kinematics of reaching and grasping in a 3D immersive virtual reality environment compared to a physical environment in healthy subjects and in patients with hemiparesis

Introdução A tecnologia de Realidade Virtual (RV) vem sendo usada cada vez mais para criar ambientes visando à reabilitação motora. No entanto, há poucas evidências de que os movimentos realizados em ambientes virtuais (AV) se assemelhem aos realizados em ambientes físicos (AF). Objetivos: Comparar a cinemática dos movimentos de alcance e preensão realizados em um AV imersivo tridimensional (3D) e em um AF, e investigar o efeito do uso da luva de RV no desempenho do movimento. Participantes: Dez indivíduos saudáveis (62,1 ± 8,8 anos) e 12 com hemiparesia pós-AVE (66,6 ± 10.1anos). Metodologia: O AV foi apresentado em 3D via um capacete de RV, o qual forneceu visão estereoscópica. A representação virtual da mão e o feedback de força de preensão foram fornecidos pelo uso das luvas Cyberglove e Cybergrasp, respectivamente. A cinemática do tronco e membro superior (MS) foi registrada pelo sistema Optotrak Certus® (cinco corpos rígidos e sete marcadores adicionais). Os participantes eram instruídos para alcançar, pegar e transportar 3 objetos (lata - preensão cilíndrica; chave de fenda - preensão de força e caneta - preensão de precisão, respectivamente com 65.6, 31.6 e 7.5 milímetros de diâmetro) no AF, e no AV pegaram objetos virtuais visualmente semelhantes. Os parâmetros espaciais (alinhamento e suavidade da trajetória, ângulos rotacionais planos e axiais) e temporais (tempo, velocidade e tempo de desaceleração) do movimento de alcance e preensão do MS foram analisados. Resultados: Padrões similares de orientação da mão foram usados para pegar os objetos físicos e virtuais, exceto para a supinação, que foi menor no AV, para ambos os grupos, durante a preensão da lata. Ambos os grupos fizeram movimentos mais lentos, com um prolongamento na fase de desaceleração, e as trajetórias foram mais curvas no AV comparado com AF, especialmente nos indivíduos com hemiparesia. Ambos os grupos dimensionaram a abertura da preensão de acordo com o tamanho do objeto nos dois ambientes para a preensão cilíndrica, porém a abertura foi maior durante a preensão da chave de fenda e a caneta no AV. Para ambos os grupos, o uso da luva não interferiu nos parâmetros espaciais do alcance, entretanto os movimentos foram mais lentos, com pico de velocidade menor e prolongamento da fase de desaceleração. Para os indivíduos com hemiparesia, o uso da luva não influenciou nos parâmetros temporais da fase de preensão. Conclusão: Apesar de algumas diferenças nos parâmetros temporais do alcance e preensão e ângulos articulares, as estratégias motoras empregadas foram similares entre os ambientes. Tendo em vista estas diferenças, o AV pode ser considerado um ambiente adequado para intervenções clínicas e estudos em controle motor. Uma melhor representação visual dos objetos, dada pela melhoria da percepção de profundidade e pela qualidade da visualização dos objetos no ambiente virtual, poderia promover um movimento de alcance mais direto, aumentar a velocidade e diminuir o tempo de desaceleração, tornando estes parâmetros idênticos aos realizados em um ambiente real e eliminando completamente as diferenças observadas.Introduction Virtual Reality (VR) technology is increasingly being used to create environments for motor rehabilitation. However, there is little evidence that movements made in virtual environments (VE) are similar to those made in real world physical environments (PE). Objectives: To compare the kinematics of reaching and grasping movements, performed in a PE and a similarly designed immersive three-dimensional (3D) VE, and investigate the effect of using the VR glove in the performance of the movement. Participants: Ten healthy subjects (62.1±8.8 years) and twelve subjects with chronic post-stroke hemiparesis (66.6±10.1yrs). Methodology: The VE was displayed in 3D via a head-mounted display (helmet), with stereoscopic vision. The virtual representation of the subject's hand and prehension force feedback was obtained using Cyberglove™ and Cybergrasp™, respectively. Arm and trunk kinematics were recorded with the Optotrak Certus® System (five rigid bodies plus seven markers). Subjects were instructed to reach, grasp and transport three objects (can-cylindrical grasp; screwdriver-power grasp; and pen-precision grasp; with diameter 65.6, 31.6 and 7.5mm respectively) in a PE and visually similar virtual objects were grasped in the VE. Spatial (trajectory straightness and smoothness, axial and planar rotational angles) and temporal parameters (movement time, velocity and duration of deceleration phase) of arm and hand movements during reaching and grasping were analyzed. Results: Similar hand orientation patterns were used when grasping both physical and virtual objects, except for supination that was lower in VE while grasping the can for both groups. Both groups made slower movements, with an increase in the relative deceleration times and the trajectories were more curved in VE compared to PE, especially in the stroke subjects. Both groups scaled hand aperture to object size in both environments for cylindrical grasp, but it was wider when grasping the screwdriver and pen in VE. In both groups, use of glove did not affect spatial parameters of the reach task. However, movements were slower, with smaller peak velocities and longer deceleration phases. For stroke subjects, temporal parameters of grasp phase were not affected by glove use. Conclusion: Despite a few differences in temporal parameters of reach and grasp and joint ranges, similar motor strategies were employed in both environments. If these differences are taken into account, VE can be considered as a suitable environment for clinical interventions and motor control studies. A better visual representation of objects, provided by an improvement in depth perception and the quality of the viewing VE, may promote straighter reach movements, increased velocity and decreased deceleration time, making these parameters identical to those made in a physical environment, and eliminating the observed differences