文摘
目标。本试验研究的目的是确定超级流行VR,低成本的虚拟现实(VR)系统,是一个可行的系统记录改善脑瘫患儿(CP)和以家庭为基础的虚拟现实干预是否有效。方法。三个孩子与CP参与本研究,收到了8周VR干预(30分钟×5会话/周)使用商业EyeToy玩虚拟现实系统。达到运动学衡量超级流行VR和两个精细运动工具(BOT-2 Bruininks-Oseretsky测试电机能力第二版,和儿童汽车活动日志,PMAL)测试前,中期,经过干预。结果。所有儿童成功完成了评估使用超级流行的虚拟现实系统在家里,85%的达到收集被用来计算达到运动学,这是兼容文学使用昂贵的运动分析系统。只有孩子偏瘫的CP和手臂功能受损改善达到运动学和功能使用手干预后的影响。结论。超级流行VR被证明是一种可行的CP患儿的评估工具。
1。介绍
脑性瘫痪(CP),儿童残疾的主要原因,深刻地影响儿童身体功能(1]。大约在303年美国学龄儿童诊断CP和大约一半的这些孩子有手臂功能受损或难以达到,掌握和操纵对象(2- - - - - -5]。目前针对儿童的干预与CP强调重复功能的实践活动的重要性在不同的上下文中规定的绩效反馈(6- - - - - -13]。然而,这些孩子往往不愿从事重复的实践活动由于无聊训练或运动的限制的孩子14]。
虚拟现实(VR)系统提供了一种方法来创建一个交互式、激励强化训练实践环境CP患儿(15,16]:这些系统可以提供即时反馈玩家看到自己沉浸在虚拟世界中,可以观察到自己的举动。研究人员已经开始调查使用虚拟现实与CP帮助儿童提高他们的手臂功能(17- - - - - -23]。最近的一项荟萃分析的文献使用VR治疗CP患儿手臂功能的报道,以家庭为基础的干预措施干预效果优于在诊所的干预措施(24]。研究使用达到运动分析系统的运动学测量显示效果大小比研究使用标准化的临床评估工具24),达到运动学可能引起了孩子们的最好的能力。而达到运动学,运动分析系统是一个可靠的和敏感的测量,它是昂贵的,和它是有限的,因为大多数的这些运动分析系统缺乏可移植性(例如,Vicon系统或Qualisys系统),通常位于一个医院或实验室环境。另外,当孩子需要前往一个陌生的环境中,如临床或实验室进行检测,他们的运动模式可能会改变,这样典型的表现是没有反映(如实验室步态)[25,26]。这会影响使用运动分析系统测量的准确性。因此,虽然达到了运动学敏感到足以感知变化,它们收集的环境限制了访问,对孩子缺乏可移植性,并引入了不熟悉。
我们最近开发了一个虚拟现实评价游戏叫超级流行VR使用低成本的虚拟现实系统增加获得在家运动分析系统(27,28]。因为超级流行的虚拟现实设计作为一个互动游戏,参与测试的人也不知道被评估。的虚拟现实系统由一台笔记本电脑运行一个64位的Windows操作系统,一个3 d深度相机(微软Kinect)来捕获和储存用户的三维坐标的手臂动作,和软件超级流行虚拟现实。玩家是沉浸在一个虚拟的世界,虚拟的泡沫出现在屏幕周围的玩家(图1)。玩家流行的目标是尽可能多的泡沫在一定时间内通过他或她的手臂。位置、大小、形状、气泡的出现时间,保留时间可以调整。我们还可以建立虚拟的障碍(例如,“红圈”),参与者需要避免在防止分数扣除。这可以用于培养参与者的选择控制策略。在游戏中,有一组绿色泡沫称为“超级泡沫”,它可以用来衡量球员的手臂轨迹。这些超级泡沫的位置可以很容易地使用游戏界面(图调整2)。例如,如果评价目的是测量改变了活动度(ROM),超级泡沫的位置可以设置在角大于间隔的玩家的共同的ROM。当玩家出现这些泡沫,3 d Kinect捕获并保存用户的上身3 d关节坐标的评估,通过度量代码运行计算时空达到实时运动学的用户(例如,运动时间、路径长度、肩膀的运动,肘部运动范围,和运动的数量单位)。指标的详细算法代码已发表在其他地方(27,28]。不同程度的身体残疾儿童可以使用超级流行VR,如CP、创伤性脑损伤、中风、甚至整形的条件。然而,孩子们需要有足够的认知能力明白电脑显示器内部的图像对应自己的动作。
在这项研究中,我们测试三个孩子使用超级流行与CP VR系统来评估他们的到达运动学在家里,以评估治疗效果在8周后以家庭为基础的虚拟现实的干预。11名健康儿童与典型的开发也测试使用超级流行VR系统作为“标准”组进行了比较。本研究的目的是确定(1)超级流行VR是否是一个可行的系统记录的改进变化函数与CP和儿童(2)复制和扩展我们之前找到确定一个8周的以家庭为基础的虚拟现实干预是有效的提高孩子的手臂功能使用超级流行VR和标准化的评估工具文档的改善达到运动学,精细运动功能,积极使用影响更大的手,而孩子是在他们的自然环境。我们专门发现两个孩子有一个罕见的低渗的CP诊断是否VR干预的好处这些孩子在手臂功能没有明显的损伤。
2。方法
2.1。参与者
三个孩子与CP(3个女孩,平均年龄=与典型的发展(年)和11个孩子6男孩和5个女孩,平均年龄=年)参与研究(见表1)。CP是从一个招募儿童门诊物理治疗诊所或称为儿科神经学家在亚特兰大地区,与典型的发展和儿童被口口相传,也在亚特兰大地区。
CP患儿均包括在内(1)能够按照口头指示在评估期间,(2)能够达到超过一半的手臂的长度,和(3)正常或corrected-to-normal视觉和听觉。我们专门设置入选标准非常广泛的可行性研究分析很感兴趣我们的测量矩阵是否工作范围很广的CP患儿。CP被排除在外,如果他们的孩子(1)已收到或被安排接受手术或肉毒杆菌毒素注射a型的前6个月内或计划的研究期间,(2)有严重的注意力缺陷,或(3)癫痫发作可由电视光。所有这些标准都证实了孩子的医生或儿科神经学家。所有儿童与典型的发展总的来说身体健康没有任何已知的神经或骨科诊断,证实了他们的父母或法定监护人。
2.2。虚拟现实的干预
所有儿童CP收到一份为期8周的VR干预使用商业EyeToy玩虚拟现实系统,它由一个USB摄像头,电视,它可以玩和它玩2软件,PlayStation 2。在此系统中,摄像机被用作捕获和跟踪装置将孩子们在虚拟现实环境中,这样他们可以与虚拟物体或事件。十场比赛选择从它玩,它可以玩2软件,包括Wishi Washi,足球狂热,耳光流,龚Foo,火箭的隆隆声,打败怪物,泡沫流行,DIY,攻击目标,和乒乓球29日]。坐在后备箱与适当的支持和鼓励孩子们达到尽快向虚拟对象(例如,老鼠,动画的敌人,和火箭),出现在屏幕上的任何方向。所选的游戏目标训练CP患儿达到两臂向外和向上,有时候。所有的游戏让孩子们进行有目的的达到四面八方,练习移动目标和预期达到运动体验满意度容易成就。奥运会是在简单的水平他们足够挑战与CP这些孩子。每个星期,孩子们被要求玩30分钟的全方位的游戏,40分钟到达向上游戏,40分钟到达外,40分钟的用双手的游戏。根据游戏内容,孩子们可能会使用一个或两个武器训练期间玩的游戏;然而,只有更影响手臂在评估。影响部门确定和证实了他们的物理治疗师和家长。
CP的孩子被要求每天30分钟,每周5天,8周。父母被要求填写揭开日志记录时间和游戏孩子们在每个会话。孩子们也需要保持有规律的体育和职业治疗干预。
2.3。测量
CP患儿,三种类型的测量使用:使用超级流行的虚拟现实游戏,达到运动学的精细运动规模Bruininks-Oseretsky测试电机能力第二版(BOT-2)和儿童汽车活动日志(PMAL) [30.]。孩子们三次评价:干预之前,中期干预(VR干预完成后4周),和后立即干预(后1周内完成8周VR干预)。我们特别增加了一个中点评估检查四周是否干预对CP的孩子就足够了。孩子们与典型的开发也在自己家里玩过超级流行虚拟现实游戏一次,他们的数据作为“标准”进行比较。
达到运动学。四个75 -超级流行的虚拟现实游戏的第二个试验进行了典型的儿童发展为每只手有两个试验。儿童与CP,多达四个试验进行了为每个手以确保至少6到达每个手收集。所有孩子们坐在一条长凳上位于2.45米前的微软Kinect系统。参与者的形象投射到屏幕上(177.8厘米×177.8厘米),所以它可以被清楚的孩子。孩子们玩了“泡沫”的游戏测试的手。在比赛中,孩子们被要求尽可能多的黄色泡沫和特别关注绿色测试泡沫破灭,因为他们值得点黄色的泡沫的两倍。绿色测试泡沫是位于开销(肩绑架在180度),在肩膀绑架135度(运动活跃的范围),和(肩绑架90度),和他们的孩子的手臂长度定义为肩带之间的距离和手腕折痕。设置超级流行VR系统玩,孩子们被要求提高手臂开销校准之前进行的游戏。在每一场比赛,三套绿色测试泡沫出现在20秒,40秒和60秒的游戏。 Prior to data collection, the children participated in a practice trial to make sure the children understood the game rules. The game always started with the children’s preferred hand (i.e., less affected hand for children with CP) to help children become familiar with the Super Pop VR game.
达到手腕在触摸点的运动学计算和分析三个“超级泡沫”使用一个自动化的运动学评估算法。该算法创建一个基线模型运动技能评估通过构造一个运动链的链接与人类手臂的动力学。
以下运动学参数计算:路径长度(手腕点旅行的距离),运动时间(持续时间从出现第二个泡沫出现第三个泡沫),运动单位的数量(定义为一个加速和减速阶段使用冯Hofsten的标准(31日]),平均速度的手,肘关节活动度(ROM),和肩关节罗轨迹的路径长度计算通过计算和添加三维欧几里得距离轨道旅行中的每个点的手。用户的平均速度是计算用户的路径长度除以用户的运动时间。肩部和肘部ROM角的计算,我们坚持两个肢段之间角度的定义中使用各种生物力学场景;然后我们计算最终的关节角的区别和最初的关节角32,33]。进一步的细节在肘部和肩膀的关节角的计算可以在Garcia-Vergara et al。28]。
Bruininks-Oseretsky测试电机能力第二版(BOT-2)。测量臂函数收到VR干预后的变化,所有的参与者与CP BOT-2进行评估。BOT-2评估精通手动控制,手动协调、身体协调、力量和敏捷性复合。的内部一致性和评分者间信度BOT-2据报道优秀(-0.97和0.78 > 0.92)(34]。小儿物理治疗师盲研究目的和儿童的干预内容评估孩子在家,以下列出的标准测试程序手册。
小儿运动活动日志(PMAL)。PMAL开发提供评级父母对孩子的影响部门22日arm-hand实际功能活动,这是典型的2 - 8岁的儿童(例如,拿着一个杯子,脱鞋,并将旋钮)。父母表示“频率”孩子影响手用于每个活动6个范围从0(不)到5(的时间)。父母还表示“好”孩子完成这些功能活动从0(不使用)到5(典型的年龄)。尽管PMAL用于小儿导致运动疗法研究[35,36),文献并未报告其心理属性(37]。只有林等人一个公平criterion-related有效性比较PMAL WeeFIM和皮博迪发展汽车Scale-2nd版。(38]。然而,PMAL”明显响应“改变干预后38]。最小可检测的变化(MDC) PMAL-Amount(即0.67。PMAL-Quality、频率)和0.66(即。,)38]。相同的小儿物理治疗师,失明儿童干预状态、采访记录的父母和父母的评级在自己家里。
2.4。数据分析
达到运动参数与CP报告了3个孩子成绩,相比之下,来自11个孩子的“规范数据”计算与典型的发展。成绩代表一个给定的标准偏差值的数量结果不同于典型的平均值为儿童的发展。一个得分值小于1.96时被认为是没有区别的孩子与典型的发展(39,40),作为一个得分是1.96或更少表示,比分是2个标准差的意思是正常儿童的数据。如果改变分数预备考试和期末测验之间超过1.65 (),被认为是具有统计学意义的变化。我们特意选择了1.65截止准则,因为我们只有三个参与者和试图避免潜在的II型错误。我们也使用独立测试比较平均值达到运动学与CP和那些孩子们在儿童典型开发前,中期,经过干预。Alpha值被设定为0.10和SPSS 18版本是用于执行统计数据。
总得分点的精细运动精度,精细运动的集成,和手灵巧度计算,然后转换为量表得分BOT-2手册[所显示34]。分数然后报道分数,而从BOT-2规范数据手册(意味着= 15和SD = 5)34]。我们使用类似的标准解释得分为达到我们做了运动学变量。如果一个得分值小于1.96,它被认为是没有区别的规范值。如果改变分数预备考试和期末测验之间超过1.65 (),被认为是具有统计学意义的变化。
PMAL分数的变化与CP与每个孩子争取民主变革运动从文献报道:0.67 PMAL-Amount(即。PMAL-Quality、频率)和0.66(即。,)38]。
3所示。结果
在CP的3个孩子,例1和例2是双胞胎低渗的CP诊断,证实了他们的物理治疗师。他们出生在32周胎龄和承认为4周新生儿重症监护室。案例1开始走动18个月和2例22个月。他们开始接受门诊物理、职业和语言治疗,因为他们是3.5岁。两个孩子参加了家庭学校灵活的工作时间(每天4.5小时)。案例3的诊断痉挛性偏瘫的CP足月出生没有任何已知的并发症。她开始走动18个月,当她的父母发现她握成拳头的手,弯曲手臂。她开始接受门诊物理和职业治疗2岁以来每周两次。她参加了公立学校附近。儿童与典型的开发都有右优势和所有与虚拟现实和计算机游戏经验之前,他们的参与。
3个孩子与CP的人口统计如表所示1。运动学参数、BOT-2 PMAL参与者给出措施表2和3。实际的时间每周VR干预游戏,每个孩子是149.5分钟,150分钟,62分钟,分别。
3.1。达到运动学
所有的孩子都有或没有CP成功完成了评估使用超级流行VR系统(即在自然环境。,设置)。孩子们没有考虑试验作为评价。相反,他们认为他们打了几个电脑游戏和享受的测试运行。CP患儿进行27到达更影响臂在进行预测,达到33 midtest期间,在后续测试和27到达。百分之八十五的达到收集被用来计算达到运动学,与其他含有缺失数据的轨迹。
的干预效果,两三个孩子的CP (C1和C3)改进的路径长度达到运动学,运动时间,运动单位的数量,和8周后肩关节ROM VR干预:得分的运动参数变化超过1.65 ()之间的中点和预备考试或者期末测验和预备调查(表之间2(一)和2(b))。运动学与CP也变得更直子2号,快,和平滑路径长度,运动时间和运动单位数量减少预备考试和期末测验之间。然而,她的分数对于这些运动参数的值没有区别典型的孩子。同时,她在中点的运动参数评价更糟糕的是那天她分心;然而,她的分数还显示典型的值没有区别的孩子。因此,她没有考虑改变VR干预后改善。
独立的测试也证实了观察到的趋势:在进行预测,CP患儿较长路径长度(,),延长运动时间(,),更多的运动单位(亩)(,)和较小的肩关节ROM (,)比典型的儿童发展。没有差异的肘关节ROM和平均速度(手)。在中点测试、CP患儿仍运动时间较长(,)和更多的运动单位(亩)(,)比典型的儿童发展但没有显示出不同于任何其他的运动变量()。然而,在后续测试,没有变量上有显著差异()。
3.2。BOT-2
总得分点的精细运动精度,精细运动的集成,和手灵巧度计算,然后转化为规模分数所显示BOT-2手册。唯一的孩子3号与CP改变了分她的手灵巧度从2.6−−1.6 pre -和postintervention评估(表3)。这表明,她的手灵巧度,尽管仍然延迟,提高在2个标准差的规范值。没有BOT-2精细动作得分之间的差异和postintervention评估与CP孩子1号和2号。
3.3。PMAL
所有与CP增加了他们的三个孩子PMAL分数“频率”和“如何”类别。争取民主变革运动从文献报道PMAL-Amount(即0.67。PMAL-Quality、频率)和0.66(即。,有多好)。只有孩子3号CP PMAL pre -一个更大的变化和postintervention评价比MDC在文献中报道。3号,唯一的孩子与CP改善数量和质量影响的用她的手以PMAL衡量。
4所示。讨论
目前的病例分析的结果表明,使用超级流行的虚拟现实系统作为一个以家庭为基础的评估工具运动学指标是可行的;它被成功地用于所有与CP收集所需的3个孩子达到运动学在他们的自然环境。孩子们喜欢玩超级流行虚拟现实游戏没有注意到他们的记录达到运动和定量测量;85%的达到所执行的影响更大的手可以用来计算达到运动学,这很符合研究儿童和婴儿使用昂贵的运动分析系统(例如,陈和杨5),陈等人。41),枷锁和Kluzik [42])。一般来说,超级流行的虚拟现实系统是一个容易组装和实现系统。平均花了不到十分钟就建立和实施超级流行VR系统在国内和整个测试持续时间为每只手75第二轮试验花了大约20分钟,这给了我们9向每个伸出手。孩子们很合作期间评价作为整个过程的一部分,他们认为电脑游戏体验。
结果表明,2的3 CP患儿显示改善的质量达到性能在收到一个8周VR干预,以比较其运动性能和正常发展的儿童提供了“规范的”数据。独立的测试证实了这一观察。这些结果符合我们的研究(23)以及Jannink et al。(17]。Levac et al。43]建议9潜在活性成分与CP VR疗法可以帮助孩子提高他们的运动技能:(1)练习的机会,因为重复性任务练习进步功能能力(如CP患儿可以进行多达100到达在3分钟会话时玩它的游戏),(2)任务特异性虚拟和现实世界之间的运动,(3)灵活性个性化治疗参数,(4)视觉或听觉反馈,(5)社会在剧中扮演均衡为参与情况,(6)神经可塑性变化,(7)通过不同的虚拟环境,解决问题(8)的动机因为孩子们可以选择他们喜欢的游戏或与同行竞争,和(9)的支持的人(父母或医生)和口头的鼓励和反馈。所有这些组件都是必不可少的学习和提高运动技能。因此,这些组件可能是潜在的机制的一部分解释了为什么虚拟现实作品。
有趣的是,当使用标准化的临床评估工具来衡量进步,唯一的孩子3号与CP改善她的手灵巧度BOT-2和父母评级一个改进“如何”和“频率”她用她的手在日常生活中,影响以PMAL衡量。然而,几乎所有的CP的孩子改善他们在某些方面达到了运动学,尽管只有两三个孩子的CP改变超过截止得分。提出了几种可能的解释这一发现。(1)改进的孩子是唯一一个与相对手臂功能受损和偏瘫的CP;虚拟现实可能更多的有利于偏瘫的CP患儿训练。因此,孩子有轻微损伤与低渗的手臂功能和CP可能没有一个强大的效益提高上肢灵活使用VR干预。也是有趣的注意,提高在实践中可能不与所花费的时间。偏瘫的CP儿童平均每周练习只有60分钟,而低渗的CP患儿实行每周150分钟左右。(2)本研究中使用的虚拟现实干预有更多强调重复练习达到各个方向运动,这是反映在几乎所有的改善孩子的运动学。然而,这种“特异性的训练”,可能无法达到运动推广到其他手部和臂部的功能活动,以BOT-2和PMAL。(3)这可能是由于不敏感BOT-2精细动作域和PMAL检测微小的变化作为治疗师故事体地描述一个观察某些项目的质量改进BOT-2但无法增加分数由于标准化的准则。同时,我们在这项研究中使用的PMAL原始版本,没有建立了心理属性。 In our future research, we might need to include the revised PMAL [44),建立了良好的信度和效度检测的微小的变化发生在CP患儿。
这项研究有一些局限性。第一,孩子的数量与CP和儿童发展典型小宽CP患儿可变性。未来的研究应该增加儿童的数量,没有CP。第二,尽管便宜的商业虚拟现实游戏系统增加虚拟现实训练儿童CP的可访问性,有挑战,应用虚拟现实康复为娱乐而设计的系统。例如,难度水平的游戏,游戏的内容(例如,一些暴力镜头或者age-inappropriate语言)可能不适合一些球员。因此,未来的研究可能需要评估的VR干预的影响。第三,我们评估仅限于前,中期和期末测验。孩子的表现可能是变量的原因,如疲劳和疾病。更好的以家庭为基础的评价体系应该有能力来评估孩子的在每天的表现。我们的超级流行VR有潜力作为定制的虚拟现实干预以及日常评价体系。因此,在未来的研究,我们将使用超级流行的虚拟现实进行虚拟现实干预项目为儿童量身定制的CP和检查儿童达到每天检查纵向性能改善与CP达成运动的孩子。
5。结论
我们的病例分析显示使用超级流行的可行性VR作为评估工具达到运动学与CP的孩子。此外,研究表明改善手臂函数在收到一个VR干预孩子偏瘫的CP更手臂功能受损,但不是在低渗的CP患儿相对良好的手臂功能。
伦理批准
本研究协议已经乔治亚州立大学的机构审查委员会批准的机构审查委员会(H12451)和乔治亚理工学院(H12179)。父母的许可形式是由参与者的父母或合法监护人签字。口头同意了所有的孩子。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
是的陈和Ayanna m .霍华德导致的概念和设计工作;是的陈和塞尔吉奥Garcia-Vergara负责数据收集和分析;是的,塞吉奥Garcia-Vergara, Ayanna m .霍华德负责起草工作和修改它至关重要的知识内容。
确认
作者感谢布莱恩丹麦,艾米哈罗德,珍妮弗·麦克斯蒂芬妮教皇、布列塔尼斯蒂尔和泰勒威克利帮助收集数据。这项研究是由国家科学基金会(NSF)的资助1208287,将儿科医疗中心交付,亚特兰大的乔治亚理工学院和儿童保健儿科研究中心试点项目,并由NSF研究生研究奖学金dge - 1148903。