仮想現実実験生理学的対策

要約

バーチャル ・ リアリティ (VR) 実験を実装し、綿密な計画を必要とすることは困難にすることができます。このプロトコルでは、設計および実装 VR 実験人間の参加者から生理学的データを収集する方法について説明します。このプロセスを加速する仮想環境 (イブ) フレームワークで実験を採用します。

要約

バーチャルリアリティ (VR) の実験は、実世界の観測と実験、それぞれに比べて内部および外部妥当性のためますます用いられます。VR は地理的な視覚と空間的行動の調査の場合に特に便利です。空間動作の研究、VR は、ナビゲーションと生理学的措置との関係を研究するためのプラットフォームを提供します (など.、皮膚コンダクタンス、心拍数、血圧が上昇する)。具体的には、生理学的措置は新規質問に対処し、制約空間能力、戦略、およびパフォーマンスの以前の理論研究者を許可します。たとえば、ナビゲーション性能の個人差は、覚醒の変化は、作業の難易度の効果を仲介する程度によって説明されるかもしれない。ただし、設計および VR 実験の導入における複雑さは実験者の主な研究目標から気をそらすし、不正データの収集と分析をご紹介できます。これらの課題に対応するには、実験で仮想環境 (イブ) フレームワークにはコントロールの訓練参加者など標準化されたモジュールが含まれますインターフェイス、データ収集、アンケートを用いた生理の同期測定、およびデータ ストレージ。イブは、データ管理、可視化、および評価のために必要なインフラストラクチャを提供します。本論文では、生理学的センサーと VR でナビゲーション実験を行う前夜フレームワークを採用したプロトコルについて説明します。プロトコルは、募集参加者、生理学的センサーを取り付け、イブを使用してとイブ評価ツールで収集したデータを評価する実験を実施するのに必要な手順を一覧表示します。全体的に、このプロトコルは生理学的センサーの設計と VR 実験の実装を合理化することにより将来の研究を促進します。

概要

認知科学^1,2,3、神経科学^4、5、およびコンピューター科学⁶を含めて、いくつかのフィールドに対して重要な意味は、個人の移動を理解すること^,7します。 ナビゲーションは、リアルとバーチャルの両方の環境で検討されています。実世界の実験の 1 つの利点は、ナビゲーション制御インターフェイスの仲介を必要としない従ってより現実的な空間動作を生成可能性があります。バーチャルリアリティ (VR) 実験で行動のより正確な測定は、対照的に、(e.g、軌道を歩く) および生理学的 (e.g。、心拍数) より実験的コントロールと同様に、データ (すなわち。、内部。妥当性)。ターンでは、このアプローチは、データの簡単な解釈とナビゲーションのためより強力な理論でなることができます。さらに、神経科学できる恩恵 VR 研究参加者が仮想環境で従事している間、ナビゲーションに関わる神経基盤を調べることができますが、物理的に移動できません。コンピューター科学者、VR でのナビゲーションの没入型の経験を確保するために、電源、メモリ、およびコンピュータ グラフィックスの処理に固有の開発が必要です。VR 実験からの調査結果は、建物の設計を知らせることによってアーキテクチャおよび地図作成にも適用できますレイアウト⁸とマップ機能⁹実世界ナビゲーションを容易にします。最近では、そのコストの劇的な低下と組み合わせる VR 技術の進歩は、研究所、実験的デザインの VR を用いた数の増加につながっています。この人気の高まりのため研究者は、VR アプリケーションの実装を合理化し、実験ワークフローを標準化する方法を考慮する必要があります。このアプローチは理論の発展に実装からシフト リソースを支援し、VR の既存の機能を拡張します。

VR 設定の範囲からより少ない表示とコントロールの面で現実的なです。現実的な VR 設定は大規模な追跡スペースなど、高解像度の追加のインフラストラクチャが表示されます¹⁰を要求する傾向があります。これらのシステムは、多くの場合ごくわずかな回転および翻訳にユーザーに提供される視覚的なフィードバックを注入するためにリダイレクトされた歩行アルゴリズムを採用して、参加者が¹¹を移動できる仮想環境を効果的に拡大^,12.¹³環境構造の知識が不要の一般化や予測というユーザー¹⁴のための特定のパスにこれらのアルゴリズムをすることができます。リダイレクトされた歩行に関するほとんどの研究では、ヘッドマウントディス プレイ (Hmd) を使用していますが一部の研究者が大きな投影システムの一部として歩く場所この技術のバージョンを採用 (e.g。、洞窟)¹⁵。Hmd は、参加者の頭の上行うことが、洞窟表示より広い水平視野^16,17を提供する傾向があります。ただし、デスクトップのディスプレイ^18,19を用いた VR システムの以下のインフラストラクチャが必要です。科学的研究は、²⁰、^21,22、スキャン後の fMRI との組み合わせでとの組み合わせをスキャン中に機能的磁気共鳴画像 (fMRI) との組み合わせでの VR システムを採用しているも脳波 (EEG)^23,24を記録中。ソフトウェア フレームワークは、さまざまな表示およびナビゲーションの研究に使用される制御を調整するために必要です。

VR と生理学的データを組み込んだ研究データ集録や同期など課題が追加。しかし、生理学的データは、ナビゲーション潜在的・空間的挙動との関係を仲介することができる暗黙的なプロセスの調査のためことができます。デスクトップ VR と異なる生理学的センサーの組み合わせを使用してストレスとナビゲーションの関係を研究されている確かに、(すなわち、心拍数、血圧、皮膚コンダクタンス、唾液中コルチゾール濃度および α-アミラーゼ)²⁵ 。^,26,27,28. ヴァン Gerven および同僚の²⁹がナビゲーション戦略と仮想現実バージョンのモリス水迷路課題といくつかの生理学的な対策を使用してパフォーマンスのストレスの影響を調査するたとえば、(e.g、皮膚。コンダクタンス, 心拍数, 血圧)。その結果ストレスが画期的な使用の観点からナビゲーション戦略を予測したことを明らかにした (すなわち。 呈示と自己中心的な、) がナビゲーションのパフォーマンスに関連していなかった。一般的に、ナビゲーション性能と空間記憶に及ぼす応力に関する以前の研究からの知見はやや一貫性のあります。このパターンは、ストレッサーの分離に起因する可能性があります (e.g、寒冷昇圧手順²⁶、スター ミラー トレース タスク²⁵) 実際のナビゲーション タスク、シンプルな迷路のような仮想環境 (の使用から。例えば., 仮想のモリス水迷路²⁶, 仮想放射状迷路²⁸) と方法論の詳細の違い (e.g。、ストレッサーの種類の生理学的データの種類)。収集された生理学的なデータのフォーマットの違いは、実装とそのような研究の解析の問題が発生ことができます。

仮想実験 (イブ) フレームワークの実験を容易に設計、実装、およびその他の周辺機器との特にそれら VR 実験の解析 (e.g。、目トラッカー、生理学的デバイス)³⁰。イブ フレームワークは GitHub (https://cog-ethz.github.io/EVE/) 上のオープン ソース プロジェクトとして自由に利用できます。このフレームワークは、人気のあるユニティ 3 D ゲーム エンジン (https://unity3d.com/) および MySQL データベース管理システム (https://www.mysql.com/) に基づいています。研究者は、制御インターフェイスでは、主要なナビゲーション タスク トレーニング前と研修後アンケート、生理データの基準測定値を含む VR 実験の様々 な段階を準備するために前夜のフレームワークを使用でき、移動環境の空間記憶のテスト (e.g。、相対的な方向の判断)。実験者は、さまざまなソースから、さまざまなレベルの集計でデータの同期を制御することも (e.g。、試験、ブロック、またはセッション間で)。データ ソースは、物理的な可能性があります (すなわち。 ユーザーに接続されている、材料表を参照してください) または仮想 (すなわち。 参加者のアバターと仮想環境の間の相互作用に依存して、)。たとえば、実験では、その参加者のアバターが仮想環境の特定の領域を移動したときに心拍数と参加者から位置/方向を記録を必要があります。このデータをすべて自動的に MySQL データベースに格納、再生機能と R パッケージevertools (https://github.com/cog-ethz/evertools/) と評価。Evertools エクスポート関数、基本的な記述統計と診断ツールはデータの分布。

イブ フレームワークはさまざまな物理インフラストラクチャと VR システムを配備できます。この議定書は、スイス連邦工科大学チューリッヒ (図 1) に NeuroLab で 1 つの特定の実装について述べる.NeuroLab は脳波実験、VR システム (2.6 m × 2.0 m) および生理学的センサーを取り付けるための仕切られたエリアを含むキュービクルの分離室を含む 6 m の部屋で 12 m です。VR システムには、55"超高精細テレビ表示、ハイエンドのゲームのコンピューター、ジョイスティック コントロール インターフェイスといくつかの生理学的センサー (材料の表を参照) が含まれます。次のセクションで我々 はストレスとナビゲーション、イブのフレームワークと生理学的センサー、1 つの研究から現在の代表的な結果を使用して NeuroLab のナビゲーション実験を行なうためのプロトコルを記述して機会を話し合うこのシステムに関連付けられている課題。

プロトコル

次のプロトコルは、EK 2013 N 73 提案の一環として、チューリッヒ工科大学の倫理委員会で承認されたガイドラインに従い行った。

1. 募集し、参加者の準備

1. 特定の人口統計と参加者を選択 (e.g。、年齢、性別、学歴) 参加者募集システムやメーリング リストを使用して (e.g。、UAST; http://www.uast.uzh.ch/)。
2. 選択した参加者をメールで連絡します。このメール セッション時間と要件の参加者を思い出させます。参加者は、いくつかの他の活動から彼らが、実験の前に 12 時間アルコール控えるゆったり (血圧測定) のトップを着用し、控える必要がありますを知ってもらおう (すなわち、カフェイン、喫煙、食事、運動) 3 h。前に実験。

2. 実験とイブを用いた生理学的デバイスを準備します。

1. それぞれの実験的セッションの前に、コンピューター、実験者のモニター、テスト モニターを開始します。
2. 換気扇、温度計と湿度モニターが上にあることを確認します。
3. 皮膚電気活動 (EDA)、心電図検査 (ECG; 測定機のスイッチします。例えば。、ADInstruments から PowerLab)。材料の表を参照してください。
4. (現在イブは、ADInstruments から Labchart をサポートします) 江田/心電図ソフトウェアを開き、新しい設定ファイルを作成します。1,000 Hz と適切なチャンネル数のサンプリング レートを選択 (e.g。、EDA と心電図用に 1 つずつ)。この設定ファイルを保存し、再実験的セッションごとに別の名前とバージョンを保存します。
5. EDA 電極実行開回路ゼロ (すなわち。、何に接続されている電極なし) 伝導性システムのベースラインとなる指標を取得します。
6. コントロール インタ フェース確認 (e.g。、ジョイスティック) がコンピューターに接続されています。
7. 実験者モニター実験団結実行可能ファイルを開きます。
   1. イブで「実験の設定」メニューを開き、実験パラメーターを入力 (e.g。 参加者の ID 番号、生理計測ファイル、試験条件部屋の温度と湿度)。
   2. 「実験を開始」をクリックしてします。

3 実験手順

1. 紹介と同意の手順
   1. 待ち合わせ場所で参加者をピックアップし、検査室に指導します。
   2. セッションは約 90 分を取る、彼女の時計や携帯電話を保存する参加者を求めることを示します。
   3. 実験の椅子に座って準備した言語スクリプトによると実験の手順を説明し参加者を求めます。
   4. 参加者には、情報シートを読むし、インフォームド コンセントのフォームに署名を求めます。
2. EDA と心拍センサーの接続
   1. ウェットティッシュ石鹸なしで非利き手の薬指と人差し指をきれい。彼らが乾燥しているし、内側の指骨に 2 つの EDA 電極を接続を確認します。
   2. 濡れた布で心電図電極の配置の胸に肌をクリーンアップします。
   3. 図 2によると肋骨の間に参加者の体に白、黒、赤の電極を配置します。左下腹部 (UL) に (ウル)、右上腹部に白い電極と黒の電極を配置します。左下腹部 (LL) に赤の電極を配置します。3 つの電極が肋骨の上に直接ではないことを確認します。
   4. 参加者の体に接続されている対応する電極に 3 つの色分けされた心電図ワイヤを接続します。
3. 予備実験アンケート
   1. キーボードとアンケートに答えるに使用するマウスを参加者に提供 (e.g人口統計学、質問、簡単なストレス状態アンケート サンタバーバラ方向スケール感の最初の部分)、彼または彼女を知らせると。彼らは、コンピューターの一連の質問を求められます。
   2. いつでも実験者アンケートに関するご質問をお願いすることができますを参加者に通知します。
   3. 参加者は、アンケートの記入中に、ブースの 2 つの側面の壁を閉じる。
4. 生理学的測定のための準備。参加者がアンケートを完了する間、これらの手順を実施できます。
   1. 実験者は、生理学的デバイスを準備を参加者に通知します。
   2. 電極が正しい場所に接続されていることを確認します。
   3. 非利き手の腕に血圧計のカフを取り付けます。
   4. 血圧の正確な測定について参加者に説明します。腕や体の動きを最小限に抑えるため、心レベルに血圧計のカフを保つため、床に彼または彼女の足で直立姿勢を維持する参加者に伝えます。
   5. 指で電極に 2 つの EDA ワイヤを接続します。
   6. モニター上のライトをオフにして、最低の設定に他のすべての天井の照明を暗きます。
   7. 参加者にジョイスティックを手し、マウスがテストのモニターの画面の外にあることを確認します。
   8. 個々 の開始時の皮膚コンダクタンスのレベルの測定を得るために EDA チャネルはゼロします。
   9. 心電図/EDA ソフトウェアで"バイオ アンプ"ダイアログ ボックスを開きます。心臓のビート信号がプレビュー ウィンドウの約 3 分の 1 をカバーして信号範囲を選択 (5 mV でほとんどの場合)。
   10. 心電図/EDA ソフトウェアで録音を開始し、信号が実験者のモニターに EDA/心電図ソフトウェアのウィンドウに表示されるかどうかを確認してください。
   11. 血圧血圧マシンで適切なボタンを押して録画を開始します。
   12. 開いている統一プログラムに切り替えて、「測定開始」を押します。クロスの固定になります。
5. ジョイスティックのトレーニングおよびビデオのベースライン
   1. 見て、彼または彼女に指示するトレーニング ビデオに従ってください参加者を求めるどのようにジョイスティックを使用します。
   2. ジョイスティックの使用を練習するためにトレーニングの迷路を完了する参加者に依頼します。このトレーニング迷路の中で参加者はフローティングの宝石を収集とルートを示す矢印に従ってくださいするように指示します。
   3. 実験には、音が含まれている場合、は、参加者の頭の上ヘッドフォンを配置します。
   4. ベースライン自然ビデオを移動せずに参加者を求めます。このビデオを使用して、その後の分析中に参加者の生理データのベースライン測定値を考慮します。
6. ナビゲーション タスク
   1. 参加者がナビゲーションを完了するタスクに関する手順を通読していることを確認します。ナビゲーション タスクを開始する前に、参加者は質問をあるかどうかについてお問い合わせください。彼らがナビゲーション タスク中に質問を要求しないことを参加者に伝えます。
   2. 参加者に、彼または彼女はナビゲーション タスクを開始する準備ができているときにジョイスティックのトリガーを押してお問い合わせください。
7. 最終生理対策や生理学的センサーの取り外し
   1. 最終的な血圧測定が完了されるまで待ちます。
   2. EDA と心電図を EDA/心電図ソフトウェアの停止ボタンを押すと録音を停止します。
   3. 血圧計のカフを削除します。
   4. 参加者からは、EDA 電極を削除します。
   5. 実験終了時まで心電図電極を削除する参加者に依頼します。
   6. ジョイスティックとヘッドフォンを削除します。
8. 後の実験アンケート
   1. キーボードとマウスで実験アンケートの参加者を提供 (e.g。、ストレス状態アンケート、自己評価のマネキン、シミュレータ病気アンケートの 2 番目の部分)。
   2. コンピューターに別の一連の質問を求め、必要に応じて彼または彼女を求めることができる質問を通知します。
9. 実験的セッションの終了
   1. 実験の一部が今終了したことを参加者に通知します。彼女または彼が、実験に参加しているをありがちましょう。
   2. 彼/彼女は今心電図電極を削除することを参加者に伝えます。
   3. 参加者を支払うし、印刷された領収書にサインしてもらいます。
   4. 参加者は、実験の目的に関する質問を尋ねるし、実験室の外の彼または彼女の護衛。

4. 各実験的セッション後

1. 実験診断を行うために前夜の「評価」メニューを開く (e.g。、軌跡を再生)、EDA/心電図ソフトウェアで生理学的測定ファイルと保存。
2. イブの「評価」メニューで生理学的測定ファイルのイベントをマークする「イベント マーカーを追加」ボタンを押します。この手順は、特定の実験段階の面で生理学的なデータの分析に重要なです。
3. 心電図/EDA ソフトウェアで生理学的測定ファイル EDA/心電図ファイルを保存します。
4. Evertools パッケージを使用して、バックアップの実験データをエクスポートします。
5. EDA/心電図マシンをオフに切り替えるし、アルコール パッドで EDA 電極をきれい。
6. 参加者は参加者募集システムで現れたマーク。

結果

NeuroLab の各参加者は、通常、生理学的データを収集 (e.g、心電図)、アンケート データ (例えば。、サンタ バーバラ方向スケールまたは SBSOD³¹感)、およびナビゲーション データ (例えば。、を介してパス、。仮想環境の場合)。たとえば、(心電図データから派生) 心拍数の変化は、他の生理学的な³²と自己報告自己...

ディスカッション

本論文では前夜のフレームワークを使用して生理学的デバイスと VR の実験を行うためのプロトコルについて述べる。実験のこれらの種類は、追加のハードウェアに関する考慮事項のためユニークな (e.g。、生理学的なデバイスなどの周辺機器)、VR、およびデータ管理の要件を使用して生理学的データを収集するための準備手順。現在のプロトコルは、同時に複数の周辺機器からデータ?...

資料

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