momentan hastighet mindre än 0,5 gånger baslinjens gånghastighet är röd; momentan hastighet över 1,5x den ovannämnda medelhastigheten är grön. Det finns en linjär övergång från rött till gult till grönt mellan 0,5x och 1,5x av den genomsnittliga raklinjehastigheten. Gånghastighet under prövningens gång (C) och antalet listaktiveringar (D) presenteras. Noterbart är att denna deltagare hade 15 listvyer under rättegången, trots att han bara hade fem artiklar på inköpslistan. Förkortning: CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping. Klicka här för att se en större version av denna siffra. Figur 5: CC-VRS för friska unga vuxna jämfört med Parkinsons sjukdom. Den kumulativa sträckan som gicks av en frisk ung vuxen (A) och en deltagare med PD (B) under utförandet av grundscenariot. I allmänhet gick båda deltagarna ungefär samma sträcka som de följde navigationslinjen. Deltagaren med PD tog dock betydligt längre tid (410 s) än den unga vuxna (350 s) att slutföra scenariot. De gröna staplarna representerar antalet och varaktigheten för en listaktivering under uppgiften. Den unga vuxna tittade på listan vid sju tillfällen för totalt 73,1 s, medan deltagaren med PD tittade på listan vid 16 tillfällen för totalt 94,3 s. De blå prickarna återspeglar ett fysiskt stopp av deltagaren. Inspektion av unga vuxnas prestationer indikerar att de hade färre totala stopp och samtidigt kunde gå och se listan. Omvänt hade deltagaren med PD 17 stopp som var och en motsvarade en listvy, vilket tyder på att de inte effektivt kunde dubbla uppgifter (t.ex. gå och visa listan samtidigt). Förkortningar: CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping; PD = Parkinsons sjukdom. Klicka här för att se en större version av denna siffra. Bild 6: Symtomupplevelse efter CC-VRS. Totalt 10 deltagare med PD utförde CC-VRS som en del av en användbarhetsstudie. Varje deltagare fyllde i simulatorsjukdomsfrågeformuläret före, omedelbart efter och 30 minuter efter avslutad CC-VRS-upplevelse. SSQ fångar 16 symtom på VR-sjukdom, med en maximal poäng på 235,6. De flesta deltagare med PD godkände milda symtom vid baslinjen, med symtom något förhöjda omedelbart efter CC-VRS och återvände till baslinjenivåer inom 30 minuter efter att plattformen slutförts. Hela CC-VRS (Tutorial, Basic och Complex Scenarios) tog i genomsnitt 29 minuter att slutföra, och den genomsnittliga SSQ-poängen när CC-VRS slutfördes var 29,5 (i rött). Förkortningar: CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping; PD = Parkinsons sjukdom; SSQ = Simulatorsjuka frågeformulär. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

CC-VRS-plattformen verkar hittills mest effektivt ta itu med rörelseproblemet i VR genom att kombinera toppmodernt VR-innehåll med ett rundstrålande löpband. En kritisk aspekt av den sömlöst uppslukande miljön i CC-VRS är att säkerställa korrekt kommunikation mellan löpbandet och VR-programvaran. Korrekt installation av alla aspekter av VR-systemet – inklusive basstationer, fot- och midjespårare och handkontroller – är absolut nödvändigt. Om spårningen är inkonsekvent eller otillförlitlig krävs justering av basstationernas orientering och placering, eller tillägg av en annan basstationsenhet. Korrekt täckning av det fysiska utrymmet ger stabil synkronisering mellan VR-hårdvaran och rundstrålande löpband och säkerställer att positions- och orienteringsdata från VR-enheterna är fullständiga, exakta och exakta⁵². Kalibrering av det rundstrålande löpbandet rekommenderas i början av varje datainsamlingssession för att säkerställa optimal responsivitet när du navigerar i den virtuella miljön.

Patientens förtrogenhet med löpbandet är avgörande innan CC-VRS administreras. Även om det är intuitivt och enkelt att använda, kräver det rundstrålande löpbandet användarkännedom som bäst görs före introduktionen av VR-headsetet och de resulterande rumsliga orienteringsutmaningarna. För att möta den enskilda användarens behov och målen för den aktuella utvärderingen kan följande funktioner konfigureras för varje CC-VRS-scenario: 1) löpband låg eller hög maximal hastighet, 2) upprepning av handledningsmodul, 3) ruttlängd genom butiken och 4) antal artiklar på inköpslistan. Dessa modifieringar optimerar bedömningen för kognitiva, motoriska och dubbla uppgifter hos ett brett funktionellt spektrum av patienter.

Bristen på enplattformsteknik som kan standardisera IADL-prestanda genom att använda objektiva och kvantitativa resultat som karakteriserar kognitiv och motorisk funktion utgör en kritisk barriär vid tidig identifiering och effektiv behandling av åldersrelaterade neurologiska sjukdomar som PD eller Alzheimers sjukdom. Nuvarande metoder som uppskattar IADL-funktionen med hjälp av självrapporteringsformulär, även om de är lätta att administrera, är mottagliga för partiskhet. Under självrapportering tenderar äldre vuxna att över- eller undervärdera IADL-kapacitet⁵³. På samma sätt missbedömer informanter som fyller i IADL-frågor ofta kapacitet på grund av observatörernas missuppfattningar eller kunskapsluckor³⁵.

Ett alternativ till självrapporterande och informantklassade frågeformulär är prestationsbaserad IADL-utvärdering. Prestationsbaserade utvärderingar genomförs vanligtvis av en utbildad arbets- eller fysioterapeut. Även om ett antal prestandatester och guider finns tillgängliga, bidrar de inte till integration i klinisk vård, vilket ofta kräver gott om tid och specialiserat utrymme och utrustning som vanligtvis inte finns på en primärvårds- eller neurologileverantörs kontor. En av de mest använda prestandabaserade bedömningarna, Direct Assessment of Functional Status (DAFS), kräver cirka 40 minuter att administrera, och dess poängsättning baseras till stor del på expertutlåtanden från testadministratören. Även om DAFS är användbart vid iscensättning av Alzheimers sjukdom, saknar den känslighet och upptäcker inte IADL-nedgångar vid den milda kognitiva försämringen stadium²⁴. Att smälta samman de virtuella och verkliga världarna genom att kombinera VR med ett rundstrålande löpband ger en möjlighet att fånga IADL-prestanda under komplexa kognitiva förhållanden som bättre replikerar verkliga miljöer, vilket potentiellt kan resultera i tidigare diagnoser av neurologisk sjukdom⁵⁴.

CC-VRS-plattformen adresserar det kliniska gapet genom att tillhandahålla ett standardiserat, systematiskt, objektivt och kvantitativt tillvägagångssätt för att karakterisera IADL-kapacitet hos äldre vuxna och personer med neurologisk sjukdom. Baserat på preliminära användbarhetstester och data kan de grundläggande och komplexa CC-VRS-scenarierna slutföras helt och hållet på mindre än 30 minuter. I likhet med andra uppslukande VR-studier med PD¹⁸ upplever majoriteten av personer med PD milda rörelsesjuka symtom. Ur ett användbarhetsperspektiv fick CC-VRS ett övergripande SUS-betyg på 75,7, vilket motsvarar ett bokstavsbetyg “B” och faller mellan deskriptorkategorierna “bra” och “utmärkt”⁵⁵. Som jämförelse rapporterar en ny bedömning av populära telefon- och surfplatteapplikationer en genomsnittlig SUS-poäng på 77.7 för de 10 bästa applikationerna på alla plattformar⁵⁶, inklusive mobilapplikationer som The Weather Channel och YouTube. Kommentarer från deltagarna indikerade att de flesta användare njöt av realismen och förmågan att interagera med CC-VRS-plattformen. Viktigt är att deltagarna kände sig utmanade ur en fysisk och kognitiv aspekt, vilket indikerar att designen uppnådde sitt mål att skapa en dynamisk plattform som återskapade en komplex IADL-upplevelse.

Vi har tidigare visat att teknologi framgångsrikt kan integreras i kliniska arbetsflöden i utvärderingen av patienter med hjärnskakning⁵⁷ och i en hektisk neurologisk tjänst för patienter med multipel skleros (MS)⁵⁸. Vidare förbättrade användningen av teknik vid hantering av hjärnskakning resultaten och minskade kostnaderna⁵⁹, medan dess användning vid behandling av MS ledde till en 27% minskning av tiden som spenderades på att dokumentera i den elektroniska journalen för varje patient⁶⁰. Med tanke på det ständiga målet att minska kostnaden för att leverera vård⁶¹ och att tid som spenderas på att dokumentera i den elektroniska patientjournalen ofta citeras för läkare utbrändhet⁶², kommer integrationen av CC-VRS-plattformen i klinisk vård sannolikt att ge ett betydande mervärde till sjukhussystem. Två projekt pågår där CC-VRS-plattformen integreras i 1) ett regionalt primärvårdsfamiljecenter som främst behandlar friska äldre vuxna och 2) en specialiserad rörelsestörningsklinik vid Cleveland Clinic.

Avsaknaden av en korrekt och tillförlitlig fysiologisk eller digital biomarkör för PD och Alzheimers sjukdom orsakar stora svårigheter att tidigt diagnostisera och mäta sjukdomsprogression^63,64. CC-VRS-plattformen har potential att tillhandahålla en digital biomarkör under en enda teknisk plattform som kommer att förbättra klinisk vård och kan resultera i kortare och effektivare kliniska prövningar genom att minska beroendet av subjektiva och mycket varierande kliniska resultat (t.ex. Movement Disorder Society – Unified Parkinson’s disease Rating Scale motor portion (MDS-UPDRS III)). Utvärderingen av motorisk och kognitiv funktion inom klinisk neurologi har inte avancerat dramatiskt under de senaste tre decennierna när det gäller bedömning av individer med PD och tillhörande kardinalmotoriska symtom, än mindre kognitiva eller dubbla uppgiftsproblem. Det mest berömda framsteget i bedömningen av individer med PD är revideringen av den subjektiva kliniska betygsskalan (MDS-UPDRS III). Det är viktigt att vi inte tror att CC-VRS kommer att ersätta MDS-UPDRS III. Snarare tror vi att dess största värde kan realiseras i primärvårdspraxis genom att tillhandahålla ett standardiserat och objektivt tillvägagångssätt för kvantifiering av IADLs. Även om det är för tidigt att tro att CC-VRS i sin nuvarande form är en prodromal markör för neurologisk sjukdom, kan resultaten användas för att höja en “röd” eller “gul” flagga när det gäller neurologisk funktion som kan utlösa en konsultation av en rörelsestörningar, neuropsykologi eller geriatrisk specialist. När det gäller dess användning i PD-klinisk vård förväntas cc-VRS användas vid titrering av medicinering eller vid eventuell programmering av djupa hjärnstimuleringsenheter. Både primärvården och PD-specifika användningsfall är för närvarande i pilotfasen. Genom att verkligen fördjupa användaren i en realistisk miljö och mäta meningsfulla och viktiga aspekter av kognitiv och motorisk funktion representerar CC-VRS ett första steg i skapandet av en potentiellt effektiv och skalbar digital biomarkör för neurologisk sjukdom.

Området klinisk neurologi, i synnerhet rörelsestörningar, är fyllt med exempel på teknik som utvecklats för att kvantifiera ett enda isolerat PD-symptom via accelerometer eller annan sensorteknik 65,66,67,68,69. Såvitt vi vet har ingen av dessa metoder, förutom vår balans 70,71,72,73 och tremorapplikationer ⁷⁴, integrerats i rutinmässig PD-klinisk vård. Tidigare teknik är ofta giltig och pålitlig; fokus har dock legat på teknikutveckling med liten hänsyn till genomförbarheten av klinisk integration^75,76. Patienter, leverantörer, sjukhus och tillsynsorgan är alltmer intresserade av resultatmått som kvantifierar förändringar i meningsfulla dagliga handlingar 77,78,79,80. Den kliniska integrationen av exakta och meningsfulla mått på neurologiska symtom och IADL-prestanda är nödvändig för att systematiskt utvärdera den totala effektiviteten av en intervention eller bestämma potentialen för en intervention för att bromsa sjukdomsprogressionen. Utvecklingen av ett standardiserat tillvägagångssätt för IADL-bedömning som är lämpligt för rutinmässig klinisk användning är tilltalande för att underlätta omfattande förståelse och behandling av neurologisk sjukdom på meningsfulla aktiviteter.

CC-VRS-metoden för utvärdering av IADL-prestanda för att hjälpa till vid diagnos och hantering av neurologisk sjukdom har potential att förändra vården genom tidig diagnos och mer exakt spårning av sjukdomsprogression. Det är dock fullt erkänt att systemet inte är utan begränsning. Kostnaden för det rundstrålande löpbandet är betydande och kan fungera som ett hinder för utbredd användning utan systematiska hälsoekonomiska studier för att identifiera den potentiella “break even” -punkten mellan kostnaden för bedömningen i förhållande till värdet av tidig diagnos eller mer exakt spårning av sjukdomsprogression. I synnerhet belystes luckor i förvärvet av PD-patientcentrerade resultat med teknik av National Institute of Neurological Disorders and Stroke PD Conference⁷⁸, MDS Task Force on Technology⁷⁷ och FDA. De efterlyste teknik som mäter meningsfulla PD-aktiviteter och integration av dessa resultat i klinisk vård. Vi utvärderar för närvarande integrationen av CC-VRS i en primärvårdsmiljö och ett rörelsestörningscenter vid Cleveland Clinic; dessa distributioner kommer att använda billigare rundstrålande löpband. Framgångsrik insamling av data kräver en initial investering av tid av klinikern för att lära sig att installera och använda systemet. Pågående kliniska piloter kommer bättre att informera om hur mycket utbildning som krävs för att bli en skicklig användare. Man kan tänka sig en modell där en tekniker är anställd för att driva systemet, och patienterna slutför shoppinguppgifterna snarare än att sitta i ett väntrum före ett möte. Dessa uppgifter kan sedan omedelbart integreras i den elektroniska patientjournalen innan de träffar sin leverantör. Dessa typer av applikationer har potential att bli framtidens väntrum för patienterna.

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