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A Plataforma de Compras de Realidade Virtual da Clínica Cleveland Imersiva para a Avaliação das Atividades Instrumentais da Vida Diária

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

A realidade virtual (VR) é uma abordagem poderosa, porém subutilizada, para avançar no diagnóstico e tratamento de doenças neurológicas. A plataforma Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping combina conteúdo vr de última geração com uma esteira omnidirecional para quantificar atividades instrumentais da vida diária- um marcador prodromal proposto de doença neurológica.

Abstract

Um declínio no desempenho das atividades instrumentais da vida cotidiana (IADLs) tem sido proposto como um marcador prodromal de doenças neurológicas. As avaliações clínicas e de IADL existentes não são viáveis para a integração à medicina clínica. A realidade virtual (VR) é uma ferramenta poderosa, mas subutilizada, que pode avançar no diagnóstico e tratamento de doenças neurológicas. Um impedimento para a adoção e o dimensionamento da VR na neurologia clínica é a doença relacionada à VR decorrente de inconsistências sensoriais entre os sistemas visual e vestibular (ou seja, problema de locomoção).

A plataforma Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping (CC-VRS) tenta resolver o problema da locomoção acoplando uma esteira omnidirecional com conteúdo vr de alta resolução, permitindo que o usuário navegue fisicamente em um supermercado virtual para simular compras. O CC-VRS consiste em experiências de compras básicas e complexas; ambos requerem andar 150 m e recuperar cinco itens. A experiência complexa possui cenários adicionais que aumentam as demandas cognitivas e motoras da tarefa para representar melhor o contínuo das atividades associadas às compras no mundo real. A plataforma CC-VRS fornece resultados biomecânicos e cognitivos objetivos e quantitativos relacionados ao desempenho do IADL do usuário. Os dados iniciais indicam que o CC-VRS resulta em doença vr mínima e é viável e tolerável para idosos e pacientes com Doença de Parkinson (DP). As considerações subjacentes à tecnologia de desenvolvimento, design e hardware e software são revisadas, e os modelos iniciais de integração na atenção primária e na neurologia são fornecidos.

Introduction

Em 2008, a Academia Nacional de Engenharia identificou 14 Grandes Desafios para a Engenhariano século XXI 1. Uma delas foi a integração da realidade virtual (VR) na medicina. Foram feitos progressos no uso de VR para treinamento para estudantes de medicina 2,3, planejamento cirúrgico3, redução da ansiedade associada às interações médicas4, auxiliando no manejo da dor aguda5 e relacionada ao câncer6, e aumento da recuperação motora após o acidente vascular cerebral7. Apesar dessas aplicações promissoras, a utilidade da VR na medicina não foi totalmente realizada, particularmente no domínio da avaliação e tratamento de doenças neurológicas. Embora os avanços na tecnologia VR tenham minimizado barreiras como custo, conforto de fone de ouvido e recursos intuitivos de usabilidade, a doença vr continua a impedir a integração do VR na medicina8.

A doença da realidade virtual refere-se a sentimentos semelhantes a enjoos de movimento (por exemplo, náusea, vômito, vertigem)9,10,11 que surgem durante as experiências de VR. Embora nenhuma teoria seja acordada na explicação da doença vr, a Teoria do Conflito Sensorial é uma explicação líder12. Resumidamente, a Teoria do Conflito Sensorial sugere que a doença vr decorre de disparidades sensoriais; informações de fluxo visual indicam o movimento dianteiro do corpo através do espaço, enquanto o sistema vestibular indica que o corpo está parado13. Essa discrepância nas informações sensoriais resulta em mau equilíbrio, desorientação espacial e movimentos posturais incontroláveis que são precursores da doença vr. Embora o mecanismo preciso subjacente à doença vr seja debatido, reduzir o descompasso entre as fontes de informação sensorial provavelmente reduzirá a doença vr14 e facilitará a adoção de VR em um ambiente médico.

A locomoção aliada à VR tem sido proposta há muito tempo como uma abordagem para reduzir a incompatibilidade sensorial, imersão física e visualmente do usuário no ambiente virtual15,16. Vários estudos em idosos com e sem doença neurológica associaram com sucesso sistemas de VR imersivos e não imersivos com esteiras unidirecionais tradicionais 17,18,19. Esses estudos demonstram que uma intervenção em Y e na esteira unidirecional é tipicamente bem tolerada18 e a intervenção pode reduzir a frequência de queda17,19. Esses resultados fornecem uma base promissora para a integração bem-sucedida da locomoção e vr. No entanto, o ritmo motor externo de uma esteira unidirecional não permite que o usuário mude de velocidade ou execute curvas para interagir com ambientes virtuais realistas mais complexos.

Nas últimas duas décadas, os avanços no hardware e software de rastreamento de movimento facilitaram o desenvolvimento de ambientes virtuais mais imersivos e interativos. Um grande avanço foi o desenvolvimento da esteira omnidirecional20. Resumidamente, uma esteira omnidirecional utiliza simultaneamente movimentos lineares e rotacionais para permitir que o usuário ambulava em qualquer direção em um ritmo auto-selecionado. Geralmente utilizadas na indústria de jogos, esteiras omnidirecionais ampliam oportunidades para alavancar ambientes VR no cenário clínico, tanto abordando o problema da doença vr quanto facilitando a criação de ambientes realistas que melhor desafiam as capacidades físicas do usuário, como girar ou mudar de direção. Em particular, as replicações virtuais de ambientes cotidianos e em larga escala podem facilitar a avaliação do funcionamento cognitivo e motor durante a realização de atividades instrumentais da vida diária (IADLs).

As atividades instrumentais do cotidiano (IADLs) são tarefas funcionais (por exemplo, compras, tomar medicamentos, preparação de alimentos) que são fundamentais para a manutenção da vida independente21. A capacidade de realizar IADLs comuns tem sido proposta como um marcador prodromal para doenças neurológicas. Dados recentes de longo prazo, estudos prospectivos indicam declínios em IADLs provavelmente precedem um diagnóstico da doença de Parkinson (DP) por 5-7 anos22,23 e um diagnóstico da doença de Alzheimer24,25. Em contraste com as atividades básicas da vida diária (BADLs)26, os IADLs normalmente requerem o desempenho simultâneo de duas tarefas que exigem atenção (por exemplo, motor-cognitivo, motor-motor ou cognitivo-cognitivo)27. A grande maioria das atividades diárias domiciliares e comunitárias são realizadas em condições de dupla tarefa28,29.

Embora os declínios de dupla tarefas impactem claramente o desempenho da IADL, as avaliações motoras clínicas tradicionais 30,31,32 e os testes neuropsicológicos 33,34 são insuficientes para avaliar IADLs, pois essas avaliações separam a função em componentes discretos sem considerar sua interdependência. Os métodos atuais de avaliação direta da IADL baseiam-se em questionários de auto-relato propensos a viés35 ou avaliações longas e pesadas baseadas em desempenho36. Nenhuma abordagem fornece insights objetivos e quantitativos sobre o nível de função IADL de um indivíduo no ambiente comunitário.

Os avanços na tecnologia VR, juntamente com os avanços da engenharia subjacentes às esteiras omnidirecionais, oferecem uma oportunidade de criar um ambiente interativo e imersivo. Uma mercearia virtual e uma tarefa de compras foram criadas para avaliar simultaneamente o desempenho motor, cognitivo, cognitivo-motor e IADL. A plataforma Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping (CC-VRS) foi desenvolvida de forma colaborativa por uma equipe de engenheiros biomédicos, desenvolvedores de software, fisioterapeutas, terapeutas ocupacionais e neurologistas.

Uma tarefa de compras de supermercado foi selecionada para quantificar o desempenho da IADL com base em recomendações da Associação Americana de Terapia Ocupacional26. A Tarefa Virtual de Recados Múltiplos (VMET)37, Escala ADL Instrumental Cronometrada38 e Penn Parkinson's Daily Activities Questionnaire-15 (PDAQ-15)39 reconhecem as compras como um importante indicador de desempenho motor e não motor associado a doenças neurológicas. Outros usaram um fone de ouvido VR imersivo para criar um ambiente de supermercado na tentativa de estimar o desempenho do IADLem 37,40,41. No entanto, eles não conseguiram avaliar um componente importante das compras de supermercado: a locomoção. Geralmente, os paradigmas atuais do supermercado VR exigem que o participante use um controlador portátil para teletransportar ou navegar em um avatar por todo o supermercado. Nosso objetivo era integrar a locomoção na experiência de compra virtual do usuário. O processo de desenvolvimento do CC-VRS começou com uma análise formal de tarefas de uma experiência típica de supermercado. Conforme indicado na Figura 1, nove componentes fundamentais da tarefa refletem uma mistura de elementos que podem ser caracterizados como atividades motoras, cognitivas ou cognitivas-motoras necessárias para o desempenho bem-sucedido, como é característico de todas as IADLs.

Figure 1
Figura 1: Análise de tarefas de compras de supermercado. Foi realizada uma análise de tarefas para identificar a sequência de ações e a natureza dessas ações para compras de supermercados bem sucedidas no mundo real. Foram identificadas nove sequências primárias para informar o desenvolvimento das tarefas básicas e complexas de compras. As sequências foram classificadas como motor (azul), cognitiva (amarela) e cognitivo-motor (verde); detalhes sobre os resultados correspondentes são fornecidos na Tabela 1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A plataforma CC-VRS replica um supermercado realista e de médio porte através de um fone de ouvido VR imersivo. Enquanto caminha em uma esteira omnidirecional, o usuário segue uma rota contínua e designada pela loja, localiza itens em uma lista de compras e coloca os itens em um carrinho de compras virtual. Fornecer uma rota designada padroniza a distância percorrida pela loja virtual, reduz o número de erros de navegação e facilita maior precisão na dissociação de possíveis mudanças no desempenho do IADL a partir de erros de navegação ou estratégias de pesquisa subótimas empregadas pelo usuário. A rota de 150 m requer múltiplas curvas, o que aumenta a complexidade motora42,43 e a probabilidade de desencadear o congelamento da marcha em populações neurológicas de pacientes, uma vez que os congelamentos são mais frequentemente observados durante a curva do que a linha reta andando44,45. Tanto a distância do caminho de navegação quanto o número de itens na lista de compras podem ser configurados pelo médico para corresponder às habilidades do usuário ou objetivos da sessão de avaliação.

Cada usuário completa um cenário básico e um complexo de compras. O Cenário Básico simplesmente requer seguir a rota e selecionar itens da lista de compras. No Cenário Complexo, o usuário é fornecido uma lista de diferentes itens de mercearia enquanto segue a rota idêntica através da loja, mas demandas cognitivas e motoras adicionais são introduzidas (atrasos na comparação verbal, comparação de preços e tarefas de prevenção de obstáculos descritas na seção de protocolo abaixo). O ruído do supermercado ambiente em todos os Cenários Básicos e Complexos completa a experiência imersiva. Dados de resumo e detalhe sobre o desempenho do usuário — incluindo itens corretos e incorretos coletados, número e frequência de ativações de listas de compras, duração de parada e métricas de marcha — são gerados automaticamente e disponíveis para revisão pelo médico.

O objetivo do CC-VRS é quantificar objetivamente o desempenho de IADLs em idosos e indivíduos em risco ou diagnosticados com doença neurológica. O CC-VRS proporciona uma experiência imersiva e realista para o usuário, e produz resultados precisos, biomecanicamente baseados na função cognitiva e motora, que têm o potencial de servir como marcadores prodromais de doenças neurológicas ou medidas objetivas de progressão da doença. O CC-VRS está atualmente sendo utilizado em três projetos relacionados destinados a: (1) compreender os efeitos do envelhecimento saudável e da doença neurológica no desempenho da IADL, (2) determinar a viabilidade da integração clínica na atenção primária e uma clínica de transtorno de movimento, e (3) identificar a assinatura neural subjacente ao congelamento da marcha em pacientes avançados de DP com sistemas avançados de estimulação cerebral (DBS). Coletivamente, esses projetos utilizarão a plataforma CC-VRS e os resultados associados para entender melhor como o envelhecimento e os aspectos de impacto das doenças neurológicas do desempenho da IADL. Este manuscrito detalha o desenvolvimento, design e tecnologia de hardware e software do CC-VRS e seus novos resultados que podem facilitar a integração na assistência à saúde.

Protocol

O protocolo delineado segue as diretrizes do Comitê de Ética em Pesquisa Humana da Cleveland Clinic. Todos os participantes concluíram o processo de consentimento informado e forneceram permissão por escrito para publicar fotos tiradas durante a coleta de dados.

1. Configuração e calibração do equipamento (5 min)

  1. Sistema VR
    1. Certifique-se de que o sistema inclua todos os componentes descritos na configuração experimental diagramada na Figura 2, incluindo um fone de ouvido VR, dois controladores de mão, um rastreador de cintura VR, dois rastreadores de pé VR, estações base para monitorar a posição dos dispositivos VR e um desktop de jogos high-end com uma placa gráfica 2080ti para executar o sistema VR e o software CC-VRS (veja a Tabela de Materiais).
      1. Inicie o Steam VR na área de trabalho para coordenar os componentes VR e monitorar o status de cada dispositivo VR durante toda a coleta de dados.
      2. Ligue cada dispositivo VR e procure uma luz indicadora verde para verificar o rastreamento ativo pelo Steam VR.
      3. Calibrar os limites e a orientação do espaço virtual selecionando o Room Set Up no menu Steam VR e seguindo as instruções na tela usando os controladores manuais.
  2. Fone de ouvido VR
    1. Coloque o fone de ouvido no sistema de limpeza higiênica UV e execute um ciclo de higienização entre os usuários.
  3. Esteira omnidirecional
    1. Ligue a esteira omnidirecional usando o botão verde de alimentação no pedal do pé ligado. Inicie o software correspondente no computador desktop.
    2. Para calibrar, use a função Select User Tracker no aplicativo e identifique o rastreador de cintura como o dispositivo de rastreamento apropriado. Em seguida, centralizar este rastreador na superfície da esteira omnidirecional e use a função Set Center Point para calibrar o meio da plataforma da esteira. Coloque o rastreador de cintura no anel e use a função Set Ring Height para calibrar a altura do corrimão.
      NOTA: A esteira e o software correspondente dependem da posição do rastreador de cintura VR em relação à plataforma para operar adequadamente em resposta aos movimentos do usuário. O usuário começa parado, posicionado no centro da esteira. À medida que o usuário se move para fora do centro, o sistema responde aos movimentos e velocidade do usuário, gerando o movimento apropriado da esteira que irá recentementer o usuário na plataforma.
  4. Aplicativo CC-VRS
    1. Quando todos os dispositivos de rastreamento VR e a esteira omnidirecional estiverem calibrados e engajados, inicie o aplicativo CC-VRS a partir da área de trabalho. Siga os menus na tela para inserir o ID do usuário e iniciar o tipo de teste apropriado.

Figure 2
Figura 2: Visão geral da plataforma CC-VRS. Uma representação de toda a plataforma CC-VRS. O usuário usa um fone de ouvido VR e navega através de um supermercado virtual andando na esteira omnidirecional. Uma linha verde sutil é fornecida ao usuário através do fone de ouvido VR como um auxílio de navegação. Os cinco itens da lista de compras podem ser encontrados ao longo deste caminho fornecido de 150 m. Uma visão em primeira pessoa do usuário é fornecida ao experimentador através do Computador de Controle e Monitor. O tempo necessário para configurar o sistema CC-VRS é de aproximadamente 5 minutos. Abreviaturas: VR = realidade virtual; CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Preparação do usuário (15 min)

  1. Pesquisa de tolerabilidade (linha de base)
    1. Se coletar dados sobre doença vr, instrua o usuário a preencher o Questionário de Doença do Simulador antes de iniciar a experiência CC-VRS.
  2. Arreio
    1. Coloque o usuário em um cinto de corpo inteiro que se fixa ao redor das pernas e peito. Corte o arreio em um cabo montado no teto acima do centro da esteira omnidirecional para evitar quedas e aumentar o nível de conforto para o usuário sem impedir a marcha natural.
  3. Rastreadores VR
    1. Afixe os rastreadores do pé esquerdo e direito aos pés do usuário usando laços zip ao redor dos cadarços. Enrosque o rastreador da cintura no cinto de cintura especialmente projetado e ajuste o cinto até que o rastreador fique no meio da região lombar do usuário. Coloque os controladores esquerdo e direito nas mãos do usuário e aperte as correias até ficar em segurança e confortável.
  4. Familiarização da esteira omnidirecional
    1. Antes de vestir o fone de ouvido, deixe o usuário caminhar e ligar a esteira omnidirecional. Explique a importância da posição do rastreador da cintura em relação ao centro da plataforma da esteira, e incentive o usuário a ficar confortável caminhando em direção às bordas externas do limite da esteira enquanto segura o corrimão para suporte. Desengatar a esteira através do aplicativo para continuar com a preparação do usuário.
  5. Auricular
    1. Com o usuário em pé na esteira omnidirecional estacionária, coloque o fone de ouvido na cabeça do usuário e ajude com ajustes (correia de suporte de peso superior, botão de estabilidade traseira e controle deslizante de distância interpupillary para clareza) até que o ajuste esteja confortável e o display esteja claro. Certifique-se de que os alto-falantes montados no fone de ouvido estejam posicionados sobre as orelhas e ajustem para um nível de volume apropriado.
  6. Instrua o usuário a ficar perto do centro da plataforma de esteira omnidirecional e clique em Iniciar no aplicativo para reengajar a esteira.
  7. Inicie o aplicativo CC-VRS da área de trabalho se não for lançado anteriormente.

3. Administração de CC-VRS (30 min)

  1. Durante toda a experiência CC-VRS, monitore o progresso do usuário através da loja através do display da área de trabalho e esteja preparado para parar a esteira omnidirecional caso o usuário experimente algum desconforto ou instabilidade.
  2. Digite o ID do usuário.
  3. Selecione Tutorial Abrangente para carregar um pequeno ambiente de prática que introduz o usuário ao objetivo geral da avaliação CC-VRS, além da rota de navegação, lista de compras e demandas cognitivas adicionais do Cenário Complexo.
    1. Certifique-se de que o usuário está confortável com as seguintes funções do controlador antes de prosseguir com os testes:
      1. Ative a lista de compras levantando a mão esquerda e segurando o botão A ou B no controlador (Figura 3A).
      2. Feche a lista de compras liberando o botão A ou B .
      3. Selecione itens das prateleiras usando os gatilhos do controlador (Figura 3A).
      4. Coloque itens no carrinho de compras usando os gatilhos do controlador.
    2. Certifique-se de que o usuário esteja confortável com as seguintes demandas cognitivas e motoras do Cenário Complexo:
      1. Execute um recall verbal atrasado de cinco palavras apresentadas através de um anúncio auditivo no início do Cenário, semelhante ao componente recall atrasado do teste de Avaliação Cognitiva de Montreal (MoCA)46.
      2. Realize uma tarefa de comparação de preços para itens de venda (por exemplo, escolhendo a opção mais econômica entre 8 oz de ketchup por $1,00 vs 16 oz por $1,50) (Figura 3B).
      3. Evite obstáculos na loja, incluindo derramamentos no chão e corredores estreitos causados pela colocação de outros compradores ou carrinhos ao longo do caminho (Figura 3C).
    3. Se necessário, repita o tutorial (aproximadamente 5 min no total) até que o usuário demonstre proficiência com as funções acima e compreensão da tarefa.
  4. Selecione Cenário Básico. Escolha o comprimento do caminho e o número de itens da lista.
    1. Instrua o usuário a começar a andar assim que a loja estiver visível no visor do fone de ouvido. Incentive o usuário a completar a tarefa da forma mais eficiente possível, movendo-se rapidamente e minimizando erros.
    2. Quando o usuário tiver concluído a tarefa chegando ao checkout da loja, revise as métricas de resumo exibidas na tela do desktop e saia do ambiente virtual.
  5. Selecione Cenário Complexo. Escolha o comprimento do caminho e o número de itens da lista.
    1. Forneça instruções semelhantes ao usuário como no Cenário Básico. Lembre o usuário das demandas cognitivas adicionais no Cenário Complexo.
    2. Quando o usuário tiver concluído a tarefa ao chegar ao checkout da loja, revise as métricas de resumo exibidas na tela do desktop (Figura 3D) e saia do ambiente virtual.
  6. Pesquisa de tolerabilidade
    1. Se coletar dados sobre doença vr, instrua o usuário a preencher o Questionário de Doença do Simulador imediatamente após a conclusão da experiência CC-VRS e novamente até 30 minutos depois.
  7. Pesquisa de usabilidade
    1. Se coletar dados sobre a usabilidade da plataforma, instrua o usuário a completar a Escala de Usabilidade do Sistema imediatamente após a conclusão do CC-VRS.

Figure 3
Figura 3: Ambiente CC-VRS. (A) Uma visão em primeira pessoa de um usuário cc-VRS visualizando ativamente a lista de compras com a mão esquerda e selecionando um item correspondente com a mão direita. Os usuários podem interagir intuitivamente com qualquer item em todo o supermercado usando controladores de mão VR. (B) Um exemplo de uma tarefa de comparação de preços de venda que o usuário encontra no Cenário Complexo. Para um item na lista de compras denotado como um item SALE, o usuário deve comparar os preços unitários de dois itens de tamanho diferente e selecionar a opção que representa a melhor oferta. (C) Uma visão em primeira pessoa de um corredor estreito encontrado no Cenário Complexo. Além das múltiplas curvas ao longo da rota de navegação, as passagens apertadas adicionam complexidade motora que aumenta a probabilidade de desencadear o congelamento da marcha em populações neurológicas. (D) Um exemplo dos resultados sumários exibidos ao experimentador após a conclusão de um Cenário Complexo, incluindo itens corretos e incorretos, tempo total para completar o cenário e número de palavras lembradas com sucesso. As métricas específicas neste display são configuráveis pelo experimentador. Abreviaturas: VR = realidade virtual; CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Arquivos de dados e resultados

  1. Revise o arquivo de resumo (.csv) gerado automaticamente para cada ensaio, que contém métricas configuráveis para caracterizar o desempenho geral do CC-VRS.
  2. Revise o arquivo de dados detalhado (.csv) que contém a posição e rotação dos rastreadores, controladores e fone de ouvido durante toda a duração da tarefa. Os dados sobre ativações da lista, interação de itens e colisões de obstáculos também são gravados automaticamente e a saída para este arquivo.

Representative Results

Um projeto está em andamento para estabelecer a validade do CC-VRS na avaliação da função cognitiva, motora e IADL em adultos jovens, idosos sem doença neurológica e indivíduos com DP. Cada participante completou o Tutorial, Cenários Básicos e Complexos usando o mesmo caminho de 150 m e listas de 5 itens para permitir a comparação do desempenho entre os grupos. Dados cognitivos e de posição detalhados foram utilizados para estabelecer métricas de resumo informativos que distinguem o desempenho do CC-VRS entre populações com diferenças conhecidas na função cognitiva, motora e IADL. Métricas biomecânicas adicionais e de dupla tarefa foram calculadas para caracterizar ainda mais o nível de função em vários domínios (Tabela 1).

Resultado do CC-VRS Domínio
Cognitivo
Itens corretos e incorretos Função Executiva
Ativações de listas (número e duração) Memória de trabalho
Recall de itens de venda (número correto) Memória declarativa
Comparação de preços de venda (sucesso e duração) Velocidade de processamento
Cognitivo-Motor
Duração do teste Função global (IADL)
Paradas (número e duração) Interferência de tarefa dupla
Velocidade de marcha na proximidade de itens de lista Interferência de tarefa dupla
Colisões com obstáculos de evasão Inibição de resposta
Motor
Velocidade, comprimento do passo, variabilidade da marcha Velocidade e qualidade da marcha
Vire velocidade, gire duração Virar qualidade
Largura do passo, simetria Estabilidade postural
Número de cruzamentos zero na aceleração Fluidez ambulante
Duração de alcance e transporte em itens selecionados Função extremidade superior

Tabela 1: Métricas de resultado CC-VRS. Uma lista não exaustiva de possíveis métricas de desfecho da plataforma CC-VRS, designadas principalmente como cognitivas, motoras ou cognitivas-motoras de natureza. Esses desfechos foram desenvolvidos com base na análise de tarefas utilizada para projetar o CC-VRS como uma avaliação ecologicamente válida da função IADL. Os domínios capturados por esses resultados representam o espectro de funções de tarefa única e dupla necessárias para a conclusão bem sucedida das compras de supermercados e outras IADLs. Em contraste com a neuropsicologia e avaliações motoras existentes, o CC-VRS avalia esses domínios em condições que refletem com mais precisão as complexas demandas dos ambientes IADL dentro das configurações doméstica e comunitária. Abreviaturas: CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping; IADL = atividade instrumental da vida diária.

A Figura 4 fornece uma visão geral do desempenho do Cenário Básico de um participante com DP. A trilha de caminhada do participante pela loja foi comparada com o caminho ideal da rota de navegação, e foram observados os locais de itens corretos de compras. Usando dados posicionais dos rastreadores VR, a velocidade instantânea do participante através da loja foi registrada e plotada. A adição do contexto de ativações de listas e seleção de itens forneceu uma visão da capacidade de tarefa dupla do participante e da capacidade geral de completar eficientemente a tarefa IADL.

Com base nos resultados das análises preliminares, o desempenho geral do CC-VRS difere entre adultos jovens saudáveis e indivíduos com DP (Figura 5). Os resultados da duração total do teste, número e duração das paradas e número e duração das visualizações da lista durante a tarefa são métricas promissoras para diferenciar entre grupos. Idosos e indivíduos com DP exigiram mais tempo para completar cada cenário e passaram mais tempo parando e ativando a lista de compras em comparação com adultos jovens saudáveis. Os adultos jovens apresentaram maior capacidade de dupla tarefa, caminhando e ativando simultaneamente a lista, enquanto indivíduos com DP comumente ativam a lista de compras enquanto param. Resultados adicionais, incluindo tempo gasto em busca de itens, métricas de marcha e os resultados das demandas cognitivas no Cenário Complexo, estão disponíveis para análise.

Em um estudo separado de usabilidade CC-VRS para indivíduos com DP, 10 participantes preencheram o Questionário de Doença do Simulador (SSQ)47,48 para avaliar os sintomas da doença vr na linha de base, imediatamente após completar a experiência CC-VRS, e 30 minutos após a conclusão da tarefa. Desenvolvido no contexto de simulações de voo, o SSQ captura 16 sintomas comuns em uma escala de 4 pontos e tem sido adotado para uso em aplicações vr. Os escores individuais dos sintomas são combinados e ponderados para formar subságios nos domínios de náuseas, oculomotores e aglomerados de sintomas de desorientação, além de um escore total. As pontuações totais do SSQ variam de 0 a 235,6.

A Figura 6 exibe os resultados do SSQ concluídos na linha de base (pontuação total média 13,1 ± 16,7), imediatamente após o CC-VRS (29,5 ± 27,9) e 30 min após o CC-VRS (14,2 ± 15,6) para participantes com DP (N = 10). Em geral, os escores totais de SSQ para os participantes com DP foram leves após o CC-VRS, e os sintomas mais comumente endossados foram desconforto geral, fadiga, tensão ocular, dificuldade de foco e sudorese. Notavelmente, muitos dos participantes relataram sintomas leves na linha de base. No entanto, os participantes do 9/10 completaram a avaliação completa, incluindo o Tutorial, Cenários Básicos e Complexos, em média de 29,0 ± 5,9 min. Um deles era incapaz de tolerar o CC-VRS devido à doença. Esses dados fornecem evidências convincentes de que a plataforma CC-VRS é bem tolerada pela maioria dos indivíduos com doenças neurológicas. Coletivamente, a falta geral de sintomas significativos de doença vr relatados sugere que o acoplamento do conteúdo VR com uma esteira omnidirecional é viável e pode resolver o problema de locomoção vr para a maioria dos indivíduos.

Os 10 participantes que completaram o estudo de usabilidade participaram de uma entrevista semiestruturada após o uso do CC-VRS. Todos os participantes endossaram que o estudo foi a primeira vez que utilizaram VR e/ou uma esteira omnidirecional. As observações sumárias sobre a esteira incluíram o seguinte:

Facilidade de adaptação da esteira: Os participantes se sentiram confortáveis na esteira geralmente em poucos minutos, enquanto a caminhada imitava o piso overground. Os participantes apontaram dois aspectos da marcha que necessitavam de adaptação: (1) A atração do rastreador da cintura de volta ao centro da esteira durante a parada e (2) tomar passos ligeiramente mais curtos devido ao tamanho da plataforma da esteira.

O suporte de extremidade superior foi estabilizador: O uso do corrimão circular que abrange a esteira proporcionou um nível apropriado de suporte de extremidade superior que ajudou na conclusão da tarefa.

Desafiador ambiente físico e cognitivo: Os participantes relataram que seu controle postural foi desafiado durante a realização das tarefas de compras. Havia conforto em ser aproveitado, mas o arreio não limitava o movimento em nenhum plano.

Ambiente realista: As telas visuais e auditivas se assemelhavam muito a um verdadeiro supermercado e eram impressionantes para usuários ingênuos em VR. Os participantes relataram que o realismo dos outros compradores e os obstáculos do corredor os motivaram a evitar colisões e que a rota de navegação era simples de seguir.

Desorientação: Queixas de desorientação e doença alinhadas com os escores individuais do SSQ. Alguns participantes apresentaram desafios visuosespacial iniciais durante os primeiros minutos do CC-VRS que resultaram na aproximação do indivíduo com as prateleiras do supermercado, o que eles sentiram ter criado um sentimento de desorientação.

Participantes com DP de ambos os estudos acima mencionados (N = 24) completaram a Escala de Usabilidade do Sistema (SUS) após a conclusão do CC-VRS. O SUS é um questionário de 10 itens que mede a facilidade de uso, a satisfação global e a capacidade de aprendizado de um sistema 49,50. As pontuações variam de 0 a 100, onde 68 indica usabilidade média. As pontuações gerais do SUS entre 72,6 e 78,8 correspondem a uma nota "B" e as pontuações superiores a 78,8 ganham um "A"51. Entre os 24 participantes com PD que completaram a plataforma CC-VRS (Tutoria, Sessões Básicas e Complexas), o CC-VRS recebeu uma pontuação média de 75,7 ± 18,9.

Figure 4
Figura 4: Resumo de desempenho cc-VRS. (A) Um indivíduo com Doença de Parkinson completando o Cenário Básico da plataforma CC-VRS. (B) O caminho de navegação e a velocidade de caminhada do participante à medida que completam a tarefa. Os quadrados azuis representam um item que estava na lista de compras e recuperado com sucesso. Embutida na linha guia de navegação está uma linha de mapa de calor que representa a velocidade de caminhada instantânea do participante; a velocidade de caminhada da linha de base é calculada ao longo da primeira caminhada de 20 metros em linha reta. Qualquer velocidade instantânea inferior a 0,5x a velocidade de caminhada da linha de base é vermelha; velocidade instantânea acima de 1,5x a velocidade média acima mencionada é verde. Há uma transição linear de vermelho para amarelo para verde entre 0,5x e 1,5x da velocidade média de caminhada em linha reta. Velocidade de caminhada ao longo do ensaio (C) e o número de ativações de lista (D) são apresentados. Notavelmente, este participante teve 15 visualizações de lista ao longo do teste, apesar de ter apenas cinco itens na lista de compras. Abreviação: CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: CC-VRS de adulto jovem saudável versus doença de Parkinson. A distância cumulativa caminhava por um jovem adulto saudável (A) e um participante com DP (B) durante a realização do Cenário Básico. Em geral, ambos os participantes caminharam aproximadamente a mesma distância que seguiram a linha de navegação. No entanto, o participante com DP demorou substancialmente mais (410 s) do que o jovem adulto (350 anos) para completar o cenário. As barras verdes representam o número e a duração de uma ativação de lista durante a tarefa. O jovem viu a lista em sete ocasiões para um total de 73,1 s, enquanto o participante com DP viu a lista em 16 ocasiões para um total de 94,3 s. Os pontos azuis refletem uma parada física do participante. A inspeção do desempenho dos jovens adultos indica que eles tiveram menos paradas gerais e puderam caminhar e visualizar simultaneamente a lista. Por outro lado, o participante com DP teve 17 paradas que cada uma correspondeu a uma exibição de lista, sugerindo que eles não foram capazes de efetivamente dupla tarefa (por exemplo, andar e visualizar a lista simultaneamente). Abreviaturas: CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping; DP = Doença de Parkinson. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Experiência de sintomas seguindo CC-VRS. Um total de 10 participantes com DP realizaram o CC-VRS como parte de um estudo de usabilidade. Cada participante preencheu o Questionário de Doença do Simulador antes, imediatamente depois, e 30 minutos após o término da experiência CC-VRS. O SSQ captura 16 sintomas de doença vr, com pontuação máxima de 235,6. A maioria dos participantes com DP endossou sintomas leves na linha de base, com sintomas um pouco elevados imediatamente após o CC-VRS e retornando aos níveis de linha de base dentro de 30 minutos após completar a plataforma. Todo o CC-VRS (Cenários Tutoriais, Básicos e Complexos) levou em média 29 minutos para ser concluído, e a pontuação média do SSQ ao completar o CC-VRS foi de 29,5 (em vermelho). Abreviaturas: CC-VRS = Cleveland Clinic-Virtual Reality Shopping; DP = Doença de Parkinson; SSQ = Questionário de Doença de Simulador. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

A plataforma CC-VRS, até o momento, parece abordar mais efetivamente o problema da locomoção em VR, combinando conteúdo VR de última geração com uma esteira omnidirecional. Um aspecto crítico do ambiente perfeitamente imersivo do CC-VRS é garantir uma comunicação adequada entre a esteira e o software VR. A configuração correta de todos os aspectos do sistema VR — incluindo estações base, rastreadores de pés e cintura e controladores manuais — é imprescindível. Se o rastreamento for inconsistente ou não confiável, é necessário um ajuste da orientação e colocação das estações base ou a adição de outra unidade da estação base. A cobertura adequada do espaço físico proporciona uma sincronização estável entre o hardware VR e a esteira omnidirecional e garante que os dados de posição e orientação dos dispositivos VR sejam completos, precisos e precisos52. A calibração da esteira omnidirecional é recomendada no início de cada sessão de coleta de dados para garantir a melhor responsabilidade ao navegar pelo ambiente virtual.

A familiarização do paciente com a esteira é fundamental antes de administrar o CC-VRS. Embora intuitiva e simples de operar, a esteira omnidirecional requer a familiarização do usuário que é melhor feita antes da introdução do fone de ouvido VR e dos desafios resultantes de orientação espacial. Para atender às necessidades do usuário individual e aos objetivos da presente avaliação, os seguintes recursos são configuráveis para cada cenário CC-VRS: 1) esteira baixa ou alta velocidade máxima, 2) repetição do módulo tutorial, 3) comprimento da rota através da loja e 4) número de itens na lista de compras. Essas modificações otimizam a avaliação para as capacidades cognitivas, motoras e de dupla tarefa de uma ampla gama funcional de pacientes.

A falta de tecnologia de plataforma única capaz de padronizar o desempenho da IADL utilizando resultados objetivos e quantitativos que caracterizam o funcionamento cognitivo e motor representa uma barreira crítica na identificação precoce e no tratamento eficaz de doenças neurológicas relacionadas à idade, como DP ou doença de Alzheimer. Os métodos atuais que estimam a função IADL utilizando questionários de autorre relatório, embora fáceis de administrar, são suscetíveis ao viés. Durante o auto-relato, os idosos tendem a superestimar as capacidades de IADL53. Da mesma forma, os informantes que preenchem consultas IADL muitas vezes julgam mal as capacidades devido às percepções erradas dos observadores ou lacunas de conhecimento35.

Uma alternativa aos questionários auto-relatório e classificados por informantes é a avaliação IADL baseada em desempenho. As avaliações baseadas em desempenho são normalmente concluídas por um terapeuta ocupacional ou físico treinado. Embora uma série de testes de desempenho e guias estejam disponíveis, eles não são propícios à integração no cuidado clínico, muitas vezes exigindo tempo suficiente e espaço especializado e equipamentos não tipicamente encontrados em um consultório de um provedor de atenção primária ou neurologia. Uma das avaliações baseadas em desempenho mais amplamente utilizadas, a Avaliação Direta do Status Funcional (DAFS), requer aproximadamente 40 minutos para administrar, e sua pontuação é em grande parte baseada na opinião de especialistas do administrador do teste. Embora o DAFS seja útil na encenação da doença de Alzheimer, ele não tem sensibilidade e não detecta declínios de IADL no estágio de comprometimento cognitivo leve24. Fundir os mundos virtual e real combinando VR com uma esteira omnidirecional fornece uma oportunidade para capturar o desempenho do IADL em condições cognitivas complexas que melhor replicam ambientes do mundo real, potencialmente resultando em diagnósticos anteriores de doenças neurológicas54.

A plataforma CC-VRS aborda a lacuna clínica, fornecendo uma abordagem padronizada, sistemática, objetiva e quantitativa para caracterizar as capacidades de IADL em idosos e portadores de doenças neurológicas. Com base em testes e dados preliminares de usabilidade, os Cenários CC-VRS Básicos e Complexos podem ser concluídos completamente em menos de 30 minutos. Semelhante a outros estudos imersivos de VR com PD18, a maioria das pessoas com DP experimenta sintomas leves de enjoo de movimento. Do ponto de vista da usabilidade, o CC-VRS recebeu uma classificação geral sus de 75,7, correspondendo a uma letra nota "B" e caindo entre as categorias de descritor "bom" e "excelente"55. Para comparação, uma avaliação recente de aplicativos populares de telefone e tablet relata uma pontuação média do SUS de 77,7 para os 10 melhores aplicativos em todas as plataformas56, incluindo aplicativos móveis como o Weather Channel e o YouTube. Comentários dos participantes indicaram que a maioria dos usuários gostava do realismo e da capacidade de interagir com a plataforma CC-VRS. É importante ressaltar que os participantes se sentiram desafiados a partir de um aspecto físico e cognitivo, indicando que o design alcançou seu objetivo de criar uma plataforma dinâmica que recriasse uma complexa experiência de IADL.

Já demonstramos anteriormente que a tecnologia pode ser integrada com sucesso aos fluxos de trabalho clínicos na avaliação de pacientes com concussão57 e em um serviço neurológico ocupado para pacientes com Esclerose Múltipla (EM)58. Além disso, o uso da tecnologia na gestão de concussão melhorou os resultados e reduziu os custos59, enquanto seu uso no tratamento de ESM levou a uma economia de 27% no tempo gasto documentando no registro eletrônico de saúde para cada paciente60. Considerando o objetivo contínuo de reduzir o custo de prestação de cuidados61 e que o tempo gasto documentando no prontuário eletrônico de saúde é frequentemente citado para o burnoutmédico 62, a integração da plataforma CC-VRS no atendimento clínico provavelmente proporcionará um valor substancial agregado aos sistemas hospitalares. Dois projetos estão em andamento em que a plataforma CC-VRS está integrada em 1) um centro regional de atenção primária à saúde da família que trata principalmente idosos saudáveis e 2) uma clínica especializada de transtornos de movimento na Cleveland Clinic.

A ausência de um biomarcador fisiológico ou digital preciso e confiável para DP e doença de Alzheimer causa grande dificuldade no diagnóstico precoce e na medição da progressão da doença63,64. A plataforma CC-VRS tem o potencial de fornecer um biomarcador digital sob uma única plataforma tecnológica que irá melhorar o cuidado clínico e pode resultar em ensaios clínicos mais curtos e eficientes, reduzindo a dependência de desfechos clínicos subjetivos e altamente variáveis (por exemplo, Movement Disorder Society - Unified Parkinson's disease Rating Scale motor portion (MDS-UPDRS III)). A avaliação da função motora e cognitiva no campo da neurologia clínica não avançou dramaticamente nas últimas três décadas em termos de avaliação de indivíduos com DP e dos sintomas motores cardeais associados, muito menos problemas cognitivos ou de dupla tarefa. O avanço mais celebrado na avaliação dos indivíduos com DP é a revisão da escala de classificação clínica subjetiva (MDS-UPDRS III). É importante ressaltar que não acreditamos que o CC-VRS suplantará o MDS-UPDRS III. Em vez disso, acreditamos que seu maior valor pode ser realizado nas práticas de atenção primária, fornecendo uma abordagem padronizada e objetiva para a quantificação das IADLs. Embora seja prematuro acreditar que o CC-VRS em sua forma atual é um marcador prodromal de doença neurológica, os resultados podem ser usados para levantar uma bandeira "vermelha" ou "amarela" em termos de funcionamento neurológico que pode desencadear uma consulta por um distúrbio de movimento, neuropsicologia ou especialista geriátrico. Em termos de seu uso no cuidado clínico de DP, prevê-se que o CC-VRS possa ser utilizado na titulação de medicamentos ou na eventual programação de dispositivos de estimulação cerebral profunda. Tanto os casos de uso específico da Atenção Primária quanto do PD estão atualmente na fase piloto. Ao realmente imergir o usuário em um ambiente realista e medir aspectos significativos e importantes da função cognitiva e motora, o CC-VRS representa um passo inicial na criação de um biomarcador digital potencialmente eficaz e escalável para doenças neurológicas.

O campo da neurologia clínica, distúrbios de movimento em particular, é preenchido com exemplos de tecnologia desenvolvida para quantificar um único sintoma isolado de DP através de acelerômetro ou outras tecnologias de sensores 65,66,67,68,69. Pelo que sabemos, nenhuma dessas abordagens, além do nosso saldo 70,71,72,73 e aplicações de tremor 74, foram integradas ao atendimento clínico de rotina da DP. A tecnologia anterior muitas vezes é válida e confiável; no entanto, o foco tem sido o desenvolvimento tecnológico com pouca atenção à viabilidade da integração clínica75,76. Pacientes, prestadores, hospitais e órgãos reguladores estão cada vez mais interessados em medidas de desfecho que quantifiquem mudanças em ações diárias significativas 77,78,79,80. A integração clínica de medidas precisas e significativas de sintomas neurológicos e desempenho do IADL é necessária para avaliar sistematicamente a eficácia geral de uma intervenção ou determinar o potencial de uma intervenção para retardar a progressão da doença. O desenvolvimento de uma abordagem padronizada para avaliação do IADL adequada ao uso clínico de rotina é atraente para facilitar a compreensão abrangente e o tratamento de doenças neurológicas em atividades significativas.

A abordagem CC-VRS para a avaliação do desempenho da IADL para auxiliar no diagnóstico e manejo de doenças neurológicas tem o potencial de transformar a atenção à saúde por meio do diagnóstico precoce e acompanhamento mais preciso da progressão da doença. No entanto, é plenamente reconhecido que o sistema não é sem limitação. O custo da esteira omnidirecional é substancial e pode servir como uma barreira para a adoção generalizada de estudos sistemáticos de economia da saúde para identificar o potencial ponto de "ruptura mesmo" entre o custo da avaliação em relação ao valor do diagnóstico precoce ou o acompanhamento mais preciso da progressão da doença. Notavelmente, as lacunas na aquisição de desfechos centrados no paciente em PD com tecnologia foram destacadas pelo Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e Pela Conferência pd78 do AVC, força-tarefa de MDS sobre tecnologia77 e FDA. Eles pediram tecnologia que mede atividades significativas de DP e integração desses desfechos no cuidado clínico. Atualmente estamos avaliando a integração do CC-VRS em um ambiente de atenção primária e um centro de distúrbios de movimento na Cleveland Clinic; essas implantações utilizarão esteiras omnidirecionais mais acessíveis. A coleta bem-sucedida de dados requer um investimento inicial de tempo pelo médico para aprender a configurar e operar o sistema. Os pilotos clínicos em andamento informarão melhor a quantidade de treinamento necessário para se tornar um usuário proficiente. Pode-se imaginar um modelo em que um técnico é empregado para operar o sistema, e os pacientes completam as tarefas de compras em vez de sentar em uma sala de espera antes de uma consulta. Esses dados poderiam então ser instantaneamente integrados ao registro eletrônico de saúde antes de ver seu provedor. Esses tipos de aplicações têm o potencial de se tornar a sala de espera do futuro para os pacientes.

Disclosures

JLA, MMK e ABR submeteram um Formulário de Divulgação de Invenção à Cleveland Clinic Innovations relacionada à plataforma CC-VRS.

Acknowledgments

Este estudo foi patrocinado pela Michael J. Fox Foundation for Parkinson's Research (MJFF-020020) e pela Presidente da Família Edward e Barbara Bell. Agradecemos à Elm Park Labs (Detroit, MI) pela ajuda na construção do ambiente VR e na ligação com a esteira omnidirecional. Agradecemos também a Evelyn Thoman e Brittney Moser por sua ajuda no desenvolvimento e execução do projeto.

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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