Conceptualizare roluri, curatare date, analiză formală, achiziție de finanțare, investigație, metodologie, administrare proiect, resurse, software, supraveghere, validare, vizualizare, scriere - schiță originală, scriere - revizuire și editare

osoase

Adresa actuală: Departamentul de Kinesiologie, Universitatea din Waterloo, Ontario, Canada

Departamentul de afiliere pentru psihologie, Universitatea Queen’s, Kingston, Ontario, Canada

Roluri Conceptualizare, Analiză formală, Investigație, Administrare de proiecte, Software, Vizualizare, Scriere - revizuire și editare

Adresa actuală: Institutul de Biomateriale și Inginerie Biomedicală, Universitatea din Toronto, Ontario, Canada

Centrul de afiliere pentru studii de neuroștiințe, Universitatea Queen’s, Kingston, Ontario, Canada

Conceptualizarea rolurilor, achiziționarea de fonduri, investigații, metodologie, administrarea proiectelor, resurse, software, supraveghere, scriere - revizuire și editare

Departamentul de Psihologie, Universitatea Queen's, Kingston, Ontario, Canada, Centrul pentru Studii Neuroștiințifice, Universitatea Queen's, Kingston, Ontario, Canada, Departamentul de Biologie, Universitatea Queen's, Kingston, Ontario, Canada, Școala de Calcul, Universitatea Queen, Kingston, Ontario, Canada

  • Seamas Weech,
  • Jae Moon,
  • Nikolaus F. Troy

Cifre

Abstract

Citare: Weech S, Moon J, Troje NF (2018) Influența vibrațiilor osoase asupra bolii simulatorului în realitatea virtuală. PLoS ONE 13 (3): e0194137. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0194137

Editor: Thomas A. Stoffregen, Universitatea din Minnesota, STATELE UNITE

Primit: 19 iulie 2017; Admis: 9 februarie 2018; Publicat: 28 martie 2018

Disponibilitatea datelor: Toate fișierele de date au fost puse la dispoziția publicului. Adresa URL a acestui set de date este următoarea: http://dx.doi.org/10.5683/SP/FNFGDU. DOI pentru acest set de date este după cum urmează: 10.5683/SP/FNFGDU.

Finanțarea: Această lucrare a fost finanțată de Discovery Grant de la Consiliul de Cercetări în Științe Naturale și Inginerie din Canada (CRSNG, numărul de grant 298198-11-388699, URL: http://www.nserc-crsng.gc.ca/Professors-Professeurs/Grants- Subs/DGIGP-PSIGP_eng.asp) acordat NFT și o bursă NSERC pentru colaborare în cercetare și formare profesională (numărul grantului 575375, URL: www.nserc-crsng.gc.ca/Professors-Professeurs/Grants-Subs/CREATE-FONCER_eng. asp) acordat NFT. Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de publicare sau pregătirea manuscrisului.

Interese concurente: Autorii au declarat că nu există interese concurente.

Introducere

Recent, progresele tehnologice au susținut o proliferare de dispozitive hardware de realitate virtuală (VR) ieftine și puternice. Această avansare creează o nevoie urgentă de a rezolva unele dintre problemele cheie ale expunerii la VR. Poate că principala problemă este un fenomen cunoscut sub numele de „boală simulatoare” (cunoscută și sub numele de „cybersickness” [1-2]). Aproximativ 80% dintre utilizatorii VR prezintă de obicei unele simptome de boală, cu până la 50% simptome cu o gravitate atât de mare încât sunt obligați să încheie o sesiune de VR timpuriu [3]. Cele mai frecvente efecte adverse ale imersiunii în mediul virtual includ greață, dureri de cap, transpirații și vărsături. Aceste simptome pot persista câteva ore după expunerea la mediu [4-5]. Simptomele sunt adesea suficiente pentru a-i obliga pe utilizatori să evite în continuare utilizarea VR complet [6-7]. Având în vedere că tehnologia VR oferă o metodă valoroasă de utilizare în formarea competențelor, educație și reabilitare clinică, au existat o cantitate substanțială de cercetări privind cauzele bolii simulatorului în VR [3].

Cauzele bolii simulatorului

Tehnici pentru reducerea bolii simulatorului

Abordarea de recuplare vizual-vestibulară a bolii simulatorului a condus la dezvoltarea unor dispozitive GVS preliminare orientate către consumator [35]. Cu toate acestea, rămân o serie de probleme practice în ceea ce privește utilizarea GVS în experiențele VR. Cercetările anterioare indică faptul că utilizarea GVS este asociată cu simptome de disconfort la unii utilizatori sănătoși [36]. Pentru anumite persoane, cum ar fi utilizatorii de stimulator cardiac, există riscuri grave implicate în aplicarea stimulării curentului direct pe suprafața corpului, așa cum este cazul GVS [37]. Un obstacol suplimentar în calea adoptării pe scară largă a GVS este potrivirea precisă dintre viziune și stimularea vestibulară necesară pentru a înlocui cu precizie semnalele vestibulare așteptate. Micile erori între indicii direcționale derivate din vedere și cele care sunt aplicate utilizând GVS ar putea genera neconcordanțe senzoriale care afectează semnificativ performanța și confortul [37].

Rezultatele lucrărilor anterioare efectuate de grupul nostru [44] au furnizat dovezi puternice că BCV - o stimulare a otolitului [38, 43] - facilitează vecția mai rapidă atunci când este aplicată în condiții în care nu ar fi de așteptat nici o stimulare a otolitului (de exemplu, axa verticală). Această constatare indică un efect general al BCV asupra procesării vestibulare, pe care l-am atribuit unei reduceri a fiabilității vestibulare. Același studiu contestă, de asemenea, posibilitatea ca stimularea vestibulară zgomotoasă să mascheze pur și simplu intrarea în organele vestibulare, deoarece am observat efecte similare între BCV (otolit) și GVS zgomotoase (stimulare aferentă vestibulară nespecifică [48]). În contextul relației dintre conflictul senzorial și boala simulatorului propus de Reason și Brand [13], ne-am așteptat că reducerea fiabilității vestibulare în acest mod va da naștere la un conflict redus și la un confort îmbunătățit în VR. Am proiectat studiul actual pentru a testa această posibilitate.

Obiectivele studiului

Scopul studiului actual a fost de a utiliza BCV ca o tehnică nouă pentru reducerea bolii simulatorului. Am testat efectul a două versiuni de BCV asupra bolii simulatorului, în timp ce participanții au finalizat o sarcină de navigare pe căi, bogată în auto-mișcare simulată. Am cuplat momentul stimulării BCV la accelerații unghiulare vizuale într-o condiție, iar în cealaltă condiție am aplicat BCV la intervale aleatorii.

Pe lângă obiectivul nostru principal, au existat două obiective secundare ale studiului actual. În primul rând, ne-am propus să testăm dacă BCV a redus boala simulatorului atât în ​​condiții de control al mișcării active, cât și pasive; adică atunci când participanții își controlează propria mișcare în mediul VR și când se mișcă pasiv prin mediu. Gradul de control al mișcării pe care îl exercită participanții în VR este de obicei legat de măsurile bolii simulatorului [49-51]. Am fost interesați în principal de acest factor din cauza prevalenței simulării pasive de auto-mișcare în experiențele VR orientate spre consumator [23]. În al doilea rând, am vrut să evaluăm dacă creșterea liniară tipică a severității simptomelor observată în timp în timpul expunerii la VR [52-54] ar fi afectată de stimularea BCV.

În Experimentul 1, am proiectat o sarcină de navigație VR pentru a testa efectul BCV asupra bolii simulatorului. Având în vedere legătura propusă între boala simulatorului și erorile în estimările vizuale și vestibulare de auto-mișcare [12-13], am proiectat o sarcină de navigație spațială care presupunea mișcarea simulată a observatorului. Pentru a prezenta sarcina, am folosit un sistem VR bazat pe proiecție high-end cu urmărirea mișcării. În trei grupuri, fie: 1) am aplicat BCV când fluxul vizual a implicat accelerații unghiulare mai mari de 3 grade/s 2, 2) s-a aplicat BCV aleatoriu pe tot parcursul studiului sau 3) nu s-a aplicat nicio stimulare. În toate condițiile, participanții au efectuat atât teste active (participantul a controlat mișcarea), cât și teste pasive (mișcare automată). După fiecare test am măsurat boala simulatorului folosind SSQ. Am fost interesați de efectul general al stimulării asupra scorurilor SSQ, dar am vrut, de asemenea, să evaluăm dacă creșterea bolii simulatorului într-o serie de studii ar diferi pentru participanții care au primit stimulare BCV.

În Experimentul 2, am reprodus îndeaproape condițiile de activitate din Experimentul 1 cu un afișaj montat pe cap, de tip raft. Scopul nostru a fost de a caracteriza gradul în care stimularea vestibulară zgomotoasă este eficientă în prevenirea bolii simulatorului în diferite tehnologii de afișare VR.

Declarație de etică

Consiliul de etică pentru cercetarea generală a Universității Reginei (GREB) a aprobat această cercetare și toate metodele au fost în conformitate cu Declarația de la Helsinki. La sosirea la laborator, fiecare participant a furnizat consimțământul informat verbal și scris înainte de a completa orice chestionar. La sfârșitul experimentului, participanții au fost informați verbal și li s-a dat un formular scris de informare completat cu informații de contact pentru Universitatea Queen’s GREB. În conformitate cu legea federală a Queen's University și legea federală canadiană, nu am solicitat acordul părinților de la participanții care aveau sub 18 ani la momentul participării lor la acest studiu, deoarece studenții postliceali sunt considerați capabili să își dea propriul consimțământ. în Canada. Universitatea Queen’s GREB a aprobat această procedură de consimțământ. Toate variabilele relevante și analizele efectuate pe date sunt raportate în articol.

Experimentul 1

Metode

Participanți.

Participanții au fost recrutați dintr-o listă de corespondență a studenților la Universitatea Queen’s. A priori, am ales o dimensiune a eșantionului dorită de treizeci de participanți și am ales să înlocuim participanții care nu au putut finaliza experimentul până când această dimensiune a eșantionului nu a fost îndeplinită. Treizeci de participanți (22 de femei) au finalizat experimentul. Patru participanți au încheiat experimentul devreme din cauza unui nivel ridicat al bolii simulatorului, iar datele lor nu au fost incluse în analizele finale. Fiecare participant a primit 10 USD pe oră. Vârsta medie a fost de 19,80 ani (SD = 2,46, interval = [18, 27]). Toți participanții au avut o viziune normală sau corectată la normală.

Participanților li s-a pus următoarea întrebare înainte de a participa la studiu: „În viața de zi cu zi, cât de probabil aveți de suferit de boală de mișcare? (de exemplu, atunci când călătoriți într-o mașină sau avion) ​​”. Răspunsurile au fost date prin indicarea unui punct pe o scară de la 0 la 10 cu ancore de „Deloc probabil” și „Extrem de probabil”. Cei care au marcat 9 sau 10 ar fi fost sfătuiți să nu participe la studiu, deoarece am considerat că este probabil ca acești participanți să experimenteze disconfort sever în experiment. Cu toate acestea, nu am obținut răspunsuri peste 8 în acest studiu.

Stimul vestibular.

Am asigurat vibratoarele osoase (Radioear B-71, New Eagle, PA) la procesele mastoid stânga și dreapta folosind o bandă elastică. Semnalul de tensiune utilizat pentru acționarea vibratoarelor a fost livrat folosind o placă de sunet atașată la un amplificator audio personalizat.

Există un domeniu de reglare a frecvenței bine definit pentru BCV: vibrațiile între 200 și 500 Hz produc cele mai mari potențiale miogene [40]. În experimentele noastre, vibratoarele au funcționat la o frecvență de 500 Hz. Fiecare explozie de stimulare a durat 250 ms. Am selectat o magnitudine BCV standard bazată pe magnitudinea stimulării care a produs un efect asupra percepției de auto-mișcare într-un studiu anterior pe care l-am realizat asupra percepției de auto-mișcare [44]. Dacă intensitatea stimulării BCV a fost incomodă pentru participant, am redus-o în mod incremental până când a atins nivelul pe care participantul la evaluat verbal ca „tolerabil”. Acest lucru a fost important având în vedere că magnitudinea vibrațiilor la nivelul osului depinde de o varietate de factori, inclusiv de forma și dimensiunea capului participantului [38-39].

Stimul vizual.

Am creat sarcina și stimulul vizual în Vizard (versiunea 5.0, WorldViz LLC, Santa Barbara, CA) folosind limbajul de programare Python (versiunea 2.7). Planul de sol a fost texturat cu iarbă (dimensiuni: 350 x 100 metri). O pistă de aeroport a fost poziționată în centrul planului de sol (dimensiuni: 350 x 5 metri) pentru a acționa ca un cadru de referință pentru participanți. Am generat o cale pentru ca participanții să navigheze prin poziționarea a 30 de ținte sferice în mediu (figura 1). Țintele au fost colorate la întâmplare, fiecare avea un diametru de 1 metru și fiecare a fost poziționată la 3 metri deasupra planului de la sol. Calea a constat din două cicluri laterale ale unei unde sinusoidale (dimensiuni: 315 x 80 metri, formula pentru calea poate fi specificată ca: y = 40 sin (2 π x/157,5), unde y este stânga-dreapta și x este înainte-înapoi).

A) Detaliu al mediului virtual văzut de participanți. B) Vedere de sus în jos a secțiunii inițiale a căii. Participanții au început fiecare test la X. (Țintele sunt mărite de 10 ori pentru a ajuta vizibilitatea).

Participanții și-au navigat prin mediul virtual folosind un controler portabil (Flystick3, Advanced Realtime Tracking, Weilheim i.OB, Germania) care a fost urmărit de un sistem optic de urmărire a mișcării. Camera de proiecție a menținut o viteză constantă de 5,5 m/s în direcția de direcție, iar direcția de direcție a fost controlată de orientarea controlerului portabil. Unghiul de rotație al controlerului în pitch, roll și yaw măsurat în grade în coordonatele lumii a specificat direct viteza unghiulară a camerei (măsurată în grade pe secundă) în fiecare axă. De exemplu, dacă controlerul a fost ținut la un unghi de 10 grade în pas, viteza unghiulară a camerei în pas a fost setată la 10 grade/s. Participanții au fost familiarizați cu metoda de control într-un singur studiu de practică înainte de experiment.

Sistem de realitate virtuală.

Proiecta.

Tipul de BCV experimentat a fost conceput ca un factor între subiecți, cu trei niveluri. În grupul de control, nu am aplicat nici o stimulare sistemului vestibular. În primul grup experimental am aplicat stimulare sistemului vestibular atunci când accelerația unghiulară a camerei de proiecție a atins un prag (3 grade/s 2). (De aici ne vom referi la aceasta ca „grupul cuplat”, deoarece BCV a fost cuplat la accelerația unghiulară a camerei.) În al doilea grup experimental am aplicat stimulare sistemului vestibular la intervale aleatorii cu o frecvență medie de apariție a 0,9 Hz. Am selectat această frecvență pentru a se potrivi cu frecvența de apariție a stimulării pentru participanții din grupul „cuplat” în timpul unui experiment pilot. Ca urmare, participanții la acest grup au primit aproximativ 80 de impulsuri de BCV în timpul unui singur studiu. (De aici ne vom referi la acest lucru drept grupul „aleatoriu”; adică BCV la intervale aleatorii). În acest experiment, numărul impulsurilor de vibrație experimentate de participanții la acest grup nu a fost semnificativ diferit de 80 (un eșantion t-test, p = .29).

Dacă participanții au primit sau nu controlul asupra traiectoriei lor de zbor a fost conceput ca un factor al subiecților cu două niveluri. În jumătate din încercări, participantul a navigat activ pe cale folosind controlerul de mișcare (denumim această condiție „activă”). În cealaltă jumătate a studiilor, participantul a călătorit pasiv prin mediul înconjurător, în funcție de traiectorii de mișcare preînregistrate pe care le-am obținut dintr-un experiment pilot (numim această condiție „pasivă”).

Procedură.

Participantul a intrat în cameră și i s-a spus scopul sarcinii și a instruit cum să utilizeze controlerul de mișcare pentru a naviga. Participantul a fost așezat pe un scaun astfel încât ochii participantului au fost poziționați la aproximativ 148 cm de ecranul de proiecție fronto-paralel și la aproximativ 50 cm deasupra ecranului de jos. Experimentatorul a poziționat vibratoarele osoase pe piele la procesele mastoide și a asigurat plasarea simetrică pe ambele părți ale capului. O bandă elastică a fost folosită pentru a menține vibratoarele staționare. În această etapă, participantului i sa prezentat magnitudinea standard a BCV, iar experimentatorul a ajustat și a înregistrat magnitudinea, dacă este necesar.

Un proces a început cu prezentarea unei viziuni statice a scenei vizuale. Experimentatorul a apăsat apoi un buton de pe tastatură pentru a începe mișcarea camerei de proiecție. În funcție de faptul dacă blocul conținea încercări „active” sau „pasive”, participantul ar începe să navigheze pe cale folosind controlerul de mișcare sau ar începe să călătorească pasiv prin mediu.

Participanții au completat un chestionar pentru boala simulatorului (SSQ) după fiecare proces. Aceasta a implicat o listă de control cu ​​16 simptome, cum ar fi „greață”, „oboseală” și „durere de cap”. Pentru fiecare element din lista de verificare, am solicitat participanților să indice cantitatea la care au prezentat în prezent acel simptom folosind opțiunile „nici unul”, „ușor”, „moderat” sau „sever”. Experimentul a durat aproximativ 45 de minute până la 1 oră în total, inclusiv introducerea și descrierea.

Analiza datelor.

După experiment, răspunsurile pentru articolele de pe SSQ au fost folosite pentru a calcula un scor SSQ total în conformitate cu liniile directoare ale lui Kennedy și ale colegilor [1]. Acest scor total a prezentat un grad ridicat de variabilitate, care a fost distribuit neomogen între grupuri și, ca atare, am efectuat o transformare a rădăcinii pătrate pe date, ceea ce a dus la omogenitatea varianței. Aceste date transformate au fost supuse unor analize statistice, ca în Experimentul 1.

Am caracterizat numărul de participanți „bolnavi” în fiecare afecțiune prin calcularea scorului SSQ mediu în cadrul studiilor dintr-un bloc și clasificarea „bolii” ca un scor mediu de 20 sau mai mare [55].

Rezultate

Participanții au afișat un nivel ridicat de performanță în sarcină. Dintre cei 30 de participanți care au finalizat studiul, 27 au finalizat sarcina fără a rata o țintă, în timp ce restul au ratat o medie de 3 ținte în cele 10 studii. Dintre cei patru participanți care au ales să înceteze experimentul devreme din cauza bolii simulatorului ridicat, doi au fost din grupul aleator, unul a fost din grupul cuplat, iar unul a fost din grupul de control.

Cel mai frecvent raportat simptom în toate grupurile a fost „oboseala” (procentul de participanți care au raportat simptomul cel puțin o dată: 93%). Următoarele simptome cele mai frecvente au fost „dificultăți de concentrare” în grupul cuplat (73%) și „disconfort general” în grupurile aleatorii și martor (73% și, respectiv, 83%).

Am efectuat o analiză de varianță 2 X 3 cu factor mixt (ANOVA) pe scorurile SSQ transformate pentru factorul subiecților de control al mișcării (activ sau pasiv) și factorul dintre subiecți de tipul stimulării (cuplat, aleatoriu sau nici unul). Rezultatele au dezvăluit un efect principal al tipului de stimulare asupra scorurilor SSQ transformate, F (2, 27) = 3,46, p = 0,046, η 2 p = 0,20 (Fig 3). Am efectuat o analiză de urmărire folosind mijloace marginale estimate pe tipul de stimulare a factorilor. Rezultatele au arătat că studiile cu vibrații cuplate au fost asociate cu scoruri SSQ transformate semnificativ mai mici decât testele de control (p = .017). Cu toate acestea, scorurile SSQ transformate în studiile aleatorii nu au diferit de cele din studiile cuplate (p = .08) sau studiile de control (p = .47). Nu am găsit nici un efect principal al controlului mișcării, F (1, 27) = 3,86, p = 0,06, η 2 p = 0,13, deși starea activă a fost legată de scorurile SSQ transformate ușor mai mici decât starea pasivă.