Virtualna resničnost v rehabilitacijski medicini

Pojem virtualne resničnosti (VR) je prvič predstavil Jaron Lanier konec osemdesetih let prejšnjega stoletja.

Kot strokovnjak za informacijsko tehnologijo je ustvaril računalniški model z uporabo grafičnega vmesnika oziroma virtualnega okolja, v katerem uporabnik s pomočjo posebnih naprav sodeluje z grafičnimi elementi tega okolja. Prav ta možnost interakcije je tista, ki VR razlikuje od, na primer, videa in televizije. Zaradi tega je lahko VR koristno orodje v informatiki, izobraževanju, medicini, rehabilitaciji, vojski, vesoljski znanosti ipd. Razvoj VR je tesno povezan s tehnološkim napredkom, predvsem pa z razvojem zmogljivih računalnikov, ki so zmožni podpirati potrebe naprednih grafičnih, tridimenzionalnih (3D) vmesnikov. Naprave, ki omogočajo vizualno, slušno, haptično in vonjalno interakcijo med osebo in VR, lahko poustvarijo navidezno resničnost, kot da bi ta bila del resničnega sveta. Na podlagi uporabnikovega dejanja (govor, gibanje ipd.) lahko računalnik spreminja virtualno grafično okolje, s čimer ustvari iluzijo uporabnikove interakcije in posredovanja v navideznem resničnem okolju. Sistem VR je sestavljen iz (a) zunanje komponente (vizualna, slušna in haptična), ki uporabnika poveže z virtualnim okoljem, (b) notranje komponente (sledilniki, rokavice, joysticki, eksoskeleti, miška), ki sledijo položaju in gibanju uporabnika, (c) grafičnega sistema, ki ustvari virtualno okolje ter (d) programske opreme in (e) podatkovne zbirke, ki se uporabljata za oblikovanje modelov/objektov v virtualnem okolju.

Slika 1: Koncept virtualne resničnosti

Vrste virtualne resničnosti

Računalniško ustvarjeni svetovi omogočajo digitalne izkušnje, ki jih imenujemo virtualna resničnost (VR). Glede na intenzivnost in kakovost občutkov, ki jih sproži računalniško ustvarjeni svet, lahko razlikujemo več glavnih vrst navidezne resničnosti.

Neimerzivna virtualna resničnost

To je najpogostejša vrsta navidezne resničnosti, s katero se srečujemo pri delu z osebnimi računalniki, tabličnimi računalniki, pametnimi telefoni, televizorji ali drugimi elektronskimi napravami. Ker je navidezni svet prikazan na računalniških monitorjih ali velikih televizijskih zaslonih, interakcija pa poteka s pomočjo vhodnih naprav, kot so tipkovnice, miške ali krmilniki, oseba nima občutka, da je prisotna v navideznem svetu. Namesto tega lahko oseba hkrati doživlja tako resnični svet, npr. fizično okolico v sobi, kot tudi vsebino virtualnega sveta, npr. položaj avatarja v računalniški igri.

Popolna virtualna resničnost

V tej vrsti resničnosti ima oseba občutek prisotnosti v virtualnem svetu. Oseba vstopi v virtualni svet s pomočjo specializirane strojne opreme, kot so naglavni zaslon (HMD), podatkovne rokavice oziroma virtualna soba. Namen te dodatne opreme je odpraviti čutni tok informacij iz resničnega sveta in ga nadomestiti z računalniško ustvarjenim svetom. S tem se ohranja iluzija, da je virtualni svet dejanski resnični svet. S senzorji, pritrjenimi na obleko, je mogoče spremljati gibanje osebe, z EEG pa je mogoče spremljati možgansko aktivnost. 

Razširjena resničnost

Značilnost razširjene resničnosti je, da so nekatere sestavine navideznega sveta povezane z realnim svetom. Oseba doživlja računalniško ustvarjene zaznavne informacije, ki so prekrite s fizičnimi predmeti, ki se nahajajo v resničnem okolju. Elektronske naprave, opremljene s fotoaparati, kot so pametni telefoni in tablični računalniki, trenutno omogočajo zajemanje posnetkov resničnega sveta, ki jih je mogoče izboljšati z animacijami ali drugimi digitalnimi informacijami, izbranimi iz aplikacij VR. Praktičen način za razširitev resničnosti je preko vizualnega sistema z uporabo prostoročnih nosljivih naprav, kot so pametna očala. V razširjeni resničnosti lahko uporabnik vidi sestavine navideznega sveta, vendar z njimi ne more komunicirati.

Mešana resničnost

Ta vrsta mešane resničnosti je oblika razširjene resničnosti, pri kateri lahko resnični in virtualni elementi medsebojno vplivajo drug na drugega, s čimer se uporabniku omogoči interakcija z resničnimi in virtualnimi objekti. Nadaljnji razvoj digitalnih tehnologij lahko omogoči celo projekcijo tridimenzionalnih hologramov v realnem prostoru in po potrebi interakcijo uporabnika s projiciranimi digitalnimi krmilniki.

Razširjena resničnost

Razširjena resničnost je splošen izraz, ki zajema vse tehnologije, kot so zgoraj omenjena razširjena resničnost, VR ali mešana resničnost (MR), ter prihodnjimi tehnologijami, ki bodo šele ustvarjene.

Uporaba virtualne resničnosti v rehabilitaciji

Nedvomno ima virtualna resničnost (VR) pomembno vlogo v rehabilitaciji, še posebej kot dopolnilna metoda za hitrejšo rehabilitacijo bolnikov na domu. VR omogoča popoln nadzor nad dražljaji in njihovo doslednostjo, možnost spreminjanja dražljajev od preprostih do bolj zapletenih, zagotavlja enostavno ocenjevanje in beleženje bolnikovega napredka. Ob enem pa lahko VR bolnikom nudi individualizirano zdravljenje in rehabilitacijo glede na diagnozo in bolnikove potrebe ter vpliva na bolnikovo motivacijo.

Vse več tehnologij VR dopolnjujejo igralni koncepti, pri katerih se uporabljajo različni elementi, dinamika in mehanika. Tako je na primer mogoče virtualna okolja predstaviti na zaslonih ali prikazati v očalih za navidezno resničnost, ki jih dopolnjujejo hkratne zvočne predstavitve, kar se močno približa kompleksnosti vsakdanjega sveta. V kombinaciji s tridimenzionalno analizo gibanja imajo tehnologije VR velik potencial za rehabilitacijo funkcij zgornjih okončin. Zasnova sistemov je pogosto podobna; ena ali več oblik senzorske tehnologije beleži uporabnikove gibe, ki so predstavljeni na igriv in vsakdanji način. Hkrati je strokovnjakom omogočeno, da spremljajo uspešnost bolnikovega rehabilitacijskega programa.

Učinkovitost VR pri nevrorehabilitaciji je bila obsežno raziskana pri posameznikih s cerebralno paralizo in zlasti z možgansko kapjo. Kljub obetavnim učinkom VR pri rehabilitaciji pa se v praksi še vedno ne uporablja rutinsko. Poleg tega je njena učinkovitost pri rehabilitaciji zgornjih okončin zunaj nevroloških motenj še ne dovolj raziskana. Bolniki z nevrološkimi boleznimi lahko trpijo zaradi motenj v delovanju zgornjih okončin, vendar obstajajo razlike v ciljih zdravljenja, ki jih je potrebno upoštevati. 

Na področju gibalne rehabilitacije je VR relativno cenovno dostopna. S pomočjo VR lahko bolniki učinkovito izvajajo vaje, terapevti pa lahko lažje vrednotijo učinkovitost rehabilitacijskega programa. Uspešnost rehabilitacije s pomočjo VR se je izkazala pri bolnikih po možganski kapi in poškodbah možganov, pri ortopedski rehabilitaciji bolnikov s Parkinsonovo boleznijo, pri vajah za ravnotežje in pri izvajanju vsakodnevnih aktivnosti.

Slika 2: Virtualna resničnost v rehabilitaciji

Rehabilitacija nevroloških bolnikov z uporabo virtualne resničnosti 

Poškodba možganov je življenje ogrožajoče zdravstveno stanje, ki negativno vpliva na delovanje možganov. Dva glavna vzroka poškodbe možganov sta mehanska poškodba, ki je najpogostejša vrsta poškodbe možganov pri mlajših odraslih (<45 let), in žilni dogodki (možganska kap), ki so pogostejši pri starejših odraslih (>45 let). Travmatska poškodba možganov in možganska kap povzročita kognitivne, nevrološke in psihološke okvare, ki jih je mogoče delno povrniti z nevrorehabilitacijo. Najpogostejše vrste invalidnosti zaradi poškodbe možganov so: paraliza ali oslabljen motorični nadzor; senzorične motnje, vključno z bolečino; kognitivne motnje, vključno z motenim razumevanjem ali uporabo jezika (afazija) ter oslabljenim mišljenjem in spominom; in čustvene motnje, vključno z občutki strahu, tesnobe, razočaranja ali žalosti. Vključitev virtualne resničnosti (VR) v proces rehabilitacije obeta boljše funkcionalne rezultate, vključno z obnovo poškodovanega živčnega tkiva in nadomestitvijo vseh funkcionalnih sprememb, ki so posledica poškodbe. 

VR zagotavlja varno in nadzorovano okolje za izvajanje učinkovitih rehabilitacijskih dejavnosti, ki spodbujajo učenje motoričnih spretnosti. Terapevtski učinek VR je mogoče preprosto združiti z računalniško podprto filmsko analizo motoričnih deficitov po možganskih poškodbah. To omogoča zanesljivo dokumentiranje stopnje motorične prizadetosti pri bolnikih z možgansko poškodbo, ki se udeležujejo rehabilitacijske terapije. Ker so virtualna okolja zelo interaktivna, lahko učinkovito aktivirajo vizualne, vestibularne in proprioceptivne sisteme. 

Glavni terapevtski učinek VR na motorično aktivnost zgornjih okončin je povečanje aktivnega obsega gibanja (AROM) rame, komolca in zapestja. Z magnetno resonanco z morfometrijo na osnovi vokselov so ugotovili znatno povečanje sive snovi v petih možganskih območjih: rep hipokampusa, levo kaudatno jedro, rostralno cingulatno območje, globina osrednjega sulkusa in vidna skorja. Poleg tega so bili volumni sive snovi motoričnega, premotoričnega in dodatnega motoričnega korteksa pozitivno povezani z močjo in AROM, izmerjenimi pri motoričnih testih. Zanimivo je, da so posnetki EEG pokazali znatno povečano koncentracijo EEG (na kar kažejo močni valovi beta) v frontopolarnem območju 2 (FP2) in frontalnem območju 4 (F4) ter povečano možgansko aktivnost (na kar kažejo višje povprečne frekvence valov) v frontopolarnem območju 1 (FP1) in frontalnem območju 3 (F3) v skupini za trening zgornjih okončin z uporabo VR. Najpomembnejša značilnost rehabilitacije z VR pa je, da izboljša motorično funkcijo zgornjih okončin ter s tem vsakodnevne dejavnosti bolnikov z možgansko poškodbo.

Poškodbe možganov, ki prizadenejo področja motorične skorje, lahko povzročijo motnje pri hoji, vzdrževanju in prilagajanju ravnotežja ali posturalnem nadzoru. Ker delovna obremenitev spodnjih okončin med hojo vključuje tudi podporo telesne teže osebe, so pri rehabilitaciji hoje v veliko pomoč robotske naprave, ki omogočajo manjšo delovno silo in daljšo vadbo z večjo intenzivnostjo v primerjavi s tradicionalnim zdravljenjem. Lokomat je ena od takšnih robotskih naprav, opremljenih z elektronskim krmiljenjem, ki omogoča povezavo z zaslonom VR, na katerem avatar zagotavlja vizualne povratne informacije o bolnikovih gibih. 

Ugotovljeno je bilo, da je vključitev povratnih informacij VR bistveno izboljšala bolnikovo razpoloženje, zaznavanje telesnega počutja, globalne kognitivne funkcije, izvršilne funkcije (kot so vztrajnost, načrtovanje in razvrščanje), kognitivno prožnost in selektivno pozornost - vse to je pozitivno vplivalo na kakovost bolnikovega življenja. Intervencije na področju hoje in ravnotežja lahko vključujejo tudi gibljivo platformo z vgrajeno tekalno stezo, ki jo udeleženci uporabljajo za interakcijo z virtualnim okoljem. Projekcija sinhroniziranih VR okolij na 180-stopinjskem cilindričnem zaslonu omogoča udeležencem, da se sprehajajo in gibljejo v privlačnem in zanimivem okolju, kar je še posebej koristno za rehabilitacijo otrok. 

Rehabilitacija bolnikov z nevrodegenerativnimi boleznimi s pomočjo virtualne resničnosti

Pri bolnikih z nevrodegenerativnimi boleznimi je bila virtualna resničnost (VR) uporabljena kot orodje za ocenjevanje kognitivnih in izvršilnih funkcij. Bolniki so pokazali sposobnost učenja novih vzorcev gibanja, vendar v počasnejšem tempu in z več težavami kot kontrolna skupina. 

Le peščica študij je preučevala uporabo VR za preučevanje hoje pri bolnikih z nevrodegenerativnimi boleznimi. Študije so preučevale trening hoje in zmogljivosti z uporabo VR. Davidsdottir, Wagenaar, Young in Cronin-Golomb so preučevali vpliv optičnih in egocentričnih koordinat na navigacijo med hojo pri bolnikih s Parkinsonovo boleznijo (PB). V raziskavi je sodelovalo 31 bolnikov s PB in 18 zdravih posameznikov. Raziskovalci so z zaslonom, nameščenim na bolnikovo glavo, projicirali virtualno okolje (VO), sestavljeno iz virtualnega hodnika, ki ga sestavljata dve stranski steni iz belih naključnih točk na črnem ozadju, s črnim podom in stropom brez teksture. Udeleženci so hodili po tleh s hitrostjo 0,8 m/s, medtem ko so opazovali virtualni prizor s spremenljivimi optičnimi flomastri hitrosti. Rezultati so pokazali, da je parietalno posredovano zaznavanje vizualnih komponent prostora, vključno z zaznavanjem hitrosti optičnih gibov, prizadeto pri bolnikih s PB. Te ugotovitve so v skladu s prejšnjimi študijami, ki so poročale o oslabljenih orientacijskih sposobnostih pri bolnikih s PB.

Rehabilitacija otrok s pomočjo virtualne resničnosti 

Izsledki raziskav so prav tako pokazali prednosti VR pri rehabilitaciji otrok in mladostnikov v smislu učenja in vadbe novih spretnosti, izboljšanja kognitivnih funkcij, krepitve socialne vključenosti in izboljšanja kakovosti življenja. Kot v primeru slepih otrok, lahko virtualno okolje predstavlja vir slušnih in/ali taktilnih dražljajev, preko katerih se otrok uči in pridobiva nove spretnosti. Pri otrocih z motnjami v avtističnem spektru lahko VR omeji število dražljajev in otroke spodbudi, da se osredotočijo na določeno nalogo. Med drugim pa se lahko VR uporabi kot koristno in motivacijsko orodje, ki pomaga otrokom z učnimi težavami.  

Pri otrocih s telesno prizadetostjo lahko VR izboljša zaznavno-motorične in kognitivno-prostorske spretnosti ter spodbuja otrokov občutek neodvisnosti, samozavesti in osebni nadzor. S pomočjo VR se lahko med drugim invalidni otroci učijo samostojne uporabe motoriziranega invalidskega vozička v različnih okoliščinah (ovire, kot so stopnice, robniki, vrata, ki jih je težko odpreti, predmeti ki jih je težko doseči, ter neustrezna pričakovanja in pripombe iz okolja). Pri hospitaliziranih otrocih lahko VR nadomesti komunikacijo z družino in jim pomaga pri lažjem spoprijemanju z boleznijo. Učinki VR pri otrocih se trenutno preučujejo v rehabilitacijskih programih, ki temeljijo na uporabi široko dostopnih igralnih konzol, kot so npr. Nintendo in Wii. 

Zaključek

Sklenemo lahko, da je VR edinstven medij, ki ga lahko enostavno in cenovno dostopno vpeljemo v klinično prakso zdravstvenih ustanov, kjer se ukvarjajo z rehabilitacijo bolnikov.