虚拟现实和离线运动之间的大脑活动和身体运动的差异:随机交叉试验

简介

虚拟现实(VR)是一种利用数字技术人为创造的感官体验，为用户提供一种“身临其境”的主观感觉[1］．VR的格式是指显示信息的结构，可以是2D多媒体，也可以是3D多媒体。这两种格式的主要区别在于互动性，3D环境允许用户改变视角、导航以及与对象和人的交互。显示设备是用于可视化格式的技术设备，根据它们提供的沉浸感水平进行分类:非沉浸式、半沉浸式和沉浸式。非沉浸式系统是使用单一屏幕的简单设备，如桌面PC。半沉浸式系统，如Cave自动虚拟环境和Powerwall显示，通过与观察者位置相关联的投影提供环境的立体图像。沉浸式系统，如头戴式显示器(HMD)，将用户与外部世界的刺激隔离开来[2］．HMD逐步跟踪用户的移动，量化现实中物品的位置和方向，并创建相应的立体视图。用户认为自己处于虚拟环境中，暂时无法识别真实环境中的行为和对象[1］．

VR在教育、培训和娱乐等领域有望拥有巨大的潜力。3.］．VR技术在体育领域的应用尤其有前景，因为它可以克服技术创新带来的人类局限性，从而可以开发出有效的训练方法[4］．

运动中的虚拟现实应用可以增加动力、乐趣和身体表现[5］．这可能是由于VR的独特特性，如沉浸感、交互性以及在空间和时间情境中的无限自由度[6，7］．福克斯和拜伦森[8的研究表明，可以通过使用沉浸式VR技术的强化机制来增加身体活动。琼斯等人[9表明沉浸在VR练习中与运动后的动机、快乐和享受呈正相关。此外，参与者可以在没有空间限制的立体视觉空间中与物体互动，可以根据个人需求以各种方式进行操作[10］．运动员可以使用虚拟现实练习来学习新的运动策略，并与他们的虚拟伙伴竞争。10］．通过使用虚拟现实的无限空间和时间边界，可以安全地训练容易受伤的技能[11］．例如，VR允许在安全的环境中跳台滑雪和下坡滑雪[11］．

使用沉浸式VR进行体育锻炼的缺点被认为是由于使用了hmd。戴着HMD锻炼可能会因为出汗和撞头而不舒服。12］．此外，hmd在移动精度和速度方面可能不切实际。它们也有潜在的危险(例如，当设备在跑步时挡住了移动的跑步机的视线[12])。此外，与各种眼动系统相连的交互式VR显示系统可能导致晕动病[13］．

虚拟现实训练可有效地应用于丧失运动技能的病人的康复[5，14］．它们还被用于增加患有慢性疾病(如血液透析或痴呆症)和发育障碍(如智力残疾或自闭症)的患者的身体健康[15，16］．以前大多数关于VR练习的研究都是在患者群体中进行的[5，14-16］．然而，越来越多的运动员和其他体育相关专业人士使用虚拟现实练习，因为它们可以在没有教练的情况下实现实时反馈的个性化训练[11，12］．此外，虚拟现实练习最近已广泛应用于公共领域，以促进身体健康[5］．当应用于健康个体时，VR运动可以提高运动速度、心率、平衡、动机、乐趣、坚持、执行功能和神经可塑性[17-20.］．虽然许多研究表明了VR运动的定性有效性，但很少有定量评估其有效性[12］．

先前的研究表明，对VR和体育锻炼反应感兴趣的大脑区域是背外侧前额叶皮层(DLPFC)、腹外侧前额叶皮层(VLPFC)和眼窝前额叶皮层(OFC) [9，21，22］．在这3个主要的前额叶皮层区域中，一项功能性近红外光谱(fNIRS)研究表明，VR刺激激活了OFC [21］．OFC与情绪和行为调节、决策、行为灵活性的维持以及预期奖励和惩罚的处理有关[23］．OFC功能的不适当会导致去抑制、保存和冲动控制问题[24］．由于奖励和决策的功能，OFC可以与虚拟现实诱导的沉浸感和心流联系在一起[8，25］．

这项研究旨在调查沉浸式VR技术是否能在健康个体的运动范围和大脑活动方面增强体育锻炼。采用运动学和静息态fNIRS方法验证了三维沉浸式VR运动的定量有效性。运动学对于客观化人体运动和比较不同的主题或情况很有用，例如在各个领域(如运动科学)的治疗或训练前后[26］．例如，跑步时脚撞击时的膝盖和臀部角度已使用2D视频记录和运动分析软件进行量化[27］．垂直跳跃高度经常被用作下肢肌肉力量的间接测量，也使用视频方法估算[28］．在虚拟现实康复研究中，通过测量治疗前后活动范围的差异来评估改善情况[29］．fNIRS是一种非侵入性功能性脑成像工具，可测量皮层血流动力学活动[30.］．近红外光穿透大脑，记录区域脑血流量的氧合变化[31］．fNIRS具有安全、低成本、便携、耐受运动伪影、良好的时间和空间分辨率等优点，克服了脑电图和功能磁共振成像(fMRI)等传统脑成像方式的缺点[32，33］．fNIRS已被应用于各个领域，包括运动医学、神经科学、行为科学、临床研究和脑机接口[30.］．

我们假设3D沉浸式VR练习在增加运动过程中的运动范围和卡路里消耗方面比离线体育锻炼更有效。此外，我们假设3D沉浸式VR练习的有效性与运动前后OFC内的大脑激活有关。

方法

样本大小

使用G*power软件计算样本量(Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf) [34基于重复测量方差分析的统计检验。1型误差为0.05，统计幂为0.9。重复测量之间的相关性保守设置为0。根据之前的类似研究，估计效应量为0.25。根据这些计算，需要22名参与者。在估计了10%的退出率后，所需的总样本量设置为24名参与者。

参与者

通过传单广告，从中央大学招募了24名健康男性参与这项研究。纳入标准如下:(1)男性，(2)年龄20至29岁，(3)无精神或医学疾病。排除标准如下:(1)有头部外伤史;(2)有药物滥用史，包括酒精、烟草和毒品;(3)智商<80。参与者被要求在参与研究前3小时内不摄入任何食物、咖啡因或酒精。

伦理批准

中央大学机构审查委员会批准了该研究方案(1041078-201908-HRSB-231-01)。所有参与者均获得书面知情同意。

研究过程

概述

这项研究是一项随机交叉试验，比较了3D沉浸式VR和离线练习的反应。参与者对研究假设一无所知。每位参与者按照随机分配的顺序，每隔10分钟进行一次3D沉浸式VR试验和一次离线试验。每节课包括(1)2分钟的练习，以熟悉每个练习;(2)运动前2分钟静息状态fNIRS测量;(3) 5分钟的练习，3D沉浸式VR或离线;(4)运动后3分钟静息状态fNIRS测量(图1)．试验在一个有窗帘、光线昏暗的健身房进行，温度为23°C，环境噪音最小，尽可能控制外部噪音。参与者被指示在fNIRS测量期间不要说话或移动头部，以保持良好的组织与电极接触。每节课之间间隔10分钟，以使非皮质血流动力学变量，如皮肤血流量和大脑中动脉血流量恢复到基线水平。

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虚拟现实和离线练习都包括40个来自普拉提的相同动作。之所以选择普拉提，是因为它是一种有益于健康成年人的锻炼方法，可以增强灵活性、肌肉活动和协调性[35］．在这两种练习中，顺序都是8种简单的行为，只涉及身体、手臂或腿;16种涉及身体和胳膊或腿的2种复杂行为;16种复杂行为涉及身体的3个部位，手臂和腿。之所以按照这个顺序运动，是为了从热身开始，逐渐增加所涉及的肌肉群的数量。在两次实验中，每位参与者都使用了阻力带(TheraBand)，以保持足够的运动强度，防止不受控制的行为。据报道，带阻力带的普拉提锻炼可以使肌肉活动增加50%以上，而不带阻力带的普拉提锻炼只能使肌肉活动增加20% [36］．

在VR练习之前，研究人员提供了关于3D沉浸式VR系统和环境的简要说明，并要求参与者报告他们在佩戴HMD时是否有任何不适，如头部碰撞、出汗或晕动病。研究人员检查了参与者在虚拟现实演习中可能遇到的障碍，并在演习中监测并在危险情况下立即向参与者提供援助。在研究人员的帮助下，参与者被放置在距离VR设备2米的水平位置，戴着HMD，双手握着阻力带，与肩齐平。

在本研究中，分别使用Vive Cosmos Elite (High Tech Computer Corp)和Kinect V1 (Microsoft)作为HMD和运动传感器。使用Unity3D Engine (Unity Technologies)开发了一个基于3D地图的沉浸式VR软件系统，允许参与者与VR环境进行交互。大峡谷景观的设计是为了让参与者能够在峡谷之间飞行而不坠毁，按顺序执行上述动作。在虚拟现实练习中，参与者被要求在不撞上峡谷的情况下，按照视觉和音频的引导飞过峡谷。移动方向、加速还是减速、飞行速度实时显示在VR屏幕上，作为视觉指示(图2)．当参与者在虚拟空间中向右、向左、向前或向后倾斜他们的上半身时，他们分别向右、向左、向上或向下旋转。他们可以通过抬起或放下右臂来加速或减速。

相比之下，在线下训练中，参与者在专业教练的示范下以标准的方式表演动作。在两次会议中，都提供了音频指导，例如“向右倾斜，抬起你的左臂”。

研究人员在两次实验中都帮助参与者准确地完成每个动作。他们对不正确的动作和高风险情况提供即时反馈。参与者在虚拟现实和离线条件下所做的动作被认为是相同的，因为音频引导、阻力带的使用以及研究人员对所有参与者行为的实时反馈都是相同的。

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运动分析测量运动角度，长度和保留时间

参与者在虚拟现实和离线练习期间的动作被用iPhone 11相机(苹果公司)记录下来。参与者被要求站在距离摄像机1.5米的指定地点，以保持恒定的摄像角度。使用开源视频分析软件Kinovea(版本0.8.15;Kinovea开源计划)[21］．Kinovea通过测量从相机前面经过的被摄对象来确定相机与被记录对象之间的距离[21］．它有各种分析和测量工具，用于添加注释、绘制线条、计算距离和角度[37]并在许多运动和临床研究中使用[22-24］．之前的研究表明，该软件在距离为5米、角度为90°至45°的范围内具有可靠性和有效性[21］．

在运动分析中，测量了8种类型的运动角度:(1)右腰角，(2)左腰角，(3)右身角，(4)左身角，(5)右腿角，(6)左腿角，(7)前身角，(8)后身角。此外，还测量了四种运动长度:(1)右臂运动长度，(2)左臂运动长度，(3)右腿运动长度，(4)左腿运动长度(图3)．计算简单行为、2个复杂行为和3个复杂行为的总角度和运动长度。例如，对于简单的行为，使用8个角度和4个长度来计算总角度和运动长度。测量了由16个运动、24个角度和16个长度组成的两种复杂行为，以计算总角度和运动长度。最后，测量由16个运动、24个角度和32个长度组成的3种复杂行为，计算总角度和运动长度(多媒体附件1)．

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使用任务公式的代谢当量和运动保持时间的热量比较

根据MET公式，计算每个参与者的体重、运动保持时间(从运动开始到结束)和普拉提运动的任务代谢当量[38］．MET公式已被多项临床研究采用，其可靠性已通过meta分析得到验证[39，40］．MET被定义为各种体育活动的强度水平，包括日常活动和低强度到高强度的锻炼。在这项研究中，参与者所做的普拉提运动被评为3.5 MET。

额叶皮层血流动力学的改变

使用高密度fNIRS设备(NIRSIT, OBELAB Inc .)评估前额皮质内的血流动力学变化。NIRSIT的曲面面板有24个激光二极管(光源)发射2种波长(780 nm和850 nm)的光和32个光电探测器，采样率为8.138 Hz。光源与光电探测器之间的单位距离为15毫米。本研究仅分析了30mm通道，因为30mm是测量皮质血流动力学变化最合适的传感器-检测器分离距离。

fNIRS数据使用fNIRS设备制造商提供的分析工具箱进行处理。48个通道中每个波长的光信号都使用带通滤波器(0.0 Hz到0.1 Hz之间)进行过滤，以减少外部光线和身体运动引起的噪声。来自低质量信息(信噪比<30 dB)通道的数据未包含在血流动力学分析集中，以防止误解。运动过程中的相对血流动力学变化采用改进的Beer-Lambert定律计算[41］．累积的含氧血红蛋白(accHbO2)值表示前额叶皮层在静息状态下的激活。虽然可以同时获得含氧和脱氧血红蛋白的数据，但以往的研究表明，含氧血红蛋白具有优越的灵敏度和信噪比;因此，本分析仅使用含氧血红蛋白数据[26，28］．

accHbO2的值(平均值和SD)来自8个感兴趣的区域:左右DLPFC、左右额极皮层(FPC)、左右VLPFC和左右OFC。左右dlpfc分别由通道1、2、3、5、6、11、17、18和通道19、20、33、34、35、38、39、43组成。左右FPC分别由通道7、8、12、13、21、22、25、26和通道23、24、27、28、36、37、41、42组成。右、左vlpfc分别由通道4、9、10和通道40、44、45组成。左右OFCs分别由通道14、15、16、29、30和通道31、32、46、47、48组成(图4)．

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统计分析

对于总行为、简单行为、2个复杂行为和3个复杂行为，使用曼-惠特尼量表比较总角度、总运动长度和消耗卡路里的差异U测试。总动作角度和总动作长度在总动作行为中的显著性设置为0.02(角度、长度、热量为0.05/3)。在事后测试中，设置简单行为、2个复杂行为和3个复杂行为的总角度和总运动长度的统计显著性为P= .02点(．5/3，角度，长度，卡路里)。在VR和离线情况下，使用重复测量方差分析比较基线和运动期间累积含氧血红蛋白(ΔaccHbO2)变化的差异。统计显著性设为P= .006(．5/ 8,8个大脑区域)。使用Pearson相关系数评估右OFC内accHbO2的差异、总角度和总运动长度之间的相关性。统计显著性设为P= 0。(．5/2，角度和长度)。采用SPSS软件(24.0版;IBM公司)。

结果

在运动过程中，离线和VR试验的运动角度和长度的差异

运动过程中，总角度有显著差异(z=−2.31;P=.02)和VR和离线试验之间的长度(z=−2.78;P= .005)。与离线组相比，VR组的总角度范围扩大了13.3%，总运动长度增加了14.1%。在事后分析中，VR组与离线组相比，除了2个复杂行为的总角度外，在简单行为和复杂行为中移动明显更多(表1)．

运动中线下与VR试验的消费差异

在运动过程中，VR和离线试验的总卡路里有显著差异(z=−3.04;P＝。002)。在运动过程中，虚拟现实组比离线组多消耗61.7%的卡路里。在事后分析中，与离线组相比，虚拟现实组在2种复杂行为和3种复杂行为中显示出显著的卡路里消耗(表1)．

运动中的离线和VR试验ΔaccHbO2之间的差异

在运动过程中，在右侧OFC中，离线和VR试验在ΔaccHbO2中观察到显著差异(F⁹⁴= 9.36;P =。003)，但不在左侧VLPFC内(F⁹⁴= 5.69;P =。02)，左DLPFC (F⁹⁴= 0.06;P =。81)，右DLPFC (F⁹⁴= 0.02;P =。89)，右VLPFC (F⁹⁴= 0.06;P =。81)、左OFC (F⁹⁴= 0.01;P =。91)、左额极前额叶皮层(F⁹⁴= 0.05;P =。89)，或右额极前额叶皮层(F⁹⁴= 0.21;P =。65) (图5)．

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ΔaccHbO2与总角度和运动长度的相关性

在所有参与者中，右OFC内的ΔaccHbO2与总角度呈正相关(r= 0.36;P= .005)。然而，它与总运动长度没有显著相关(r= 0.28;P= 03)。在VR组中，右OFC内的ΔaccHbO2与总角度呈正相关(r= 0.45;P=.001)和总运动长度(r= 0.38;P= .007)。在离线组，ΔaccHbO2与总角度无显著相关(r= 0.28;P=.40)或总运动长度(r= 0.29;P= .37点)(图6)．

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VR训练中的用户体验

在24名参与者中，3名(12.5%)报告了晕车，8名(33.3%)报告了佩戴HMD设备后出汗;然而，没有人报告HMD滑动或严重不适。

讨论

主要结果

在这项研究中，与离线锻炼相比，VR锻炼增加了OFC的运动范围、卡路里消耗和大脑活动。此外，右侧OFC的大脑活动增加与运动范围的增加有关。

沉浸式VR刺激下运动范围和卡路里消耗的改善

我们的发现与之前对不同患者群体的研究一致。然而，与本研究不同，没有研究报告健康个体因VR运动而导致的运动范围变化[5］．VR练习已被建议在短期内改善康复患者的活动范围[42，43]而从长远来看[14，44］．与标准疗法相比，沉浸式VR物理疗法可显著减轻烧伤(即时效果)或慢性肩关节冻伤(慢性效果)患者的疼痛并增强活动范围[14，42］．此外，对中风患者进行为期4周的VR运动计划，在改善活动范围和其他评分(如Fugl-Meyer评估评分、Wolf运动功能测试评分和修正Barthel指数评分)方面比传统计划更有效[44］．脑瘫儿童还报告说，与传统练习相比，在进行VR练习后，他们的活动范围更大，运动控制更好，对急性效果的兴趣也更大[43］．此外，这项研究的结果与之前的研究一致，即参与VR锻炼的参与者比进行标准锻炼的参与者心率更高，燃烧的卡路里更多[45］．因此，虚拟现实有潜力加强体育锻炼，它可能是传统减肥计划的可行补充或替代方案[46］．

VR训练中较大的运动范围和热量消耗可能与沉浸感有关。沉浸感可分为3种形式:感觉型、想象型和挑战型[47］．感官沉浸感与视听刺激有关，而想象沉浸感与沉浸于叙事或对角色的认同有关(例如，感同身受和氛围)。基于挑战的沉浸感与活动需求与个人运动和心理技能之间的平衡有关。48］．基于挑战的沉浸感非常接近Csikszentmihalyi所描述的“心流”体验。49］．沉浸感和心流有共同的特征，比如注意力集中、时间感知扭曲、自我意识丧失以及对某项活动的内在动机[49］．体育锻炼的流量与最佳表现有关[50］．在运动中体验到的心流是一种完全专注的自我体验，行动和意识的融合，以及控制的悖论[51］．在这方面，我们谨慎地建议，VR锻炼可能比单纯锻炼更有沉浸感，更有助于达到最佳表现，因为感官和想象力的成分被添加到基于挑战的沉浸式体育锻炼中。

虚拟现实刺激增强OFC的大脑活动

我们研究的另一个重要发现是，离线组和运动组在右侧OFC的大脑激活方面存在显著差异。迄今为止，只有少数研究专门调查了VR练习对眼窝额叶活动的反应。大多数研究都集中在VR刺激引起的前额叶激活上。毛等[52研究表明，虚拟现实训练可以激活前额皮质，改善空间定向和运动功能。然而，最近的研究表明，OFC是对VR做出反应的候选大脑区域之一[29］．兰多斯卡等[21]报告了DLPFC和OFC的血流动力学变化对VR治疗恐高症的反应。董等[53]表明，在虚拟现实任务中，OFC的激活比在基于幻灯片的(控制)任务中观察到的激活更大。莫罗等[54报道称，当在沉浸式VR环境中执行增量摆动平衡任务时，OFC中的氧合增加了。一种可能的解释是，虚拟现实诱导的沉浸感刺激了涉及OFC的奖励回路。OFC负责感官整合、内脏反应的调节、学习、预测和对奖励和情感价值的决策[55，56］．此外，VR中的视觉刺激和沉浸感也与奖励回路密切相关[57］．

右侧OFC内ΔaccHbO2与VR和离线运动时活动度的相关性研究结果显示，活动范围的增加和右侧OFC激活仅在VR组有相关性，而在离线组无相关性。因此，我们认为3D沉浸式VR的沉浸感和视觉刺激可以分散用户由体育锻炼引起的不愉快的内感受。研究表明，VR引起的分心可以通过前扣带和OFC的皮质间调节来减少身体不适的感觉[9，58，59］．

此外，本研究结果中显示的半球功能差异与之前的研究一致，即大脑活动向右半球的转移越明显，优秀网球运动员的心流体验就越丰富。60］．左半球的大脑活动同步性较低，右半球的大脑活动更连贯，这反映了与运动控制机制无关的语言分析过程的干扰较少[60］．

的优势

据我们所知，这是最早定量评估3D沉浸式VR运动对健康人脑血流动力学影响的研究之一。与其他基于主观表现改善或满意度的研究不同，每个参与者的运动都是用专业视频分析软件测量的。这项研究的另一个优势是，我们直接比较了在3D沉浸式VR和现实世界环境中执行相同活动时的表现。这种比较对于揭示3D沉浸式VR如何影响运动表现和大脑活动非常重要。最后，这项研究展示了通过集成可穿戴设备和连接技术(如VR、大脑活动测量和运动跟踪)开发智能耳机的潜力。虽然在我们的研究中，这些都是用不同的设备进行的，但使用集成智能耳机可以实现有效的运动，并立即检查运动量和由此产生的大脑活动变化。这些可穿戴技术和具有VR功能的连接解决方案已经广泛应用于工作场所，以促进职业安全、生产力和工人健康。例子包括用于身体运动跟踪的Xsens MVN Animate和Xsens MTw Awinda，以及用于脑电波传感的Muse 2 Melon头带和IMEC的无线脑电图耳机[61］．

限制

这项研究有一些局限性。首先，由于参与者数量较少且性别差异较大，结果不能一概而论。在关于VR运动的后续研究中，可以考虑加入虚拟参与者来扩大样本量。然而，在本研究中，由于比较VR和离线锻炼的交叉设计，这是不可能的。其次，作为视频录制设备的iPhone 11在足够的像素率、捕捉率、最大光圈、景深捕捉和帧捕捉率等方面存在局限性。第三，由于本研究中使用的fNIRS设备只能测量前额叶内的大脑活动，因此没有测量其他皮质区域和大脑深部区域的活动。进一步的研究需要使用其他功能性成像设备，如功能磁共振成像，以确定整个大脑的活动。第四，我们没有采用额外的生理措施。在未来的研究中，系统生理增强fNIRS的应用可能会产生更有意义的结果。最后，本研究没有使用标准化问卷来检查纳入和排除标准以及评估VR运动后的晕动病。

结论

这项研究证实，3D沉浸式VR运动通过激活OFC更有效地增加健康个体运动期间的运动范围和卡路里消耗。