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复杂的运动病理在本质上是生物心理社会的(例如,背部疼痛)需要一个多维的方法来有效的治疗。虚拟现实是一种很有前途的康复工具,可以将治疗干预游戏化,以促进和训练特定的运动行为,同时增加乐趣、参与度和留存率。我们之前已经创建了基于虚拟现实的工具,通过操纵静态和动态接触目标的位置,来评估和促进在到达和功能游戏任务时的腰部偏移。基于分级暴露康复的框架,我们创建了一种新的虚拟现实疗法,旨在改变运动速度,同时保留我们其他开发的运动促进特性。
本研究的目的是在健康对照队列中比较我们之前和新开发的虚拟现实工具的腰椎屈曲偏移和速度。
共有31名健康参与者(16名男性,15名女性)参加了3种游戏化虚拟现实疗法(即,Reachality, Fishality和Dodgeality),同时使用14个摄像头的动作捕捉系统在100 Hz下收集全身3D运动学。在每个虚拟现实任务中比较腰椎偏移、腰椎屈曲速度和前方和垂直方向的实际目标撞击位置,并在4个人体测量定义的预期目标撞击位置之间使用单独的2-way重复测量方差模型分析。
游戏与每个结果的影响高度之间存在交互作用(均P<.001)。事后简单效应模型显示,对于2个较高的冲击高度,在可达性和鱼性期间腰椎偏移相对于躲避性期间减少,但对于最低的冲击高度,在可达性期间比在鱼性和躲避性期间更大。腰椎屈曲速度峰值在躲避性时大于鱼性和跨高度可达性时。在躲避性和鱼性期间,相对于可达性期间,在较高的预期冲击位置,实际目标冲击位置较低,但在较低的预期冲击位置较高。最后,可达性的实际目标冲击位置比Fishality的目标冲击位置更前,Fishality的目标冲击位置比dodge的目标冲击位置更前。
在Fishality期间,腰椎屈曲速度相对于doddgeality期间有所降低,而相似速度的要求则更类似于自定速度的到达任务(即到达度)。此外,Fishality期间的腰椎运动和目标撞击位置与Reachality期间的更相似,而不是Dodgeality期间的,这表明这个新的虚拟现实游戏是一个塑形运动的有效工具。这些发现对于未来针对下腰痛和高度害怕运动的患者开发个性化和分级虚拟现实干预的研究是鼓舞人心的。
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[
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[
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[
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)[
不同VR游戏中使用的物理方程的示意图。根据人体测量学和躯干弯曲角(θ) 15°、30°、45°和60°计算每个受试者的四个目标接触位置(绿色),并在可达性期间作为静态目标显示。在躲避过程中,目标以恒定的初始速度(vo)发射,并修改发射角度(α)以确保发射轨迹拦截预定的目标接触位置。在Fishality期间,发射速度和角度被操纵以确保发射轨迹达到目标高度(H)并拦截预定目标接触位置。VR:虚拟现实。
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[
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。
可达性(A),鱼性(B)和闪避性(C)玩法的视觉描述,参与者控制的角色(D),以及实验期间收集的动作分析数据(E)。
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(
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。
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°。
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[
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[
重复测量方差分析的原始数据和结果在
结果衡量标准比较了不同游戏和影响高度。
结果测量 | 游戏 | 影响身高 | 游戏与冲击高度的互动 |
腰部运动(°) |
F (48) = 2.739
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F (1.4, 33.9) = 110.41
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F (2.9, 69.7) = 22.092
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腰椎速度(°/s) |
F (48) = 17.002
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F (1.4, 34.2) = 108.151
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F (3.4, 82.6) = 9.366
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前后撞击位置(m) |
F (1.4, 32.4) = 136.48
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F (72) = 29.704
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F (4.1, 97.9) = 12.188
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垂直冲击位置(m) |
F (1.6, 37.8) = 16.653
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F (2.1, 51.1) = 493.625
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F (3.8, 91.0) = 150.701
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研究结果比较了预期影响高度(IH1-IH4)和虚拟现实游戏(可达性、鱼性和闪避性)。误差条表示1个标准差。a: Dodgeality和Fishality有显著差异;b: Dodgeality与可达性有显著性差异;c: Fishality和Reachality差异显著。
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。
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。
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。
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。
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 [
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。
腰痛
传输控制协议
虚拟现实
JST、CRF和PEP开发了测试范式,负责项目概念化,并提供了实验室空间;ATP、SvdV和AS进行数据采集;ATP、SVDV、AS进行数据分析;ATP撰写了手稿;SvdV、AS、PEP、CRF和JST对作品进行校对。
没有宣布。