DOI: https://doi.org/10.1186/s12984-025-01558-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39985027
تاريخ النشر: 2025-02-21
المؤلف: Elizabeth Wilson وآخرون
الموضوع الرئيسي: التوازن، والمشي، والوقاية من السقوط
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثيرات وضعية عرض الواقع الافتراضي (VR) واتجاه الاضطرابات البصرية على معايير المشي والاستقرار أثناء الحركة. باستخدام جهاز المشي الذاتي، شهد المشاركون محفزات بصرية من خلال إما عرض مثبت على الرأس (HMD) أو غرفة غامرة ذات عرض خلفي (IR) أثناء تعرضهم للاهتزازات الزائفة العشوائية في الاتجاهات الأمامية والخلفية (AP) أو الجانبية (ML). استخدمت الدراسة نماذج التأثيرات المختلطة الخطية لتحليل تأثير هذه المتغيرات على معايير المشي الزمانية والمكانية وحركية المفاصل.
تظهر النتائج أنه بينما زاد الـ HMD من تباين التحكم في سرعة المشي دون تغيير كبير في متوسط معايير المشي، فإن الاضطرابات البصرية على طول محور ML زادت من تباين المشي وقللت من الاستقرار في كلا نظامي VR، مع ملاحظة تأثيرات أكثر وضوحًا في الـ HMD. تشير النتائج إلى أن اختيار وضعية عرض VR واتجاه محفزات الحركة البصرية يؤثران بشكل كبير على سلوكيات التوازن أثناء الحركة. بشكل محدد، تسهل الـ HMDs تكيفًا أكبر في أنماط المشي تحت الاضطرابات البصرية، مما يشير إلى إمكانياتها كأدوات فعالة لدراسة التحكم في التوازن والحركة في بيئات تحاكي الصراع الحسي.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الاستخدام المتزايد للواقع الافتراضي (VR) في الكشف عن عجز التوازن وإعادة التأهيل، خاصة لدى كبار السن والسكان السريريين المتأثرين بالتدهور العضلي الهيكلي وفقدان الحواس. هذه الحالات تؤثر على استقرار المشي وتزيد من خطر السقوط، مما يستدعي تطوير استراتيجيات فعالة للفحص والتدخل. يوفر الواقع الافتراضي ميزة فريدة من خلال محاكاة سيناريوهات عدم الاستقرار التي يصعب تكرارها في البيئات التقليدية، مما يسمح بالتلاعب المنهجي في المدخلات البصرية لتحدي الاستقرار الديناميكي أثناء التحكم النشط في التوازن.
تسلط الورقة الضوء على أن الحركة تتأثر بدمج المدخلات الحسية من الأنظمة الدهليزية، والاستشعار الذاتي، والبصرية. يمكن أن تؤدي الاضطرابات البصرية إلى تعديلات حذرة في المشي، تتميز بخطوات أقصر وأبطأ وأوسع، خاصة استجابةً للاضطرابات الجانبية (ML)، التي لها تأثير أكبر على معايير المشي مقارنةً بالاضطرابات الأمامية والخلفية (AP). تهدف الدراسة إلى التحقيق في كيفية تأثير أنواع عرض VR المختلفة—العروض المثبتة على الرأس (HMDs) وغرف العرض الغامرة المعتمدة على الإسقاط (IRs)—على سلوكيات المشي واستجابات التوازن للاضطرابات البصرية. يفترض المؤلفون أن الـ HMDs ستؤدي إلى انحرافات أكبر عن أنماط المشي في العالم الحقيقي وأن الاضطرابات الجانبية ستؤثر بشكل أكثر وضوحًا على الاستقرار مقارنةً بالاضطرابات الأمامية والخلفية. فهم هذه الديناميات أمر بالغ الأهمية لتحسين البروتوكولات التجريبية وزيادة حساسية الدراسات المعتمدة على VR في تقييم التكيفات التوازنية.
الطرق
استخدمت الدراسة بروتوكولًا تجريبيًا منظمًا يتضمن ثمانية تجارب مشي ذاتية السرعة لمدة 6 دقائق للتحقيق في تأثيرات الاضطرابات البصرية على سلوك المشي في البيئات الافتراضية. أكمل المشاركون أولاً تجربة خط الأساس، تلتها كتلتان من تجارب الواقع الافتراضي (VR) المقدمة من خلال إما قبة عرض VR متكاملة (IR) أو عرض مثبت على الرأس (HMD). تتكون كل كتلة من ثلاث تجارب تحت ظروف اضطراب بصري مختلفة: متساوي القياس (ISO)، أمامي-خلفي (AP)، وجانبي (ML). تم موازنة ترتيب العرض لوضعيتي IR وHMD، بالإضافة إلى الاضطرابات AP وML، لتخفيف تأثيرات التعلم.
خلال تجارب خط الأساس وتجارب ما بعد الاختبار، شهد المشاركون تدفق بصري متساوي القياس للأمام بناءً فقط على سرعة مشيهم. في المقابل، قدمت الظروف المضطربة اهتزازات بصرية ديناميكية غيرت الحركة المدركة. بشكل محدد، تضمنت الاضطرابات AP تقلبات في السرعة البصرية، معكوسة أحيانًا حركة المشهد، بينما حافظت الاضطرابات ML على حركة أمامية متساوية القياس مع تحولات جانبية في المنظور. كانت ديناميات الاضطراب خاضعة لدالة مجموع الزوايا الزائفة، مما يضمن تغييرات ملحوظة في سلوك المشي دون التسبب في عدم الراحة. تم توفير إشارات بصرية ثابتة خلال التجارب غير المضطربة للحفاظ على الاتساق في السياق البصري، وتلقى المشاركون تعليمات للتركيز على هدف تثبيت لتقليل حركة الرأس أثناء التجارب.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في الورقة البحثية النتائج المستمدة من التجارب والتحليلات التي أجريت. تشمل النتائج الرئيسية ارتباطات إحصائية كبيرة بين المتغيرات المدروسة، مع قيم p تشير إلى أدلة قوية ضد الفرضية الصفرية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في البيانات، مما يشير إلى أن العلاقات المفترضة صحيحة تحت الظروف المختبرة.
علاوة على ذلك، توضح التمثيلات البيانية، مثل الرسوم البيانية والمخططات، العلاقات بين المتغيرات، مما يوفر تأكيدًا بصريًا على النتائج الكمية. يختتم القسم بمناقشة تداعيات هذه النتائج، مع تسليط الضوء على أهميتها في المجال الأوسع للدراسة والتطبيقات المحتملة في السيناريوهات العملية. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضيات الأولية وتفتح الطريق لمزيد من البحث.
المناقشة
تبحث هذه الدراسة في تعديلات المشي لدى البالغين الشباب باستخدام أجهزة المشي الذاتية أثناء تعرضهم لمحفزات حركة بصرية معدلة في أوضاع عرض الواقع الافتراضي (VR) المختلفة، وتحديدًا أنظمة الغرفة الغامرة (IR) وعرض الرأس المثبت (HMD). تكشف النتائج أنه بينما ظلت معايير المشي الزمانية والمكانية المتوسطة (سرعة المشي، طول الخطوة، ووقت الخطوة) متسقة عبر أنظمة VR تحت ظروف تدفق بصري متساوي القياس، لوحظت زيادات كبيرة في التباين في حالة الـ HMD. يشير هذا التباين المتزايد إلى أن المشاركين تكيفوا مع مشيهم بشكل أكثر ديناميكية عندما كانوا مغمورين في الـ HMD، خاصة استجابةً للاضطرابات البصرية، مما أدى إلى تغييرات تعويضية مثل زيادة عرض الخطوة وتقليل هامش الاستقرار (MOS).
علاوة على ذلك، تسلط الدراسة الضوء على أن الاضطرابات البصرية، خاصة تلك المطبقة في الاتجاه الجانبي (ML)، أثرت بشكل كبير على استقرار المشي وحركية المفاصل. أظهر المشاركون تباينًا أكبر في عرض الخطوة وMOS عند استخدام الـ HMD، مما يدل على استجابة أكثر حساسية لتحديات الاستقرار الجانبي. ومن الجدير بالذكر أن سرعة المشي بعد VR زادت مقارنةً بتقييمات ما قبل VR، مما قد يعكس نماذج داخلية معاد ضبطها للحركة بعد التعرض لمحفزات بصرية ديناميكية. تؤكد هذه النتائج على أهمية مراعاة كل من الأداء المتوسط والتباين في تحليل المشي، خاصة في بيئات VR، لفهم الآثار البيوميكانيكية للاضطرابات البصرية على التوازن والحركة بشكل أفضل.
القيود
في هذا القسم، يعترف المؤلفون بعدة قيود لدراستهم حول سلوكيات المشي عبر أوضاع عرض الواقع الافتراضي (VR) المختلفة. أحد القيود الرئيسية هو عدم القدرة على عزل ميزات النظام المحددة التي تساهم في الاختلافات الملحوظة في المشي، خاصة بين عرض الرأس المثبت (HMD) ونظام الأشعة تحت الحمراء (IR). يخلق الـ HMD فصلًا بصريًا كاملًا عن البيئة الواقعية، بينما يسمح نظام IR للمستخدمين بإدراك الإشارات البصرية المحيطية، مما قد يعزز وعيهم المكاني وأدائهم على جهاز المشي. تشير النتائج الأولية إلى أن العناصر البصرية في العالم الحقيقي، مثل مكونات جهاز المشي، قد تعمل كمرساة للحفاظ على الوضع الأمثل، مما يشير إلى أن هذه الإشارات قد تؤثر بشكل كبير على الحركة.
بالإضافة إلى ذلك، تفتقر الدراسة إلى قياسات مباشرة لسرعة المشي فوق الأرض، مما يعيق وضع نتائج سرعة جهاز المشي في سياق سلوكيات المشي في العالم الحقيقي. على الرغم من أن الأبحاث السابقة تشير إلى وجود علاقة بين سرعات المشي فوق الأرض وسرعات جهاز المشي، فإن غياب هذه البيانات يحد من قدرة المؤلفين على تأكيد ما إذا كانت زيادة سرعة جهاز المشي بعد التعرض لـ VR ناتجة عن تأثيرات إعادة الضبط أو مجرد عودة إلى سلوكيات خط الأساس. قد يؤدي ترتيب الـ HMD وIR المتوازن أيضًا إلى إدخال تأثيرات مستمرة، مما يعقد تفسير النتائج. يوصي المؤلفون الدراسات المستقبلية بتضمين قياسات سرعة المشي فوق الأرض وتعديل التصاميم التجريبية لعزل تأثيرات كل وضعية VR على سلوك المشي بشكل أفضل، مما يعزز فهم العلاقة بين التعرض لـ VR والحركة في العالم الحقيقي.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12984-025-01558-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39985027
Publication Date: 2025-02-21
Author(s): Elizabeth Wilson et al.
Primary Topic: Balance, Gait, and Falls Prevention
Overview
This research investigates the effects of virtual reality (VR) display modality and the direction of visual perturbations on gait parameters and stability during locomotion. Utilizing a self-paced treadmill, participants experienced visual stimuli through either a head-mounted display (HMD) or a rear-projection immersive room (IR) while subjected to pseudorandom oscillations in the anterior-posterior (AP) or medio-lateral (ML) directions. The study employed linear mixed-effects models to analyze the influence of these variables on spatiotemporal gait parameters and joint kinematics.
The findings reveal that while the HMD increased variability in walking speed control without significantly altering average gait parameters, visual perturbations along the ML axis heightened gait variability and reduced stability in both VR systems, with more pronounced effects observed in the HMD. The results indicate that the choice of VR display modality and the direction of visual motion stimuli significantly influence balance behaviors during locomotion. Specifically, HMDs facilitate greater adaptability in gait patterns under visual perturbations, suggesting their potential as effective tools for studying balance control and locomotion in environments that simulate sensory conflict.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the increasing use of virtual reality (VR) for detecting and rehabilitating balance deficits, particularly in older adults and clinical populations affected by musculoskeletal degeneration and sensory losses. These conditions compromise walking stability and elevate fall risk, necessitating the development of effective screening and intervention strategies. VR offers a unique advantage by simulating destabilizing scenarios that are difficult to replicate in traditional settings, thereby allowing for the systematic manipulation of visual inputs to challenge dynamic stability during active balance control.
The paper highlights that locomotion is influenced by the integration of sensory inputs from vestibular, proprioceptive, and visual systems. Visual perturbations can lead to cautious gait adaptations, characterized by shorter, slower, and wider steps, particularly in response to mediolateral (ML) perturbations, which have a more significant impact on gait parameters than anterior-posterior (AP) perturbations. The study aims to investigate how different VR display types—head-mounted displays (HMDs) and projection-based immersive rooms (IRs)—affect gait behaviors and balance responses to visual perturbations. The authors hypothesize that HMDs will induce greater deviations from real-world walking patterns and that ML perturbations will have a more pronounced effect on stability compared to AP perturbations. Understanding these dynamics is crucial for refining experimental protocols and enhancing the sensitivity of VR-based studies in assessing balance adaptations.
Methods
The study employed a structured experimental protocol involving eight 6-minute self-paced walking trials to investigate the effects of visual perturbations on walking behavior in virtual environments. Participants first completed a baseline trial, followed by two blocks of virtual reality (VR) trials presented through either an integrated VR projection dome (IR) or a head-mounted display (HMD). Each block consisted of three trials under different visual perturbation conditions: isometric (ISO), anterior-posterior (AP), and mediolateral (ML). The order of presentation for the IR and HMD modalities, as well as the AP and ML perturbations, was counterbalanced to mitigate learning effects.
During the baseline and post-test trials, participants experienced isometric forward optic flow based solely on their walking speed. In contrast, the perturbed conditions introduced dynamic visual oscillations that altered perceived motion. Specifically, AP perturbations involved fluctuations in visual speed, occasionally reversing the scene’s motion, while ML perturbations maintained isometric forward motion with lateral shifts in perspective. The perturbation dynamics were governed by a pseudorandom sum of sines function, ensuring perceptible changes in walking behavior without causing discomfort. Static visual cues were provided during non-perturbed trials to maintain consistency in visual context, and participants received instructions to focus on a fixation target to minimize head movement during trials.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments and analyses. Key outcomes include significant statistical correlations between the variables studied, with p-values indicating strong evidence against the null hypothesis. Additionally, the results demonstrate a clear trend in the data, suggesting that the hypothesized relationships hold true under the tested conditions.
Furthermore, graphical representations, such as plots and charts, illustrate the relationships among the variables, providing visual confirmation of the quantitative results. The section concludes with a discussion of the implications of these findings, highlighting their relevance to the broader field of study and potential applications in practical scenarios. Overall, the results substantiate the initial hypotheses and pave the way for further research.
Discussion
This study investigates the gait adaptations of young adults using self-paced treadmills while exposed to manipulated visual motion cues in different virtual reality (VR) display modalities, specifically immersive room (IR) and head-mounted display (HMD) systems. The findings reveal that while average spatiotemporal gait parameters (walking speed, step length, and step time) remained consistent across VR systems under isometrically matched optic flow conditions, significant increases in variability were observed in the HMD condition. This heightened variability suggests that participants adapted their gait more dynamically when immersed in the HMD, particularly in response to visual perturbations, which led to compensatory changes such as increased step width and decreased margin of stability (MOS).
Moreover, the study highlights that visual perturbations, especially those applied in the medial-lateral (ML) direction, significantly influenced gait stability and joint kinematics. Participants exhibited greater variability in step width and MOS when using the HMD, indicating a more sensitive response to lateral stability challenges. Notably, the post-VR walking speed increased compared to pre-VR assessments, potentially reflecting recalibrated internal models of motion following exposure to dynamic visual stimuli. These results underscore the importance of considering both average performance and variability in gait analysis, particularly in VR environments, to better understand the biomechanical implications of visual perturbations on balance and locomotion.
Limitations
In this section, the authors acknowledge several limitations of their study on gait behaviors across different virtual reality (VR) display modalities. A primary limitation is the inability to isolate specific system features that contribute to the observed differences in gait, particularly between the immersive head-mounted display (HMD) and the infrared (IR) system. The HMD creates a complete visual separation from the real-world environment, while the IR system allows users to perceive peripheral visual cues, which may enhance their spatial awareness and performance on the treadmill. Preliminary findings suggest that real-world visual elements, such as treadmill components, may serve as anchors for maintaining optimal positioning, indicating that these cues could significantly influence locomotion.
Additionally, the study lacks direct measurements of overground walking speed, which hampers the contextualization of treadmill speed outcomes in relation to real-world walking behaviors. Although previous research indicates a correlation between overground and treadmill walking speeds, the absence of this data limits the authors’ ability to confirm whether increased treadmill speed post-VR exposure is due to recalibration effects or merely a return to baseline behaviors. The counterbalanced order of HMD and IR conditions may also introduce carryover effects, complicating the interpretation of results. The authors recommend future studies to include overground walking speed measurements and to refine experimental designs to better isolate the effects of each VR modality on gait behavior, thereby enhancing the understanding of the relationship between VR exposure and real-world locomotion.