Tato studie je podporovaná Technologickou agenturou České republiky (TACR project number TJOl000010).
Francová A, Šouláková B, Procházková L, Fajnerová I. Dechový trénink ve virtuální realitě na podporu relaxace - pilotní studie
Vědomé dýchání je nedílnou součástí mnoha relaxačních technik, jako je jóga nebo meditace. Pranayama je například druh meditace, při které jednotlivec vědomě řídí trvání svého nádechu a výdechu. Výzkum ukazuje, že i krátké cvičení pranayamy může účinně zvýšit parasympatickou aktivitu a v důsledku toho snížit stres a úzkost. Nástroje pro virtuální realitu (VR) a biofeedback jsou oblíbené v klinickém prostředí, a to díky své schopnosti lépe a interaktivně poskytovat léčebný trénink a činit jej tak příjemnějším. V této studii jsme ověřovali fungování prototypu VR poháněného biofeedbackem během tréninku, při kterém byli účastníci požádáni o synchronizaci vlastního dýchacího rytmu s dýchacím rytmem avatara zobrazeného ve virtuálním prostoru. V případě, že se účastníkovi podařilo synchronizovat vlastní dýchání s dýcháním avatara, byla v prostoru VR zavedena barevná změna, jakožto motivace pro posílení tohoto chování.
Cíl: V současné pilotní studii jsme se zaměřili na zkoumání aplikovatelnosti tohoto VR prototypu a posouzení jeho vlivu na hodnocení úzkosti.
Metoda: Pilotní studie se uskutečnila během festivalu Czech VR Fest 2018, kde bylo 28 dobrovolníků vyzváno, aby uvedli, jak se cítí před a po krátké 7minutové intervenci s VR prototypem. Za tímto účelem jsme použili krátkou verzi standardizovaného dotazníku STAI (STAL Y-6), který byl přeložen do českého jazyka.
Výsledky: Po krátkém cvičení pranayamy ve virtuálním prostředí došlo u participantů k významnému snížení subjektivně vnímané úzkosti.
Závěr: Výsledky studie poukazují na pozitivní vyhodnocení VR prototypu a odvozují jeho možnou budoucí využitelnost při opakované aplikaci a také v klinickém prostředí. V budoucnu však musejí být tyto výsledky ověřeny prostřednictvím kontrolované randomizované studie.
Klíčová slova: biofeedback, dýchání, pranayama, úzkost, virtuální realita
Francová A, Šouláková B, Procházková L, Fajnerová I. Relaxation-supporting breathing exercise in virtual reality - pilot study
Conscious breathing is an integral part of many relaxation techniques, such as yoga or meditation. For instance, Pranayama is a type of meditation, where individual consciously controls the duration of his in-breath and out-breath. Emerging research shows that short pranayama exercise can effectively boost parasympathetic activity and as a result reduce stress and anxiety. At the same time, virtual reality (VR) and biofeedback driven tools are becoming popular in a clinical setting, thanks to their ability to provide a more immersive and interactive environment which makes therapeutic training more enjoyable. In the current study we aim to verify functionality of biofeedback driven VR game, during which participants were asked to synchronize own breathing pattern with breathing cycle presented by an avatar in a virtual space. In case the participant managed to synchronize own breathing with avatars breathing cycle, a color change was introduced in the VR space in order to reinforce this positive behavior.
Objective: In the current pilot study, we aimed to examine the usability of this VR prototype and assess its effect on self-perceived anxiety.
Method: The pilot study took place during a Czech VR Fest 2018, where 28 volunteers were asked to indicate how they feel before and after short 7 minutes VR intervention. For this purpose, we used a short version of standardized anxiety questionnaire STAI (STAI: Y-6 item), which was translated into the Czech language.
Results: We found a significant reduction in self-perceived anxiety after the short VR exercise.
Conclusion: The results assessed by the survey imply a positive evaluation of the presented VR prototype and infer its potential future usability in a clinical setting. However, more controlled randomized studies will be required in order to verify these results.
Key words: anxiety, biofeedback, breathing, pranayama, virtual reality
Kontrola vlastního dechu tvoří jednu z nejdůležitějších komponent jak tělesných cvičení, tak terapií nejrůznějších onemocnění (tělesných, psychických i jejich kombinace). Zároveň také hraje ústřední roli ve většině relaxačních metod a meditací. Přestože se rozhodně nejedná o první přístup, který by kontrolu dechu využíval, nejsilnější asociaci má dech pravděpodobně s jógou. Rada z principů jógy nebyla zatím experimentálně zkoumána, vliv dýchání na lidský organismus již byl však předmětem mnoha fyziologických studií.1 Některé studie, zejména z oblasti psychiatrie a psychologie, se na dech soustředí přímo jako na prostředek nahlédnutí interakce mezi tělesnými procesy a psychickými stavy.2 Experimentálně byl ověřován například efekt pranayamy, tedy záměrné kontroly dechu sestávající z vědomého nádechu a výdechu, popřípadě retence dechu (zadržení) mezi těmito dvěma fázemi. Studie ukázaly pozitivní vliv pranayamy na léčbu kardiovaskulárních onemocnění (např. hypertenze),3 plicních onemocnění4 nebo onemocnění souvisejících se stresem.5 Důležité je si však uvědomit, že pozitivní vliv na výkon srdečně-cévního a dýchacího systému i zvýšení celkové duševní pohody (tzv. well-being) se po dlouhodobějším praktikování dechových cvičení objevuje i u zdravých jedinců.6
Neexistuje pravděpodobně jednotný názor na účinnost jednotlivých dechových cvičení - i v případě jógy se dechová cvičení odvíjejí od toho, který přístup je doporučuje, popř. k jakým odborným zdrojům má učitel přístup.7 Existují ovšem základní dechové principy, které se nejen často opakují, ale zároveň byly experimentálně ověřovány.
Asi nejčastěji zmiňovaným prostředkem ke zklidnění těla i mysli je pomalé dýchání (např. slow pranayama). Jaké dýchání je ale možné označit za pomalé7. Studie se shodují na tom, že se jedná o dýchání, které nepřesáhne 6 vdechů za minutu.8 Vdech a výdech by měl navíc tvořit určitý poměr. Nejčastěji se hovoří o poměru 1 : 2, při kterém je výdech dvakrát delší než vdech, a o poměru 1:1, kdy je jejich délka stejná. Vždy se ale jedná spíše o pomalejší tempo - zrychlený poměr 1 : 1 se naopak často pojí se stresem, úzkostí nebo námahou vyvolanou tělesným cvičením. Dodržování poměru 1 : 2 je možné docílit prodloužením výdechu či krátkou pauzou před dalším nádechem. Některá pokročilejší dechová cvičení navíc hovoří o tzv. "retenci", při které se člověk snaží o zadržení dechu mezi nádechem a výdechem.9 Co se týče samotného způsobu inhalace a exhalace, nosní dýchání bývá většinou relaxačních cvičení doporučováno zejména s ohledem na samotnou funkci nosní přepážky, kterou je ohřívání, filtrování a zvlhčování vdechovaného vzduchu. Existují však i přístupy, které během dechových cvičení doporučují střídat levou a pravou nosní dírku (tzv. Nadisodhana Pranayama).10 Důležité je si proto uvědomit, že se nejedná o doporučení, která by se dodržovala za každých okolností. Některé studie dokonce využívají záměrně zrychlené dýchání, popř. ho porovnávají s pomalým dýcháním.11,12
Pokud jsou všechny nebo určité kombinace těchto principů dodržovány, dochází běžně ke zklidnění, jehož příčinou je pravděpodobně kombinace fyziologické stabilizace organismu a mentálního soustředění na něco, co má člověk pod kontrolou.
Vědomé a zaměřené dýchání během jógy, meditace nebo relaxace může ovlivnit emoce, stav vzrušení (arousal) i úroveň stresu u jedince.13 Toto naznačuje potenciál, který by využívání dechových cvičení mohlo mít v kontextu terapie nejrůznějších psychiatrických onemocnění. Příkladem může být například skupina neurotických poruch, v jejichž centru stojí různé podoby úzkosti a s ní související symptomy, jako pocity nervozity, třes, svalové napětí či depresivní a obsedantní příznaky.14 Neexistuje mnoho studií, které by se zabývaly využíváním dechových cvičení přímo v rámci terapie, sledovány jsou spíše určité skupiny osob, u kterých se objevují symptomy úzkosti. Některé ze studií se soustředí na využívání dechových cvičení v kontextu testové úzkosti u studentů15,16 či u osob trpících hypertenzí.17,18 V posledně zmíněných studiích autoři spíše nepřímo reflektují vztah mezi krevním tlakem a stresem u jedince. Co se týče využívání dechových cvičení (či meditací založených na dechu) ke zmírnění úzkosti u konkrétních skupin pacientů, existují studie založené na pacientech s posttraumatickou stresovou poruchou (PTSD)19 či s depresivní poruchou.20 Pozitivní účinek pranayamy na úzkostné a depresivní symptomy byl ověřen i na skupině seniorů.21
Rozvoj moderních technologií obohatil i oblast nácviku efektivních způsobů dýchání, zejména pak přes léčbu určitých typů hypertenze. Vzhledem k rozšiřujícím se vědomostem o fyziologii hypertenze a vývoji nových technologií vznikla řada intervencí, které nespoléhají pouze na medikamentózní léčbu - od implantovaných stimulátorů až po aplikace, které vyžadují po pacientech aktivní účast, např. ve formě řízeného dýchání.22 Zejména tyto "interaktivní" aplikace však mohou být ve většině případů využívány širokou skupinou uživatelů.
Většina podobných programů využívá přenositelná zařízení měřící dechovou aktivitu, jako je např. respirační biofeedback,23,24 často v kombinaci se zvukovým doprovodem.25 Největší výhodou těchto aplikací je adaptování nácviku dýchání přímo na fyziologii uživatele, to vše v reálném čase. Jednou z nejčastěji zmiňovaných dechových aplikací je RESPeRATE.26 Hlavním principem tohoto zařízení je senzor umístěný na hrudníku, který analyzuje dechový vzorec uživatele a vytváří personalizované tóny, jež doprovázejí výdech a nádech. Tón doprovázející výdech se postupně prodlužuje, čímž se dýchání celkově zpomaluje až k žádoucímu stavu 10 dechů za minutu. Ukládání dat během tréninku následně umožňuje sledovat trvání a úspěšnost jednotlivých fází.
Existují však i mobilní aplikace zaměřené na nácvik dechových principů - v porovnání s některými aplikacemi zmíněnými výše jsou levnější a pro uživatele dostupnější (smartphone s aplikací je možné využít téměř kdekoliv a kdykoliv). Účelem jedné z nich27 je například trénink pomalého a hlubokého dýchání prostřednictvím následování určitého rytmu (v tomto případě se jedná o 6 cyklů za minutu s nádechem a výdechem stejné délky). Autoři se navíc pokoušeli o srovnání účinnosti tří designů, které aplikace zaměřené na dechová cvičení často využívají - první z nich obsahoval pouze audio instrukce, druhé dva navíc uživateli proces dýchání vizualizovaly (prostřednictvím symbolů kruhu a vlnky). Vizualizace vlny byla hodnocena lépe než pouhá audio verze jak objektivně (na základě hloubky dechu), tak subjektivně (preference a vnímaná účinnost uživatelů). Další již vyvinuté aplikace je aktuálně možné získat např. ze stránek App Store nebo Google Play Store - nácviku pomalého hlubokého dýchání se věnuje např. Universal Breathing: Pranayama.28
Virtuální realita je v nynější době často využívanou metodou v léčbě a prevenci duševních onemocnění. Příkladem mohou být aplikace pro léčbu fobií, 29 úzkostných poruch,29,31,33 poruch příjmu potravy, 30 ale i pro trénink relaxace, meditace a kognitivních schopností 33, 34 či sociálních dovedností u osob s autismem.32 Využitím virtuální reality získáme možnost provádět terapeutické metody nebo cvičení v kontrolovaném prostředí virtuálního světa. Studie dále naznačují, že pokud máme možnost zprostředkovat člověku zážitek opravdovosti a sounáležitosti, trénink se pro něj stane zábavnější, hravější, a i výsledky procvičování mohou být intenzivnější ve srovnání s běžným způsobem trénování.34,35 Podle některých autorů34 mělo relaxační sezení zprostředkované virtuální realitou větší účinek než běžné relaxační sezení, sezení využívající počítačový program či audio nahrávky. Nejvýznamnějších výsledků pak dosahovali participanti, kteří společně s virtuální realitou využívali neurofeedback Neurofeedback byl zapojen do virtuálního prostoru tak, aby uživatel mohl kontrolovat činnost prostředí skrze svou koncentraci. Právě využitím principu biofeedbacku tak můžeme vytvořit interaktivní virtuální prostor a uživateli tak prohlubovat pocit přítomnosti v prezentovaném virtuálním světě. Mnohé výzkumy ukazují, že čím více člověk zažívá přítomnost ve virtuálním světě, tím silnější efekt na něj prostředí vytváří.35,36 Biofeedback je tedy dobrým nástrojem nejen ke zvýšení efektivity tréninku samotné dovednosti, ale i pro funkčnost VR aplikací.34,37,38 Cílem prezentované studie bylo ověřit předpoklad, že prototyp VR hry pro nácvik pranayamy s dechovým biofeedbackem ovlivní subjektivně hodnocenou úzkost u vzorku sledovaných participantů již po jednorázové aplikaci.
Studie byla založena na pilotním testování aplikace, které proběhlo v rámci Czech VR Fest ve dnech 10. - 12. 5.2018. Cílem testování bylo ověření fungování aplikace, které jsme doplnili o posouzení toho, jak se uživatelé cítili bezprostředně před absolvováním a po absolvování 7minutového tréninku. K tomu jsme použili Dotazník na měření úzkosti a úzkostnosti (STAI - State-Trait Anxiety Inventory),39 pro účely našeho výzkumu pak konkrétně jeho zkrácenou verzi40 (STAL Y-6 item), kterou jsme přeložili do českého jazyka. Důvodem byla i skutečnost, že se daný dotazník zaměřuje na aktuálně prožívanou úzkost (respondenti hodnotí, jak se cítí právě v tento daný moment). Dotazník obsahuje 6 výroků (např. "Jsem rozrušený/á", "Jsem napjatý/á"), které respondent hodnotí na 4stupňové škále (vůbec-trochu-středně-hodně). Maximální hodnota, kterou může respondent v dotazníku získat, je 80, minimální hodnota je 20. Čím vyšší hodnota je, tím vyšší je stupeň aktuální úzkosti.
Před vyplněním dotazníku participanti vyplnili informovaný souhlas, kterému předcházely následující stručné informace:
- co je to mindfulness (meditační technika, která je spojena se zaměřením pozornosti na přítomný okamžik),
- co je cílem daného projektu (vytvoření aplikace využitelné v domácím i klinickém prostředí, která zprostředkuje procvičování této schopnosti interaktivní formou),
- co bude cílem vytvořené aplikace (podpora neurokognitivních funkcí nezbytných pro psychickou odolnost, napomáhání uživatelům při tréninku dechových a relaxačních cvičení),
- popis jednotlivých kroků experimentu (vyplnění dotazníku, nasazení dechového pásu, sluchátek a VR brýlí, provedení samotnou aplikací atd.),
- popis způsobu nakládání s daty a osobními údaji (uchování dat pod anonymním kódem).
Uživatelé byli navíc upozorněni na vylučovací kritéria účasti ve studii (např. psychiatrické, neurobiologické nebo vážné somatické onemocnění). Po podepsání informovaného souhlasu jsme participanty požádali o poskytnutí základních demografických údajů (pohlaví, věk).
Naše práce se odvíjí od zjištěných benefitů, které využití VR k dechovému cvičení může mít na uživatele, a to jak v terapeutických podmínkách, tak v běžném životě. Vytvořili jsme aplikaci, která procvičování rytmického dýchání zjednoduší a umožní dechový trénink i lidem, pro které je standardně používaný trénink obtížný nebo neatraktivní. Využitím virtuální reality s audio instruktáží a uklidňující hudbou, které jsou uživateli pouštěny do sluchátek, umožníme člověku trénink v uzavřeném kontrolovaném prostředí bez rušivých prvků okolního světa.
Uživatel se pokouší následovat stanovený rytmus 1 : 1 (konkrétně 5 sekund výdech a 5 sekund nádech), který koresponduje s dýchacím rytmem avatara (dýchací pohyby virtuální postavy, zbarvení/odbarvení mandaly na pozadí atd.) zobrazeného ve virtuálním prostoru (obr. 1). Tento rytmus koresponduje i s relaxační hudbou na pozadí. Aplikace je napojena na dechový senzor Go Direct Respiration Belt (obr. 2), který umožňuje měřit dechovou frekvenci pomocí údajů o síle, kterou participant působí na pás umístěný na rozhraní břicha a hrudníku. Získané údaje jsou pak participantovi zobrazeny ve vizuální podobě přímo ve VR prostředí. Díky změnám ve virtuálním prostředí tak uživatel nepřetržitě dostává informaci, zda dechovou frekvenci dodržuje správně. Pokud se uživateli cvičení daří a správně se synchronizuje se stanoveným rytmem dýchání, je aplikací odměňován v podobě nových geometrických tvarů, které se před ním generují (např. růst a zmnožování mandaly na pozadí scény). Díky biofeedbacku se tak trénink stává interaktivním. Dechová data jsou prostřednictvím dechového senzoru průběžně ukládána a mohou být převedena do grafické podoby (graf 1). V další fázi vývoje aplikace se soustředíme na to, aby sám uživatel mohl tento graf a jeho změny v čase zobrazit.
Zkoumaný soubor tvořili návštěvníci festivalu Czech VR Fest 2018. Celkem se studie zúčastnilo 32 osob, 4 z nich však musely být z důvodu neúplného vyplnění dotazníku vyloučeny z analýzy. Celkový výzkumný vzorek tedy obsahoval 28 dobrovolníků (z toho 15 žen a 13 mužů) ve věku 21 až 64 let (M = 30; SD = 9,4).
V následné analýze jsme se zaměřili na porovnání subjektivně hodnocené úrovně aktuální úzkosti respondentů před 7minutovým tréninkem ve virtuálním prostředí a po tomto tréninku. Jelikož počet osob v našem vzorku neodpovídal velikosti vzorku nutného pro použití párového t-testu o síle alespoň 0,5, pro statistickou analýzu byl použit neparametrický Wilcoxonův párový test. Na základě této analýzy bylo zjištěno signifikantní snížení (Z = - 2,778, p = 0, 005) míry subjektivně pociťované úzkosti měřené před tréninkem (M = 38,6, SD = 9,5, min = 20, max= 56,7) a po tréninku (M = 31,2, SD = 11,5, min = 20, max = 63,3) (graf 2).
V této práci prezentujeme výsledky pilotní studie zkoumající vliv prototypu VR aplikace na aktuální stav člověka. VR aplikace je napojena na dechový senzor a umožňuje skrze něj člověku manipulovat s virtuálním prostředím. Dech je častou metodou při práci s úzkostnými stavy.15-18 Naše pilotní šetření tedy zjišťovalo účinek aplikace na aktuálně prožívané symptomy úzkosti u dobrovolníků. Výsledky pilotní studie ukázaly signifikantní změnu v subjektivně hodnocené úzkosti pociťované participanty před 7minutovým tréninkem ve VR aplikaci s biofeedbackem a po tomto tréninku.
Virtuální realita je metoda, která se stále více uplatňuje v oblastech terapie a rehabilitace.41,42 Pokroky v technologiích virtuální reality a snižující se náklady činí tuto metodu přístupnější, poskytující slibné možnosti pro aplikaci v klinickém či pracovním prostředí.42 VR je často využívána v oblasti úzkosti a onemocnění a poruch souvisejících se stresem.43, 44 Literatura týkající se možného zdokonalení meditačních praktik ve VR je omezená, avšak existující studie naznačují, že VR může u respondentů indukovat pocity uvolnění a přítomnosti.45 Předběžný výzkum kombinace virtuální reality s respiračním biofeedbackem naznačuje, že tato kombinace může být úspěšná při snižování úzkosti u dětí.46 Další nedávný výzkum47 však také ukazuje, že samotný respirační biofeedback ve virtuální realitě nepředstavoval přidanou hodnotu k navození většího fyziologického klidu, když tato aplikace byla porovnána s kontrolní skupinou bez biofeedbacku.
Do studie byli zatím zařazeni pouze zdraví dobrovolníci, aktuálně ale připravujeme i studii založenou na opakovaném tréninku u pacientů s úzkostnými poruchami a závislostmi. Prezentované výsledky jsou prvním krokem pro další rozsáhlejší výzkumnou studii efektu, který VR aplikace napojená na biofeedback dechu může mít na člověka.
Limitace naší práce vidíme především v kombinaci jednotlivých metod, které již samy o sobě mohou mít blahodárný vliv na aktuální stav člověka (efekt dechového cvičení a efekt uzavřeného virtuálního prostředí s relaxační hudbou). I přes tyto limitace vnímáme výsledky prezentovaného pilotního šetření jako důležité. Podobnou situaci totiž můžeme pozorovat i u jiných forem tréninků - například v případě mindfulness (MBSR) není vždy jasné, která ze sledovaných technik člověku pomohla, přesto se jedná o metodu využívanou po celém světě. Pozitivní výsledky stávající studie poukazují na potencionální využití podobných zařízení v léčbě a v prevenci duševních onemocnění, zejména těch spojených s působením stresu.
Další limitace naší práce souvisí se samotným měřením, které neproběhlo v kontrolovaném prostředí laboratoře. Tato limitace v podobě rušivého prostředí festivalu nám ale zároveň poskytuje skvělou ukázku aplikovatelnosti vyvinuté VR metody i v běžném pracovním nebo domácím prostředí. V blízké budoucnosti plánujeme měření zopakovat v kontrolovaném laboratorním prostředí s dobrovolníky, kteří mohou měření podstoupit opakovaně za srovnatelných podmínek. Díky tomuto opakovanému měření budeme schopni ověřit, jaký efekt má dlouhodobější využívání VR aplikace s biofeedbackem na míru úzkosti, zvládání stresu a další aspekty lidského života.