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Revista Cubana de Investigaciones Biomédicas
versão On-line ISSN 1561-3011
Rev Cubana Invest Bioméd v.27 n.3-4 Ciudad de la Habana jul.-dez. 2008
ARTÍCULOS ORIGINALES
Uso de ambientes virtuales y selección de parámetros de medida para el tratamiento de fobias
Use of virtual environments and selection of measurement parameters for the treatment of phobias
Mauricio Plazas Torres
Ingeniero. Facultad de Ingeniería. Universidad Libre de Colombia. Bogotá.
RESUMEN
INTRODUCCIÓN: El nivel de la condición de fobia y su progreso se establece con la evaluación que el doctor realiza del paciente, sin tener un cierto control de las variables de medida que muestran una indicación de su evolución médica.
OBJETIVOS: Descubrir algunas variables cuantitativas y poder determinar la evolución y el nivel de la enfermedad en pacientes con fobia mediante el uso de los signos vitales, como una herramienta de gran ayuda para los médicos.
MÉTODOS: Se midieron los signos vitales del paciente colocado en un ambiente relajado y se compararon estos resultados con los signos vitales medidos bajo un ambiente virtual que producía fobia, con el uso de equipos de realidad virtual y ambiente de altura y espacios cerrados. Al final de esta investigación se determinó si el ambiente virtual tenía alguna influencia en los cambios sicológicos vistos a través de los signos vitales de temperatura, frecuencia cardíaca y frecuencia fundamental de la voz.
RESULTADOS: Algunos parámetros, como la frecuencia cardíaca media, la energía y la duración de la voz, no permitieron distinguir la reacción de la persona en ambiente virtual y de reposo. Otros parámetros, como la temperatura, la variabilidad cardíaca y la frecuencia fundamental de la voz, permitieron distinguir el estado de reposo y el ambiente virtual. Solamente el parámetro de temperatura y la frecuencia fundamental de la voz son útiles para ambiente virtual de altura.
Palabras clave: Realidad virtual, trastornos fóbicos, ambientes sintéticos, medidas fisiológicas, sicología.
ABSTRACT
INTRODUCTION: The level of phobia condition and its progress is established by the evaluation the doctor does of the patient, without having a certain control of the measurement variables that indicate his medical evolution.
OBJECTIVE: To discover some quantitative variables and to determine the evolution and the level of disease in patients with phobias by using the vital signs as a useful tool for phsycicians.
METHODS: The vital signs of the patient in a relaxed environment were measured and compared with the vital signs measured under a virtual environment producing phobia, by using virtual reality equipment and environments of height and closed spaces. At the end of this research, it was determined if the virtual environment had any influence on the person's psychological changes seen through the vital signs of temperature, heart rate and fundamental frequency of the voice.
RESULTS: Some parameter as mean heart rate, energy and duration of the voice, did not allow to distinguish the reaction of the person in a virtual environment and at rest. Others parameters as temperature, heart variability and the fundamental frequency of the voice let us distinguish the state of rest and the virtual environment. Only the parameter of temperature and the fundamental frequency of the voice are useful for the virtual environment of heights.
Key Words: Virtual reality, phobic disorders, synthetic environments, physiologic measures, psychology.
INTRODUCCIÓN
En los niveles de estrés que implican las actividades diarias del ser humano, el número de fobias y la gente que la sufren ha aumentado. Los tratamientos de fobia por la exposición directa usada por los psicólogos mostraron ser eficaces; pero en muchos casos pueden ser un peligro para la salud física y psicológica del paciente en el tratamiento,1 Durante el cual puede llegar a suceder un mayor trauma o el daño físico como consecuencia de un control incorrecto del ambiente o del procedimiento. Para lograr la disminución de los traumas causados por el tratamiento de exposición directa, está siendo usada una nueva tecnología conocida como realidad virtual.2-4
Los métodos usados actualmente para medir la eficacia del tratamiento son las encuestas.1 Por este motivo se piensa en la posibilidad de tener una evaluación cuantitativa, diferente a la percepción del paciente, que permita medir en una escala específica el desarrollo de tratamiento y adicionalmente su uso como un instrumento de evaluación para el tratamiento de fobia.5
La utilización de la realidad virtual ha sido una constante en el campo tecnológico.6 Con la introducción de esta técnica en el tratamiento de fobias se espera crear situaciones de realidad virtual para el paciente y su exposición directa al ambiente donde este pueda sufrir una fobia específica, pero que sea de seguridad, creado por la computadora de un modo virtual, intentando conseguir un mejor control de este ambiente, y dar al paciente la posibilidad de cambiar a un medio relajado en una reacción psicológica peligrosa posible, de un modo sencillo, rápido y sin traumas.7
Hay algunas preguntas posibles sobre el uso de esta nueva tecnología en los tratamientos de fobias. Por ejemplo, si es verdad que la realidad virtual crea las condiciones que pueden hacer al paciente sentir los mismos efectos de la vida real8 y en segundo lugar, si esta nueva técnica pudiera ser un instrumento útil para el tratamiento de fobia, teniendo en cuenta que no hay ningún método válido para valorar sus efectos en el paciente, diferente de la evaluación subjetiva que el doctor hace basado en la percepción paciente, que es el diagnóstico tradicional de este tipo de enfermedad.
Sólo con una evaluación simple de la evolución del paciente con procedimientos actuales, sería peligroso si el resultado fuera hecho de modo incorrecto, especialmente para determinar el progreso en el paciente antes y después del tratamiento, donde su estado físico y psicológico podría ser afectado en un verdadero ambiente.
Una respuesta a esta consideración podría ser encontrada en los signos vitales. Ha sido probado por métodos de especialistas médicos que los signos vitales son afectados con algunos cambios en los niveles de estrés. La hipótesis planteada en la presente investigación está basada en la identificación y la medida de signos vitales específicos de una persona en un ambiente relajado real, y se hace posteriormente la medida de los mismos signos vitales en un ambiente virtual, que muestra situaciones de peligros posibles o fobia a la que la persona ha sido expuesta, tratando de encontrar una medida que permita determinar si este ambiente ejerce alguna influencia en el paciente y cuáles serían los signos vitales más adecuados para medir la influencia de la realidad virtual en pacientes con fobias. Los signos vitales identificados y usados en la investigación son la frecuencia cardíaca y la temperatura corporal.
Otro elemento adicional para tener en cuenta es la frecuencia fundamental de la voz, en el cual se usa un software libre para su procesamiento.9 Esperamos demostrar con esta investigación que el uso de estos parámetros tendría la medida cuantitativa de la influencia de la realidad virtual en los cambios sicológicos del paciente, sin la influencia de criterios personales. Las fobias elegidas para desarrollar este proyecto son la claustrofobia (miedo a esta en espacios cerrados)10,11 y acrofobia (miedo a las alturas).12
SITUACIÓN DE ESTRÉS Y REGULACIÓN DE TEMPERATURA
Cuando un paciente está bajo tensión intensa, siente cambios fuertes de sus emociones y sentimientos. Debido a los resultados del alto estrés, se causa una mala regulación del sistema de calefactor del cuerpo humano. Estos cambios son más notables en algunos sitios de cuerpo donde la irrigación capilar es más alta; por ejemplo, las manos.
La causa física de esta reacción es la segregación hormonal con elementos potencialmente vasoconstrictores, los espasmos de músculos de las paredes de las arterias, la oxidación que dañan las membranas celulares rojas que los hacen más gruesas y la formación de coágulos debido a las plaquetas.13
VARIABILIDAD CARDÍACA
Esto se refiere a una arritmia o ritmo no simétrico del nodo sinusal, que realiza la función de marcapasos del corazón.14 Sucede en la fase de respiración. Este es un parámetro fácilmente influenciado por cambios emocionales de las personas.
FRECUENCIA FUNDAMENTAL DE LA VOZ
Los músculos del cuerpo humano vibran en una frecuencia específica. Esto incluye las cuerdas vocales. En algunas situaciones de tensión, la vibración muscular cambia, al igual que la frecuencia de voz.
Algunas técnicas pueden ser usadas para estudiar los comportamientos de las cuerdas vocales. Uno de estos es la frecuencia fundamental de la voz. Consiste en la obtención de la frecuencia del sonido producido por las cuerdas vocales, que es muy correlacionado con niveles de tensión y la entonación.
La revisión de la literatura que se realizó para esta investigación se centró en los resultados de estadísticas de los desórdenes mentales en la actualidad, que nos dice la importancia de tener un tratamiento efectivo y medible1 y da una idea de la importancia y aplicación de los resultados de la presente investigación, así como las herramientas para determinar actualmente la evolución de los tratamientos de fobias mediante encuestas y actitudes de comportamiento.5 En el área tecnológica, se estudió el uso de la realidad virtual en la medicina, tanto en el área quirúrgica como en tratamientos de fobias,2 el estado del arte para la realidad virtual en el tratamiento de fobias, cómo ha evolucionado la realidad virtual en la medicina en los últimos años,6 el uso de la cyberterapia como herramienta en la evolución de los tratamientos mentales con el uso de la tecnología7 y las diferencias encontradas actualmente de los tratamientos en vivo y con elementos tecnológicos simulados.8
En área fisiológica se estudiaron los sistemas para determinar cambios en la frecuencia de la voz ante cambios de estrés,9 motivos fisiológicos del cambio de la temperatura corporal13 y la variabilidad cardíaca como una herramienta para medir alteraciones de compartimiento.14
El logro principal es encontrar con la investigación y con algunos instrumentos de realidad virtual, si los productos de ambiente sintéticos producen efectos similares a los verdaderos y la posibilidad de usar estos resultados como un instrumento de medida del tratamiento de fobias.
MÉTODOS
En el trabajo con un diseño experimental se encontró la selección de una muestra para la investigación, que comenzó con algunos estudiantes de ingeniería de la Universidad Libre de Bogotá (ULC). Con el fin de tener un punto de partida para determinar el tamaño de la muestra, se usó un procedimiento estadístico. El resultado del análisis ofreció la necesidad de hacer estudios sobre el total de 308 estudiantes entre 1 350 existentes en la ULC. Se desea un error estándar del 90 %. Los individuos seleccionados se sometieron a la prueba de forma voluntaria para cumplir con los requisitos estadísticos y éticos. La muestra de población fue tomada de la base de datos de estudiantes de 2005, momento en que se realizaron las primeras pruebas.
En la muestra de la población seleccionada, el 43 % de los sujetos manifestó tener algún tipo de fobia, mientras que el 57 % no manifestó ninguno. Del grupo de personas que mostraron algún tipo de fobia, 56 % correspondió a miedo a las alturas, mientras que otro 18 % manifestó fobias a los espacios cerrados y el resto de los individuos manifestaron algún tipo de fobia diferente.
En el análisis estadístico se uso distribución de frecuencia complementada con ciertas medidas resumen. Las más importante usada en esta investigación es la tendencia central o centralización, que indican el valor medio de los datos, y las de dispersión que miden su variabilidad. En segundo lugar se usaron medidas que describen el grado de simetría o de concentración de la distribución.
El análisis exploratorio se usó de manera preliminar para determinar la existencia de asimetría y heterogeneidad de los datos muéstrales, además de valorar si la distribución de tales datos se aleja de la distribución normal. En virtud de este análisis previo se tomó la decisión más certera acerca del tipo de tratamiento estadístico a la que se sometió la muestra experimental.
EQUIPOS USADOS
Para producir el ambiente virtual de esta investigación, se usaron algunos equipos de la realidad virtual como: imágenes de 360 X 360, de espacios cerrados (túneles) y de alturas (montañas); un casco de realidad virtual, Head Mounted Display True 800 X 600 resolución, PC/ SVGA, con protector de medio ambiente; un seguidor infrarrojo, Head tracker, SmartNav 4, para seguimiento del movimiento de la cabeza; un sistema Polar para frecuencia cardiaca, Polar S625X, que transmite en RF la frecuencia cardíaca; un micrófono; software para procesamiento de voz (SPS _ Speech Filing System, 2008), que permite el análisis de espectrograma, frecuencia fundamental de la voz, energía y duración; un ventilador, para simular el viento en ambiente de alturas, y una cámara termográfica (figura 1) Flir System (Scherer KR. 1977). Los equipos para medir las reacciones de los pacientes antes los ambientes virtuales son: medidor de frecuencia cardíaca, software de procesamiento de voz y cámaras termográficas. Los ambientes virtuales creados para la simular la realidad son luego proyectados en el casco de realidad virtual (figura 2).16
En cada proyecto de investigación, donde los resultados tienen una influencia directa con la medicina y el procedimiento puede tener posibles efectos físicos o sicológicos en los pacientes que están bajo prueba, es necesario cumplir con algunas exigencias que se ajusten a los métodos éticos y de seguridad, para las personas de la población seleccionada.
Teniendo en cuenta las implicaciones médicas, algunas sesiones de trabajo fueron realizadas con expertos de un equipo médicos en signos vitales, quienes hicieron un análisis profundo de la investigación y realizaron algunas recomendaciones:
· Es importante evitar ataques de epilepsia en los pacientes por la fotosensibilidad o una reacción a algunos patrones de estímulos lumínicos con un resultado de problema en la regulación de ECG. Ellos sugieren un tiempo límite para la sesión de realidad virtual menor de tres minutos, pensando en la disminución de la reacción del seguidor infrarrojo, y es necesario estar comprobando el movimiento de las imágenes durante la sesión para evitar movimientos bruscos que aumenten la probabilidad de epilepsia.
· Para la mano, es necesario para usar material de aislamiento con el fin de evitar cualquier transferencia de calor entre las manos y la mesa. Adicionalmente, el investigador debe incluir la pérdida de calor por el ambiente usando fórmulas de la transferencia del calor.
· En la encuesta inicial debe preguntarse sobre las fobias tratadas diferentes de los anteriores (los miedos de la altura y el miedo de espacios cerrados) para tener un cuidado especial con estos pacientes.
· El paciente tiene que leer con cuidado y entender que estas pruebas no representan ningún riesgo físico o mental y su participación es voluntaria. El paciente tiene que firmar al final de la encuesta.
· Antes de comenzar el tratamiento, el paciente tiene que someterse a una prueba visual, porque las personas con problemas visuales pueden sufrir cansancio, y necesitar una compensación en las gafas de realidad virtual o la otra recomendación es no trabajar con esta clase de pacientes.
Haciendo un examen de algunos elementos, como la frecuencia y la variabilidad cardíacas, así como la temperatura y la frecuencia fundamental de la voz, esperamos tener una escala cuantitativa de la evaluación del paciente, especialmente para que los doctores puedan determinar el nivel de estrés del paciente y, por supuesto, el progreso de tratamiento o evolución de las fobias en espacios cerrados y alturas.
La selección de los signos vitales fue determinada por la facilidad en los métodos de medida y la magnitud de los cambios en los niveles de estrés. Por otra parte, no hay ningunos estudios que muestren cambios significativos en los otros signos vitales.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
El trabajo experimental consistió en la creación, en primer lugar, de los ambientes virtuales de altura y espacios cerrados para las personas que voluntariamente aceptan ser la parte del análisis.
Con estos ambientes virtuales podemos medir los signos vitales identificados en un ambiente relajado sin ningún nivel de tensión, y posteriormente tomar la misma medida en el ambiente virtual creado. Con el resultado se pueden contrastar las dos medidas y determinar si la realidad virtual tiene alguna influencia en los pacientes.
Los pasos para el experimento fueron definidos así:
· En primer lugar, las personas fueron informadas sobre todo el proceso y la posibilidad de rechazar o abandonar la prueba según su voluntad. Posteriormente los individuos que se sometieron voluntariamente a la prueba fueron entrenados en el uso de los equipos de realidad virtual en un número de secciones necesarias para que el ambiente fuera cómodo y controlado eficazmente por el usuario, sin sobrepasar tres minutos por sesión. La gran mayoría de los usuarios no necesitaron más de un entrenamiento.
· Una vez que la formación fue terminada, se solicitó a la persona llenar una encuesta simple. La única finalidad de esta encuesta fue generar un ambiente de reposo que no produjera ningún tipo de estrés. Los datos no fueron contrastados con los resultados posteriores; sólo fueron un mecanismo de relajamiento para poder averiguar si existían síntomas de fotosensitividad. Durante la encuesta fueron registrados los datos de signos vitales en estado de reposo.
· En los siguientes pasos, el paciente se sometió a ambientes virtuales de altura y espacios cerrados y el investigador registró las medidas dadas por los signos vitales. El protocolo de la prueba fue revisado por tres médicos: un especialista en signos vitales (anestesiólogo), un investigador genético, quien revisó los procedimientos de la investigación, y un psicólogo. Posteriormente las pruebas fueron realizadas por el investigador principal siguiendo las pautas y dejó los casos especiales a los tres médicos anteriores. Con estos resultados, se realizó una comparación de los datos encontrados bajo los dos ambientes, con el fin de encontrar algunas diferencias que permitieran que validáramos el método de esta investigación.
· Al final de esta prueba se realizó una nueva encuesta. Se preguntó a los individuos sobre la impresión del experimento y el nivel de estrés generado por los ambientes virtuales. Esta información fue correlacionada con los datos de los signos vitales.
RESULTADOS
De las personas que habían manifestado tener miedo a las alturas, 47 % informaron sentirse un poco afectadas por el ambiente virtual, mientras que 5 % de estos individuos se sintieron muy afectados.
Manifestaron síntomas como mareo durante y después de la prueba el 8,8 % de los individuos sometidos al ambiente virtual. Estos síntomas son conocidos como motion sickness o simulation sickness.
Para individuos con miedo a las alturas, la frecuencia cardiaca presentó un valor similar en reposo y en el ambiente virtual (reposo: 83,3 bpm); ambiente virtual: 84,4 bpm, significación: 0,754). No existió una diferencia significativa entre los ambientes (ANOVA, significación: 0,413) y el promedio de frecuencia cardíaca fue similar.
Para la temperatura corporal, después de aplicar un análisis de varianza (ANOVA) para un grupo de sujetos homogéneos que padecían miedo a las alturas, se compararon sus valores medios mediante la prueba t de student - Newman _ Keuls. La temperatura corporal no fue un parámetro que tuviera una diferencia significativa en los dos ambientes. Los cambios de la temperatura promedio en el ambiente virtual de espacios cerrados fueron bajos (tabla 1.)
En los individuos con miedo a las alturas, al realizarse el mismo análisis estadístico anterior, concluimos que el parámetro de frecuencia fundamental de la voz manifestaba un incremento en su valor (tabla 2).
En los pacientes con miedo a las alturas, la energía de la voz no presentaba cambios significativos según el análisis estadístico ANOVA (0,383). En los resultados de estadística descriptiva, la energía de la voz no mostró cambios significativos en reposo, ambiente virtual de alturas y ambiente virtual de espacios cerrados (81,4, 80,5, 80,7 decibelios, respectivamente). Este resultado estadístico indicó que la energía de la voz no era un parámetro adecuado para determinar la influencia de la realidad virtual en individuos con fobias.
Al realizarse el análisis estadístico ANOVA en dos grupos de trabajo, uno en un ambiente de reposo y otro en ambos ambientes virtuales, se pudo observar que existían diferencias en el comportamiento de la variabilidad cardíaca entre el grupo de individuos en estudio que estaba en estado de reposo, y el que estaba bajo el ambiente virtual de alturas o espacios cerrados.
La media de la variabilidad cardíaca cambió en forma significativa, al mostrar una disminución en el valor medio, resultado que concuerda con la literatura médica (tabla 3).
DISCUSIÓN
Los datos de información encontrados en la prueba anterior muestran que hay algunos parámetros que presentan cambios en los diferentes ambientes. Algunos otros parámetros no sufren ningún cambio, entonces no pueden ser usados para determinar la eficacia de la realidad virtual para el tratamiento de fobia. Los resultados previos a este documento fueron presentados en el Segundo Congreso Internacional de Investigaciones Biomédicas del Caribe colombiano (2006) y en el World Congress on Engineering and Computer Science WCECS 2007
(San Francisco, California).
A partir de los resultados obtenidos del rango en que la realidad virtual afecta a los individuos de la prueba, se considera que se deben mejorar las interfaces de realidad virtual para obtener unos sistemas más ajustados a la realidad. Con los sistemas de realidad virtual actuales existe una diferencia en cuanto a la forma en que el cerebro percibe el mundo real y la realidad virtual. En relación con los efectos conocidos como simulation sickness y motion sickness, estos son ocasionados por la diferencia entre la respuesta que espera recibir el cerebro y la que reciben los sentidos. Esto confirma el criterio anterior de que es necesario mejorar las interfaces de entrada y salida de los sistemas de realidad virtual.
Los resultados de frecuencia cardíaca media muestran que esta no constituye un buen parámetro para evaluar si un paciente es afectado por la realidad virtual. De la misma manera, en ambientes virtuales de espacios cerrados no existe una diferencia significativa entre los ambientes, y el promedio de frecuencia cardíaca es similar, lo que indica que no es un parámetro útil en este ambiente.
La temperatura corporal media permite identificar el nivel de estrés de un individuo sometido a ambientes virtuales, comparado con los ambientes de reposo, a través de un incremento leve, pero significativo, de la temperatura corporal.
En contraste con el ambiente virtual de alturas, la temperatura corporal no es un parámetro útil para determinar la influencia del ambiente virtual de espacios cerrados. Este parámetro solamente puede ser usado en ambiente virtual de alturas. Esto significa que el ambiente virtual de alturas es percibido como más cercano a la realidad, comparado con el ambiente de espacios cerrados.
La diferencia de los dos ambientes, con el uso de la temperatura corporal en la presente investigación, muestra un incremento significativo en la temperatura. Un estudio riguroso de la literatura médica manifiesta que un individuo sometido a estrés presenta una disminución de su temperatura corporal. Esta posible discrepancia se explica ya que el ambiente virtual no genera una reacción muy fuerte; pero el miedo al ambiente produce un nivel alto de atención, que se manifiesta con síntomas similares al relajamiento, y como resultado una disminución de la temperatura corporal.
En los individuos con miedo a las alturas, basados en el mismo análisis estadístico anterior, el parámetro de frecuencia fundamental de la voz es adecuado para determinar si un individuo es afectado emocionalmente por un ambiente virtual de alturas, lo que se manifiesta por un incremento de la frecuencia fundamental de la voz.15
El parámetro de variabilidad cardíaca, según el resultado de la investigación, es el único que permite identificar el nivel de estrés generado por los dos ambientes virtuales de alturas y espacios cerrados. Los demás parámetros sólo pueden ser usados en ambiente virtuales de alturas. Este resultado indica que el ambiente virtual de espacios cerrados no presenta el mismo nivel de similitud con el ambiente real.
La realidad virtual es un instrumento usado para el tratamiento de fobia por algunos centros médicos.11,18-20 Por la necesidad de tener un instrumento para medir en una escala cuantitativa la eficacia del tratamiento y la evolución del paciente con estados de fobias, la investigación presente basada en estudios médicos sobre la influencia del estrés en los signos vitales trata de determinar la eficacia de la realidad virtual y establecer una escala que puede ser usada por el médico en el tratamiento, para determinar al final qué parámetros son los adecuados para revisar la evolución del tratamiento de fobias por realidad virtual.21
CONCLUSIONES
Con los signos vitales y la frecuencia fundamental de la voz encontrada y comprobada, se puede concluir que hay algunos parámetros, como la frecuencia cardíaca media, la energía de la voz y su duración que no permiten distinguir la reacción de la persona en ambiente virtual y de reposo. Otro parámetro, como la temperatura, la variabilidad cardíaca y la frecuencia fundamental de la voz deja distinguir el estado de reposo y el ambiente virtual. Solamente el parámetro de temperatura y frecuencia fundamental de la voz son útiles para ambiente virtual de alturas. Estos resultados se deben utilizar en el seguimiento de un paciente con fobia médica declarada durante todo el tratamiento, bajo la supervisión en un centro médico especializado en fobias con el uso de la realidad virtual.
Los pacientes que son adecuados para este tipo de tratamiento son aquellos sin limitaciones visuales o auditivas, ya que parte del resultado de la realidad virtual se logra con visión binocular y con la diferencia auditiva de los sistemas receptores de sonido. Por otra parte, los pacientes con fotosensibilidad alta o con algún síntoma de epilepsia por patrones lumínicos deben abstenerse de usar esta metodología. El tiempo límite recomendado para evitar los anteriores inconvenientes y el cansancio o los falsos positivos es de tres minutos.
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Recibido: 5 de julio de 2008
Aprobado: 10 de septiembre de 2008
Ing. Mauricio Plazas Torres. Facultad de Ingeniería. Universidad Libre de Colombia. Bogotá.