Resumen
La postura de la cabeza hacia adelante (FHP) es una de las anomalías musculoesqueléticas que ocurren con más frecuencia. A pesar de que la terapia con ejercicios es un enfoque eficaz para el tratamiento de la FHP, puede ser larga, monótona y tediosa. La realidad virtual (VR) se puede utilizar como una solución innovadora para abordar estos desafíos. Diseñamos un sistema de terapia de ejercicio basado en realidad virtual (VRET) asequible e inmersivo para la corrección del FHP. Los contenidos de VRET (es decir, ejercicios y escenarios de realidad virtual) fueron determinados por fisioterapeutas y diseñadores de juegos en las reuniones de los grupos focales. Los requisitos de hardware incluyen una caja de realidad virtual, un teléfono inteligente y sensores (es decir, un acelerómetro de teléfono inteligente y una unidad de medición inercial (IMU) asequible) para medir los movimientos de la cabeza y transferirlos a través de Wi-Fi al sistema VRET. La IMU se diseñó utilizando MPU6050, Arduino Nano y ESP8266-01S. Se utilizaron el AC1, los cuestionarios de experiencia de juego (GEQ) y la escala de usabilidad del sistema (SUS) de Gwet para medir la confiabilidad intraevaluador, la experiencia del usuario y la usabilidad del sistema, respectivamente. Los ejercicios determinados, incluidos Capital Flexion-Extension y Chin Tuck, se diseñaron en forma de un juego de disparos. En la evaluación del sistema participaron un fisioterapeuta y veintiuna personas del PSF. Se obtuvo una alta precisión para la IMU diseñada (es decir, cabeceo y balanceo <0,1° y guiñada <1,3°). Los resultados de AC1 y SUS de Gwet mostraron muy buena confiabilidad intraevaluador (coeficiente = 0,892) y excelente usabilidad (puntuación = 87,14), respectivamente. Según las puntuaciones medias del GEQ, los participantes tenían confianza en los componentes de competencia, inmersión, fluidez y afecto positivo. El desarrollo de sistemas VRET de bajo costo para la corrección de FHP es un paso para facilitar los desafíos de rehabilitación al brindar experiencias positivas a los usuarios y ayudarlos a realizar ejercicios terapéuticos correctamente.
Introducción
Postura de la cabeza hacia adelante
Garantizar una postura adecuada implica imponer un estrés mínimo al cuerpo manteniendo el equilibrio musculoesquelético (1). Hasta ahora, han prevalecido diferentes deformidades posturales, como cifosis, hombros redondeados, escoliosis, lordosis lumbar y postura de la cabeza hacia adelante (FHP), debido a la tendencia de los individuos a comportarse físicamente de manera inapropiada (2). FHP, en particular, se considera una de las anomalías musculoesqueléticas que ocurren con mayor frecuencia y se caracteriza por una mala postura de la cabeza en el plano sagital y una línea más anterior, en lugar de vertical, del centro de gravedad del cuerpo con respecto a la posición de la cabeza. Esta condición ejerce mayores cargas sobre las articulaciones cervicales y el sistema de ligamentos e incluso provoca incrementos de carga y una especie de tensión biomecánica en la columna cervical (1, 3–5). La tasa de prevalencia de FHP en todo el mundo supera el 66% y ocurre en diversas gravedades, es decir, leve, moderada o grave (2, 6).
Hasta ahora, numerosos estudios han identificado una variedad de causas y factores de riesgo de la FHP, como traumatismos recurrentes y acumulativos en el cuello, estar sentado durante mucho tiempo, así como una postura inadecuada de la cabeza durante el trabajo y el uso de terminales de visualización y teléfonos inteligentes al asumir una postura inadecuada (7–9). Varios trastornos y afecciones relacionados con la FHP, incluida la cifosis torácica y el rango de movimiento cervical (ROM), el control postural, la debilidad y los trastornos musculares, el dolor y las lesiones, pueden provocar dolor de cuello, dolores de cabeza y migrañas, así como anomalías posturales (10–17). Los hallazgos respaldados por estudios clínicos han informado que casi el 60% de las personas con FHP se ven afectados por dolor de cuello (18). Si no se trata, este problema de salud puede incluso reducir las funciones del sistema muscular y limitar la movilidad cervical (19).
Algunos métodos físicos típicos para corregir la FHP y fomentar el cumplimiento del paciente con los planes de tratamiento son la termoterapia, la terapia de estimulación eléctrica, la tracción, la terapia manual y los ejercicios terapéuticos (18, 20). La terapia con ejercicios es uno de los métodos terapéuticos que se ha sugerido para tratar la FHP (21–23). Sheikhhoseini et al. informaron en su revisión sistemática que diferentes programas de ejercicios (p. ej., ejercicios de estiramiento y fortalecimiento de la columna y los isquiotibiales; un programa de ejercicios en el hogar, que incluye 2 ejercicios de fortalecimiento y 2 de estiramiento para el cuello; ejercicios de Pilates, que incluyen ejercicios de estiramiento y fortalecimiento para el cuello y parte superior de la espalda; y Rocabado 6 x 6 ejercicios para el cuello y la mandíbula) tuvieron un efecto en la corrección del FHP (24). Por ejemplo, Harman et al. demostró que un programa de ejercicios de 10 semanas que comprendía dos ejercicios de fortalecimiento para los flexores cervicales profundos y los retractores de hombros y dos ejercicios de estiramiento para los extensores cervicales y los músculos pectorales causó mejoras significativas en participantes asintomáticos del ROM cervical y la desalineación postural.25).
Sin embargo, el incumplimiento de los ejercicios prescritos, en particular los programas de ejercicios en el hogar, debido a razones multifactoriales, como la autoeficacia, el dolor, los síntomas psicológicos, la actividad física y el apoyo social, es un problema importante que potencialmente puede tener un efecto perjudicial en los resultados del tratamiento.26). Por lo tanto, los terapeutas necesitan una herramienta significativa y motivadora para aumentar la eficacia de la terapia con ejercicios. En consecuencia, la realidad virtual, como tecnología innovadora, puede utilizarse para responder a estos desafíos (27–29).
realidad virtual
La realidad virtual se define como “el uso de simulaciones interactivas creadas con hardware y software de computadora para presentar a los usuarios oportunidades de participar en entornos que parecen ser y se sienten similares a objetos y eventos del mundo real” (30). El entorno virtual, la interactividad, el entorno de inmersión y la retroalimentación sensorial son factores esenciales de la realidad virtual (31). Para diseñar e implementar sistemas de realidad virtual se pueden utilizar diversas tecnologías de la información (TI), como gráficos por computadora, procesamiento de imágenes, reconocimiento de patrones, inteligencia artificial (IA), redes y sistemas de audio, así como diferentes hardware y software (31–33). Esta tecnología se ha utilizado como herramienta interactiva, motivacional y de evaluación en el campo de la rehabilitación (29, 34–37). Las características de los juegos basados en realidad virtual hacen que los usuarios olviden sus problemas o enfermedades cuando están inmersos (28). Se han realizado numerosos estudios para demostrar las capacidades de los sistemas VRET para tratar el dolor de cuello (38–40). Por ejemplo, Mihajlovic et al. indicó que la realidad virtual basada en juegos serios hace que los usuarios estén más motivados para continuar con los ejercicios de rehabilitación de cabeza y cuello (40). Además, Chen et al. afirmó que la retroalimentación visual de la realidad virtual podría promover los movimientos del cuello de personas asintomáticas y pacientes con dolor de cuello (38).
Requisitos de hardware en la rehabilitación del cuello basada en realidad virtual
Una pantalla montada en la cabeza (HMD) (por ejemplo, Oculus Rift y HTC Vive) es un dispositivo adecuado para medir los ángulos del eje del cuello y proporcionar funciones de inmersión (41). Motion Capture también es un hardware preciso para medir la rotación de la cabeza, pero ajustarlo para el usuario lleva mucho tiempo (42). Kinect Xbox360 es otro dispositivo que se utiliza para ejercicios de cuello, pero no tiene precisión suficiente para medir el eje de orientación del cuello (43). Sin embargo, se considera un dispositivo asequible, portátil, sin marcadores y maravilloso para la evaluación del deterioro grave basado en el movimiento (44, 45). El alto coste del hardware es una de las limitaciones de la realidad virtual que debería abordarse en la medida de lo posible mediante el desarrollo de dispositivos económicos (46–49). En consecuencia, Kim et al. desarrolló un rastreador de cabeza óptico infrarrojo preciso, de alto rendimiento y de bajo costo para medir la postura de la cabeza con una precisión aproximada de 4,5° y 8,0° para posiciones 1 y 3D, respectivamente (50). Además, el uso de cascos de realidad virtual que utilizan el teléfono inteligente como pantalla se puede utilizar en un sistema de realidad virtual asequible (51).
El resto del papel
El trastorno FHP es uno de los trastornos posturales más comunes que tiene varios efectos secundarios en personas no tratadas o prolongadas. Aunque la terapia con ejercicios es un método probado para el tratamiento de FHP, puede presentar varios desafíos, como ser de larga duración, monótono y tedioso. La realidad virtual se ha ido incorporando cada vez más a los procesos de rehabilitación de diversas patologías y condiciones, con el objetivo de potenciar los resultados obtenidos por los métodos tradicionales; También tiene el potencial de abordar las limitaciones de la terapia con ejercicios y facilitar el tratamiento de la FHP. Por lo tanto, los sistemas VRET pueden utilizarse como una solución de motivación, asistencia y seguimiento en la rehabilitación de personas PSF, especialmente en el hogar. Hasta donde sabemos, no se ha realizado ningún estudio previo sobre VRET en la corrección de FHP. Por lo tanto, nuestro estudio tuvo como objetivo responder las siguientes preguntas:
- ¿Cómo podemos diseñar una realidad virtual basada en juegos asequible para la terapia de ejercicios FHP con enfoque en mejorar los músculos flexores profundos del cuello?
- ¿El sistema de realidad virtual diseñado en este estudio está aprobado por fisioterapeutas experimentados para su uso en clínicas de rehabilitación?
- ¿Cuál es la experiencia de usuario de las personas de FHP al utilizar el sistema de realidad virtual diseñado?
Materiales y métodos
Declaración de ética
Esta investigación fue aprobada por el comité de ética en investigación de la Universidad de Ciencias Médicas de Tabriz (Número: IR.TBZMED.REC.1398.299) (52). Informamos a los fisioterapeutas y a las personas de FHP sobre el objetivo de esta investigación y los sujetos voluntarios dieron su consentimiento informado por escrito para participar en este estudio.
Requisitos de diseño del sistema
Como se muestra en Figura 1el diseño y la evaluación de nuestro sistema basado en realidad virtual para la terapia de ejercicios FHP constan de cinco pasos. Los detalles de estos pasos se explican a continuación.
Determinar y seleccionar los ejercicios FHP.
Primero, un fisioterapeuta con 20 años de experiencia en correcciones posturales recomendó que se diseñaran ejercicios correctivos especializados para FHP en el sistema VR. Los criterios para seleccionar los ejercicios fueron los siguientes:
- Viabilidad en formato de Realidad Virtual (VR): Los ejercicios deben poder producirse en un formato de realidad virtual con características inmersivas.
- Fortalecimiento de los músculos flexores profundos del cuello: Los ejercicios deben centrarse en los músculos flexores profundos del cuello en esta etapa.
- Ejercicios comúnmente practicados: Los ejercicios elegidos deben practicarse habitualmente.
- Accesibilidad para la práctica en casa (HP): Las personas deberían poder realizar fácilmente estos ejercicios en casa utilizando un producto de realidad virtual.
Posteriormente, se llevaron a cabo dos reuniones de grupos focales en la Facultad de Rehabilitación de la Universidad de Ciencias Médicas de Tabriz para validar los ejercicios seleccionados. El primer grupo focal estuvo compuesto por tres fisioterapeutas con al menos 18 años de experiencia en el tratamiento de FHP. El segundo grupo focal incluyó a 10 fisioterapeutas con más de 10 años de experiencia laboral para validar aún más los ejercicios elegidos.
Escenario del juego
Para explorar los puntos de vista de los fisioterapeutas (N = 3), equipos técnicos (N = 5) y usuarios (N = 4) sobre el escenario del juego, se llevaron a cabo tres sesiones de discusión de grupos focales (DGF) de 90 minutos en la Escuela de Administración. e Informática Médica, en una sala de reuniones.
Diseñar y probar el prototipo.
Esta etapa investiga la capacidad del acelerómetro del teléfono inteligente para proporcionar funciones interactivas de ejercicios seleccionados en el entorno de realidad virtual. Este paso se divide en tres niveles de la siguiente manera: (1) determinar el escenario del juego mediante una lluvia de ideas entre diseñadores de juegos y fisioterapeutas (N = 6), (2) diseñar el escenario determinado en el software Unity y (3) probar el prototipo en una persona FHP (edad = 12 años).
En la etapa de diseño del prototipo, se activó el acelerómetro del teléfono inteligente para medir el cabeceo y el balanceo. Los ejes se enviaron al software Unity para proporcionar las funciones interactivas del prototipo del juego utilizando la Fórmula (1). Finalmente, construimos un soporte para fijar el teléfono inteligente en la cabeza y el cuello de la muestra FHP para probar el prototipo (ver Higo 2).
(1)
