Forskargruppen testar körsimulator för strokeåtervinning

Traumatisk hjärnskada (TBI) kan vara en av de mest förödande skador som kan hända en människa. Eftersom den skadan är osynlig, TBI och stroke drabbade har ofta problem med att övertyga andra om att skadan är verklig, och de olika symptomen gör effektiva behandlingar svårare att utforma och administrera. Men nu undersöker en forskare vid Loyola Marymount University i Los Angeles om stroke och TBI-överlevande kan dra nytta av att använda en körsimulator designad för bilracing för att testa för neurologiska underskott och omskola överlevande att köra säkert.

"Jag är i ett tidigt skede av ett forskningsprojekt som kommer att undersöka användningen av en körsimulator, som t.ex. SimGear GT, för återhämtning av stroke. Målet med forskningen är att se om träning med simulatorer som ger rörelsefeedback är effektivare än den nuvarande kliniska standard som ofta använder simulatorer med fast bas, säger Brendan Smith, biträdande professor i maskinteknik vid Loyola Marymount, till Digital Trender.

Varför racingsimulatorer är olika

Moderna racingsimulatorer är mycket mer komplexa än de körinställningar som är designade för hemmaspel. En komplett racingsimulator är designad för att skapa en uppslukande virtuell verklighetsupplevelse, inklusive att flytta hela plattformen för att simulera G-krafter och de faktiska rörelserna hos ett fordon.

Keith Maher är en tankeledare inom VR-simuleringsteknik. Han driver ett företag som heter VR Motion baserad i Hillsboro, Oregon. Maher har byggt både racingsimulatorer och allmän vägträningssystem så han vet skillnaden mellan de två bättre än de flesta. "Skillnaden mellan ett spel och en simulering är att ett spel kommer att ge upp verkligheten så att det är det roligt, samtidigt som en simulering kommer att förutsäga, med precision, vad som kommer att hända i den verkliga världen, förklarade.

Nuvarande racingsimulatorteknik inkluderar wraparound-skärmar för en sömlös vy både framför och bredvid föraren, och VR-teknik som t.ex. Oculus Rift skyddsglasögon för att ge de visuella effekterna. Paul Stary, VD och koncernchef för VirtualGT i Costa Mesa, Kalifornien, är en specialist på att göra den virtuella miljön verkligt uppslukande.

"Vad som händer är att du har det medvetna sinnet och det omedvetna i konflikt med varandra," sa Stary. "Det medvetna sinnet är en villig deltagare, det vill att illusionen ska vara verklig. När du sitter i en simulator upplever du en samling effekter som ljud, vibration, rörelse, den visuella bilden som produceras, vibrationer i kontrollerna, effekter med forcerad feedback, och så vidare. Alla dessa effekter samlas för att skapa denna illusion. Det undermedvetna jämför vad som händer i simulatorn med verkligheten för att avgöra om det är verkligt eller inte."

Smith testar om en rörlig simulator är bättre än en grundläggande körsimulator med fast bas för terapeutiskt bruk.

"De flesta simulatorer som för närvarande används för terapi är av den fasta basen," fortsatte han. "Dessa simulatorer ger inte den rörelsefeedback som håller på att bli guldstandarden bland simracinggemenskapen. Utan denna feedback reduceras körningen från det rika samspelet av visuella, haptiska och vestibulära förnimmelser till en påfrestande visuell övning. Simulatorer med fast bas kan därför vara otillräcklig klinisk praxis, eftersom de försummar grundläggande körförmåga som patienter förlitade sig på innan de fick en stroke."

Den kognitiva delen av bilkörning

"Neurologisk skada, såsom stroke, leder till ett brett spektrum av fysiska och kognitiva funktionsnedsättningar," noterade Smith. ”Det finns adaptiva teknologier som rattknoppar och handtagsfästen för gas- och bromspedalerna som till stor del kan hjälpa till med den fysiska sidan. Men på den kognitiva sidan är vår teori att många av de reflexer som förare förlitar sig på kan avbrytas av en stroke."

Genom att använda en simulator kan forskare testa för dessa kognitiva problem utan att sätta patienten i ett verkligt fordon.

"Innan en stroke kan de flesta förare stanna vid en korsning med minimal uppmärksamhet på själva stopp," sa Smith. "Istället är det mer sannolikt att förare funderar på vad de ska göra härnäst, för att se om det blir tydligt gör det, och antagligen tittar bakom och runt för att se till att ingen gör något av vanlig. Mycket lite visuell uppmärksamhet krävs för att konsekvent komma till ett jämnt stopp vid rätt punkt. Förare använder en mängd andra sinnen för att utföra manövrar så konsekvent. Detta inkluderar en persons känsla av balans och kontakttryck med sätet, som båda beror på hastigheten för acceleration, inbromsning eller svängning. Vi fruktar att neurologiska skador förändrar hur dessa sinnen känns under körning och de kräver övning för att lära sig om."

Att hitta en säker plats för patienter att öva sin bilkörning och visa vad de kan är nyckeln till effektiv testning och terapi.

"Att sätta sig bakom ratten och faktiskt öva skulle förmodligen leda till den snabbaste återhämtningen, men det kan vara ganska farligt," sa Smith. "Simulatorer med fast bas kan verka som om de skulle hjälpa. Efter en stroke kan det börja kännas som att allt på vägen händer för snabbt, och det skulle vara lätt att tro att någon simulering skulle vara bra. Men mitt forskarteam förväntar sig att bilkörning blir så överväldigande mestadels för att förlora några viktiga reflexer plötsligt innebär att allt måste göras med vision. Om du inte kan mäta retardationen genom att känna, måste du plötsligt fixera dig vid den takt i vilken avståndet till stoppet närmar sig. Plötsligt blir alla andra krav för körning sekundära, och chanserna att inte se en oväntad fara ökar. Simulering med fast bas kommer inte att träna om dessa reflexer, utan måste istället träna upp nya färdigheter, som kan vara för krävande efter en stroke."

Varför full-motion VR-simuleringsteknik är annorlunda

Motivationen för att använda simulatorer med rörelsefeedback är att träna om dessa nyckelreflexer i en stroke eller TBI-överlevande. Genom att låta varje patient träna sina färdigheter och utveckla reflexerna och självförtroendet att köra, simulatorn ger dem möjlighet att utnyttja all känsla, rörelse och kognitiva förmåga de har för att komma tillbaka bakom hjul säkert.

"För närvarande kör vi preliminära experiment för att fastställa hur rörelsesensation påverkar icke-funktionshindrade förares prestanda under simulerad körning," förklarade Smith. "Om de klarar sig bättre med rörelsefeedback än i fast basläge, kommer detta att vara ett bra bevis på att rörelseaktiverade simulatorer aktiverar de reflexer som är avgörande för körning. Sedan kommer vi att börja testa om strokeöverlevande också förbättrar sin körförmåga mer med rörelsekänsla, i slutändan testa om detta leder till bättre körkondition på väg som bestäms av professionell körning utvärderare. Vi överväger också att bredda denna studie till överlevande av traumatisk hjärnskada (TBI) som många av våra veteraner som har utstått hjärnskakning eller slagrelaterade skador."

Att använda full-motion simulatorer kan testa för underskott i en realistisk simulering, och även hjälpa till med återhämtning.

"Vad har det här med rehabilitering att göra?" frågade Smith. ”För det första, efter en stroke, känns vardagsupplevelsen ofta annorlunda. Till exempel kan bromsning plötsligt kännas som att svänga åt höger, och många av de reflexer som utvecklats under flera år av körning kan börja ge felaktig information. Som tur är är våra hjärnor bra på att anpassa sig till sådana här förändringar, vi gör det varje gång vi lär oss något, oavsett om vi har haft en stroke eller inte. Men denna anpassning kräver övning. Och om den simulatormedierade terapin inte involverar rörelsesensation, kommer denna viktiga del av deras återhämtning inte att ske."

Simulatortillverkare finns ombord

Tillverkare av tävlingssimulatorer har anammat forskningen om de terapeutiska tillämpningarna av sina produkter. Zach Davis springer SimGear Simulatorer i Schaumburg, Illinois. SimGear levererade simulatorerna som används på Loyola Marymount.

"Jag har några familjemedlemmar som har haft stroke. Det är fantastiskt att kunna vara en del av det här projektet med vetskap om att det kan hjälpa andra i framtiden och förstå mer om efterverkningarna av en stroke, säger Davis. "Nu när de har simulatorn ser jag fram emot att se vilka andra studier de använder den till för nu har alla tillgång till den på sin anläggning."

Chris Considine är drivkraften bakom CXC-simuleringar i Los Angeles, Kalifornien, och en annan ledare när det gäller att föra racingsimulering till medicinsk forskning och terapi.

"Från och med 15 år sedan pratade jag med folk om det här men ingen trodde på oss," mindes Considine. "På grund av motorsportens natur och hur vi tränar genom simulering, kan det verkligen sträcka sig genom många andra discipliner. Inom motorsporten går allt så snabbt att man måste falla tillbaka mer på muskelminnet. Du får inte tid att tänka på dina handlingar; du måste reagera. Det finns så många applikationer för det, och uppenbarligen är strokeåtervinning en av dessa. Vi hör också mycket om TBI från NFL. Det finns så många applikationer; det slutar aldrig."

Som maskiningenjör har Smith en tydlig plan för sitt arbete.

"För vår forskning kommer vi att testa hypotesen att rörelsesensation verkligen är en primär källa till förarens feedback oavsett stroke eller ålder," sa han. "Då kommer vi att undersöka om utökad träning med en rörelseaktiverad simulator, som SimGear GT, kan hjälpa strokeöverlevande att lära sig om känslan av att bromsa, svänga och accelerera. Vi förväntar oss att detta kommer att återställa reflexerna som gör körmanövrer lättare och gör det möjligt för personer som överlever stroke att fokusera sin uppmärksamhet på de finare punkterna i säker körning.”