一个虚拟现实游戏套件，用于腰痛和高度害怕运动的患者的分级康复:主体内比较研究

简介

虚拟现实(VR)已经成为一种有前途的心理和运动康复工具。例如，虚拟现实已被用于改善有行动障碍和摔倒风险较高人群的步态适应性和稳定性[1，2]，减轻上肢截肢患者的幻肢疼痛[3.]，减少现役军人与战斗有关的创伤后压力[4，并改善患有膝骨关节炎的老年人的本体感觉、活动能力和肌肉力量[5］．VR环境的一个明显优势是，它可以提供游戏化干预，旨在增加乐趣、动机和留存率。当干预的目标是刺激可能与疼痛和恐惧有关的动作时，这可能特别有益。基于这些独特的优势和用户友好的虚拟现实系统的增加，持续降低成本，虚拟现实很可能成为心理和基于运动的康复项目的基本组成部分。

我们团队一直在开发和测试新的VR游戏，以评估和改善下腰痛(LBP)患者的运动缺陷[6］．腰痛是中老年人最常见的疼痛来源，通过医疗保健费用和与疼痛相关的缺勤造成了重大的经济影响[7，8］．这些医疗费用的大部分是由大约10%的患有持续多年的慢性腰痛的患者引起的[9］．许多LBP患者会发展成运动恐惧症，即由于预期疼痛和伤害而害怕运动[10］．在腰痛患者中，运动恐惧症与身体活动减少有关，特别是脊柱运动减少，是慢性腰痛发展的有力预测因素[10-14］．简而言之，运动恐惧症是慢性疼痛发展的核心，它通过一个恶性循环:疼痛灾难化、对疼痛相关威胁的高度警惕、与恐惧相关的避免运动，以及由此导致的废用、身体失调和抑郁的组合，进一步放大疼痛[10，11，13］．

量化回避行为的一种常用方法是通过评估涉及运动学冗余的功能任务中的电机控制[12-14］．我们的实验室使用一个标准化的触摸任务，将参与者的向前触摸与各种人体测量学方法进行比较[12-14］．这个标准化的到达任务使用臀部高度、躯干长度和手臂长度来计算空间中的4个点，这4个点需要躯干弯曲15°、30°、45°和60°(θ)才能到达，如果参与者只在躯干(图1)．虽然这些分数是根据独立的躯干屈曲计算的，但参与者并没有被指导如何到达每个目标。通过评估个体如何选择到达每个目标，这个运动学冗余任务被很好地定位为识别规避行为(例如，躯干运动减少和脚踝、膝盖和臀部运动增加)[12-14］．虽然我们最初是通过物理目标来实现这个到达任务，但我们最近开发了该任务的VR版本，在此称为“到达”(图2) (15］．在Reachality中，参与者通过头戴显示器沉浸在一个虚拟环境中，他们的身体被表示为一个化身，参与者被指示通过出现在他们面前的目标(例如，在前面提到的4个位置)到达他们的手。

对于LBP和高度运动恐惧的患者，常见的干预方法包括分级暴露疗法(即患者逐渐面对越来越害怕的运动)和运动控制练习(即对现有的运动模式进行重新训练，特别注重恢复躯干控制)[16-18］．我们的团队最近开发了一款VR躲避球游戏，在此将其称为“躲避球”(Dodgeality)，我们的目标是创造一种游戏化的干预，该干预结合了这些经典的成功干预方法的原则[6，19］．在《Dodgeality》中，参与者沉浸在一个虚拟体育馆中，手持一个3d打印的塑料躲避球，在虚拟环境中，它被追踪并可视化为虚拟角色手中的躲避球。对方4名球员随机轮流向参与者投掷躲避球，参与者被指示用手中的球挡住扔向他们的球。每个躲避球都以恒定的速度发射，并被建模为点质量弹，只有引力作用于它，导致抛物线飞行路径。通过操纵发射角度，我们能够迫使闪避球的轨迹拦截空间中相同的4个位置，在可达性(Reachality)期间呈现为目标(图1)，从而吸引参与者在游戏过程中到达这些地点。在最近的一项I期临床试验中，我们小组发现较低的截距位置导致慢性腰痛患者的腰椎屈曲偏移增加[6］．当达到较低的目标时，回避行为更加突出[14，在整个干预过程中增加游戏玩法所需的躯干弯曲幅度的能力是必不可少的。来自第一阶段临床试验的其他重要发现是，参与者认为游戏“分散了他们的背部疼痛”和“玩起来很有趣”，他们“不担心在游戏过程中伤害到他们的背部”，游戏“没有增加他们的背部疼痛”。6］．基于I期试验的结果，我们认为Dodgeality可能是慢性腰痛和高度害怕运动的患者康复的一个有用的组成部分，我们目前正在一项II期随机临床试验中评估这种干预的有效性[20.］．

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尽管我们最近的研究结果表明，我们能够成功地在游戏过程中控制躯干的弯曲量[6，《Dodgeality》本质上是一款需要快速反应的快节奏游戏。在开放式的调查回复中，一些参与者表示希望在低速的虚拟环境中进行更多的练习[6］．重要的是，分级暴露疗法的一个主要原则是，从患者最不害怕的动作开始，逐渐向他们最害怕的动作发展[16-18］．腰痛患者和高度害怕运动的患者不仅限制了前伸时躯干的运动量，还限制了他们弯曲躯干的速度[12］．因此，为了提高我们在整个干预过程中逐渐增加躯干机械需求的能力，我们试图创建一个新的游戏，要求与Dodgeality相似的躯干屈曲量，但速度要求较低。我们开发了一款虚拟捕鱼游戏，在此被称为“Fishality”，它旨在先于Dodgeality进行分级干预(图2B-2D)。在Fishality虚拟环境中，参与者站在一个码头上俯瞰一个池塘，他们的惯用手拿着一个篮子(在现实世界中由控制器跟踪)。鱼游向参与者，水面上方有一个指示器，提醒参与者有鱼靠近。然后，鱼从水中以高抛物线弧线向参与者跳去，参与者被指示在桶里抓住鱼。这种轨迹是为了给参与者更多的时间来反应，因此需要降低躯干弯曲速度。通过对弹道高度的规定和运动学方程的求解，可以计算出初始发射角和发射速度，以保证鱼在空间中拦截的4点与达到性和闪避性(图1)．

本研究的目的是比较健康对照参与者的可达性、闪避性和Fishality的腰椎运动学。我们的第一个假设是，在闪避期间，腰椎屈曲速度相对于在鱼性期间会增加。我们的第二个假设是，在不同的虚拟游戏中，腰椎屈曲的程度是一样的。虽然躲避性和鱼性的设计使发射物体的轨迹相交于可达性期间所呈现的4个静态目标位置中的每一个，但参与者可以在其轨迹上的任何点上拦截发射物体。考虑到物体的轨迹在躲避性和Fishality之间有显著的不同，观察到的腰椎运动学差异可能可以通过实际拦截位置的差异来解释(而不是最初获得轨迹的预期位置)。因此，我们提出了以下探索性的第三个假设:在Fishality和Reachality期间，参与者会比在Dodgeality期间向前进的方向延伸更远。

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方法

参加者及伦理考虑

共有31名健康、未受损害的参与者(16名男性，15名女性;平均年龄24.7岁，标准差3.3岁;平均体重76.05 kg，标准差12.24 kg;平均身高172.5 cm，身高9.8 cm)完成弗吉尼亚联邦大学人类研究保护计划(HM20014879)批准的知情同意程序，然后参加本研究。该研究的纳入标准要求所有参与者的年龄在18至35岁之间。怀孕或有脊柱或髋关节手术史，前6个月有腰痛，被诊断为神经系统、心血管或肌肉骨骼疾病，妨碍参与基于运动的VR游戏，酒精或药物依赖，严重视力障碍，或有晕车史，妨碍使用VR头戴式显示器的受试者被排除在外。

游戏

游戏玩法的顺序是固定的，即在可达性之后是Fishality，然后是Dodgeality。在可达性期间，参与者到达位于矢状面中部的虚拟目标，其高度理论上会引起15°、30°、45°和60°的独立躯干屈曲(图1) [21］．到达高度的顺序是固定的，从最高的目标开始，到最低的目标结束。在每个高度，参与者用右手完成5个攀爬，然后用左手完成5个攀爬。在到达两个高度之间大约休息15秒，在两个高度之间大约休息2分钟。每次到达目标时，参与者都被要求站直，直到虚拟目标的颜色变(红变绿)，之后他们被要求通过虚拟目标到达自己的手，并保持在那里2秒，这是计时的，并通过目标上方的状态栏可视化显示。2秒后，目标和状态栏消失，参与者被指示恢复直立姿势，等待下一个目标出现。

在Fishality过程中，参与者的右手拿着一个控制器，在虚拟环境中它被可视化为一个篮子，并被指示捕捉从水里跳出来的鱼，这些鱼沿着一条高抛物线弧线向他们游来。每条鱼的运动轨迹都是这样规定的，即鱼会在空间中拦截相同的4个点，这4个点在理论上用于引出15°、30°、45°和60°的独立躯干屈曲;然而，参与者并没有被告知沿着鱼的轨迹在哪里捕捉鱼。除了在不同的高度捕捉鱼，参与者偶尔会听到一个不祥的音频提示，接着是一条大鲨鱼从水里跳到他们的头部，他们被指示低头躲避鲨鱼。

在Dodgeality期间，参与者手持一个3d打印的躲避球，该球在虚拟环境中被跟踪和可视化，并被指导使用该球来阻挡4个对手向他们投掷的躲避球。同样，抛出的躲避球的轨迹被规定为与上述空间中的4个点进行拦截，参与者可以自由地在其轨迹上的任何一点拦截躲避球。躲避游戏还包括偶尔的躲避，参与者被要求在听到嘎嘎声时躲开飞来的躲避球，而且飞来的躲避球的颜色是黑色而不是红色。

每个参与者都玩了reach，然后是1级Fishality和1级Dodgeality。Fishality和Dodgeality分别由2组15个发射的鱼(或闪避球)组成，在4个目标高度和闪避中具有均等和随机分布。

仪表

使用14个摄像头的被动运动捕捉系统(Vero v1.3, Vicon motion Systems Ltd.)在100赫兹下以3D方式收集全身运动学信息，并在头部、胸椎、腰椎和骨盆以及双侧脚、小腿、大腿、手臂、前臂和手上放置刚性跟踪簇。每个刚性集群采用3D打印(Taz 6, LulzBot Inc.)，包含4-7个球形反反射标记(9.5毫米珍珠标记，B&L Engineering)，并使用魔术贴带(Fabrifoam ProWrap, Applied Technology International, Ltd.)固定在身体上。每个刚性集群的3D位置和方向以100hz的频率记录下来，并使用Vicon Tracker软件实时传输到传输控制协议(TCP)套接字端口。

使用运动监测软件(MotionMonitor xGEN, Innovative Sports Training Inc.)读取从2个嵌入力板(Bertec Inc.)获得的刚性簇运动学和动力学数据。在MotionMonitor xGEN中，通过使用包含5个反射标记的定制3d打印触控笔在安静姿势下数字化解剖标记来定义节段方向。然后在运动过程中跟踪6个自由度的节段，并使用在矢状面、正面面和横断面上旋转的欧拉角序列计算相邻节段之间的关节角。使用MotionMonitor xGEN记录每次试验的所有运动学和动力学数据，并导出用于进一步分析。

除了动作捕捉系统，参与者在Dodgeality期间还手持一个3d打印的躲避球，该球上配有一个无线HTC Vive追踪器(HTC America Inc.)，在Fishality期间，参与者的右手拿着一个HTC无线控制器。Vive跟踪器和控制器的3D位置和方向使用2个HTC基站进行跟踪，该基站发射红外光，被跟踪器和控制器上的多个光电二极管探测器感知，以确定方向。Vive跟踪器和控制器的运动学也通过SteamVR软件(Valve Inc.)近乎实时地传输到TCP套接字端口。

VR环境和游戏是使用Unity游戏引擎(3.9版本，Unity Technologies)定制的。Unity程序从TCP套接字端口从Vicon Tracker、MotionMonitor xGEN和SteamVR读取传入数据，并使用这些数据在虚拟环境中构建和控制参与者的化身。除了读取传入的数据，Unity程序还将数据发送到MotionMonitor xGEN关于游戏事件的时间(例如，当虚拟目标出现时，通过改变颜色提示到达，在Reachality期间第一次联系)。参与者使用HTC vive连接的头戴式显示器沉浸在虚拟环境中，该显示器以第一人称视角呈现他们的虚拟形象。头戴显示器的分辨率为1080 × 1200 /眼，刷新率为90 Hz，视场为110°。

分析

从MotionMonitor xGEN导出的关节运动学使用定制的MATLAB程序(版本2020a, MathWorks Inc.)进一步简化。使用41点四阶Savitzky-Golay滤波器对关节角度时间序列进行平滑和微分处理，该滤波器计算多项式系数来拟合数据的最小二乘解[22，23］．计算每次前伸动作的腰椎屈曲偏移量和峰值腰椎屈曲速度。由于是用右手钓鱼，所以对右手的关节运动学进行了评估，只对右手的到达试验进行了分析。在每次移动开始(例如，目标出现在触手性中，对手开始在闪避性中，鱼开始向参与者游来)和参与者接触目标(或鱼/闪避球)后200毫秒之间计算联合偏移和速度。目标没有被成功拦截的试验(即鱼没有被抓到篮子里)也包括在分析中，只要参与者对发射做出反应并试图拦截它。每次试验都由研究小组的一名成员进行视觉回顾，如果对发射目标的反应明显缺乏腰椎运动，该试验将被排除在分析之外。随着腰椎的偏移和速度，手的位置在目标接触计算相对于参与者的脚的中点。计算每个动作的结果，然后平均每个游戏的到达高度。

统计分析

使用Shapiro-Wilk检验对数据进行正性检验，然后对每个结果测量进行单独的2-way重复测量，以游戏性(可达性、Fishality和躲避性)和高度(目标位置15°、30°、45°和60°躯干弯曲)作为受试者变量。当不满足球形假设时，应用温室-盖瑟修正。计算每次方差模型分析的效应大小(通过部分eta平方值)，值大于0.25表示中等效应，值大于0.64表示强烈效应[24］．使用显著主效应的最小显著差异方法进行事后分析，并使用简单效应模型分析相互作用。显著性设置为。05的α水平，所有统计分析均使用SPSS(27版本，IBM Inc.)进行。

结果

重复测量方差分析的原始数据和结果在表1．对于每个结果，游戏与影响高度之间存在交互作用(图3,所有P<措施)。因此，我们使用事后简单效应模型(即单向方差分析)来比较不同冲击高度下的3个游戏。

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腰椎远足

在检查游戏类型对腰椎远足的影响时，发现每种预期冲击高度的影响是不同的。具体来说，在预期冲击高度1时，躲避性期间的腰椎屈曲偏移大于鱼性和可达性期间，鱼性期间的腰椎屈曲偏移大于可达性期间。在预期冲击高度2时，躲闪性和可达性时腰椎屈曲偏移更大。在预期冲击高度3时，两种游戏之间没有显著差异，但在预期冲击高度4时，可达性期间的腰椎屈曲偏移大于躲避性和鱼性期间。

腰椎弯曲速度

在测试游戏类型对腰椎屈曲速度的影响时，发现每种预期冲击高度的影响是不同的。具体来说，在预期的冲击高度1处，躲避性期间的腰椎屈曲速度大于鱼性和可达性期间，鱼性期间的腰椎屈曲速度大于可达性期间的腰椎屈曲速度。在预期的冲击高度2和3时，躲闪性时的腰椎屈曲速度大于鱼跃性和可达性时的腰椎屈曲速度。最后，在预期冲击高度4时，在躲避性和可达性期间，腰椎屈曲速度比鱼性期间更大。

影响的位置

对于垂直方向上的实际冲击位置，不同游戏之间的差异因预期冲击高度而异。在预期冲击高度1时，躲避性和鱼性期间的实际冲击位置低于可达性期间的实际冲击位置。在预期冲击高度2时，鱼跃性期间的实际冲击位置低于躲避性和可达性期间的实际冲击位置。在预期冲击高度3时，鱼性和可达性期间的实际冲击位置低于躲避性期间的实际冲击位置。最后，在预期冲击高度4时，可达性期间的实际冲击位置低于躲避性和可疑性期间的实际冲击位置，可疑性期间的实际冲击位置低于躲避性期间的实际冲击位置。在每个预期冲击高度，前后方向的实际冲击位置在可达性时期大于躲避性时期和躲避性时期，在躲避性时期大于躲避性时期。

讨论

基于游戏化运动的干预是一种很有前途的方法，用于LBP和高度运动恐惧患者的康复。我们的团队最近开发了Dodgeality，这是一款虚拟闪避球游戏，鼓励患者向前弯曲以阻挡对方球员向他们扔来的球。6］．虽然我们能够通过修改发射球的预期冲击位置来影响躯干弯曲的程度，但Dodgeality本质上是一款需要大移动速度的快节奏游戏。我们试图通过开发一款游戏来补充我们的VR游戏套件，鼓励患者以较慢的速度弯曲他们的躯干。因此我们开发了Fishality，这是一款新颖的VR游戏，在游戏中，鱼会以很高的抛物线弧线从水中跳出来，患者必须在鱼回到水中之前向前弯身去抓住鱼。

这项研究旨在比较Dodgeality、Fishality和标准化虚拟触手任务(Reachality)之间的运动生物力学。我们的第一个假设得到了支持，因为在闪避期间腰椎屈曲速度比在鱼性期间更大。虽然在每个预期的冲击高度上，Fishality期间的弯曲速度小于dodge期间的弯曲速度，但在更高的冲击高度(需要更少的运动)时，差异更大。具体来说，在预期冲击高度1时，腰椎屈曲速度降低了38%(躲避度:平均71.5°，标准差35.8°;鱼腥度:平均44.3°，标准差15.4°)和21%的预期冲击高度4(躲避度:平均88.7°，标准差35.3°;鱼性:平均70.2°，标准差23.7°)。我们的第二个假设没有得到支持，因为不同游戏之间的腰部运动是不同的。具体来说，对于更高的目标，Fishality相对于Dodgeality减少了13%-18%的腰椎运动，导致的运动幅度与Reachality更相似。目前还不清楚为什么在躲避过程中腰椎屈曲会增加以达到更高的目标;然而，由于躲避球发射的速度很快，参与者很可能在他们确定来球的目标之前就开始向下移动。 This finding suggests that Fishality is better than Dodgeality for manipulating trunk flexion during gameplay. As the magnitude of lumbar flexion and lumbar flexion velocity across VR games and impact heights were comparable between this study and prior research conducted in a real-world environment [12，21]，这项研究的发现很可能不是由于虚拟现实环境本身。这一观点的另一个证据来自先前的一项研究，该研究发现，在虚拟环境和现实环境中比较完成任务时，腰椎运动和速度的差异有限。15］．因为分级干预的主要目标是在整个干预过程中增加运动需求[16-18，调节腰部运动和速度的能力是必不可少的。因此，当考虑为低体力活动和高度害怕运动的LBP患者开发一个个性化的分级干预方案时，本研究的结果是令人鼓舞的。

这项研究的另一个重要发现是，参与者在玩闪避和Fishality游戏时，相对于在reach游戏中与目标接触时，他们的手不会伸向更远的地方。这一发现在直觉上是有意义的，因为在躲避球和鱼的过程中，弹丸(躲避球和鱼)可以在其轨迹上的任何点被拦截，从而获得成功的玩法(与在可达性中使用的静态目标位置相比)。在Fishality期间到达距离比在Dodgeality期间增加了，考虑到两款游戏的不同要求，这也是在意料之中的。具体来说，来袭的躲避球有一个平坦的轨迹，如果没有被阻挡，就会接触到参与者的身体，而来袭的鱼有一个高抛物线轨迹，如果没有被抓住，就会落在参与者和预定拦截目标之间的水中。基于这些发现，我们的VR游戏的功能修改，如拦截边界，可以引入，以确保在游戏过程中更大的向前移动，这将提高我们在所有目标高度的腰部弯曲的能力。

在解释研究结果时，应该考虑到这项研究的局限性。首先，由于我们的样本由年轻健康的参与者组成，这些发现应该在年龄和脊柱损伤范围广泛的参与者队列中重复，以确定研究结果的稳健性。然而，在这项研究中，我们有意纳入了健康的、没有损伤的参与者，以确保任务要求与我们开发VR游戏的方式一致。第二个潜在的限制是，游戏玩法顺序不是随机的，这可能会在我们的数据中引入顺序效应。然而，由于游戏被设计成以一种有序的方式用于干预目的，我们希望在此背景下调查移动行为。

总之，本研究试图在健康样本中比较虚拟躲避球游戏、新开发的虚拟捕鱼游戏和虚拟到达任务。我们发现，与闪避性相比，Fishality组的腰椎屈曲速度降低，而相似速度需求与自定速度到达任务(即到达性)更相似。这些发现对未来旨在为LBP和高度害怕运动的患者开发个性化、分级的VR干预措施的研究是鼓舞人心的。