本文内容如下e-collection /主题问题:

游戏开发(43) 虚拟现实和虚拟世界(332) 健康和医学的严肃游戏(460) 新方法(629) 可穿戴设备和传感器(609)

发表在在第10卷第4期(2022):10 - 12月

本文的预印本(早期版本)可在https://preprints.www.mybigtv.com/preprint/37938，首次出版。
基于头戴式显示器的虚拟现实引起的晕屏对生理反应的影响:横断面研究

基于头戴式显示器的虚拟现实引起的晕屏对生理反应的影响:横断面研究

基于头戴式显示器的虚拟现实引起的晕屏对生理反应的影响:横断面研究

本文作者:

金允相1 作者:Orcid； JuHye赢得2 作者:Orcid； Seong-Wook张成泽3. 作者:Orcid； Junho Ko4 作者:Orcid
文章 作者 引用的 Tweetations (3) 指标

    原始论文

    1韩国天安市韩国科技教育大学计算机科学与工程系生物工程应用技术研究所生物计算实验室

    2韩国天安市韩国科技教育大学计算机科学与工程系生物计算实验室

    3.独立生活辅助技术研究小组，国立康复研究所，首尔，韩国

    4AirPlug Ltd，首尔，大韩民国

    通讯作者:

    尹相金博士

    生物工程应用技术研究所生物计算实验室

    计算机科学与工程系

    高丽技术教育大学

    东南区炳川面忠铁路1600号

    Cheonan-si 31253

    大韩民国

    电话:82 0415601496

    电子邮件:yoonsang@koreatech.ac.kr


    背景:尽管越来越多的人因为虚拟现实(VR)的普及而晕机，但迄今为止还没有关于晕机的原因和减少的官方标准。其中一个主要原因是还没有建立一个客观的方法来评估晕动症。为了解决这个问题，有必要研究如何用可以实时测量的生理反应来评估晕动病。由于能够评估晕动症的生理反应的研究尚处于早期阶段，因此需要进一步研究各种生理反应。

    摘要目的:本研究分析了基于头戴式显示器的VR引起的晕屏对生理反应的影响。

    方法:我们开发的内容为用户提供了第一人称视角的飞机，该飞机通过预定的轨迹在城市上空移动(带有平移和组合旋转)。在实验中，研究人员测量了参与者的晕动症和生理反应。晕屏病采用模拟晕机问卷(SSQ)进行评估。测量的生理反应包括心率、血压、体温和皮质醇水平。

    结果:我们的测量证实，所有SSQ得分显著增加(所有PS < 0.05)。心率和皮质醇水平显著升高(P=。01和P=。001年,分别)。体温也有所升高，但差异无统计学意义(P= .02点)。收缩压和舒张压明显下降(P=措施)。

    结论:研究结果表明:(1)晕动症对大学生定向障碍的影响显著，应关注影响定向障碍的因素;(2)适合测量晕动症的生理反应是心率和皮质醇水平。

    JMIR严肃游戏2022;10(4):e37938

    doi: 10.2196/37938

    关键字

    cybersickness； 生理反应； 虚拟现实； 虚拟现实； 头盔显示装置； 心率； 皮质醇


    最近头戴式显示器(hmd)和运动跟踪设备等技术的发展使虚拟现实(VR)的研究变得活跃。VR应用于游戏、教育、医疗、医疗等多个领域。1］．虽然虚拟现实可以通过提供身临其境的体验来提高用户的注意力，但一些用户可能会出现晕动病，这是一种晕动病[2］．

    最著名的解释晕动病的理论是感觉冲突理论。根据感觉冲突理论，晕动病是由前庭感觉和身体运动的视觉感知不协调引起的[3.-6］．此外，根据感觉冲突理论，晕动病分为运动诱发型晕动病和视觉诱发型晕动病。根据外界环境，MIMS进一步分为汽车病、船舶病和空中(飞行)病[7-10]，而VIMS根据显示设备又分为模拟器晕动病和网络晕动病[11，12］．模拟器晕动病是在飞行和驾驶等虚拟训练中引起的[13-15]，而网络晕动病是在与真实环境完全不同的虚拟环境中引起的[16］．

    虽然越来越多的人因为VR的普及而晕机，但迄今为止还没有关于晕机的原因和减少的官方标准。其中一个主要原因是还没有建立一个客观的方法来评估晕动症。呕吐已被用作晕动病的诊断标准，因为其他症状难以定量评估[17］．然而，由于有些晕车并不伴有呕吐，晕车评估问卷(MSAQ) [18]及模拟器病问卷(SSQ) [19被建议用来评估晕动病的症状。MSAQ在传统的晕动病研究中被广泛使用;然而，它不适合VIMS评估。SSQ是在MSAQ基础上优化而来的，主要关注VIMS，主要用于评估模拟器病和晕动病的研究。尽管SSQ成本低且易于使用，但其客观性值得怀疑，且难以实时实现[20.，21］．

    为了解决这一问题，需要研究利用可实时测量的生理反应来评估晕动病[22，23］．从生理反应的角度来评估晕动症，有必要找出与晕动症相关的因素。传统研究已经报道了生理反应，例如脑电图的特定频率功率带[24-26]，胃肠活动[27]，心率[28-30.]和皮肤电导[31]，可以用来评估晕动症。特别是，据报道，心率与播放视频时的压力任务有关[29，30.］．尽管传统上对晕动病的研究非常广泛，但这个问题仍然存在于基于hmd的VR环境中。32］．许多验证实验是必要的，以推广这些生理反应。由于得出能够评估晕动病的生理反应的研究尚处于早期阶段，因此还需要进一步研究各种生理反应。因此，本文研究了基于hmd的VR引起的晕动病对生理反应的影响。


    设计与设置

    我们做了一个实验，参与者在环境中观看基于hmd的VR内容图1。

    对内容本身影响的传统研究表明，旋转运动比线性运动更容易引起晕动病[33]并且超过一个轴的旋转比一个轴的旋转更容易引起晕车[34，35］．基于这些传统研究，我们开发了基于hmd的VR内容，使用Unity 3D (Unity Technologies)故意引起晕动症[36］．此外，暴露时间越长，晕屏程度越高，因此将开发内容的播放时间设置为测量生理反应所需的最小时间。

    开发的内容为用户提供了一架飞机的第一人称视角，该飞机通过预定的轨迹在城市上空移动(带有平移和组合旋转)。

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    图1所示。实验环境。HMD:头戴式显示器;VR:虚拟现实。
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    问卷，变量和设备

    SSQ [19用来评估晕动症。本问卷由16个问题组成，3个分量表对应症状群(恶心、动眼症和定向障碍)。每个问题以0到3分的4分制进行测量。总分代表晕动病的完整症状水平。分数越高，晕动病越严重。

    在对韩国人进行的一项实验中[37研究证实，在基于hmd的环境中，与基于屏幕的环境相比，SSQ显著增加，这表明它在测量晕动症方面可能具有有效性和可靠性。

    晕动病的发生与自主神经系统密切相关[38］．因此，在本实验中，我们测量了与自主神经系统相关的生理反应，以检验与晕动病相关的反应是否适用于基于hmd的晕动病。我们测量了与自主神经系统相关的以下生理反应:心率、血压、体温和皮质醇水平。测量血压为2个值:收缩压和舒张压。收缩压表示心脏收缩时动脉的最高压力，舒张压表示心脏再次收缩前动脉的最低压力。用数字体温计测量体温。在天安医院的临床医生的帮助下，从2分钟内采集的4毫升血液中测量了在压力下产生的皮质醇。39］．

    实验中使用的头显是HTC Vive (HTC Corporation) [40］．为了尽量减少前庭感觉的影响，除了头部的平移和旋转外，我们还控制了身体的运动。

    参与者

    共16名本科生和研究生(男:n=8, 50%;女性:n=8, 50%)参加了实验。参与者没有与神经系统、自主神经系统和视觉系统相关的问题史。此外，建议睡眠时间超过8小时，以防止参与者对晕屏的敏感度增加[41］．在参与之前，我们解释了实验的目的，然后获得书面同意参与。

    程序

    实验过程包括前实验、实验和后实验3个步骤，如图所示文本框1。在实验前，测量被试的SSQ和生理反应。

    在实验阶段，参与者观看了我们在设计阶段开发的基于hmd的VR内容。参与者坐着不动地观看VR内容。通过让参与者只专注于观看VR内容，我们确保他们的压力水平只受到晕屏的影响。

    在实验后的步骤中，测量了参与者的生理反应和SSQ结果。每步2分钟，实验总时间为10分钟。

    实验程序。

    Pre-experiment一步

    • 模拟晕机问卷(SSQ)测量(2分钟)
    • 生理反应测量(2分钟)

    实验

    • 基于头戴式显示器的虚拟现实内容观看(2分钟)

    Postexperiment一步

    • 生理反应测量(2分钟)
    • SSQ测量(2分钟)
    文本框1。实验程序。

    数据分析

    我们使用SPSS Statistics (version 21;IBM公司)[42］．实验测量的数据包括SSQ项目、心率、体温、血压和皮质醇。统计分析(配对t应用Test)来发现实验前和实验后测量数据之间的显著差异。实验前后的SSQ分数进行了比较，以检测晕屏的存在。如果发现了，我们分析了在基于hmd的环境中，每种生理反应与晕屏病的关系。

    伦理批准

    该研究获得了高丽技术教育大学机构审查委员会(IRB-17122602)的批准。


    SSQ分析

    实验前后的SSQ得分见图2。在实验前，恶心、动眼病、定向障碍和总分的SSQ平均得分分别为4.17、15.63、5.22和10.75。实验后分别为32.79、38.77、64.38、49.32。从测量结果来看，证实所有SSQ得分均显著增加，见表1(所有P< . 05)。这表明观看基于hmd的VR内容的参与者会经历晕屏。

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    图2。SSQ得分在实验前和实验后测量。SSQ:模拟器病问卷。
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    表1。在实验前和实验后测量模拟病问卷得分。
    生理反应 实验前评分，平均值(SD) 实验后评分，平均值(SD) t（df） P价值
    恶心想吐 4.17 (6.94) 32.79 (34.30) -3.48 (15) .003一个
    眼球运动的 15.63 (16.01) 38.77 (24.97) -3.37 (15) 04一个
    定向障碍 5.22 (10.01) 64.38 (58.15) -3.93 (15) 措施一个
    总计 10.75 (11.74) 49.32 (38.00) -3.89 (15) 措施一个

    一个重要的P值。

    生理反应分析

    在实验前和实验后测量的生理反应如图所示表2。实验前后的平均心率分别为78.06 bpm和83.50 bpm。我们的测量结果证实心率显著增加(P= . 01;图3）.这意味着当观看基于hmd的VR内容的参与者经历晕动时，心率会增加。

    表2。实验前后的生理反应。
    生理反应 实验前评分，平均值(SD) 实验后评分，平均值(SD) t（df） P价值
    心率(bpm) 78.06 (7.71) 83.50 (10.41) -2.92 (15) . 01一个
    皮质醇(ug / dl) 7.75 (2.62) 10.59 (4.12) -4.72 (15) 措施一个
    体温(℃) 37.10 (0.28) 37.14 (0.21) -1.33 (15) .20
    血压(mmHg)

    		收缩压 130.81 (18.84) 117.31 (15.78) 5.43 (15) 措施一个

    		舒张压 76.69 (9.30) 67.50 (11.90) 4.43 (15) 措施一个

    一个重要的P值。
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    图3。在实验前和实验后测量的心率。
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    实验前后的平均皮质醇水平分别为7.75 ug/dl和10.59 ug/dl。我们的测量证实皮质醇水平显著上升(P=措施;图4）.这意味着当参与者感到晕机时，皮质醇水平会上升。

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    图4。在实验前和实验后测量皮质醇水平。
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    实验前后平均体温分别为37.10℃和37.14℃。根据测量结果，体温升高(图5)，但差异无统计学意义(P= .20)。

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    图5。在实验前和实验后测量体温。
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    实验前后平均收缩压分别为130.81 mmHg和117.31 mmHg，舒张压分别为76.69 mmHg和67.50 mmHg。根据测量结果，收缩压和舒张压明显下降(P=措施;图6）.这意味着当参与者经历晕屏时，他们的血压会下降。

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    图6。在实验前和实验后测量血压。
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    主要研究结果

    本文研究了人们在观看基于hmd的VR内容时晕机对生理反应的影响。为此，我们对实验前后SSQ得分和生理反应(分别使用问卷和测量)进行了统计分析。

    在实验前和实验后进行SSQ评分分析，以评估基于hmd的VR内容是否会导致晕屏。根据先前评估各种晕动病的研究[21]、MIMS(汽车、轮船和飞机)、模拟器病和晕机病分别在恶心、动眼病和定向障碍方面增加最多。在这项研究中，我们发现晕机患者的定向障碍增加最多。这一结果与其他研究结果相吻合表1和图2）.这表明，当没有由身体运动引起的前庭刺激，而通过HMD引起的视觉刺激引起晕机时，会发生明显的定向障碍。这意味着在观看基于hmd的VR内容时，由于迷失方向而导致的行走事故的次要风险以及晕机的主要风险。因此，我们认为减少晕屏的研究应该集中在定向障碍上。

    在实验前和实验后进行生理反应分析，以评估晕机引起的生理反应。晕机对参与者的心率、血压和皮质醇水平有显著影响(表2）.心率和皮质醇水平与压力密切相关。心率由心-体联动假说和心-体分离假说分别解释[43］．心脏-身体联系假说认为，当一个人锻炼时，他们的新陈代谢会增加，从而导致他们的心率增加。与心-体连接假说相比，心-体分离假说更合理地解释了在静止状态下晕动症的存在。身心分离假说认为，当一个人处于压力之下时，他们的新陈代谢会加快，心率也会成比例地加快。传统研究[29，30.一项关于心率和压力的研究发现，当参与者观看一段被分配为压力任务的视频时，他们的心率会增加。在这项研究中，我们发现心率增加(图3)和皮质醇水平(图4)。我们认为晕屏伴随着压力，伴随着压力，心率会增加，这证实了之前的研究结果。一般来说，大家都知道血压(图5)随着心率的增加而增加。然而，在我们的研究中，血压随着心率的增加而降低。这是因为中枢神经系统会引起血压反应[3.-6由于晕动病是自主神经系统由于前庭感觉和中枢神经系统视觉不协调而产生的异常适应[44，45］．因此，我们认为晕机引起的血压变化与心率和血压之间的一般相关性不同。综上所述，我们发现可以客观衡量晕动病的生理反应是心率和皮质醇水平。

    限制

    参与者(n=16)的数量太少，不足以概括统计上的生理反应，尽管他们适合检测对晕屏的生理反应。晕屏症对性别、年龄、虚拟现实适应(体验次数)非常敏感。然而，本研究没有考虑这些变量，因为我们的目的是在各种生理反应中找到可以客观衡量晕动病的生理反应。除了本研究中发现的生理反应外，后续研究还应考虑参与者的经历次数、性别、年龄和VR适应。

    结论

    我们分析了基于hmd的VR内容引起的晕屏对生理反应的影响。测量心率、体温、皮质醇水平和血压，分析SSQ评分和生理反应。共有16名参与者坐在座位上观看了基于hmd的VR内容，并且没有移动，以确保他们的注意力只集中在观看VR内容上，这是为了故意引起晕屏。

    分析结果表明:(1)晕动症对大学生定向障碍的影响显著，对晕动症的研究应关注影响定向障碍的因素;(2)适合测量晕动症的生理反应是心率和皮质醇。这意味着心率和皮质醇水平可以作为客观评估晕屏的实时因素。

    致谢

    这项工作由韩国政府(科学和信息通信技术部)资助的韩国国家研究基金会资助(NRF-2020R1F1A1076114)。本文得到了高丽技术教育大学2021年度教育研究促进计划的部分支持。

    数据可用性

    本研究中产生或分析的所有数据都包含在这篇发表的文章中。

    利益冲突

    没有宣布。

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    头盔显示器:头戴显示设备
    mim项目:运动引起的晕车
    MSAQ:晕动病评估问卷
    SSQ:模拟病问卷
    VIMS:视觉晕车
    虚拟现实:虚拟现实

    编辑:N Zary;提交12.03.22;R Ciorap, K Toko的同行评审;对作者的评论28.04.22;收到06.07.22修订版本;接受21.07.22;发表17.10.22

    版权

    ©金允相，元珠惠，张成旭，高俊浩最初发表于JMIR严肃游戏(https://games.www.mybigtv.com)， 17.10.2022。

    这是一篇基于知识共享署名许可(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)的开放访问文章，该许可允许在任何媒体上不受限制地使用、分发和复制，前提是原始作品首先在JMIR Serious Games上发表，并适当引用。必须包括完整的书目信息，到https://games.www.mybigtv.com上原始出版物的链接，以及版权和许可信息。
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