Virtual reality for imbalance induction and analysis of neuromuscular postural reactivity

Abstract

The occurrence of falls in a projected continuously growing elderly population, together with its impact on mortality and reduced quality of life in the over-65 age group, turned the problem of falls a public health concern. It is estimated that worldwide 684,000 people die due to a fall, which occurs an average of 37.3 million times a year. The irregularity and diversity of a fall event results in the scarcity of available datasets that incorporate biomechanical and physiological data from actual falls. Due to this limitation, the researchers adopted a procedure that simulates falls in a controlled laboratory environment. However, these simulations are not representative of a real-world fall, given the multifactorial nature of a fall. This results in a gap involving the lack of adequate data for improving fall prediction and detection algorithms. Using virtual reality and drawing on its immersive characteristics, it was possible to include the concepts of place illusion and plausibility in the virtual environment. The participant can enjoy the sensation of being in the virtual environment and behave naturally, as they would if they were experiencing the real world. To achieve this, it is necessary to design a realistic virtual environment that simulate the everyday home environment. In this virtual environment, a protocol based on visual perturbations has been designed to recreate animations to induce different types of falls. Participants in the experimental protocol will be in strumented with inertial sensors that collect full-body motion kinematic data, electromyography muscle activity sensors, and electrodermal activity sensors. With this, a strategy to collect data from compen satory postural reactions similar to real-world falls induced by visual perturbations only was proposed. A protocol introducing several visual perturbations per session, which allows the collection of kinematic and physiological data representative of reaction patterns to perturbation during gait was proposed. This action resulted in a dataset construction contributing towards a practical way to solve the real-world fall data scarcity. Therefore, it provides a direct contribution to the mitigation of the occurrence of falls by providing data for fall prediction and detection algorithms. Statistical analysis of postural dynamic reactions reveals that the developed balance perturbation tool is effective and approaches results obtained in previous work with mechanical perturbations.

A ocorrência de quedas numa população idosa que se projeta em contínuo crescimento, juntamente com o seu impacto na mortalidade e redução da qualidade de vida na faixa etária acima dos 65 anos, trans formaram o problema das quedas numa preocupação de saúde pública. Estima-se que mundialmente 684 mil pessoas morram devido a uma queda, que ocorre em média 37.3 milhões de vezes por ano. A irregularidade e diversidade de um evento de queda resulta na escassez de datasets disponíveis que incorporem dados biomecânicos e fisiológicos de quedas reais. Devido a esta dificuldade, os investigado res adotaram um procedimento que consiste em simular quedas em ambiente controlado de laboratório. Porém, estas simulações não são representativas da queda do mundo real. Utilizando realidade virtual e recorrendo às suas características imersivas, pode incluir-se no ambiente virtual os conceitos de ilusão de local e de plausibilidade. Assim, o participante pode usufruir da sensação de estar no ambiente virtual e comportar-se de forma natural. Criou-se um ambiente virtual realista e aproximado ao ambiente domés tico do dia-a-dia. Nesse meio virtual, concebeu-se um protocolo baseado em perturbações visuais com animações que tentam induzir todos os tipos de quedas. Os participantes serão instrumentados com um conjunto de sensores inerciais que recolhem dados cinemáticos, sensores de eletromiografia e sensores de atividade eletrodérmica. Posto isto, propôe-se uma estratégia de recolha de dados de reações postu rais compensatórias semelhantes a quedas do mundo real, induzidas apenas por perturbações visuais. A estratégia engloba um protocolo de introdução de perturbações visuais que permite a recolha de dados cinemáticos e fisiológicos representativos dos padrões de reação à perturbação durante a marcha. Desta ação resultou a construção de um dataset que minimiza a escassez de dados relativos a quedas do mundo real. Logo, contribui-se diretamente para a mitigação da ocorrência de quedas, fornecendo dados para algoritmos de previsão e deteção de quedas. A análise estatística das reações dinâmicas posturais revela que a ferramenta de perturbação do equilíbrio desenvolvida é eficaz e aproxima-se de resultados obtidos em trabalhos prévios com perturbações mecânicas.