Aplicațiile de realitate virtuală (VR) pentru bolile neurologice

Progresele recente în tehnologiile imersive de realitate virtuală (VR) oferă noi instrumente pentru dezvoltarea de aplicații noi și promițătoare pentru reabilitarea neurologică. Scopul acestei lucrări este de a trece în revistă aplicațiile VR emergente dezvoltate, pentru evaluarea și tratamentul pacienților cu boli neurologice.

Începem prin a discuta impactul acestora, care încurajează și facilitează implicarea pacientului în procesul de reabilitare. Apoi, a fost efectuată o revizuire sistematică a șase biblioteci electronice binecunoscute, folosind termenii „realitate virtuală și neuroreabilitare” sau „afișaj cranian și neuroreabilitare”. Această revizuire s-a concentrat pe sisteme VR complet imersive, pentru care au fost identificate 12 studii relevante, publicate în ultimii 5 ani (din 2014 până în 2019). În general, această lucrare de revizuire a examinat utilizarea VR în anumite afecțiuni neurologice, cum ar fi demența, accidentul vascular cerebral, leziunile măduvei spinării, boala Parkinson și scleroza multiplă.

Cele mai multe dintre studii dezvăluie rezultate pozitive, care sugerează că VR este un instrument fezabil și eficient în tratamentul tulburărilor neurologice. În plus, descoperirea acestei revizuiri sistematice a literaturii a sugerat că tehnologiile VR imersive, cu costuri reduse, se pot dovedi a fi eficiente pentru reabilitarea clinică, în asistența medicală și în asistența la domiciliu, cu implicații și utilizări practice.

Dezvoltarea tehnologiilor VR din ultimii ani a dus la soluții mai accesibile, care pot oferi rezultate promițătoare. În concluzie, VR și dispozitivele interactive au dus la dezvoltarea unor sisteme holistice, portabile, accesibile și utilizabile pentru anumite intervenții ale bolilor neurologice. Este de așteptat ca în viitor tehnologiile și instrumentele VR emergente să faciliteze și mai mult dezvoltarea aplicațiilor de ultimă generație, exercitând un impact semnificativ asupra bunăstării pacientului.

Aplicațiile VR pentru bolile neurologice – introducere

În ultimii ani, tehnologia realității virtuale (VR) a câștigat recunoaștere ca instrument util pentru cercetarea, evaluarea și reabilitarea cognitivă. O zonă relativ nouă și mai puțin explorată a aplicațiilor VR este reabilitarea, ajutând pacienții care și-au pierdut o parte din abilitățile fizice și/sau cognitive să le recâștige. Sistemele VR permit utilizatorilor să interacționeze în diverse medii senzoriale și să obțină feedback în timp real asupra performanței lor, fără a-i expune la riscuri în timp ce folosesc tehnologia computerizată.

Mediile simulate, oferite prin tehnologia VR, le permit pacienților să participe la activități în medii precum cele întâlnite în viața reală. În plus, instrumentele VR pot fi folosite pentru a înregistra măsurători precise ale performanței utilizatorului și pentru a-i oferi acestuia o stimulare terapeutică mai mare. Unele aplicații VR utilizate în asistența medicală sunt pentru ameliorarea durerii, anxietății și distragerii atenției. Aceste aplicații pot oferi pacientului o sănătate mintală mai bună și o calitate mai bună a vieții.

Alte aplicații VR sunt folosite pentru antrenamentul cognitiv, iar pacientul își poate modela abilitățile cognitive jucând un joc, integrând în același timp și aspectele fizice. În cele din urmă, una dintre cele mai complexe aplicări în asistența medicală a VR este reabilitarea fizică și neurologică. Aceste aplicații oferă obiective funcționale, programate în jocurile interactive de realitate virtuală, așa că pacienții vor putea avea o experiență mult mai distractivă și captivantă, care îi va ajuta să-și reconstruiască căile neurologice și, inevitabil, le va oferi exercițiile și antrenamentul de care au nevoie.

Câteva exemple ale acestor aplicații pot fi evaluarea conducerii autoturismelor după leziunile cerebrale, în care pacientul încearcă să-și recapete capacitatea de a conduce. Acest exemplu poate ajuta pacientul pentru factorii săi cognitivi, motorii și senzoriali. O altă aplicație comună este scenariul clasei virtuale, care constă într-un mediu de clasă standard, dreptunghiular, care conține birouri, un profesor, o tablă, un perete lateral cu ferestre mari etc. În acest scenariu, performanța atenției copiilor poate fi evaluată în timp ce o serie de elemente de distracție tipice din clasă sunt controlate și manipulate sistematic în cadrul Virtual Environment (VE) (Weber, 2019) [1].

Deși utilizarea aplicațiilor VR este în creștere, nicio revizuire sistematică nu a investigat utilizarea aplicațiilor VR complet imersive, orientate spre consumator, în neuroreabilitare în ultimii câțiva ani, împreună cu efectul acestora asupra cogniției.

Pentru a aborda acest decalaj, prezenta revizuire examinează aplicațiile VR emergente, dezvoltate pentru evaluarea și intervenția pacienților care suferă de anumite boli neurologice.

Există 3 tipuri de sisteme VR (Ma și Zheng, 2011) [2]:

• non-imersive (sisteme grafice 3D, bazate pe computer, care permit utilizatorului să navigheze într-un VE care este afișat pe ecranul unui computer, de obicei cu tastatură și mouse);
• semi-imersive (proiectează afișajul grafic pe un ecran mare și se pot baza pe anumite forme de sistem de recunoaștere a gesturilor, pentru a implementa interacțiuni mai naturale);
• complet imersive, în care viziunea utilizatorilor este complet învăluită, creând un sentiment de imersiune totală, prin intermediul unui dispozitiv montat pe cap (HMD).

Tehnologiile VR complet imersive, orientate spre consumator, au avansat destul de semnificativ în ultimii 5 ani. Aceste noi tehnologii VR imersive la prețuri accesibile ar putea oferi o soluție ideală pentru setările clinice reale (Anthes et al., 2016 și Matsangidou et al., 2017) [3,4]. Hardware-ul accesibil și software-ul open source prescriu resursele necesare pentru a introduce noi aplicații VR. Aceste concepte au reușit să abordeze cu succes problemele și limitările din trecut, în special în ceea ce privește nivelul imersiunii și interacțiunea utilizatorului în aplicațiile VR.

HMD-urile fără fir, dispozitivele de intrare haptică, vestele senzoriale virtuale, benzile de alergare omnidirecționale, sistemele de urmărire precise și scanerele optice pentru interacțiunea bazată pe gesturi, toate sunt considerate astăzi printre cele mai proeminente tendințe în domeniul VR (Anthes et al., 2016) [3].

Important este faptul că cele mai multe dintre aceste tehnologii încorporează colectarea precisă și robustă de date senzoriale, care pot fi utilizate într-o gamă largă de aplicații, cum ar fi medicină, antrenament sportiv, educație și reabilitare fizică/mintală. Obiectivul acestei lucrări a fost de a efectua o revizuire sistematică a aplicațiilor VR emergente dezvoltate în ultimii 5 ani, acoperind anumite boli neurologice. Mai precis, această lucrare de revizuire acoperă următoarele boli: demență, accident vascular cerebral, leziuni ale măduvei spinării, Parkinson și scleroza multiplă.

Metoda de revizie a literaturii

Analiza a fost efectuată pe baza metodologiilor Bargas-Avila și Hornbæk (2011) și Cochrane (Khan și colab., 2001; Deeks și colab., 2008) [5]. Aceasta a constat în următoarele 5 faze.

Procedură

Faza 1: Publicații potențial relevante, identificate

Biblioteci electronice: am căutat în 6 biblioteci electronice, pentru a acoperi o gamă echilibrată de discipline, inclusiv informatică/inginerie, cercetare medicală și surse multidisciplinare.
Termeni de căutare: scopul nostru a fost să căutăm tehnici de neuroreabilitare, care să utilizeze tehnologia VR imersivă. Prin urmare, am folosit următoarele două interogări la cele 6 biblioteci menționate mai sus:

• realitatea virtuală și neuroreabilitarea;
• dispozitiv montat pe cap și neuroreabilitare.

Procedura de căutare: termenii de mai sus au fost căutați în următoarele câmpuri: text integral (dacă este disponibil), titlu, rezumat și cuvinte-cheie.
Rezultatele căutării: căutarea totală, care a revenit în faza 1. La sfârșitul acestei faze, toate PDF-urile corespunzătoare au fost descărcate pentru ca analiza să fie efectuată.

Faza 2: Publicații preluate pentru evaluare detaliată
Prima excludere: un total de 1.069 de articole au fost analizate în continuare, după excluderea manuală a 25 de articole cu intrări greșite pentru ani.

A doua excludere: publicațiile duplicate în biblioteci (de exemplu, biblioteci diferite care produc același rezultat) și în cadrul fiecărei biblioteci (de exemplu, termeni diferiți care produc același rezultat în cadrul aceleiași biblioteci) au fost eliminate.

Am eliminat 32 de publicații duplicate din biblioteci, ajungând la 1.047 de articole diferite. După eliminarea a 36 de duplicate din fiecare bibliotecă, am ajuns să avem 1.001 de articole diferite.

A treia excludere: am restrâns intrările la articolele originale complete, care au fost scrise în engleză. Am exclus 645 de articole în cazul cărora nu am avut acces la întregul conținut, 46 de articole de recenzie, 37 de articole care nu erau în limba engleză și 18 articole care nu erau complete, evaluate de colegi (de exemplu, referințe la ateliere, postere, prezentări, reviste). Cu aceste criterii, am exclus 746 de articole.

Restul de 255 de articole constau în articole de reviste și conferințe.

Faza 3: Publicații care urmează să fie incluse în analiză

Excluderea finală: accentul pe această recenzie a fost pus pe sistemele VR complet imersive, prin urmare am exclus articolele care foloseau sisteme VR neimersive sau semiimersive. Pe baza acestor criterii, am exclus 163 de articole suplimentare care nu utilizau tehnologia VR complet imersivă și 8 articole care nu specificau tipul de echipament VR. De asemenea, am exclus 24 de articole care nu erau relevante pentru o leziune a sistemului nervos, legată de dizabilitate funcțională. În cele din urmă, am exclus 48 de articole irelevante care au apărut în prima fază și nu au fost excluse în timpul celei de-a doua faze de filtrare. Aceste articole au apărut în căutarea noastră deoarece conțin cuvinte relevante pentru cele pe care le-am căutat, dar nu se potriveau cu conținutul specific al tehnologiei. Pe baza acestor restricții, în această fază am eliminat 240 de publicații irelevante. Ca rezultat, am ajuns să avem 12 articole relevante (10 articole de jurnal și 2 articole de conferință).

Faza 4: Colectarea datelor

În această fază, am extras toate informațiile relevante din articole, pentru ca analiza să fie efectuată. Concret, pentru fiecare studiu, am înregistrat obiectivele, dimensiunea eșantionului, starea sau caracteristicile populației, conținutul VE-urilor utilizate, dispozitivele de interactivitate utilizate, metodologia/intervențiile pe care s-a bazat studiul, alte instrumente utilizate și constatări-cheie. Mai mult, am etichetat fiecare studiu, pe baza rezultatului, drept pozitiv (+), negativ (-) sau neutru ().

Faza 5: Analiza datelor
Statisticile descriptive au fost utilizate pentru a caracteriza datele din faza a patra. Analiza tematică a fost utilizată și pentru a clasifica rezultatele noastre pe teme, și anume caracteristicile populației, tipurile de VE, dispozitivele de interactivitate utilizate în studiu și constatările-cheie.

Revizia studiilor VR în bolile neurologice

Toate cele 12 studii studiate au examinat utilizarea VR în eșantioane cu afecțiuni ale unei leziuni a sistemului nervos, legate de dizabilitate funcțională. În special, majoritatea studiilor au examinat utilizarea VR pentru persoanele care trăiesc cu demență (n = 4), accident vascular cerebral (n = 3), leziuni ale măduvei spinării (n = 2), boala Parkinson (n = 1), scleroză multiplă (n = 1) și durerea membrelor superioare (n = 1).

Eficacitatea realității virtuale în neuroreabilitare

În general, VR pare să arate un potențial promițător pentru neuroreabilitare. Zece din doisprezece studii au ilustrat rezultate pozitive în utilizarea VR pentru tratamentul leziunilor sistemului nervos, asociate cu dizabilitățile funcționale, în timp ce celelalte două au subliniat oportunitățile și provocările inerente proiectării și utilizării VR la persoanele cu demență (Hodge et al., 2018) [6], și au folosit VR doar ca instrument de sprijinire a intervenției pentru tratamentul accidentului vascular cerebral (Saleh și colab., 2017) [7]. Analiza detaliată a studiilor a arătat că anumite caracteristici ale populației, cum ar fi tipul de boală, influențează obiectivele studiului și rezultatele.

În ceea ce privește cele 4 studii despre demență, s-a demonstrat că toate obiectivele studiate au examinat fezabilitatea VR pentru persoanele care trăiesc cu demență. Fezabilitatea tehnologiei VR pentru persoanele cu demență a fost examinată cu două abordări diferite. Două din patru studii (Hodge și colab., 2018; Tabbaa și colab., 2019) [4,6] au evaluat fezabilitatea tehnologiei dintr-o perspectivă proiectată, centrată pe pacient, care vizează un public de interacțiune om – calculator, în timp ce restul studiilor au adoptat o abordare psihologică/psihiatrică. Toate studiile s-au încheiat cu evidențierea fezabilității clinice a VR, pentru persoanele cu mai multe stadii de demență. Nu au fost declarate efecte adverse și au fost raportate rate ridicate de pretenție/imersie și răspunsuri emoționale pozitive.
Demența nu a fost singura boală în care studiile au examinat fezabilitatea VR. Din revizuire, s-a constatat că accidentele vasculare cerebrale multiple (Standen et al., 2017) [8], boala Parkinson (Kim et al., 2017) [9] și scleroza (Peruzzi și colab., 2016) [10] au fost, de asemenea, legate de studiile cu fezabilitatea VR. Rezultatele au fost în concordanță cu studiile privind demența. Foarte important, eficacitatea VR a fost îmbunătățită și mai mult printr-un studiu care a examinat fezabilitatea VR la domiciliu, pe termen lung (8 săptămâni), a reabilitării brațului după un accident vascular cerebral, indicând faptul că VR poate fi folosită ca soluție personalizată în asistența la domiciliu (Standen et al., 2017) [8].

VR a fost folosită și pentru reabilitarea neuropsihologică bazată pe un program de antrenament cognitiv pentru pacienții cu AVC (Gamito et al., 2017) [11]. Rezultatele au sugerat că VR poate fi folosită ca instrument de antrenament cognitiv, ilustrând îmbunătățiri semnificative ale funcțiilor de atenție și memorie. VR a fost, de asemenea, testată ca instrument de reabilitare a mersului din nou pentru pacienții cu leziuni ale măduvei spinării. A demonstrat o recăpătare semnificativă a controlului motor voluntar, ceea ce a dus la îmbunătățirea mersului (Donati et al., 2016) [12].

În cele din urmă, VR a oferit răspuns la tratamentul sindromului membrelor fantomă, deoarece s-a demonstrat că feedbackul tactil prin feedbackul vizual VR a fost capabil să diminueze durerea și să îmbunătățească efectul analgezic în cazul membrului afectat (Ichinose et al., 2017) [13].

Medii virtuale, realitate virtuală și dispozitive de interactivitate

Dispozitivele VR utilizate pentru tratamentul leziunilor sistemului nervos, legate de dizabilități funcționale, au fost eMagin Z800 (3/12), Google Cardboard (3/12) și Oculus Rift (3/12). Restul studiilor nu a precizat echipamentul VR (3/12). Aproape jumătate dintre studii (5/12) nu au folosit niciun echipament de interactivitate și au folosit VR doar pentru a transporta pacientul într-un mediu diferit. Două studii au folosit o mănușă virtuală ca dispozitiv de interactivitate, iar restul studiilor (5/12) au folosit senzori Xsens, Vizard, tastatură, IMC bazat pe EEG și Kinect pentru a permite utilizatorului să interacționeze cu mediul virtual.

Din analiză s-a dedus că majoritatea studiilor privind demența au folosit dispozitivele Google Cardboard (3/4) (Hodge și colab., 2018; Rose și colab., 2019; Tabbaa și colab., 2019) [4,4,6] și eMagin Z800 (1/4) și un dispozitiv VR fără senzori de interactivitate (4/4). Mediile virtuale simple cu scene naturale au fost folosite de majoritatea studiilor (3/4). Pe baza acestor constatări, putem concluziona faptul că fezabilitatea VR pentru persoanele cu demență nu necesită echipamente VR costisitoare și dispozitive de interactivitate.

Pacienții cu Parkinson (Kim și colab., 2017) [9] și scleroză multiplă (Peruzzi și colab., 2016) [10] au fost desemnați să utilizeze dispozitive Oculus Rift și eMagin Z800 VR asociate cu senzori Xsens și, respectiv, Vizard. Ambele studii au simulat mersul în mediul virtual. Un studiu cu pacienți care aveau leziuni ale măduvei spinării (Donati și colab., 2016) [12] a folosit, de asemenea, mediul virtual de mers, bazat pe un dispozitiv de interactivitate IMC cu EEG și un dispozitiv Oculus Rift montat pe cap.

Două studii, cu pacienți suferind de AVC (Saleh și colab., 2017) [7] și pacienți cu durere la nivelul membrelor fantomă (Ichinose și colab., 2017) [13] au folosit VR Oculus Rift asociat cu senzori Cyberlove și Kinect, ca soluție alternativă la terapia Mirror Box. În terapia cu oglindă, pacientul a fost instruit să stea așezat în fața unei oglinzi. Orientarea oglinzii a fost paralelă cu linia mediană a pacientului. În această poziție, pacientul putea vedea prin oglindă reflexia părții sale neafectate a corpului. Partea corpului afectată a fost ascunsă lângă oglindă și sub cutia oglinzii. Această poziție a creat iluzia vizuală că partea afectată a corpului funcționează corect, deoarece indiciile vizuale au fost create prin oglindă și din partea opusă a părții neafectate a corpului, ca răspuns la comenzile creierului (Ramachandran, 2005) [14]. VR a replicat tradiționala cutie de oglindă într-o versiune avansată tehnologic. Mai precis, cutia oglinzii a fost înlocuită cu mediul virtual și senzori, pentru a reproduce mișcările părții neafectate a corpului. În concluzie, tipul de boală afectează selecția mediului virtual, dispozitivului VR și dispozitivelor de interactivitate.

Strategii și sisteme de intervenție

Evaluare

Strategiile de intervenție au fost împărțite în: testare unică, în care pacientul a fost expus la sistemul VR o singură dată, și teste multiple, în care pacientul a folosit sistemul pentru o perioadă îndelungată, încorporat în antrenamentul de reabilitare (adică de la 6 săptămâni până la un an).

În studiile menționate mai sus, care se ocupă de persoane care trăiesc cu demență, fezabilitatea tehnologiei VR (3/4) a fost testată o singură dată. Prin urmare, strategiile de intervenție au fost asociate în cea mai mare parte cu dezvoltarea și proiectarea tehnologiei dintr-o perspectivă centrată pe pacient (Hodge et al., 2018; Rose et al., 2019; Tabbaa et al., 2019). În special, cercetătorii împreună cu personalul clinic (Rose et al., 2019; Tabbaa et al., 2019) și pacienții cu demență (Hodge et al., 2018) au conceput un sistem VR responsabil să expună pacientul într-un mediu diferit.
Toate cele patru studii au folosit note de observație, împreună cu materiale de interviu, pentru a evalua eficacitatea sistemului. Scale cantitative, cum ar fi autorapoartele de stres, anxietate, furie, oboseală și atenție au fost, de asemenea, utilizate pentru a îmbunătăți datele calitative.
Fezabilitatea VR a fost testată și pentru adulții în vârstă cu boala Parkinson, printr-o sarcină de mers pe o bandă de alergare (Kim et al., 2017) [9]. Treizeci și trei de participanți (11 tineri sănătoși, 11 adulți în vârstă sănătoși și 11 persoane cu Parkinson) au fost recrutați pentru acest studiu și alocați unor sarcini de mers pe jos de 20 de minute, pe o bandă de alergare, în timp ce urmăreau o scenă virtuală a orașului. S-au făcut comparații între cele trei populații diferite. Pacienților cu scleroză multiplă li s-a cerut să efectueze, la o viteză confortabilă, sarcini de mers pe o bandă de alergare, urmărind un mediu virtual reprezentând un traseu mărginit de copaci (Peruzzi et al., 2016) [10]. De asemenea, li s-a cerut să efectueze o altă sarcină de mers pe jos, în timp ce scădeau în serie numărul „3” dintr-un număr predefinit de 3 cifre.

În timpul intervenției, pacienților li s-a cerut să treacă de obstacolele care apăreau pe traseu, în timp ce mai multe obstacole dinamice au fost adăugate la mediul virtual pentru a atrage atenția pacientului. Fiecare pacient a folosit un mediu personalizat, bazat pe probleme personale de mers (de exemplu, distanță redusă la picioare, evitarea obstacolelor și probleme cu planificarea). Trecerile reușite și nereușite, așa cum au fost determinate de măsurători, au fost date subiectului în timpul procesului cu feedback vizual și auditiv. O sarcină cognitivă concomitentă a fost adăugată prin solicitarea ca subiectul să memoreze traseul de urmat, care i-a fost arătat înainte de încercare. Antrenamentul a durat 6 săptămâni, fiecare sesiune a durat aproximativ 45 de minute, cu materiale pre-, post- și de urmărire pentru a evalua rezistența la mers și depășirea obstacolelor.

Pe lângă dispozitivele VR pentru sarcinile de mers pe jos, intervențiile s-au concentrat și pe antrenamentul membrelor superioare afectate, pentru pacienții care se confruntă cu accident vascular cerebral și dureri ale membrelor fantomă. În special, Saleh și colab. săi (2017) [7] au evaluat eficacitatea VR cu feedback vizual în oglindă, ca o singură intervenție cu scopul de a facilita recuperarea mișcării dezordonate și de a stimula activarea zonelor cerebrale subactive din cauza accidentului vascular cerebral. În timpul experimentului, pacienții au fost instruiți să miște degetul mâinii non-paretice și să urmărească stimulii vizuali proiectați în spate, reflectați într-o oglindă în mediul virtual.

Mișcarea degetului a fost proiectată înapoi pe un ecran, arătând două modele virtuale de mâini. La o anumită încercare, mișcarea mâinii neafectate a acționat una dintre mâinile virtuale, situate pe aceeași parte sau pe partea opusă față de mâna reală. Solicitarea „mutare” a fost afișată pe durata evenimentului de încercare (5 secunde), iar îndemnul „odihnă” a fost afișat pe durata perioadei de odihnă (trecut aleatoriu la 4 – 7 secunde). Subiecții au fost instruiți să finalizeze mișcarea. Fiecare scanare a inclus opt repetări a patru condiții de feedback vizual intercalate aleatoriu și evaluate pe baza rapoartelor de scanare a creierului.

În mod similar, feedbackul vizual în oglindă a fost folosit și pentru durerea membrelor fantomă. Pacienții au fost instruiți să atingă prin VR o țintă virtuală. Încă o dată, în timpul stării experimentale, pacienții au fost instruiți să miște mâna neafectată pentru a atinge ținta virtuală și au urmărit înapoi în VR mâna afectată, pentru a îndeplini sarcina. Scalele de durere pre- și post- au fost utilizate pentru a evalua eficacitatea sistemului.

În cele din urmă, intervenția de antrenament cognitiv a fost utilizată și prin intermediul VR pentru tratamentul accidentului vascular cerebral (Gamito et al., 2017) [11]. Sistemul VR a fost dezvoltat pe baza unei aplicații de jocuri pentru antrenamentul cognitiv, îmbunătățită cu sarcini de atenție și memorie, constând în activități din viața de zi cu zi. Scenariile de antrenament cognitiv VR au fost inventate pentru a antrena funcții cognitive, cum ar fi sarcini de memorie de lucru (de exemplu, cumpărarea mai multor articole), sarcini de orientare vizuală spațială (de exemplu, găsirea drumului către minimarket) și sarcini de atenție selectivă (de exemplu, găsirea unui personaj virtual, îmbrăcat în galben), sarcini de memorie de recunoaștere (de exemplu, recunoașterea reclamelor în aer liber) și calcul (de exemplu, reținerea cifrelor). Douăzeci de pacienți cu AVC au fost repartizați aleatoriu în două condiții: expunerea la intervenție și controlul listei de așteptare, pentru a evalua eficacitatea utilizării VR pentru antrenamentul cognitiv. Au fost utilizate mai multe scale pentru a identifica eficacitatea sistemului.

Tehnologii emergente

Dispozitive de intrare și ieșire în realitate virtuală

Dezvoltările hardware noi și emergente nu sunt încă disponibile comercial. Cu toate acestea, este încă posibil să se identifice tendințele tehnologice, în special în cadrul celor două categorii principale de dispozitive VR de intrare și ieșire.

Dispozitivele de intrare

Se referă în principal la dispozitive care sunt adesea îmbunătățite prin feedback haptic și prin urmărirea mâinilor și a corpului. O a doua categorie de intrare o reprezintă dispozitivele de navigație, care aduc utilizatorului iluzia deplasării prin spații nesfârșite din interiorul mediilor virtuale, cum ar fi benzile de alergare unidirecționale și omnidirecționale și suprafețele pasive sau „morile de alunecare”. Slidemill se referă la dispozitive precum benzile de alergare, cu diferența că suprafața de sub piciorul utilizatorului este statică, prin urmare, interfața se simte mai puțin naturală și deci mai puțin imersivă. O altă formă de sistem de urmărire a intrărilor sunt dispozitivele de urmărire a mâinilor și a corpului. Estimarea posturii utilizatorului folosind unități de măsură inerțiale (IMU), combinate cu urmărirea magnetică, poate fi utilizată pentru a oferi o autoreprezentare rezonabilă în HMD-uri care cresc sentimentul de realism în mediile virtuale.

În cele din urmă, dispozitivele de urmărire a gesturilor variază de la mănuși de date, cu extensometre sau fibre optice care sunt adesea folosite în combinație cu tehnologii care utilizează semnale de urmărire optică și electromiografie (EMG), care captează mișcările încheieturii mâinii, cu perspective foarte promițătoare pentru aplicații VR în diferite domenii, în special pentru fizic și reabilitare cognitivă.

Dispozitivele de ieșire

Se concentrează în primul rând pe afișajele vizuale sau, mai precis, pe HMD-uri cu fir sau mobile, atunci când iau în considerare câmpul de realitate virtuală. Specificațiile HMD-urilor cu fir se concentrează pe factori de calitate, cum ar fi rezoluție, câmp vizual sau greutate. Unele HMD-uri cu fir sunt echipate cu camere pentru aplicații de realitate augmentată (AR) și pot fi folosite ca afișaje video-transparente. Recent, tendința companiilor mari de VR este de a include și urmărirea ochilor în afișajele vizuale (de exemplu, Tobii VR1, Steam FOVE2 și SMI Eye tracking3).

Pe de altă parte, sistemele mobile de dispozitive montate pe cap rulează aplicațiile fără fir și fără a fi nevoie să fie conectate la un computer. De obicei, aceste sisteme se bazează pe tehnologiile pentru smartphone-uri, combinate cu carcase pentru smartphone-uri proiectate ergonomic pentru sisteme de sine stătătoare. Câteva exemple de astfel de sisteme autonome, care au fost lansate începând cu anul 2018, includ Oculus Go4, Oculus Quest5, HTC VIVE focus6, Pico Neo7 și Xiaomi MI VR8.

În plus, față de sistemele autonome ulterioare, unii producători au proiectat dispozitive mobile cu opțiunea de a utiliza adaptoare wireless, pentru conectarea de la distanță a HMD-urilor cu computere care rulează aplicații VR (de exemplu, opțiunea adaptor wireless HTC VIVE9).

O altă categorie importantă a dispozitivului de ieșire sunt sistemele care includ feedback haptic și multisenzorial. Dispozitivele haptice se concentrează de obicei pe un sistem senzorial diferit, cu abordări care există sub formă de veste, inclusiv elemente vibrotactile. S-au întreprins, de asemenea, afișaje omniprezente care oferă feedback haptic senzorial, cum ar fi exemplul de vizualizare a efortului de a dezvolta un sistem care generează flux de aer în jurul utilizatorului, pentru a simula condițiile meteorologice pe baza aplicației pe care utilizatorul o experimentează.

Alte afișaje multisenzoriale includ măști montate pe cap, cu capacitatea de a produce diferite mirosuri, pentru a crește și mai mult senzația de imersare pentru utilizator, așa cum a fost descris în studiul (Badler și colab., 1992) [1]. Exemplele de dispozitive multisenzoriale implică sisteme integrate, care suflă aer rece și cald în fața utilizatorilor sau chiar combină sisteme ionizante cu ultrasunete care generează ceață. În plus, cercetări științifice semnificative sunt publicate cu privire la informațiile olfactive integrate în afișajele VR, pentru a crește simțul utilizatorului de prezență în VR (Chen, 2006) [15].

 

Sisteme inteligente și feedback adaptiv

Adaptarea într-un sistem implică un set de entități care interacționează și împreună pot răspunde la schimbări și, de obicei, include procesarea informațiilor de feedback de la ieșirea sistemului, pentru a reajusta stările sistemului într-o altă instanță de timp, formând așa-numitele „bucle de control”. Buclele de control în sistemele adaptive și învățarea automată sunt utilizate în principal pentru predicție, recunoaștere, detectare și optimizare (Vaughan et al., 2016) [16].

O revizuire recentă a literaturii de specialitate privind integrarea inteligenței artificiale și a adaptării cu tehnologiile VR a demonstrat clar perspectivele de a obține rezultate de mare impact atunci când se combină aceste elemente în domenii de aplicare precum medicina, formarea educațională și jocurile (Vaughan et al., 2016) [16]. În special, în aplicațiile care necesită conținut adaptabil individual și specific cursantului, automatizarea, învățarea automată și caracteristicile bazate pe date pot ghida informațiile de feedback către intrările sistemelor autonome și pot construi sesiuni de instruire noi și personalizate, bazate pe cerințele individuale (Vaughan et al., 2016) [16].

Câteva exemple de sisteme autoadaptative în aplicațiile VR includ semnale de feedback haptic, vizual și auditiv generate automat, care sunt utilizate pentru a modifica scenariile virtuale și pentru a declanșa metode de adaptare a comportamentului la mediu. În plus, informațiile senzoriale din mecanismele de evaluare și punctare facilitează în mod obiectiv proiectarea unor configurații optimizate, cu generarea automată a conținutului centrat pe utilizator (Vaughan și colab., 2015) [16].

Având în vedere cele de mai sus, elementele de adaptare și de învățare automată în sarcinile de reabilitare sunt foarte potrivite, din cauza necesității de a angaja utilizatorii și de a adapta în mod inteligent exercițiile în funcție de progresul utilizatorului (Borghese și colab., 2013; Pirovano și colab., 2013) [17]. În plus, feedbackul adaptiv în sarcinile de reabilitare poate suplimenta contribuția terapeutului, cu crearea unui terapeut virtual autoînvățat. De exemplu, Borghese et al. (2013) au prezentat o soluție inteligentă, adaptivă cu rețele bayesiene și sisteme fuzzy bazate pe controlere Nintendo de detectare a mișcării, pentru jocuri de reabilitare VR (IGER) (Borghese et al., 2013) [17].

Alte exemple includ sisteme de reabilitare neurologică VR care încorporează extragerea de date a scorurilor utilizatorilor și alte date de performanță, măsurate într-o buclă de inteligență computațională cu feedback, pentru a formula un plan de formare pentru fiecare cursant.
Tendințele viitoare în reabilitarea virtuală prescriu calea noilor cercetări pentru sistemele VR, ceea ce va permite dezvoltarea sistemelor automate de recunoaștere a emoțiilor, care să fie integrate în aplicațiile VR care să răspundă în mod corespunzător la emoțiile utilizatorilor (Popovic et al., 2009) [18].

În plus, sistemele autonome adaptive VR permit în prezent îndeplinirea sarcinilor vizio-haptice, fără a necesita intervenția operatorului uman. Platformele de dezvoltare precise, bazate pe simulare haptică, vor inspira aplicații autonome cu capacități de a transmite informațiile VR simulate într-un mediu haptic din lumea reală (cum ar fi în chirurgie sau în sarcinile autonome de neuroreabilitare).

Considerăm că tehnologiile documentate în această secțiune vor modela dezvoltarea următoarei generații de aplicații VR în reabilitare. Noile dispozitive de realitate virtuală vor oferi seturi de date și semnale mai complexe despre comportamentul pacientului, care necesită procesare inteligentă, monitorizare și profilare a pacientului, pentru a oferi o soluție personalizată de reabilitare. În mod similar, noile dispozitive de ieșire vor ajuta aplicațiile VR să fie mai realiste, personalizate și mai apropiate de nevoile de reabilitare ale pacientului.

Tehnologiile menționate mai sus vor modela dezvoltarea serviciilor de reabilitare VR de ultimă generație, în cadrul sistemelor și serviciilor de sănătate conectate emergente (Pattichis și Panayides, 2019) [19], în sprijinul medicinei 4P (Golubnitschaja et al., 2016) [20]. Mai precis, aplicațiile VR emergente vor fi (Golubnitschaja et al., 2016):

• predictive: sistemele VR vor capta automat date pentru a prezice, gestiona, adapta și/sau furniza planuri de tratament mai bune;
• preventive: soluțiile VR vor fi concepute pentru a monitoriza semnele vitale și activitățile în timp real, care vor comunica cu arhivele de fișe personale și cu profesioniștii din domeniul sănătății;
• intervenții personalizate: noile aplicații VR vor permite oferirea celor mai bune, optime și inovatoare tratamente posibile;
• participative: aplicațiile VR centrate pe pacient vor permite pacienților să fie mai activi și să facă schimb de experiențe.

Este de așteptat ca aplicațiile VR emergente, care împărtășesc conceptul prezentat, să declanșeze oferirea de noi servicii și modele de afaceri, în beneficiul cetățeanului.

Concluzii finale

Progresele recente în tehnologiile imersive de realitate virtuală oferă noi metode și instrumente pentru dezvoltarea de aplicații noi și promițătoare, în principal pentru reabilitarea neurologică. Intervențiile VR au mai multe avantaje și câștigă rapid teren ca aplicații populare pentru diferite boli.

Marele avantaj al aplicațiilor VR în reabilitare este că acestea oferă un „mediu asemănător vieții reale”. În plus, avantajele aplicațiilor VR includ controlul prezentării stimulului și măsurătorile răspunsului, evaluarea sigură a diferitelor sarcini de reabilitare, învățarea ușoară a sarcinilor care trebuie efectuate, standardizarea protocoalelor de reabilitare, precum și interacțiunea și împuternicirea îmbunătățite ale utilizatorului.

Pe de altă parte, limitările intervențiilor VR includ faptul că pacientul ar putea uita că se află într-o situație de testare, dar și dificultatea și complexitatea întâmpinate în a genera medii de antrenament personalizate. Acestea prescriu unele dintre provocările existente pentru a dezvolta medii și aplicații de evaluare și monitorizare a reabilitării cu costuri reduse. Mai mult, dezvoltarea tehnologiilor VR în ultimii ani a dus la soluții mai accesibile și mai puțin costisitoare, care ar putea oferi totuși rezultate pozitive.

Cu toate acestea, întregul potențial al aplicațiilor VR în domeniul sănătății rămâne încă de explorat.
Scopul acestei lucrări de cercetare a fost acela de a efectua o revizuire sistematică a aplicațiilor VR emergente, dezvoltate în ultimii 5 ani, acoperind anumite boli neurologice. Deși numărul final de studii analizate este destul de mic (12), se pot obține totuși informații valoroase. Este de așteptat ca numărul de studii în sistemele VR complet imersive, orientate spre consumator, să crească semnificativ în viitorul apropiat, având în vedere progresul rapid al dezvoltării atât în privința hardware-ului, cât și a software-ului, în aceste tehnologii.

Concluziile acestei revizuiri sistematice a literaturii au arătat rezultate pozitive și promițătoare ale utilizării VR pentru exerciții de reabilitare. De asemenea, sugerează că tehnologiile VR imersive, cu costuri reduse, se pot dovedi a fi eficiente pentru reabilitarea clinică în mediile medicale și la domiciliu, cu implicații și utilizări practice.

Pe baza recenziei noastre, am constatat că studiile la pacienții cu demență au folosit cele mai ieftine echipamente VR (Goggles Cardboard) și fără dispozitive de interactivitate, obținând rezultate foarte bune. În plus, s-a constatat că dispozitivele VR cu costuri reduse nu prezintă efecte adverse și au fost raportate rate ridicate de prezență/imersie și răspunsuri emoționale pozitive. În consecință, acum este de imaginat utilizarea tehnologiilor VR low-cost, fără dispozitive de interactivitate, pentru a expune persoanele cu demență în diferite medii. Aplicația poate evolua în funcție de nevoile și bugetul disponibil. De asemenea, este posibilă experimentarea VR în afara unui laborator specializat, făcându-l mai accesibil pentru un grup mai larg de pacienți.

Chiar dacă majoritatea studiilor privind demența au folosit echipamente VR cu costuri reduse, fără dispozitive de interactivitate, restul studiilor, în afară de unul (Spinal Cord Injury – Pozeg et al., 2017), au folosit următoarele sisteme VR: Xsens, Vizard, BM bazat pe EEG senzori, Cyberlove și Kinect. Aceste dispozitive de interactivitate au fost responsabile de transpunerea pacienților în mediul virtual, pentru a îmbunătăți antrenamentul fizic sau cognitiv. Dispozitivele VR și de interactivitate au dus la dezvoltarea unui sistem holistic portabil, accesibil și utilizabil, care să permită o mai bună gestionare a tulburărilor neurologice raportate.

În plus, prin folosirea învățării automate și a inteligenței artificiale în aplicațiile VR, intervențiile în exerciții pot fi specifice pacientului, pentru nevoile de tratament ale acestuia, oferind astfel îngrijirea optimă.
În concluzie, principalele constatări ale acestei revizuiri sistematice a literaturii au indicat faptul că tehnologia VR ar putea fi eficientă în îmbunătățirea stării pacientului, pentru anumite boli neurologice.

Acest studiu de revizuire a subliniat câțiva factori-cheie care pot contribui la eficacitatea aplicațiilor VR, cum ar fi obiectivul studiului legat de strategia de intervenție, tehnologia VR și echipamentele de interactivitate utilizate în studiu și altele. Se așteaptă ca aplicațiile VR din domeniul sănătății să înflorească în următorii câțiva ani, declanșând investigații suplimentare în diferite setări clinice. Se speră că aceste aplicații VR s-ar putea dovedi, de asemenea, a avea un impact asupra stării de bine a pacientului, care rămâne deocamdată un obiectiv de investigat în viitor.

Pentru ABONAMENTE și CREDITE DE SPECIALITATE click AICI!

Referințe bibliografice:

1. Badler, N. I.; Phillips, C. B.; Webber, B. L.; Badler, N. I.; Phillips, C. B.; Webber, B. L. Simulating Humans: Computer Graphics, Animation, and Control. Oxford, New York: Oxford University Press; 1993. p. 284;

2. Ma, M.; Zheng, H. Virtual Reality and Serious Games in Healthcare. In: Brahnam S, Jain LC, editors. Advanced Computational Intelligence Paradigms in Healthcare 6 Virtual Reality in Psychotherapy, Rehabilitation, and Assessment [Internet]. Berlin, Heidelberg: Springer; 2011 [cited 2023 Mar 23]. p. 169–92. (Studies in Computational Intelligence). Available from: https://doi.org/10.1007/978-3-642-17824-5_9;

3. Anthes, C.; García-Hernández, R. J.; Wiedemann, M.; Kranzlmüller, D. State of the art of virtual reality technology. In: 2016 IEEE Aerospace Conference. 2016. p. 1–19;

4. Rose, V.; Stewart, I.; Jenkins, K. G.; Tabbaa, L.; Ang, C. S.; Matsangidou, M. Bringing the outside in: The feasibility of virtual reality with people with dementia in an inpatient psychiatric care setting. Dement Lond Engl. 2021 Jan; 20(1):106–29;

5. Deeks, J. J.; Higgins, J. P.; Altman, D. G. Analysing Data and Undertaking Meta-Analyses. In: Cochrane Handbook for Systematic Reviews of Interventions [Internet]. John Wiley & Sons, Ltd; 2008 [cited 2023 Mar 23]. p. 243–96. Available from: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/9780470712184.ch9;

6. Hodge, J.; Balaam, M.; Hastings, S.; Morrissey, K. Exploring the design of tailored virtual reality experiences for people with dementia. In Association for Computing Machinery (ACM); 2018 [cited 2023 Mar 23]. Available from: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-228567;

7. Saleh, S.; Yarossi, M.; Manuweera, T.; Adamovich, S.; Tunik, E. Network interactions underlying mirror feedback in stroke: A dynamic causal modeling study. NeuroImage Clin. 2017; 13:46–54;

8. Standen, P. J.; Threapleton, K.; Richardson, A.; Connell, L.; Brown, D. J.; Battersby, S.; et al. A low cost virtual reality system for home based rehabilitation of the arm following stroke: a randomised controlled feasibility trial. Clin Rehabil. 2017 Mar; 31(3):340–50;

9. Kim, A.; Darakjian, N.; Finley, J. M. Walking in fully immersive virtual environments: an evaluation of potential adverse effects in older adults and individuals with Parkinson’s disease. J Neuroengineering Rehabil. 2017 Feb 21; 14(1):16;

10. Peruzzi, A.; Cereatti, A.; Della Croce, U.; Mirelman, A. Effects of a virtual reality and treadmill training on gait of subjects with multiple sclerosis: a pilot study. Mult Scler Relat Disord. 2016 Jan; 5:91–6;

11. Gamito, P.; Oliveira, J.; Coelho, C.; Morais, D.; Lopes, P.; Pacheco, J.; et al. Cognitive training on stroke patients via virtual reality-based serious games. Disabil Rehabil. 2017 Feb; 39(4):385–8;

12. Donati, A. R. C.; Shokur, S.; Morya, E.; Campos, D. S. F.; Moioli, R. C.; Gitti, C. M.; et al. Long-Term Training with a Brain-Machine Interface-Based Gait Protocol Induces Partial Neurological Recovery in Paraplegic Patients. Sci Rep. 2016 Aug 11; 6:30383;

13. Ichinose, A.; Sano, Y.; Osumi, M.; Sumitani, M.; Kumagaya, S. I.; Kuniyoshi, Y. Somatosensory Feedback to the Cheek during Virtual Visual Feedback Therapy Enhances Pain Alleviation for Phantom Arms. Neurorehabil Neural Repair. 2017 Aug; 31(8):717–25;

14. Ramachandran, V. S. Plasticity and functional recovery in neurology. Clin Med Lond Engl. 2005; 5(4):368–73;

15. Chen, Y. Olfactory Display: Development and Application in Virtual Reality Therapy. 16th Int Conf Artif Real Telexistence –Workshop ICAT06. 2006; 580–4;

16. Vaughan, N.; Gabrys, B.; Dubey, V. N. An overview of self-adaptive technologies within virtual reality training. Comput Sci Rev. 2016 Nov 30; 22:65–87;

17. Borghese, N. A.; Pirovano, M.; Lanzi, P. L.; Wüest, S.; de Bruin, E. D. Computational Intelligence and Game Design for Effective At-Home Stroke Rehabilitation. Games Health J. 2013 Apr; 2(2):81–8;

18. Popović, S.; Horvat, M.; Kukolja, D.; Dropuljić, B.; Cosić, K. Stress inoculation training supported by physiology-driven adaptive virtual reality stimulation. Stud Health Technol Inform. 2009; 144:50–4;

19. Schiza, E.; Matsangidou, M.; Neokleous, K.; Pattichis, C. S. Virtual Reality Applications for Neurological Disease: A Review. Front Robot AI. 2019 Oct 16; 6:100;

20. Golubnitschaja, O.; Baban, B.; Boniolo, G.; Wang, W.; Bubnov, R.; Kapalla, M.; et al. Medicine in the early twenty-first century: paradigm and anticipation – EPMA position paper 2016. EPMA J. 2016; 7(1):23.