Feasibility of VR exergames for gait training in post-stroke patients

Abstract

Sammendrag

[Hensikt] Denne studien hadde som formål å undersøke gjennomførbarhet av et virtuelt reality (VR) gangtreningsspill rettet mot gangsymmetri hos personer etter hjerneslag. [Deltakere og metode] Studien ble utført med 10 deltakerne etter hjerneslag, som hver deltaker gikk på en vanlig tredemølle imens spilte tre ulike VR-spill oppgaver, og deltakelsen tok omtrent 2 timer. Oppgavene i VR-spillet var å treffe fliser, å unngå lister og å treffe fliser og samtidig finne og skyte spesifikke objekter i lufta. Fotplassering på kroppssiden med de korteste steglengder ble påvirket til å ta gradvis større steg, gjennom et dynamisk gangtilpassingsspill, for å ha steglengde som ligner på den andre siden og deretter forbedre gangsymmetri. Rekkefølgen på de to første spilleoppgavene var balansert mellom deltakerne, og alle spilte fliser + kognitiv oppgave som den siste aktiviteten. Videoopptak ble laget med deltakerne på tredemølla uten virtuell virkeligheten (referanseopptak), med virtuell virkeligheten, men uten spilleoppgave (VR-referanse), og i de 3 forskjellige spilleoppgaver, i et totall av 5 videoopptaker. Et 3D-bevegelsesfangst-system (3D MoCap) ble brukt til å registrere deltakernes bevegelser ved bruk av 22 reflekterende markører og kamerasystem med 7 infrarøde kameraer. En VR-brille (HTC Vive) med 2 basestasjoner ble brukt for å skape en virtuell virkelighet. Ganghastighet, steglengde, stegbredde, dobbelt- og enkeltstandsfase, lengde og antall steg per minutt (kadens) ble beregnet. Spatielle gangvariabler (steglengde og stegbredde) ble brukt for å undersøke gangsymmetri. [Resultater] Alle de 10 deltakere klarte å fullføre aktivitetene. Symmetri var ikke statistisk forskjellige mellom de fem oppgavene, som ble analysert ved repeterte målinger av ANOVA, med steglengde asymmetri og stegbredde asymmetri variabler. Imidlertid var det mulig å observere en tendens hos hver deltaker til å oppnå bedre symmetri. [Konklusjon] Resultatene viser at det er mulig for personer med hjerneslag å bruke et virtuell reality-spill med dynamisk gangtilpasning. Selv om det viser en tendens til en bedre gangsymmetri, ble spillene sannsynligvis spilt for en kort tid til å finne betydelige forbedringer. Fremtidige studier bør gjøres med et større utvalg og med lengre spilletid, for å undersøke om justering i virtuell reality-spill kan føre til forbedringer i gangsymmetri og gangfunksjon.

Nøkkelord: hjerneslag, virtuell virkelighet, gjennomførbarhet, gangsymmetri.

Abstract

[Purpose] This study aimed to investigate the feasibility of a virtual reality (VR) gait training game targeting gait symmetry in stroke survivors. [Subjects and Methods] The study was conducted with 10 post-stroke participants, each playing three different VR-game conditions on a treadmill, in one session of approximately two hours. The conditions were: step on tiles, step over stripes, and step on tiles while doing a cognitive task. Foot placement on the side of the body with the shortest step length was influenced to take gradually bigger steps, through a dynamic gait adjustment game, in order to make both sides have similar step lengths, thereby improving the body symmetry ratio. The order of the 2 first game conditions was counter-balanced between the participants, while all played the tiles + cognitive condition as the last one. Video recordings were made with the participant walking on a treadmill without virtual reality (reference condition), with virtual reality but without game conditions (VR reference), and in the 3 different game conditions, totaling 5 recordings situations. A 3D motion capture (MoCap) system was used to record the participants’ movements by the use of 22 reflective markers and a 7 infrared cameras system. A VR headset (HTC Vive) was used with 2 stations to enable an immersive virtual reality. Walking speed, stride length, step width, double and single stance phase, length and number of steps per minute (cadence) were calculated. The spatiotemporal gait variables step length and step width were chosen to examine gait symmetry. [Results] All 10 participants managed to complete all conditions. Furthermore, gait symmetry was not significantly different between the five conditions, as analyzed by repeated measures ANOVA on step length asymmetry and step width asymmetry variables. However, there was a tendency in each participant towards a better symmetry ratio. [Conclusion] These findings indicate that it is feasible for post-stroke individuals to use a virtual reality game with dynamic gait adjustment. Although there were trends towards improved gait symmetry, the games were likely played too short to find significant improvement. Further studies should be done with a larger sample and longer playing time, to investigate whether adjustment in virtual reality games can lead to improvements in gait symmetry and gait function.

Key Words: stroke, virtual reality, feasibility, gait symmetry