Name: the immersive cleveland clinic virtual reality shopping platform for the assessment of instrumental activities of daily living
Uploaded: 2022-07-28T14:15:00
Duration: 8 min 36 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about The Immersive Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping Platform for the Assessment of Instrumental Activities of Daily Living at JoVE.com

这项研究由迈克尔·福克斯帕金森氏症研究基金会（MJFF-020020）和爱德华和芭芭拉·贝尔家庭主席赞助。我们感谢榆树公园实验室（密歇根州底特律）在构建VR环境并与全向跑步机连接方面提供的帮助。我们也感谢伊芙琳·托曼和布兰妮·莫泽在项目开发和执行方面的帮助。

概述的协议遵循克利夫兰诊所人类研究伦理委员会的指导方针。所有参与者都完成了知情同意程序，并提供了发布数据收集期间拍摄的照片的书面许可。
1. 设备设置和校准（5分钟）
<ol><li>虚拟现实系统<ol>
<li>确保系统包括 图 2 所示实验设置中概述的所有组件，包括一个 VR 头戴式设备、两个手持控制器、一个 VR 腰部跟踪器、两个 VR 脚部跟踪器、用于监控 VR 设备位置的基站，以及一个带有 2080ti 显卡的高端游戏桌面，用于运行 VR 系统和 CC-VRS 软件（参见 材料表）。<ol>
<li>在桌面上启动 Steam VR，以协调 VR 组件，并在整个数据收集过程中监控每个 VR 设备的状态。</li>
			<li>打开每台 VR 设备并寻找绿色指示灯，以验证 Steam VR 的主动跟踪。</li>
			<li>通过在 Steam VR 菜单中选择“房间设置”并使用手部控制器按照屏幕上的提示进行操作，校准虚拟空间的边界和方向。</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>虚拟现实头显<ol>
<li>将耳机放入紫外线卫生清洁系统中，并在用户之间运行一个消毒周期。</li>
	</ol>
</li>
	<li>全向跑步机<ol>
<li>使用随附的脚踏板上的绿色电源按钮打开全向跑步机的电源。在台式计算机上启动相应的软件。</li>
		<li>要进行校准，请使用应用程序中 的“选择用户跟踪器” 功能，并将腰部跟踪器标识为适当的跟踪设备。接下来，将此跟踪器居中在全向跑步机表面上，并使用 “设置中心点” 功能校准跑步机平台的中间。在指环上设置腰部跟踪器，然后使用 设置环高t 功能校准扶手带的高度。 注意：跑步机和相应的软件依靠VR腰部跟踪器相对于平台的位置来响应用户的动作进行适当的操作。用户开始静止，位于跑步机的中心。当用户偏离中心时，系统通过生成适当的跑步机运动来响应用户的运动和速度，这些运动将使用户在平台上重新居中。</li>
	</ol>
</li>
	<li>CC-VRS 应用程序<ol>
<li>校准并接合所有 VR 跟踪设备和全向跑步机后，从桌面启动 CC-VRS 应用程序。按照屏幕上的菜单输入用户 ID 并启动相应的试用类型。</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63978/63978fig02.jpg"> 图 2：CC-VRS 平台概述。 对整个 CC-VRS 平台的描述。用户戴着VR头显，通过在全向跑步机上行走来浏览虚拟杂货店。通过VR头显向用户提供一条微妙的绿线作为导航辅助。购物清单上的五件商品可以在这条150米的路径上找到。通过控制计算机和监视器向用户提供用户的第一人称视图。设置 CC-VRS 系统所需的时间约为 5 分钟。缩写：VR =虚拟现实;CC-VRS = 克利夫兰诊所 - 虚拟现实购物。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63978/63978fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的大图。</a>
2. 用户准备（15分钟）
<ol><li>耐受性调查（基线）<ol>
<li>如果收集有关 VR 病态的数据，请指示用户在开始 CC-VRS 体验之前完成模拟器病态问卷。</li>
	</ol>
</li>
	<li>利用<ol>
<li>将用户安装全身安全带，固定在腿部和胸部周围。将安全带夹入全向跑步机中心上方的天花板安装电缆中，以防止跌倒并提高用户的舒适度，而不会妨碍自然步态。</li>
	</ol>
</li>
	<li>虚拟现实追踪器<ol>
<li>通过在鞋带周围使用拉链带，将左右脚跟踪器固定在用户的脚上。将腰部跟踪器拧到专门设计的腰带上，然后调整皮带，直到跟踪器位于用户腰部区域的中间。将左右控制器放在用户手中，并拧紧皮带，直到安全舒适。</li>
	</ol>
</li>
	<li>全向跑步机熟悉<ol>
<li>在戴上耳机之前，请让用户有时间走路并打开全向跑步机。解释腰部跟踪器相对于跑步机平台中心的重要性，并鼓励用户在握住扶手支撑时舒适地向跑步机边界的外缘行走。通过应用程序脱离跑步机，继续进行用户准备。</li>
	</ol>
</li>
	<li>耳机<ol>
<li>当用户站在固定的全向跑步机上时，将耳机放在用户的头上并协助进行调整（顶部承重带、后部稳定旋钮和瞳孔间距离滑块，以保持清晰），直到佩戴舒适且显示屏清晰。确保头戴式耳机安装的扬声器位于耳朵上方，并设置为适当的音量。</li>
	</ol>
</li>
	<li>指示用户站在全向跑步机平台中心附近，然后单击应用程序上的 “开始 ”以重新啮合跑步机。</li>
	<li>如果以前未启动，请从桌面启动 CC-VRS 应用程序。</li>
</ol>3. 中央人民武装力量系统管理（30 分钟）
<ol><li>在整个 CC-VRS 体验中，通过桌面显示屏监控用户在商店中的进度，并准备好在用户遇到任何不适或不稳定时停止全向跑步机。</li>
	<li>输入 用户 ID。</li>
	<li>选择“ 综合教程 ”以加载一个小型实践环境，该环境向用户介绍 CC-VRS 评估的总体目标，以及复杂方案的导航路线、购物清单和其他认知需求。<ol>
<li>在继续测试之前，请确保用户熟悉以下控制器功能：<ol>
<li>通过抬起左手并按住控制器上的 A 或 B 按钮来激活购物清单（图3A）。</li>
			<li>通过释放 A 或 B 按钮关闭购物清单。</li>
			<li>使用控制器触发器从货架上选择项目（图3A）。</li>
			<li>使用控制器触发器将商品放入杂货推车。</li>
		</ol>
</li>
		<li>确保用户对复杂场景的以下认知和运动需求感到满意：<ol>
<li>在场景开始时通过听觉公告对五个单词执行延迟口头回忆，类似于蒙特利尔认知评估测试（MoCA）46的延迟回忆部分。</li>
			<li>对销售商品执行价格比较任务（例如，在 8 盎司番茄酱（1.00 美元）和 16 盎司番茄酱（1.50 美元）之间选择最具成本效益的选项）（图 3B）。</li>
			<li>避免商店中的障碍物，包括地板上的溢出物和由于沿路径放置其他购物者或推车而导致的狭窄过道（图3C）。</li>
		</ol>
</li>
		<li>如有必要，请重复本教程（总共约5分钟），直到用户证明熟练掌握上述功能并理解任务。</li>
	</ol>
</li>
	<li>选择“ 基本方案”。选择 路径长度 和 列表项数。<ol>
<li>指示用户在头戴式设备显示屏上看到商店后立即开始行走。鼓励用户尽可能高效地完成任务，快速移动，同时最大限度地减少错误。</li>
		<li>当用户通过到达商店结账完成任务时，查看桌面屏幕上显示的摘要指标并退出虚拟环境。</li>
	</ol>
</li>
	<li>选择“ 复杂方案”。选择 路径长度 和 列表项数。<ol>
<li>向用户提供与 基本方案中类似的说明。提醒用户 复杂方案中的其他认知需求。</li>
		<li>当用户通过到达商店结账完成任务时，查看桌面屏幕上显示的摘要衡量指标（图 3D）并退出虚拟环境。</li>
	</ol>
</li>
	<li>耐受性调查<ol>
<li>如果收集有关VR疾病的数据，请指示用户在完成CC-VRS体验后立即完成模拟器疾病问卷，并在30分钟后再次完成。</li>
	</ol>
</li>
	<li>可用性调查<ol>
<li>如果收集有关平台可用性的数据，请指示用户在完成 CC-VRS 后立即完成系统可用性量表。</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63978/63978fig03.jpg"> （A） CC-VRS 用户用左手主动查看购物清单并用右手选择相应项目的第一人称视图。用户可以使用VR手持控制器直观地与整个杂货店中的任何物品进行交互。（B） 用户在复杂方案中遇到的销售价格比较任务的示例。对于购物清单上表示为 SALE 商品的商品，用户必须比较两个不同尺寸商品的单价，并选择表示更好交易的选项。（C） 复杂场景中狭窄过道的第一人称视角。除了沿着导航路线的多个转弯外，狭窄的通道增加了运动的复杂性，增加了在神经系统人群中触发步态冻结的可能性。（D）完成复杂方案后向实验者显示的摘要结果示例，包括正确和不正确的项目，完成方案的总时间以及成功回忆的单词数。此显示中的特定指标可由实验者配置。缩写：VR =虚拟现实;CC-VRS = 克利夫兰诊所 - 虚拟现实购物。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63978/63978fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的大图。</a>
4. 数据文件和结果
<ol><li>查看为每个试用版自动生成的摘要文件 （.csv），其中包含用于描述 CC-VRS 整体性能的可配置指标。</li>
	<li>查看包含跟踪器、控制器和头戴式设备在整个任务期间的位置和旋转的详细数据文件（.csv）。有关列表激活、项目交互和障碍物碰撞的数据也会自动记录并输出到此文件。</li>
</ol>

JLA，MMK和ABR已向克利夫兰诊所创新公司提交了与CC-VRS平台相关的发明披露表格。

迄今为止，CC-VRS平台似乎通过将最先进的VR内容与全向跑步机相结合，最有效地解决了VR中的运动问题。CC-VRS无缝沉浸式环境的一个关键方面是确保跑步机和VR软件之间的正确通信。正确设置VR系统的各个方面（包括定位器、脚部和腰部跟踪器以及手部控制器）势在必行。如果跟踪不一致或不可靠，则需要调整基站的方向和位置，或添加另一个基站单元。物理空间的适当覆盖提供了VR硬件和全向跑步机之间的稳定同步，并确保来自VR设备的位置和方向数据是完整，准确和精确的52。建议在每个数据收集会话开始时校准全向跑步机，以确保在虚拟环境中导航时获得最佳响应能力。
在使用 CC-VRS 之前，患者熟悉跑步机至关重要。虽然全向跑步机直观且易于操作，但需要用户熟悉，最好在引入VR头显和由此产生的空间定向挑战之前完成。为了满足个人用户的需求和本评估的目标，每个CC-VRS场景都可以配置以下功能：1）跑步机低或高最大速度，2）教程模块的重复，3）通过商店的路线长度，以及4）购物清单上的项目数量。这些修改优化了对各种功能患者的认知、运动和双重任务能力的评估。
缺乏能够通过使用客观和定量结果来标准化IADL性能的单平台技术，这些结果表征了认知和运动功能，这是早期识别和有效治疗年龄相关神经系统疾病（如PD或阿尔茨海默病）的关键障碍。目前使用自我报告问卷估计IADL功能的方法虽然易于管理，但容易产生偏差。在自我报告期间，老年人倾向于高估或低估IADL能力53。同样，由于观察者的误解或知识差距，完成IADL查询的线人经常误判能力35.
自我报告和线人评级问卷的替代方法是基于绩效的IADL评估。基于绩效的评估通常由训练有素的职业或物理治疗师完成。虽然有许多性能测试和指南可用，但它们不利于整合到临床护理中，通常需要充足的时间和专业空间和设备，而这些空间和设备通常在初级保健或神经病学提供者的办公室中找不到。最广泛使用的基于性能的评估之一，功能状态直接评估（DAFS），需要大约40分钟来管理，其评分主要基于测试管理员的专家意见。虽然 DAFS 在分期阿尔茨海默病中很有用，但它缺乏敏感性，并且在轻度认知障碍阶段24 时无法检测到 IADL 下降。通过将VR与全向跑步机相结合，将虚拟世界和现实世界融合在一起，提供了在复杂的认知条件下捕获IADL性能的机会，从而更好地复制现实世界的环境，从而可能导致神经系统疾病的早期诊断54。
CC-VRS平台通过提供标准化，系统，客观和定量的方法来表征老年人和神经系统疾病患者的IADL能力，从而解决了临床差距。根据初步的可用性测试和数据，基本和复杂的 CC-VRS 方案可以在不到 30 分钟的时间内完成。与PD18的其他沉浸式VR研究类似，大多数PD患者会出现轻微的晕动病症状。从可用性的角度来看，CC-VRS的总体SUS评级为75.7，对应于字母等级“B”，介于“良好”和“优秀”描述符类别55之间。相比之下，最近对流行的手机和平板电脑应用程序的评估报告称，在所有平台56（包括天气频道和YouTube等移动应用程序）中排名前10位的应用程序的平均SUS得分为77.7。与会者的评论表明，大多数用户都喜欢与CC-VRS平台互动的真实感和能力。重要的是，参与者从物理和认知方面感受到了挑战，这表明设计实现了创建一个动态平台的目标，该平台再现了复杂的IADL体验。
我们之前已经证明，技术可以成功地集成到脑震荡57 患者的临床工作流程中，以及为多发性硬化症（MS）58患者提供繁忙的神经学服务。此外，在脑震荡管理中使用技术改善了59的结局并降低了成本，而其在MS治疗中的使用导致在电子健康记录中记录的时间为每名患者节省了27%60。考虑到降低提供护理成本的持续目标61 ，以及经常引用在电子健康记录中记录医生倦怠62所花费的时间，将CC-VRS平台集成到临床护理中可能会为医院系统提供实质性的附加值。两个项目正在进行中，其中CC-VRS平台被整合到1）一个主要治疗健康老年人的区域初级保健家庭健康中心和2）克利夫兰诊所的一个专门的运动障碍诊所。
缺乏用于PD和阿尔茨海默病的准确可靠的生理或数字生物标志物导致早期诊断和测量疾病进展的巨大困难63，64。CC-VRS平台有可能在单一技术平台下提供数字生物标志物，该平台将增强临床护理，并通过减少对主观和高度可变的临床结果的依赖（例如，运动障碍协会 - 联合帕金森病评级量表运动部分（MDS-UPDRS III））来缩短和更有效的临床试验。在过去三十年中，临床神经病学领域对运动和认知功能的评估在评估PD患者和相关主要运动症状方面没有显着进展，更不用说认知或双重任务问题了。PD患者评估中最着名的进步是主观临床评分量表（MDS-UPDRS III）的修订。重要的是，我们认为中央人民武装力量系统不会取代《人类发展战略-扩大发展报告三》。相反，我们认为，通过提供标准化和客观的IADL量化方法，可以在初级保健实践中实现其最大价值。虽然认为目前形式的CC-VRS是神经系统疾病的前驱标志物还为时过早，但结果可用于在神经功能方面提高“红色”或“黄色”标志，这可能会引发运动障碍，神经心理学或老年病专家的咨询。就其在PD临床护理中的应用而言，预计CC-VRS可用于药物滴定或深部脑刺激装置的最终编程。初级保健和PD特定的用例目前都处于试点阶段。通过真正使用户沉浸在现实环境中并测量认知和运动功能的有意义和重要方面，CC-VRS代表了为神经系统疾病创建潜在有效和可扩展的数字生物标志物的第一步。
临床神经病学领域，特别是运动障碍，充满了通过加速度计或其他传感器技术65，66，67，68，69开发用于量化单个孤立的PD症状的技术示例。据我们所知，除了我们的天平70，71，72，73和震颤应用74之外，这些方法都没有被整合到常规的PD临床护理中。以前的技术通常是有效和可靠的;然而，重点一直放在技术开发上，很少考虑临床整合的可行性75，76。患者，提供者，医院和监管机构对量化有意义的日常行为变化的结果指标越来越感兴趣77，78，79，80。临床整合精确而有意义的神经系统症状和IADL表现测量是必要的，以系统地评估干预措施的整体有效性或确定干预措施减缓疾病进展的潜力。开发适合常规临床使用的标准化IADL评估方法很有吸引力，有助于全面了解和治疗有意义的活动的神经系统疾病。
CC-VRS评估IADL表现的方法有助于诊断和管理神经系统疾病，有可能通过早期诊断和更精确地跟踪疾病进展来改变医疗保健。但是，充分承认该系统并非没有限制。全向跑步机的成本是巨大的，并且可能成为广泛采用的障碍，而没有系统的健康经济学研究来确定评估成本相对于早期诊断价值或更精确地跟踪疾病进展之间的潜在“收支平衡”点。值得注意的是，国家神经疾病和中风PD会议78，MDS技术工作组77和FDA强调了通过技术获得以PD患者为中心的结果的差距。他们呼吁使用技术来衡量有意义的PD活动，并将这些结果整合到临床护理中。我们目前正在评估将CC-VRS整合到克利夫兰诊所的初级保健环境和运动障碍中心;这些部署将利用更实惠的全向跑步机。成功收集数据确实需要临床医生投入大量时间来学习如何设置和操作系统。正在进行的临床试点将更好地告知成为熟练用户所需的培训量。人们可以想象一个模型，其中雇用技术人员来操作系统，患者完成购物任务，而不是在预约之前坐在候诊室里。然后，这些数据可以在与他们的提供者见面之前立即集成到电子健康记录中。这些类型的应用程序有可能成为患者未来的候诊室。

2008年，美国国家工程院确定了21世纪工程的14大 挑战1。其中之一是将虚拟现实（VR）整合到医学中。在使用VR培训医学生2，3，手术计划3，减少与医疗互动相关的焦虑4，协助管理急性5 和癌症相关疼痛6，以及增强中风7后的运动恢复方面取得了进展。尽管有这些有希望的应用，但VR在医学上的效用尚未完全实现，特别是在评估和治疗神经系统疾病领域。虽然VR技术的进步已经最大限度地减少了成本、头戴式设备舒适度和直观可用性功能等障碍，但VR疾病继续阻碍VR与医学的整合8。
虚拟现实病是指在VR体验期间出现的类似于晕动病（例如恶心，呕吐，眩晕）的感觉9，10，11 。虽然在解释VR疾病时没有一个单一的理论是一致的，但感官冲突理论是一个主要的解释12.简而言之，感官冲突理论表明，VR疾病源于感官差异;视觉流动信息指示身体在空间中向前移动，而前庭系统指示身体是静止的13。感觉信息的这种差异导致平衡不良，空间定向障碍和无法控制的姿势运动，这些都是VR疾病的前兆。虽然VR病的精确机制存在争议，但减少感官信息源之间的不匹配可能会减少VR病14 并促进VR在医疗环境中的采用。
长期以来，运动与VR相结合一直被提出作为一种通过将用户在物理和视觉上沉浸在虚拟环境中来减少感官不匹配的方法15，16。一些针对有和没有神经系统疾病的老年人的研究已经成功地将沉浸式和非沉浸式VR系统与传统的单向跑步机配对17，18，19。这些研究表明，VR和单向跑步机干预通常耐受性良好18 ，并且干预可能会降低跌倒频率17，19。这些结果为运动和VR的成功整合提供了有希望的基础。但是，单向跑步机的外部电机起搏不允许用户更改速度或执行转弯以与更复杂的现实虚拟环境进行交互。
在过去的二十年中，运动跟踪硬件和软件的进步促进了更加身临其境和交互式虚拟环境的发展。一个重大的进步是全向跑步机20的发展。简而言之，全向跑步机同时利用线性和旋转运动，使用户能够以自选的速度向任何方向移动。在游戏行业中普遍使用的全向跑步机通过解决VR疾病问题和促进创建更能挑战用户物理能力（例如转动或改变方向）的现实环境，扩大了在临床环境中利用VR环境的机会。特别是，全面日常环境的虚拟复制可以促进在进行日常生活工具活动（IADLs）期间评估认知和运动功能。
日常生活的工具性活动（IADLs）是功能性任务（例如，购物，服用药物，准备食物），对维持独立生活至关重要21.完成常见IADL的能力已被提出作为神经系统疾病的前驱标志物。来自长期前瞻性研究的最新数据表明，IADL的下降可能早于帕金森病（PD）的诊断5-7年22，23 和阿尔茨海默病的诊断24，25。与日常生活的基本活动（BADL）26相反，IADL通常需要同时执行两项需要注意的任务（例如，运动 - 认知，运动 - 运动或认知 - 认知）27。绝大多数日常家庭和社区活动都是在双重任务条件下进行的28，29.
虽然双重任务下降明显影响IADL性能，但传统的临床运动评估30，31，32 和神经心理学测试33，34 不足以评估IADL，因为这些评估将功能分离为离散组件而不考虑它们的相互依赖性。目前的直接IADL评估方法依赖于容易产生偏见的自我报告问卷35 或冗长而繁琐的基于绩效的评估36。这两种方法都无法客观、定量地了解个人在社区环境中的IADL功能水平。
VR技术的进步，加上全向跑步机的工程进步，为创造互动和身临其境的环境提供了机会。创建了一个虚拟杂货店和购物任务，以同时评估运动，认知，认知运动和IADL性能。克利夫兰诊所虚拟现实购物（CC-VRS）平台由生物医学工程师，软件开发人员，物理治疗师，职业治疗师和神经科医生组成的团队合作开发。
根据美国职业治疗协会26的建议，选择了一个杂货店购物任务来量化IADL性能。虚拟多重差事任务（VMET）37，定时仪器ADL量表38和宾州帕金森氏症日常活动问卷-15（PDAQ-15）39 将购物视为与神经系统疾病相关的运动和非运动表现的重要指标。其他人使用沉浸式VR头显来创建杂货店环境，试图估计IADL性能为37，40，41。然而，他们未能评估杂货店购物的一个主要组成部分：运动。通常，当前的VR杂货店范式要求参与者使用手持控制器在整个杂货店中传送或导航头像。我们的目标是将运动整合到用户的虚拟购物体验中。CC-VRS开发过程始于对典型杂货店体验的正式任务分析。 如图1所示，九个基本任务组件反映了一系列元素的混合，这些元素可以表征为成功表现所需的运动，认知或认知运动活动，这是所有IADL的特征。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63978/63978fig01.jpg"> 图 1：杂货店购物任务分析。 执行任务分析以确定动作的顺序以及这些动作的性质，以便在现实世界中成功购买杂货。确定了九个主要序列，并用于为 基本 和 复杂 购物任务的发展提供信息。序列分为运动（蓝色），认知（黄色）和认知运动（绿色）; 表1提供了有关相应结局的详细信息。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63978/63978fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的大图。</a>
CC-VRS平台通过沉浸式VR耳机复制逼真的中型杂货店。在全向跑步机上行走时，用户沿着商店的连续指定路线行驶，在购物清单上找到商品，然后将商品放入虚拟购物车中。提供指定的路径可以标准化通过虚拟商店的步行距离，减少导航错误的数量，并有助于更精确地将IADL性能的潜在变化与用户使用的导航错误或次优搜索策略分离。150米的路线需要多次转弯，这增加了运动复杂性42，43 和在神经患者群体中触发步态冻结的可能性，因为在转弯时观察到冻结的频率高于直线行走44，45。导航路径的距离和购物清单上的项目数量都可以由临床医生配置，以匹配用户的能力或评估会话的目标。
每个用户完成一个基本和一个复杂购物方案。基本方案只需遵循路线并从购物列表中选择项目。在复杂场景中，在沿着商店的相同路线行驶时，会向用户提供不同杂货商品的列表，但会引入其他认知和运动需求（延迟的口头召回、价格比较和下面的协议部分中描述的避障任务）。基本场景和复杂场景中的环境杂货店噪音都完成了沉浸式体验。有关用户表现的摘要和详细数据（包括收集的正确和不正确的项目、购物清单激活的数量和频率、停止持续时间和步态指标）是自动生成的，可供临床医生查看。
CC-VRS的目标是客观地量化IADL在老年人和有神经系统疾病风险或被诊断患有神经系统疾病的个体中的表现。CC-VRS为用户提供了身临其境和逼真的体验，它产生了精确的，基于生物力学的认知和运动功能结果，这些结果有可能作为神经系统疾病的前驱标志物或疾病进展的客观衡量标准。CC-VRS目前正在三个相关项目中使用，旨在：（1）了解健康老龄化和神经系统疾病对IADL表现的影响，（2）确定临床整合到初级保健和运动障碍诊所的可行性，以及（3）确定具有深部脑刺激（DBS）系统的高级PD患者步态冻结的神经特征。总的来说，这些项目将利用CC-VRS平台和相关结果来更好地了解衰老和神经系统疾病如何影响IADL性能的各个方面。这份手稿详细介绍了 CC-VRS 的发展、设计、硬件和软件技术及其新颖的成果，这些成果可以促进与医疗保健的整合。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Cleanbox</td>
			<td>Cleanbox</td>
			<td></td>
			<td>UV hygienic cleaning system used for disenfecting the VR headset</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Desktop PC</td>
			<td>Dell</td>
			<td></td>
			<td>High-end gaming desktop</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infinadeck Omnidirectional Treadmill</td>
			<td>Infinadeck</td>
			<td></td>
			<td>Omnidirectional treadmill allows you walk in any direction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Safety Harness&#160;</td>
			<td>Ymachray</td>
			<td></td>
			<td>Standard saftey harness to prevent the patient from falling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Valve Index Base Stations x3</td>
			<td>Valve</td>
			<td></td>
			<td>Tracking of the headset/controllers and trackers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Valve Index Controllers (one set of 2)</td>
			<td>Valve</td>
			<td></td>
			<td>Hand controllers to interact with the digital content</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Valve Index VR headset</td>
			<td>Valve</td>
			<td></td>
			<td>VR headset</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vive tracker 3.0 x3</td>
			<td>HTC</td>
			<td></td>
			<td>Placed on feet and waist to track position and control movement of treadmill</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vive tracker straps</td>
			<td>Skywin VR</td>
			<td></td>
			<td>Secures the Vive tracker around the waist</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zip ties</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Used to affix Vive trackers to shoelaces</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

the immersive cleveland clinic virtual reality shopping platform for the assessment of instrumental activities of daily living

日常生活工具性活动（IADLs）表现的下降已被提议为神经系统疾病的前驱标志物。现有的临床和基于绩效的IADL评估对于整合到临床医学中是不可行的。虚拟现实（VR）是一种功能强大但未得到充分利用的工具，可以推进神经系统疾病的诊断和治疗。在临床神经病学中采用和扩展VR的一个障碍是视觉和前庭系统之间的感觉不一致（即运动问题）引起的VR相关疾病。
克利夫兰诊所虚拟现实购物（CC-VRS）平台试图通过将全向跑步机与高分辨率VR内容相结合来解决运动问题，使用户能够在虚拟杂货店中实际导航以模拟购物。CC-VRS由基本和复杂的购物体验组成;两者都需要步行150米并取回五个项目。复杂体验具有其他方案，这些方案增加了任务的认知和运动需求，以更好地表示与现实世界购物相关的活动的连续体。CC-VRS平台提供与用户IADL性能相关的客观和定量的生物力学和认知结果。初始数据表明，CC-VRS导致最小的VR疾病，并且对于老年人和帕金森病（PD）患者是可行和可耐受的。综述了开发、设计、硬件和软件技术背后的考虑因素，并提供了整合到初级保健和神经病学的初始模型。

目前正在开展一个项目，以确定CC-VRS在评估年轻人，没有神经系统疾病的老年人和PD患者的认知，运动和IADL功能方面的有效性。每个参与者使用相同的 150 米路径和 5 个项目列表完成了教程、基础和复杂场景，以便跨组比较性能。利用详细的认知和位置数据来建立信息汇总指标，以区分认知，运动和IADL功能已知差异的人群之间的CC-VRS表现。计算了额外的生物力学和双重任务指标，以进一步表征各个领域的功能水平（表1）。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>中央人民武装力量会议成果</td>
			<td>域</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="2">认知</td>
		</tr>
<tr>
<td>正确和不正确的项目</td>
			<td>执行功能</td>
		</tr>
<tr>
<td>列表激活（数量和持续时间）</td>
			<td>工作记忆</td>
		</tr>
<tr>
<td>促销项目召回（编号正确）</td>
			<td>声明性内存</td>
		</tr>
<tr>
<td>销售价格比较（成功和持续时间）</td>
			<td>处理速度</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="2">认知运动</td>
		</tr>
<tr>
<td>试用期</td>
			<td>全局 （IADL） 函数</td>
		</tr>
<tr>
<td>停靠点（数量和持续时间）</td>
			<td>双重任务干扰</td>
		</tr>
<tr>
<td>列表项附近的步态速度</td>
			<td>双重任务干扰</td>
		</tr>
<tr>
<td>与避障的碰撞</td>
			<td>反应抑制</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="2">发动机</td>
		</tr>
<tr>
<td>速度、步长、步态变异性</td>
			<td>步态速度和质量</td>
		</tr>
<tr>
<td>转弯速度、转弯持续时间</td>
			<td>转弯质量</td>
		</tr>
<tr>
<td>台阶宽度，对称性</td>
			<td>姿势稳定性</td>
		</tr>
<tr>
<td>加速度下的过零次数</td>
			<td>行走流动性</td>
		</tr>
<tr>
<td>选定物品的到达范围和运输持续时间</td>
			<td>上肢功能</td>
		</tr>
</tbody></table>表1：中央人民民主制度委员会成果指标。CC-VRS 平台可能的结果指标的非详尽列表，主要指定为认知、运动或认知运动。这些结果是在用于将CC-VRS设计为IADL函数的生态有效评估的任务分析的基础上开发的。这些结果捕获的域代表了成功完成杂货购物和其他IADL所需的单任务和双任务功能的范围。与现有的神经心理学和运动评估相比，CC-VRS在更准确地反映家庭和社区环境中IADL环境的复杂需求的条件下评估这些领域。缩写：CC-VRS = 克利夫兰诊所 - 虚拟现实购物;IADL = 日常生活的工具性活动。
图 4 概述了一个 PD 参与者的基本方案性能。将参与者穿过商店的步行路径与导航路线的理想路径进行比较，并注意正确购物商品的位置。使用来自VR跟踪器的位置数据，记录并绘制了参与者通过商店的瞬时速度。添加列表激活和项目选择的上下文，可以深入了解参与者的双重任务处理能力和整体能力，以有效地完成IADL任务。
根据初步分析的结果，健康的年轻人和PD患者之间的CC-VRS总体表现不同（图5）。任务期间总试验持续时间、停止次数和持续时间以及列表视图的数量和持续时间的结果都是区分组的有希望的指标。与健康的年轻人相比，老年人和PD患者需要更多的时间来完成每个场景，并且花了更多的时间停止和激活购物清单。年轻人通过同时走路和激活清单表现出更高的双重任务能力，而患有PD的人更常在停止时激活购物清单。其他结果，包括搜索项目所花费的时间，步态指标以及复杂场景中认知需求的结果，可用于分析。
在另一项针对PD患者的CC-VRS可用性研究中，10名参与者完成了模拟器疾病问卷（SSQ）47，48 ，以评估基线时VR疾病的症状，在完成CC-VRS体验后立即完成任务后30分钟。SSQ在飞行模拟的背景下开发，以4分制捕获16种常见症状，并已被用于VR应用。除了总分外，还将单个症状评分进行组合和加权，以形成恶心、动眼和定向障碍症状群领域的子评分。SSQ 总分范围为 0 到 235.6。
图6 显示了在基线（平均总分13.1±16.7）之后，CC-VRS（29.5±27.9）之后以及CC-VRS（14.2±15.6）之后30分钟完成的SSQ的结果，用于PD（N = 10）。一般来说，PD受试者在CC-VRS后的总SSQ评分为轻度，最常见的症状是一般不适，疲劳，眼睛疲劳，聚焦困难和出汗。值得注意的是，许多参与者在基线时报告了轻度症状。尽管如此，9/10 参与者还是以平均 29.0 ± 5.9 分钟完成了完整的评估，包括教程、基础和复杂场景。一个人由于疾病而无法忍受CC-VRS。这些数据提供了令人信服的证据，证明CC-VRS平台对大多数神经系统疾病患者具有良好的耐受性。总的来说，普遍缺乏明显的VR疾病症状表明，将VR内容与全向跑步机相结合是可行的，并且可以解决大多数人的VR运动问题。
完成可用性研究的10名参与者在使用CC-VRS后参加了半结构化访谈。所有参与者都认为这项研究是他们第一次使用VR和/或全向跑步机。关于跑步机的总结性评论包括以下内容：
易于适应跑步机：参与者通常会在几分钟内在跑步机上感到舒适，因为步行模仿了地面踏步。参与者指出了步态需要适应的两个方面：（1）在停止时将腰部跟踪器拉回跑步机的中心，以及（2）由于跑步机平台的大小而采取稍短的步幅。
上肢支撑正在稳定：使用包围跑步机的圆形扶手提供了适当水平的上肢支撑，有助于完成任务。
具有挑战性的身体和认知环境：参与者报告说，他们的姿势控制在执行购物任务时受到挑战。被束缚是舒适的，但安全带不会限制任何平面上的运动。
逼真的环境：视觉和听觉显示与真正的杂货店非常相似，对于VR天真的用户来说令人印象深刻。参与者报告说，其他购物者和过道障碍物的真实性促使他们避免碰撞，并且导航路线易于遵循。
定向障碍：主诉定向障碍和疾病与个体SSQ评分一致。一些参与者在CC-VRS的头几分钟内表现出最初的视觉空间挑战，导致个人与杂货店货架非常接近，他们觉得这造成了一种迷失方向的感觉。
来自上述两项研究（N = 24）的PD的参与者在CC-VRS完成后完成了系统可用性量表（SUS）。SUS是一份包含10项的问卷，用于衡量系统的易用性，全球满意度和可学习性49，50。分数范围从 0 到 100，其中 68 表示平均可用性。总体SUS分数在72.6和78.8之间对应于“B”级，大于78.8的分数获得“A”51。在完成CC-VRS平台（教程，基础和复杂会话）的24名PD参与者中，CC-VRS的平均得分为75.7±18.9。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63978/63978fig04.jpg"> 图 4：CC-VRS 性能摘要。 （A）患有帕金森病的个体完成CC-VRS平台的基本方案。（B）参与者完成任务时的导航路径和行走速度。蓝色方块表示购物清单上已成功检索的商品。嵌入在导航导线上的是代表参与者瞬时步行速度的热图线;计算前 20 米直线步行的基线步行速度。任何小于基线步行速度0.5倍的瞬时速度均为红色;瞬时速度高于1.5x，上述平均速度为绿色。从红色到黄色再到绿色的线性过渡介于平均直线行走速度的0.5倍到1.5倍之间。给出了试验过程中的行走速度（C）和列表激活次数（D）。值得注意的是，该参与者在试验过程中有15个列表视图，尽管购物清单上只有五个项目。缩写：CC-VRS = 克利夫兰诊所 - 虚拟现实购物。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63978/63978fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的大图。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63978/63978fig05.jpg"> 图5：健康年轻人的CC-VRS与帕金森病的比较。 健康的年轻人（A）和患有PD（B）的参与者在基本情景表演期间行走的累计距离。一般来说，两名参与者的行走距离与他们沿着海岸线的距离大致相同。然而，PD的参与者比年轻人（350秒）花了更长的时间（410秒）来完成这个场景。绿色条表示任务期间列表激活的次数和持续时间。年轻人七次查看名单，共73.1秒，而PD的参与者16次查看名单，共94.3秒。蓝点反映了参与者的物理停止。对年轻人表现的检查表明，他们的总体停留次数较少，可以同时走路并查看列表。相反，PD的参与者有17个站点，每个站点对应于一个列表视图，这表明他们无法有效地执行双重任务（例如，同时步行和查看列表）。缩写：CC-VRS = 克利夫兰诊所 - 虚拟现实购物;PD = 帕金森病。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63978/63978fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的大图。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63978/63978fig06.jpg"> 图 6：CC-VRS 之后的症状体验。 作为可用性研究的一部分，共有10名PD参与者进行了CC-VRS。每位参与者在完成CC-VRS体验之前，之后和30分钟后完成了模拟器疾病问卷。SSQ捕获了16种VR疾病的症状，最高得分为235.6。大多数患有PD的参与者在基线时认可了轻度症状，CC-VRS后症状立即升高，并在完成平台后30分钟内恢复到基线水平。整个 CC-VRS（教程、基础和复杂场景）平均需要 29 分钟才能完成，完成 CC-VRS 时的平均 SSQ 分数为 29.5（红色）。缩写：CC-VRS = 克利夫兰诊所 - 虚拟现实购物;PD = 帕金森病;SSQ = 模拟器疾病问卷。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63978/63978fig06large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的大图。</a>

Watch this Scientific Journal Video about The Immersive Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping Platform for the Assessment of Instrumental Activities of Daily Living at JoVE.com

The Immersive Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping Platform for the Assessment of Instrumental Activities of Daily Living

虚拟现实（VR）是一种强大但未充分利用的方法，可促进神经系统疾病的诊断和治疗。克利夫兰诊所虚拟现实购物平台将最先进的VR内容与全向跑步机相结合，以量化日常生活的工具活动 - 这是神经系统疾病的前驱标志物。

沉浸式克利夫兰诊所虚拟现实购物平台，用于评估日常生活中的工具性活动

A decline in the performance of instrumental activities of daily living (IADLs) has been proposed as a prodromal marker of neurological disease. Existing ...

克利夫兰诊所虚拟现实购物平台将最先进的虚拟现实内容与全向跑步机相结合，以客观地量化日常生活中的工具性活动。该系统的一个新方面是解决运动问题。通常，对于VR应用程序，视觉信息和前庭信息之间存在脱节，从而导致晕动病。在这里，通过将虚拟现实与全向跑步机相结合，我们拥有一致的视觉和前庭信息，从而消除了晕动病。日常生活工具性活动表现的下降已被证明是帕金森病和阿尔茨海默病的前驱标志物。通过开发一种客观的定量方法来评估IADL，我们可以潜在地对这些疾病进行早期诊断和更好的治疗。今天演示该过程的将是来自我实验室的博士候选人摩根麦格拉思，而来自我实验室的物理治疗师安森费尔特将演示CC-VRS任务。打开每个 VR 设备并寻找绿色指示灯。通过在 Steam VR 菜单中选择“房间设置”来校准虚拟空间的边界和方向。使用手部控制器按照屏幕上的提示在虚拟空间的边界上走动。接下来，使用所连接的脚踏板上的绿色电源按钮打开全向跑步机的电源。在计算机上启动英飞达软件。使用应用程序中的“选择用户跟踪器”功能，并将腰部跟踪器标识为适当的跟踪设备。将此跟踪器居中在英菲纳德曲面上。使用“设置中心点”功能校准跑步机平台的中间。在戒指上设置腰部跟踪器，然后使用设置戒指高度来校准戒指的高度。校准后，将全身安全带安装到用户身上。通过在鞋带周围系上拉链，将左脚和右脚追踪器固定在用户的脚上。将腰部跟踪器拧到专门设计的腰带上，然后调整皮带，直到跟踪器位于用户腰部区域的中间。放置左手和右手控制器并拧紧带子，直到安全舒适。将用户的安全带夹入全向跑步机中心上方的天花板安装电缆中，以防止跌倒并提高用户的舒适度，而不会妨碍自然步态。允许用户行走并打开全向跑步机。解释腰部跟踪器相对于跑步机平台中心的重要性，并鼓励用户在握住扶手支撑时在跑步机边界的外缘周围舒适地行走。通过应用程序脱离跑步机，继续进行用户准备。当用户站在静止的跑步机上时，将耳机放在用户的头上并协助进行调整，例如后部稳定旋钮、顶部承重带和瞳孔间距离滑块。确保贴合舒适且显示屏清晰。确保头戴式耳机安装的扬声器位于耳朵上方，并设置为适当的音量。指示用户站在全向跑步机平台中心附近，然后单击应用程序上的“开始”以重新连接跑步机。启动 CC-VRS 应用程序，并在基本和复杂 CC-VRS 之前执行一个简短的教程，以确保了解要求。选择“综合教程”以加载小型练习环境。通过抬起左手并按住控制器上的A或B按钮来激活购物清单。通过释放 A 或 B 按钮关闭购物清单。使用控制器触发器从货架上选择商品，然后使用控制器触发器将商品放入杂货购物车，然后通过选择最具成本效益的选项对销售商品执行价格比较任务。避免商店中的障碍物，包括地板上的溢出物和狭窄的过道，这些都是由于沿路径放置其他购物者或推车而造成的。在场景开始时，通过听觉公告对五个单词执行延迟的口头回忆。每个用户完成一个基本和一个复杂的购物场景。基本方案需要遵循路线并从购物列表中选择商品。若要启动基本方案，请从下拉列表中选择“基本方案”，然后选择“路径长度”和列表项数。在复杂的场景中，在通过商店的相同路线时，会向用户提供不同杂货项目的列表，但引入了其他认知和运动需求。若要启动复杂方案，请从下拉列表中选择“复杂方案”，然后选择路径长度和列表项数。方案完成后，将显示摘要指标供临床医生查看。使用CC-VRS平台评估患有帕金森病的参与者，并在完成任务时记录导航路径和行走速度。显示整个试验过程中的步行速度和相应列表激活次数。对CC-VRS中年轻人的表现进行的检查表明，他们的总体停留次数较少，可以同时步行并查看列表。相反，帕金森病患者有更多的停顿，每个都对应于一个列表视图，表明他们无法有效地进行双重任务。CC-VRS后模拟器病原问卷的结果表明，大多数患者在基线时认可轻度症状，CC-VRS后症状立即升高。症状在完成平台后30分钟内恢复到基线水平，这表明将VR内容与全向跑步机相结合是可行的。CC-VRS平台可用于康复神经系统疾病患者。我们可以安全地让他们沉浸在现实世界的环境中，并培训他们完成这些对日常活动很重要的任务。CC-VRS 是真正可扩展和身临其境的。对日常生活工具活动的客观量化将导致帕金森病和阿尔茨海默病的早期诊断以及这些疾病的更好治疗。

Research

JoVE Journal

Engineering

Determining 3D Flow Fields via Multi-camera Light Field Imaging

通过多摄像头的光场成像的三维流场测定

In the field of fluid mechanics, the resolution of computational schemes has outpaced experimental methods and widened the gap between predicted and ...

科研

工程学

Monolayer Contact Doping of Silicon Surfaces and Nanowires Using Organophosphorus Compounds

Monolayer Contact Doping (MLCD) is a simple method for doping of surfaces and nanostructures1. MLCD results in the formation of highly controlled, ultra ...

Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity

Metal foams are interesting materials from both a fundamental understanding and practical applications point of view. Uses have been proposed, and in many ...

Ambient Method for the Production of an Ionically Gated Carbon Nanotube Common Cathode in Tandem Organic Solar Cells

对于一个以离子门控碳纳米管共阴极的串联有机太阳能电池的生产环境法

A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two ...

Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

电子通道造影的快速III-V异质特征

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

通过手扫描探针显微镜用三维虚拟现实接口控制单分子的操作

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building ...

A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion

机器人平台研究加州海狮的Foreflipper

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most ...

High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis

用于材料分析的高速连续波受激布里渊散射光谱仪

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as ...

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass ADG Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

玻璃 (ADG) 菲涅耳透镜对聚光光伏的效率和辐照点的室内实验评价

We present a method to characterize achromatic Fresnel lenses for photovoltaic applications. The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens is ...

Applicability Analysis of Assessment Methods for Morphological Parameters of Corroded Steel Bars

钢筋形态参数评价方法的适用性分析

The irregular and uneven residual sections along the length of a corroded steel bar substantially change its mechanical properties and significantly ...