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没入型クリーブランドクリニックバーチャルリアリティショッピングプラットフォームは、日常生活の機器活動の評価のための

Published: July 28, 2022 doi: 10.3791/63978
Automatic Translation
1,2, 1,3, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Biomedical Engineering, Cleveland Clinic, Lerner Research Institute, 2Neurological Institute, Center for Neurological Restoration, Cleveland Clinic, 3Case Western Reserve University, School of Medicine

Summary

バーチャルリアリティ(VR)は、神経疾患の診断と治療を進めるための強力でありながら十分に活用されていないアプローチです。クリーブランドクリニックバーチャルリアリティショッピングプラットフォームは、最先端のVRコンテンツと無指向性トレッドミルを組み合わせて、神経疾患の前駆マーカーとして提案されている日常生活の機器活動を定量化します。

Abstract

日常生活の器械的活動(IADL)のパフォーマンスの低下は、神経学的疾患の前駆マーカーとして提案されている。既存の臨床的およびパフォーマンスベースのIADL評価は、臨床医学への統合には現実的ではありません。バーチャルリアリティ(VR)は、神経疾患の診断と治療を前進させることができる強力でありながら十分に活用されていないツールです。臨床神経学におけるVRの採用とスケーリングの障害は、視覚系と前庭系の間の感覚的不一致(すなわち、移動運動の問題)に起因するVR関連の病気である。

クリーブランドクリニックバーチャルリアリティショッピング(CC-VRS)プラットフォームは、全方向トレッドミルと高解像度VRコンテンツを結合することによって移動運動の問題を解決しようと試み、ユーザーが仮想食料品店を物理的にナビゲートしてショッピングをシミュレートできるようにします。CC-VRSは、基本的なショッピング体験と複雑なショッピング体験で構成されています。どちらも150 mを歩き、5つのアイテムを取得する必要があります。複雑なエクスペリエンスには、タスクの認知的および運動的要求を増やして、現実世界のショッピングに関連するアクティビティの連続性をよりよく表す追加のシナリオがあります。CC-VRSプラットフォームは、ユーザーのIADLパフォーマンスに関連する客観的かつ定量的な生体力学的および認知的結果を提供します。初期データは、CC-VRSがVR酔いを最小限に抑え、高齢者およびパーキンソン病(PD)患者にとって実現可能かつ忍容性であることを示している。開発、設計、ハードウェアおよびソフトウェア技術の根底にある考慮事項がレビューされ、プライマリケアおよび神経学への統合の初期モデルが提供されます。

Introduction

2008年、米国工学アカデミーは、21世紀の工学のための14のグランドチャレンジを特定しました1。その一つが、バーチャルリアリティ(VR)の医療への統合です。医学生2,3のトレーニング、手術計画3、医療相互作用に伴う不安の軽減4、急性5および癌関連疼痛の管理支援6、脳卒中7後の運動回復の増強のためのVRの使用において進歩が見られました。これらの有望なアプリケーションにもかかわらず、医学におけるVRの有用性は、特に神経疾患の評価と治療の領域において、完全には実現されていません。VR技術の進歩により、コスト、ヘッドセットの快適性、直感的なユーザビリティ機能などの障壁が最小限に抑えられましたが、VRの病気はVRの医学への統合を妨げ続けています8。

バーチャルリアリティの病気は、VR体験中に発生する乗り物酔い(吐き気、嘔吐、めまいなど)9,10,11に似た感情を指します。VR酔いを説明する際に単一の理論が合意されているわけではありませんが、感覚葛藤理論は主要な説明です12。簡単に言えば、感覚葛藤理論は、VR酔いは感覚格差から生じることを示唆しています。視覚的流れ情報は、身体が静止していることを示す一方、前庭系は、身体が静止していることを示す13。この感覚情報の不一致は、バランスの悪さ、空間的見当識障害、制御不能な姿勢運動をもたらし、VR酔いの前兆となります。VR酔いの根底にある正確なメカニズムは議論されているが、感覚情報のソース間のミスマッチを減らすことは、VR酔い14を減らし、医療現場でのVRの採用を促進する可能性が高い。

VRと結合された移動運動は、ユーザを仮想環境に物理的および視覚的に没頭させることによって感覚の不一致を低減するアプローチとして長い間提案されてきた15、16。神経疾患の有無にかかわらず高齢者を対象としたいくつかの研究では、没入型および非没入型VRシステムを従来の一方向トレッドミルと組み合わせることに成功しています17,18,19。これらの研究は、VRおよび単方向トレッドミル介入が典型的に忍容性が良好であり18、介入が落下頻度17,19を低下させる可能性があることを実証している。これらの結果は、移動とVRの統合を成功させるための有望な基盤を提供します。ただし、単方向トレッドミルの外部モーターペーシングでは、速度を変更したり、ターンを実行してより複雑な現実的な仮想環境と対話したりすることはできません。

過去20年間、動き追跡ハードウェアとソフトウェアの進歩により、より没入型でインタラクティブな仮想環境の開発が容易になりました。大きな進歩は、全方向性トレッドミル20の開発であった。簡単に言えば、無指向性トレッドミルは、線形運動と回転運動を同時に利用して、ユーザーが自己選択したペースで任意の方向に歩行できるようにします。ゲーム業界で一般的に利用されている無指向性トレッドミルは、VR酔いの問題に対処し、方向転換や方向転換など、ユーザーの身体能力によりよく挑戦する現実的な環境の作成を容易にすることで、臨床現場でVR環境を活用する機会を広げます。特に、実物大の日常環境の仮想複製は、日常生活の器械的活動(IADL)のパフォーマンス中の認知および運動機能の評価を容易にすることができる。

日常生活の道具的活動(IADL)は、自立生活を維持するために不可欠な機能的タスク(例えば、買い物、薬の服用、食品の準備)である21。一般的なIADLを達成する能力は、神経学的疾患の前駆マーカーとして提案されている。長期のプロスペクティブ研究からの最近のデータは、IADLの減少がパーキンソン病(PD)の診断に5〜7年22,23年、アルツハイマー病の診断に24,25年先行する可能性が高いことを示している。日常生活の基本的な活動(BADL)26とは対照的に、IADLは通常、注意を要求する2つのタスク(例えば、運動 - 認知、または認知 - 認知)の同時実行を必要とする27。毎日の家庭や地域社会の活動の大部分は、二重タスクの条件下で行われています28,29.

デュアルタスクの低下はIADLのパフォーマンスに明らかに影響するが、従来の臨床運動評価30、31、32および神経心理学的テスト33,34は、IADLを評価するには不十分であり、これらの評価は相互依存性を考慮せずに機能を離散的な構成要素に分離する。IADLの直接評価の現在の方法は、バイアスがかかりやすい自己報告アンケート35または長くて負担のかかるパフォーマンスベースの評価36に依存しています。どちらのアプローチも、コミュニティ環境におけるIADL機能の個々のレベルに関する客観的で定量的な洞察を提供しません。

VR技術の進歩は、全方向性トレッドミルの根底にあるエンジニアリングの進歩と相まって、インタラクティブで没入型の環境を作り出す機会を提供します。仮想食料品店とショッピングタスクは、モーター、認知、認知モーター、およびIADLのパフォーマンスを同時に評価するために作成されました。クリーブランドクリニックバーチャルリアリティショッピング(CC-VRS)プラットフォームは、生物医学エンジニア、ソフトウェア開発者、理学療法士、作業療法士、神経科医のチームによって共同開発されました。

米国作業療法協会26からの勧告に基づいてIADLのパフォーマンスを定量化するために、食料品の買い物タスクが選択された。仮想多重用事タスク(VMET)37、時限器械ADLスケール38、およびペン・パーキンソンの日常活動アンケート-15(PDAQ-15)39は、買い物を神経疾患に関連する運動および非運動能力の重要な指標として認識している。また、没入型VRヘッドセットを使用して食料品店の環境を作成し、IADLのパフォーマンス37,40,41を見積もる試みもあります。しかし、彼らは食料品の買い物の主要な構成要素である移動性を評価することに失敗しています。一般に、現在の VR 食料品店のパラダイムでは、参加者はハンドヘルド コントローラーを使用して、食料品店全体でアバターをテレポートまたはナビゲートする必要があります。私たちは、ユーザーの仮想ショッピング体験に移動を統合することを目指しています。CC-VRS開発プロセスは、典型的な食料品店の経験の正式なタスク分析から始まりました。図 1 に示すように、9 つの基本的なタスク コンポーネントは、すべての IADL の特徴と同様に、パフォーマンスを成功させるために必要なモーター、認知、または認知運動活動として特徴付けることができる要素のブレンドを反映しています。

Figure 1
図1:食料品の買い物タスク分析 タスク分析を実行して、現実世界で食料品の買い物を成功させるための一連のアクションとそれらのアクションの性質を特定しました。9つの主要なシーケンスが同定され、 基本 および 複雑な ショッピングタスクの開発を知らせるために使用された。配列は、運動(青)、認知(黄色)、および認知運動(緑)に分類された。対応する結果に関する詳細は、 表1に示されている。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

CC-VRSプラットフォームは、没入型VRヘッドセットを介してリアルで中規模の食料品店を再現します。全方向のトレッドミルを歩いている間、ユーザーは店舗を通る連続した指定されたルートをたどり、買い物リスト上のアイテムを見つけ、仮想ショッピングカートにアイテムを置きます。指定されたルートを提供することで、仮想ストア内を歩く距離が標準化され、ナビゲーションエラーの数が減少し、IADLパフォーマンスの潜在的な変化をナビゲーションエラーまたはユーザーが採用する最適でない検索戦略から切り離す際の精度が向上します。150mのルートは複数回のターンを必要とし、これは運動の複雑さを増大させ、神経学的患者集団における歩行の凍結を引き起こす確率は、直線歩行44,45よりも旋回中に凍結がより頻繁に観察されるためである44,45。ナビゲーション経路の距離および買い物リスト上のアイテムの数の両方を、臨床医が、ユーザーの能力または評価セッションの目標に一致させるように構成することができる。

各ユーザーは、1 つの基本ショッピング シナリオと 1 つの複合ショッピング シナリオを完了します。基本シナリオでは、ルートをたどり、買い物リストからアイテムを選択するだけです。複雑なシナリオでは、店舗を通る同一のルートをたどりながら、ユーザーにはさまざまな食料品のリストが提供されますが、追加の認知的および運動的要求が導入されます(以下のプロトコルセクションで説明する遅延口頭リコール、価格比較、および障害物回避タスク)。基本的なシナリオと複雑なシナリオの両方で周囲の食料品店の騒音は、没入型体験を完成させます。ユーザーのパフォーマンスに関する要約データと詳細データ (収集されたアイテムの正確と誤り、買い物リストのアクティブ化の数と頻度、停止期間、歩行メトリックなど) が自動的に生成され、臨床医によるレビューに利用できます。

CC-VRSの目標は、高齢者および神経疾患のリスクがある、または神経疾患と診断された個人におけるIADLのパフォーマンスを客観的に定量化することです。CC-VRSは、ユーザーに没入型でリアルな体験を提供し、神経学的疾患の前駆マーカーまたは疾患進行の客観的尺度として機能する可能性のある認知機能および運動機能の正確で生体力学的に基づく結果をもたらします。CC-VRSは現在、(1)IADLパフォーマンスに対する健康な老化と神経疾患の影響の理解、(2)プライマリケアおよび運動障害クリニックへの臨床統合の実現可能性の決定、および(3)深部脳刺激(DBS)システムを有する進行PD患者の歩行の凍結の根底にある神経シグネチャの同定を目的とした3つの関連プロジェクトで使用されています。これらのプロジェクトは、CC-VRSプラットフォームと関連するアウトカムを総合的に活用し、加齢と神経疾患がIADLのパフォーマンスの側面にどのように影響するかをよりよく理解します。この原稿では、CC-VRSの開発、設計、ハードウェアおよびソフトウェア技術と、医療への統合を容易にする新しい成果を詳述しています。

Protocol

概説されたプロトコルは、クリーブランドクリニックのヒト研究倫理委員会のガイドラインに従っています。すべての参加者はインフォームドコンセントプロセスを完了し、データ収集中に撮影した写真を公開する書面による許可を与えました。

1. 機器のセットアップとキャリブレーション(5分)

  1. VRシステム
    1. VRヘッドセット、2つのハンドコントローラ、1つのVRウエストトラッカー、2つのVRフットトラッカー、VRデバイスの位置を監視する基地局、VRシステムとCC-VRSソフトウェアを実行するための2080tiグラフィックカードを備えたハイエンドゲームデスクトップなど、図 2に図示した実験セットアップで概説されているすべてのコンポーネントがシステムに含まれていることを確認します( 資料表を参照)。
      1. デスクトップで Steam VR を起動して、VR コンポーネントを調整し、データ収集中に各 VR デバイスのステータスを監視します。
      2. 各VRデバイスの電源を入れ、緑色のインジケータランプを探して、Steam VRによるアクティブなトラッキングを確認します。
      3. 仮想空間の境界と向きを調整するには、Steam VR メニューの「ルーム設定」を選択し、ハンドコントローラーを使用して画面上のプロンプトに従います。
  2. VRヘッドセット
    1. ヘッドセットをUV衛生洗浄システムに置き、ユーザー間で1回の消毒サイクルを実行します。
  3. 無指向性トレッドミル
    1. 取り付けられているフットペダルの緑色の電源ボタンを使用して、無指向性トレッドミルの電源を入れます。デスクトップコンピュータで対応するソフトウェアを起動します。
    2. キャリブレーションするには、アプリケーションの 「ユーザートラッカーの選択」 機能を使用し、ウエストトラッカーを適切なトラッキングデバイスとして識別します。次に、このトラッカーを全方向トレッドミルサーフェスの中央に配置し、「 中心点を設定」 機能を使用してトレッドミルプラットフォームの中央を校正します。リングにウエストトラッカーをセットし、 リング高さの設定機能を使用して手すりの高さを調整します。
      注:トレッドミルおよび対応するソフトウェアは、プラットフォームに対するVRウエストトラッカーの位置に依存して、ユーザーの動きに応じて適切に動作します。ユーザーは、トレッドミルの中央に配置された静止を開始します。ユーザーが中心から外れると、システムはユーザーの動きと速度に応答して、適切なトレッドミルの動きを生成して、ユーザーをプラットフォーム上に再センタリングします。
  4. CC-VRSアプリケーション
    1. すべてのVRトラッキングデバイスと全方向トレッドミルがキャリブレーションされ、作動したら、デスクトップからCC-VRSアプリケーションを起動します。画面上のメニューに従ってユーザー ID を入力し、適切な試用タイプを開始します。

Figure 2
図2:CC-VRSプラットフォームの概要 CC-VRSプラットフォーム全体の描写。ユーザーはVRヘッドセットを着用し、全方向トレッドミルの上を歩いて仮想食料品店をナビゲートします。微妙な緑色の線は、ナビゲーション支援としてVRヘッドセットを介してユーザーに提供されます。買い物リストの5つのアイテムは、この提供された150 mの道に沿って見つけることができます。ユーザーの一人称視点は、制御コンピュータとモニターを介して実験者に提供されます。CC-VRSシステムのセットアップに必要な時間は約5分です。略語: VR = バーチャルリアリティ;CC-VRS =クリーブランドクリニック - バーチャルリアリティショッピング。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2. 利用者の準備(15分)

  1. 忍容性調査(ベースライン)
    1. VR酔いに関するデータを収集する場合は、CC-VRS体験を開始する前にシミュレータ酔いアンケートに回答するようユーザーに指示します。
  2. 馬具
    1. 脚と胸の周りを固定する全身ハーネスにユーザーをフィットさせます。ハーネスを全方位トレッドミルの中央上にある天井に取り付けられたケーブルにクリップで留めて、転倒を防ぎ、自然な歩行を妨げることなくユーザーの快適性を高めます。
  3. VRトラッカー
    1. 靴ひもの周りにジップタイを使用して、左右のフットトラッカーをユーザーの足に貼り付けます。ウエストトラッカーを特別に設計されたウエストベルトにねじ込み、トラッカーがユーザーの腰部の中央に収まるまでベルトを調整します。左右のコントローラーをユーザーの手に置き、しっかりと快適に過ごせるようにストラップを締めます。
  4. 無指向性トレッドミルの習熟
    1. ヘッドセットを装着する前に、ユーザーが歩く時間を確保し、全方向トレッドミルをオンにします。トレッドミルプラットフォームの中心に対するウエストトラッカーの位置の重要性を説明し、手すりを支えながらトレッドミル境界の外縁に向かって快適に歩くようにユーザーに促します。アプリケーションを介してトレッドミルを取り外し、ユーザーの準備を続行します。
  5. ヘッドセット
    1. ユーザーが固定された全方向トレッドミルの上に置いた状態で、ヘッドセットをユーザーの頭の上に置き、フィット感が快適でディスプレイが鮮明になるまで調整(トップウェイトベアリングストラップ、リアスタビリティノブ、および瞳孔間距離スライダー)を支援します。ヘッドセットに取り付けられたスピーカーが耳の上に配置され、適切な音量レベルに設定されていることを確認します。
  6. 全方向トレッドミルプラットフォームの中央付近に立つようにユーザーに指示し、アプリケーションの 「スタート 」をクリックしてトレッドミルを再び噛み合わせます。
  7. 以前に起動していない場合は、デスクトップからCC-VRSアプリケーションを起動します。

3. CC-VRSの運営 (30分)

  1. CC-VRSエクスペリエンス全体を通して、デスクトップディスプレイを介して店舗内のユーザーの進捗状況を監視し、ユーザーが不快感や不安定性を経験した場合、全方向トレッドミルを停止する準備をしてください。
  2. ユーザー ID を入力します。
  3. [ 包括的なチュートリアル ] を選択して、ナビゲーション ルート、買い物リスト、および複雑なシナリオの追加の認知的要求に加えて、CC-VRS 評価の全体的な目標をユーザーに紹介する小さな練習環境を読み込みます。
    1. テストに進む前に、ユーザーが次のコントローラー機能に慣れていることを確認してください。
      1. 買い物リストを有効にするには、左手を上げてコントローラの A または B ボタンを押します(図3A)。
      2. 買い物リストを閉じるには、 A または B ボタンを放します。
      3. コントローラのトリガを使用して棚からアイテムを選択します(図3A)。
      4. コントローラートリガーを使用して食料品カートにアイテムを置きます。
    2. ユーザーが複雑なシナリオの次の認知的および運動的要求に慣れていることを確認します。
      1. モントリオール認知評価テスト(MoCA)46の遅延リコールコンポーネントと同様に、シナリオの開始時に聴覚アナウンスを介して提示された5つの単語の遅延口頭リコールを実行します46。
      2. 販売品目の価格比較タスクを実行します (たとえば、1.00 ドルのケチャップ 8 オンスと 1.50 ドルの 16 オンスの間で、最も費用対効果の高いオプションを選択します)。
      3. 他の買い物客やカートを通路に沿って配置することによる床へのこぼれや狭い通路など、店舗内の障害物を避けてください(図3C)。
    3. 必要に応じて、ユーザーが上記の機能に精通し、タスクを理解していることを示すまで、チュートリアル(合計約5分)を繰り返します。
  4. [ 基本シナリオ] を選択します。 パスの長さ と リスト項目の数を選択します。
    1. ヘッドセット ディスプレイに店舗が表示されたらすぐに歩き始めるようにユーザーに指示します。ユーザーに、タスクをできるだけ効率的に完了し、エラーを最小限に抑えながら迅速に移動するように促します。
    2. ユーザーがストアのチェックアウトに到達してタスクを完了したら、デスクトップ画面に表示される概要メトリックを確認し、仮想環境を終了します。
  5. [複雑なシナリオ] を選択します。パスの長さとリスト項目の数を選択します。
    1. 基本シナリオと同様の指示をユーザーに提供します。複雑なシナリオにおける追加の認知的要求をユーザーに思い出させます。
    2. ユーザーがストアのチェックアウトに到達してタスクを完了したら、デスクトップ画面に表示される概要メトリックを確認し (図 3D)、仮想環境を終了します。
  6. 忍容性調査
    1. VR酔いに関するデータを収集する場合は、CC-VRS体験の完了後すぐにシミュレータ酔いアンケートに記入し、最大30分後に再度記入するようにユーザーに指示します。
  7. ユーザビリティ調査
    1. プラットフォームのユーザビリティに関するデータを収集する場合は、CC-VRSの完了後すぐにシステムユーザビリティスケールを完了するようにユーザに指示します。

Figure 3
図 3: CC-VRS 環境。(A) CC-VRS ユーザーが左手で買い物リストをアクティブに表示し、右手で対応する品目を選択する一人称視点。ユーザーは、VRハンドコントローラーを使用して、食料品店全体のあらゆるアイテムと直感的に対話できます。(B) 複雑なシナリオでユーザーが遭遇する販売価格比較タスクの例。SALE 品目として示される買い物リスト上の品目の場合、ユーザーは、サイズの異なる 2 つの品目の単価を比較し、より適切な取引を表すオプションを選択する必要があります。(C)複雑なシナリオに見られる狭い通路の一人称視点。航行ルートに沿った複数のターンに加えて、狭い通路は運動の複雑さを増し、神経学的集団における歩行の凍結を引き起こす可能性を高める。(D) 複雑なシナリオの完了時に実験者に表示される要約結果の例 (正しい項目と正しくない項目、シナリオを完了するための合計時間、正常にリコールされた単語数など)。この表示の特定のメトリックは、実験者が構成できます。略語: VR = バーチャルリアリティ;CC-VRS =クリーブランドクリニック - バーチャルリアリティショッピング。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

4. データファイルと結果

  1. 各試験に対して自動的に生成されたサマリーファイル(.csv)を確認します。このファイルには、CC-VRSの全体的なパフォーマンスを特徴付けるための設定可能なメトリックが含まれています。
  2. タスクの期間中のトラッカー、コントローラー、ヘッドセットの位置と回転を含む詳細データ ファイル (.csv) を確認します。リストのアクティブ化、アイテムの相互作用、および障害物の衝突に関するデータも自動的に記録され、このファイルに出力されます。

Representative Results

若年成人、神経疾患のない高齢者、およびPD患者における認知、運動、およびIADL機能を評価する際のCC-VRSの有効性を確立するためのプロジェクトが現在進行中です。各参加者は、グループ間でパフォーマンスを比較できるように、同じ150 mのパスと5項目のリストを使用して、チュートリアル、基本、および複雑なシナリオを完了しました。詳細な認知および位置データを利用して、認知、運動、およびIADL機能に既知の違いがある集団間のCC-VRS性能を区別する有益な要約メトリックを確立した。追加の生体力学的およびデュアルタスクメトリックを計算して、さまざまなドメインにわたる機能レベルをさらに特徴付けました(表1)。

CC-VRSの成果 ドメイン
認知
正しい項目と正しくない項目 実行機能
アクティブ化のリスト (数と期間) ワーキングメモリ
販売品目のリコール (番号が正しい) 宣言型メモリ
販売価格の比較(成功と期間) 処理速度
認知運動
試用期間 グローバル (IADL) 関数
ストップ (数と期間) デュアルタスク干渉
リスト項目の近くでの歩行速度 デュアルタスク干渉
回避障害物との衝突 応答抑制
モーター
速度、ステップ長、歩行変動性 歩行速度と品質
旋回速度、旋回持続時間 旋回品質
ステップ幅、対称性 姿勢の安定性
加速度ゼロ交差点の数 歩行流動性
選択したアイテムでのリーチと輸送期間 上肢機能

表 1: CC-VRS の結果メトリック。CC-VRSプラットフォームの可能なアウトカムメトリックの非網羅的なリストで、本質的に主に認知、運動、または認知運動として指定されています。これらの成果は、IADL機能の生態学的に有効な評価としてCC-VRSを設計するために使用されるタスク分析に基づいて開発されました。これらの結果によってキャプチャされたドメインは、食料品の買い物やその他のIADLを正常に完了するために必要な単一タスクおよびデュアルタスク機能のスペクトルを表します。既存の神経心理学や運動評価とは対照的に、CC-VRSは、家庭や地域社会の環境におけるIADL環境の複雑な要求をより正確に反映した条件下でこれらのドメインを評価します。略語: CC-VRS = クリーブランドクリニック - バーチャルリアリティショッピング;IADL = 日常生活の道具活動。

図 4 は、PD を持つ 1 人の参加者の基本シナリオのパフォーマンスの概要を示しています。店舗を通る参加者の歩行経路をナビゲーションルートの理想的な経路と比較し、正しい買い物商品の場所が注目された。VRトラッカーからの位置データを使用して、参加者の店舗内の瞬間速度を記録し、プロットしました。リストのアクティブ化と項目選択のコンテキストを追加することで、参加者のデュアルタスク能力とIADLタスクを効率的に完了するための全体的な能力に関する洞察が得られました。

予備分析の結果に基づいて、CC-VRSの全体的な性能は、健康な若年成人とPDを有する個人とで異なっていた(図5)。試行の合計期間、停止の数と期間、タスク中のリスト ビューの数と期間の結果は、グループを区別するための有望なメトリックです。高齢者およびPDの個人は、健康な若年成人と比較して、各シナリオを完了するためにより多くの時間を必要とし、買い物リストを停止して活性化するためにより多くの時間を費やした。若年成人は、リストを同時に歩くことと活性化することによって、より高いデュアルタスク能力を示したが、PDを有する個人は、より一般的に停止中に買い物リストを活性化する。項目の検索に費やされた時間、歩行メトリック、複雑なシナリオでの認知要求の結果など、追加の結果を分析できます。

PD患者を対象とした別のCC-VRSユーザビリティ調査では、10人の参加者がシミュレーター病アンケート(SSQ)47,48に記入し、CC-VRS体験を完了した直後、およびタスクを完了してから30分後にベースラインでVR酔いの症状を評価しました。フライトシミュレーションのコンテキストで開発されたSSQは、16の一般的な症状を4点満点で捉え、VRアプリケーションでの使用に採用されています。個々の症状スコアは、合計スコアに加えて、吐き気、眼球運動、および見当識障害症状クラスターのドメインでサブスコアを形成するために結合および重み付けされる。合計 SSQ スコアの範囲は 0 ~ 235.6 です。

図6 は、PD(N = 10)の参加者について、ベースライン(平均合計スコア13.1±16.7)、CC-VRS直後(29.5±27.9)、およびCC-VRS後30分(14.2±15.6)に完了したSSQの結果を示しています。一般に、PDを有する参加者の総SSQスコアはCC-VRS後に軽度であり、最も一般的に支持された症状は、一般的な不快感、疲労、眼精疲労、集中困難、および発汗であった。特に、参加者の多くはベースライン時に軽度の症状を報告した。それにもかかわらず、9/10の参加者は、チュートリアル、基本、複雑なシナリオを含む完全な評価を平均29.0±5.9分で完了しました。病気のためにCC-VRSに耐えられませんでした。これらのデータは、CC-VRSプラットフォームが神経疾患を有するほとんどの個人によって忍容性が高いという説得力のある証拠を提供する。全体として、報告された重大なVR酔い症状の一般的な欠如は、VRコンテンツを全方向トレッドミルと結合することが実行可能であり、ほとんどの個人にとってVR移動の問題に対処する可能性があることを示唆している。

ユーザビリティ調査を完了した10人の参加者は、CC-VRSの使用後に半構造化インタビューに参加しました。すべての参加者は、この研究がVRおよび/または無指向性トレッドミルを使用したのは初めてであることを支持した。トレッドミルに関する要約的な発言には、以下のものが含まれていた。

トレッドミルの適応の容易さ:参加者は、歩行が地上の踏むのを模倣したので、一般的に数分以内にトレッドミルで快適に感じました。参加者は、適応を必要とする歩行の2つの側面を指摘しました:(1)停止中にウエストトラッカーをトレッドミルの中心に引き戻すことと、(2)トレッドミルプラットフォームのサイズのためにわずかに短いステップを取ること。

上肢のサポートは安定していました:トレッドミルを囲む円形の手すりの使用は、タスクの完了を支援する適切なレベルの上肢サポートを提供しました。

挑戦的な物理的および認知的環境:参加者は、ショッピングタスクを実行している間に姿勢制御が挑戦されたと報告した。ハーネスを装着することには快適さがありましたが、ハーネスはどの飛行機でも動きを制限しませんでした。

リアルな環境:視覚的および聴覚的なディスプレイは、実際の食料品店によく似ており、VR素朴なユーザーにとって印象的でした。参加者は、他の買い物客や通路の障害物のリアリズムが衝突を避ける動機となり、ナビゲーションルートがたどりやすいと報告しました。

見当識障害:見当識障害および病気の苦情は、個々のSSQスコアと一致した。一部の参加者は、CC-VRSの最初の数分間に最初の視空間的課題を示し、その結果、個人が食料品の棚に密接に近づき、見当識障害の感覚を作り出したと感じました。

前述の両方の研究(N = 24)のPDを有する参加者は、CC-VRSの完了後にシステムユーザビリティスケール(SUS)を完了した。SUSは、システム49,50の使いやすさ、グローバルな満足度、学習可能性を測定する10項目のアンケートです。スコアの範囲は 0 ~ 100 で、68 は平均的なユーザビリティを示します。72.6 ~ 78.8 の全体的な SUS スコアは "B" の等級に対応し、78.8 を超えるスコアは "A" 51 を獲得します。CC-VRSプラットフォーム(チュートリアル、ベーシック、コンプレックスセッション)を修了したPDの参加者24人のうち、CC-VRSは75.7±18.9の平均スコアを獲得しました。

Figure 4
図4:CC-VRSのパフォーマンスの概要 (A) CC-VRSプラットフォームの基本シナリオを完了したパーキンソン病の個人。(B) タスクを完了するときの参加者のナビゲーション パスと歩行速度。青い四角は、買い物リストに載っていて、正常に取り出されたアイテムを表します。ナビゲーションガイドラインには、参加者の瞬間的な歩行速度を表すヒートマップラインが埋め込まれています。ベースライン歩行速度は、最初の 20 m の直線歩行で計算されます。ベースライン歩行速度の0.5倍未満の瞬間速度は赤です。前述の平均速度の1.5倍を超える瞬時速度は緑色です。赤から黄色、緑への直線的な遷移は、平均直線歩行速度の0.5倍から1.5倍の間で行われます。試行の経過に伴う歩行速度(C)およびリスト活性化の数(D)が提示される。特に、この参加者は、買い物リストに5つのアイテムしかないにもかかわらず、試験の過程で15のリストビューを持っていました。略語: CC-VRS = クリーブランドクリニック - バーチャルリアリティショッピング。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図5:健康な若年成人のCC-VRSとパーキンソン病 基本シナリオのパフォーマンス中に健康な若年成人 (A) と PD を持つ参加者 (B) が歩いた累積距離。一般に、両方の参加者は、航行線をたどるのとほぼ同じ距離を歩いた。しかし、PDの参加者は、シナリオを完了するのにヤングアダルト(350秒)よりもかなり長い時間(410秒)かかった。緑色のバーは、タスク中のリストのアクティブ化の数と期間を表します。ヤングアダルトは7回、合計73.1秒でリストを閲覧し、PDの参加者は16回、合計94.3秒でリストを見ました。青い点は、参加者による物理的な停止を反映しています。ヤングアダルトのパフォーマンスを検査すると,全体的に立ち止まる回数が少なく,同時に歩いたりリストを見たりできることが示されています。逆に、PDの参加者は、それぞれがリストビューに対応する17のストップを有し、効果的にデュアルタスク(例えば、リストを同時に歩くことと見ること)ができなかったことを示唆している。略語: CC-VRS = クリーブランドクリニック - バーチャルリアリティショッピング;PD = パーキンソン病。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 6
図6:CC-VRS後の現象 PDの参加者10名がユーザビリティ調査の一環としてCC-VRSを実施しました。各参加者は、CC-VRS体験を終える前、直後、および30分後にシミュレーター病気アンケートに記入しました。SSQはVR酔いの16の症状をキャプチャし、最大スコアは235.6です。PDを有するほとんどの参加者は、ベースライン時に軽度の症状を推奨し、CC-VRSの直後に症状が幾分上昇し、プラットフォームを完了してから30分以内にベースラインレベルに戻った。CC-VRS(チュートリアル、基本、および複雑なシナリオ)全体は、完了までに平均29分かかり、CC-VRSを完了したときの平均SSQスコアは29.5(赤)でした。略語: CC-VRS = クリーブランドクリニック - バーチャルリアリティショッピング;PD = パーキンソン病;SSQ = シミュレーター病気アンケート。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Discussion

CC-VRSプラットフォームは、これまでのところ、最先端のVRコンテンツと全方向性のトレッドミルを組み合わせることで、VRの移動問題に最も効果的に対処しているようです。CC-VRSのシームレスな没入型環境の重要な側面は、トレッドミルとVRソフトウェア間の適切な通信を保証することです。基地局、足と腰のトラッカー、ハンドコントローラーなど、VRシステムのあらゆる側面を正しくセットアップすることが不可欠です。トラッキングに一貫性がない、または信頼性が低い場合は、基地局の向きや配置の調整、または別の基地局ユニットの追加が必要です。物理空間を適切にカバーすることで、VRハードウェアと全方向トレッドミル間の安定した同期が提供され、VRデバイスからの位置と向きのデータが完全、正確、正確であることが保証されます52。全方向トレッドミルのキャリブレーションは、仮想環境をナビゲートしながら最適な責任性を確保するために、すべてのデータ収集セッションの開始時に推奨されます。

CC-VRSを投与する前に、患者がトレッドミルに慣れていることが重要です。直感的で操作が簡単ですが、全方向トレッドミルには、VRヘッドセットの導入前に行うのに最適なユーザー慣れが必要であり、その結果生じる空間的向きの課題があります。個々のユーザーのニーズと現在の評価の目標を満たすために、CC-VRSシナリオごとに、1)トレッドミルの低速または最高速度、2)チュートリアルモジュールの繰り返し、3)店舗を通るルートの長さ、および4)買い物リストのアイテム数。これらの変更により、幅広い機能的患者の認知能力、運動能力、およびデュアルタスク能力の評価が最適化されます。

認知機能および運動機能を特徴付ける客観的および定量的結果を使用してIADL性能を標準化できる単一プラットフォーム技術の欠如は、PDまたはアルツハイマー病などの加齢性神経疾患の早期同定および効果的な治療における重要な障壁を表す。自己報告アンケートを用いてIADL機能を推定する現在の方法は、管理が容易であるが、バイアスの影響を受けやすい。自己申告中、高齢者はIADLの能力を過大評価または過小評価する傾向がある53。同様に、IADLクエリを完了した情報提供者は、オブザーバーの誤解や知識のギャップのために能力を判断することがよくあります35。

自己申告およびインフォーマント評価のアンケートに代わるものとして、パフォーマンスベースのIADL評価があります。パフォーマンスベースの評価は、通常、訓練を受けた作業療法士または理学療法士によって完了されます。多くのパフォーマンステストとガイドが利用可能ですが、それらは臨床ケアへの統合には役立たず、多くの場合、プライマリケアまたは神経学プロバイダーのオフィスでは一般的に見られない十分な時間と特殊なスペースと機器を必要とします。最も広く使用されているパフォーマンスベースの評価の1つである機能ステータスの直接評価(DAFS)は、管理に約40分を必要とし、そのスコアリングは主にテスト管理者の専門家の意見に基づいています。DAFSはアルツハイマー病の病期分類に有用であるが、感受性を欠き、軽度認知障害ステージ24におけるIADL低下を検出しない。VRと全方向性トレッドミルを組み合わせることで仮想世界と現実世界を融合させることで、現実世界の環境をよりよく再現する複雑な認知条件下でIADLのパフォーマンスをキャプチャする機会が得られ、神経疾患の早期診断につながる可能性があります54。

CC-VRSプラットフォームは、高齢者および神経疾患を有する人々のIADL能力を特徴付けるための標準化された体系的、客観的、定量的アプローチを提供することにより、臨床的ギャップに対処する。予備的なユーザビリティテストとデータに基づいて、基本シナリオと複雑なCC-VRSシナリオは30分以内に完全に完了できます。PD18を用いた他の没入型VR研究と同様に、PD患者の大多数は軽度の乗り物酔いの症状を経験しています。ユーザビリティの観点から、CC-VRSは75.7の全体的なSUS評価を受け、文字グレード「B」に対応し、「良い」と「優れた」記述子カテゴリ55の間に落ちた。比較のために、人気のある携帯電話やタブレットのアプリケーションを最近評価すると、The Weather ChannelやYouTubeなどのモバイルアプリケーションを含む、すべてのプラットフォーム56の上位10のアプリケーションの平均SUSスコアが77.7と報告されています。参加者からのコメントによると、ほとんどのユーザーはCC-VRSプラットフォームと対話するリアリズムと能力を楽しんでいました。重要なことに、参加者は身体的および認知的側面から挑戦を感じ、複雑なIADL体験を再現するダイナミックなプラットフォームを作成するという目標をデザインが達成したことを示しています。

我々は以前、脳震盪患者の評価57 および多発性硬化症(MS)患者のための忙しい神経学的サービスにおいて、技術が臨床ワークフローに首尾よく統合できることを実証した58。さらに、脳震盪の管理における技術の使用は、転帰を改善し、コストを削減し59、MSの治療におけるその使用は、各患者60の電子健康記録に文書化するのに費やす時間を27%節約した。ケア61 を提供するコストを削減するという継続的な目標と、医師のバーンアウト62のために電子カルテに文書化するのに費やされた時間が頻繁に引用されていることを考えると、CC-VRSプラットフォームの臨床ケアへの統合は、病院システムに実質的な付加価値を提供する可能性があります。CC-VRSプラットフォームを、1)主に健康な高齢者を治療する地域のプライマリケア家族保健センターと、2)クリーブランドクリニックの運動障害専門クリニックに統合する2つのプロジェクトが進行中です。

PDおよびアルツハイマー病の正確で信頼性の高い生理学的またはデジタルバイオマーカーの欠如は、早期診断および疾患進行の測定において大きな困難を引き起こす63,64。CC-VRSプラットフォームは、単一の技術プラットフォームの下でデジタルバイオマーカーを提供する可能性を秘めており、主観的で変動の激しい臨床転帰への依存を減らすことによって、臨床ケアを強化し、より短く効率的な臨床試験をもたらす可能性があります(例えば、運動障害学会 - 統一パーキンソン病評価尺度運動部分(MDS-UPDRS III))。臨床神経学の分野における運動機能および認知機能の評価は、認知的または二重課題の問題は言うまでもなく、PDおよび関連する基本的な運動症状を有する個人の評価に関して、過去30年間劇的に進歩していない。PDを有する個人の評価における最も有名な進歩は、主観的臨床評価尺度(MDS-UPDRS III)の改訂である。重要なのは、CC-VRSがMDS-UPDRS IIIに取って代わるとは考えていないことです。むしろ、IADLの定量化に標準化された客観的なアプローチを提供することによって、プライマリケアの実践においてその最大の価値が実現される可能性があると考えています。現在の形態のCC-VRSが神経疾患の前駆マーカーであると考えるのは時期尚早ですが、その結果は、運動障害、神経心理学、または老年医学の専門家による相談を引き起こす可能性のある神経学的機能に関して「赤」または「黄色」のフラグを上げるために使用できます。PD臨床ケアにおけるCC-VRSの使用に関しては、投薬の滴定や脳深部刺激装置の最終的なプログラミングに利用されることが期待されています。プライマリケアとPD固有のユースケースの両方が現在パイロット段階にあります。CC-VRSは、ユーザーを現実的な環境に真に没頭させ、認知機能および運動機能の有意義で重要な側面を測定することにより、神経疾患に対する潜在的に効果的でスケーラブルなデジタルバイオマーカーの作成における最初のステップを表します。

臨床神経学、特に運動障害の分野は、加速度計または他のセンサ技術を介して単一の単離されたPD症状を定量化するために開発された技術の例で満たされている65、66、67、68、69。我々の知る限り、これらのアプローチのいずれも、我々のバランス70、71、72、73および振戦アプリケーション74を除いて、日常的なPD臨床ケアに統合されていない。以前の技術は、多くの場合、有効で信頼性があります。しかし、焦点は臨床統合の実現可能性をほとんど考慮せずに技術開発にありました75,76。患者、医療提供者、病院、および規制機関は、有意義な日常行動の変化を定量化するアウトカム測定にますます関心を寄せています77,78,79,80。神経学的症状とIADLパフォーマンスの正確で有意義な測定値の臨床的統合は、介入の全体的な有効性を体系的に評価するか、疾患の進行を遅らせるための介入の可能性を決定するために必要である。日常的な臨床使用に適したIADL評価への標準化されたアプローチの開発は、有意義な活動に関する神経疾患の包括的な理解と治療を促進するために魅力的である。

神経疾患の診断と管理を支援するIADL性能の評価に対するCC-VRSアプローチは、早期診断と疾患進行のより正確な追跡を通じて医療を変革する可能性を秘めています。ただし、システムに制限がないわけではないことは完全に認識されています。全方向性トレッドミルのコストは相当なものであり、早期診断の価値に対する評価のコストまたは疾患進行のより正確な追跡との間の潜在的な「損益分岐点」を特定するための体系的な健康経済学研究以外の広範な採用の障壁として役立つ可能性がある。特に、PD患者中心のアウトカムを技術で獲得することのギャップは、国立神経障害・脳卒中研究所PD会議78、MDS技術タスクフォース77、およびFDAによって強調された。彼らは、有意義なPD活動を測定する技術と、これらの転帰を臨床ケアに統合することを求めた。私たちは現在、クリーブランドクリニックのプライマリケア環境と運動障害センターへのCC-VRSの統合を評価しています。これらの展開では、より手頃な価格の全方向性トレッドミルが利用されます。データの収集を成功させるには、臨床医がシステムのセットアップ方法と操作方法を学ぶために初期投資の時間が必要です。進行中の臨床パイロットは、熟練したユーザーになるために必要なトレーニングの量をよりよく知らせます。技術者がシステムを操作し、患者が予約前に待合室に座るのではなく、ショッピングタスクを完了するモデルを想像することができます。これらのデータは、プロバイダーに会う前に電子健康記録に瞬時に統合できます。これらのタイプのアプリケーションは、患者にとって将来の待合室になる可能性を秘めています。

Disclosures

JLA、MMK、ABRは、CC-VRSプラットフォームに関連する発明開示フォームをクリーブランドクリニックイノベーションに提出しました。

Acknowledgments

この研究は、Michael J. Fox Foundation for Parkinson's Research (MJFF-020020)とEdward and Barbara Bell Family Chairが後援した。Elm Park Labs(ミシガン州デトロイト)には、VR環境の構築と全方向性トレッドミルとのリンクに協力してくれたことに感謝します。また、イヴリン・トーマンとブリトニー・モーザーのプロジェクト開発と実行への支援にも感謝します。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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Alberts, J. L., McGrath, M., Miller Koop, M., Waltz, C., Scelina, L., Scelina, K., Rosenfeldt, A. B. The Immersive Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping Platform for the Assessment of Instrumental Activities of Daily Living. J. Vis. Exp. (185), e63978, doi:10.3791/63978 (2022).

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