Skutki uboczne odziaływania środowiska wirtualnego na człowieka - Wprowadzenie Źródło: opracowanie mgr inż. Antoniego Saulewicza, CIOP-PIB

Ujemny wpływ na organizm człowieka środowiska rzeczywistości wirtualnej, praktycznie stosowanego np. symulatorach pojazdów, jest niepożądanym skutkiem ubocznym wykorzystywania tego typu technologii. Po raz pierwszy zjawisko to było badane przez Millera i Goodsona (1958, 1960), którzy nazwali je chorobą lokomocyjną, ze względu na podobieństwo niektórych objawów tej choroby. Tyler i Bard (1949) wykazali, że główną przyczyną choroby lokomocyjnej jest ruch, natomiast w symulatorach nieruchomych człowiek nie doświadcza ruchu. Dlatego w przypadku ujemnego wpływu symulatora stosuje się najczęściej nazwę choroba symulatorowa.

Objawy tej choroby występują w przypadku ekspozycji człowieka na środowisko wirtualne wytwarzane zarówno w systemach projekcyjnych (w języku angielskim SID - od „spatially immersive display systems") jak i w systemach z infohełmem (w języku angielskim HMD systems - od „head-mounted display systems"). Objawy te są często identyczne jak objawy klasycznej choroby lokomocyjnej, a więc zawroty głowy o charakterze oszołomienia z towarzyszącym ślinotokiem, zblednięciem, uciskiem w górnej części jamy brzusznej i nasilającą się potliwością, nudnościami, bólem głowy i dezorientacją przestrzenną aż do gwałtownych wymiotów z towarzyszącą apatią, sennością oraz ograniczeniem zdolności koncentracji psychicznej i aktywności mięśniowej. Mogą również wystąpić zaburzenia równowagi.

Objawy choroby symulatorowej w różnym stopniu występują u poszczególnych osób - co w dużym stopniu zależy od indywidualnych skłonności od osobniczych. Jednakże wystąpienie tych objawów oznacza, że w układzie nerwowym człowieka czasowo wystąpiły zmiany. Może to również oznaczać istotne zmiany w realizacji podstawowych funkcji organizmu człowieka, niewidoczne nawet w momencie opuszczania przez niego środowiska wirtualnego, które w konsekwencji mogą się okazać dla niego niebezpieczne.

W wyniku takiej sytuacji mogą wystąpić negatywne następstwa nawet w postaci wypadków, np. drogowych czy w pracy. A więc skutki uboczne mogą mieć wpływ na bezpieczeństwo i zdrowie człowieka. Dlatego też producenci systemów VR i ich użytkownicy powinni zastosować zasady umożliwiające zmniejszenie ryzyka związanego z ujemnym wpływem środowiska wirtualnego na człowieka. Zasady te obejmują: 1) prawidłową budowę systemu środowiska wirtualnego; 2) zmniejszenie do minimum skutków ubocznych oddziaływania środowiska VE, 3) informowanie zainteresowanych o możliwości wystąpienia określonych skutków ubocznych związanych także ze skłonnościami osobniczymi oraz o zaleceniach dotyczących postępowania w takiej sytuacji w celu zachowania bezpieczeństwa; 4) opracowanie i stosowanie sposobów adaptacji w celu zwiększenia osobniczej tolerancji na bodźce wyzwalające objawy choroby symulatorowej; 5) monitorowanie osób użytkujących systemy VR.

Symulatory wirtualne są najpowszechniej stosowane do szkolenia pilotów wojskowych. Z tego względu nie wszystkie wyniki badań są powszechnie dostępne. Ponadto piloci są ludźmi o szczególnych predyspozycjach zdrowotnych.

Uważa się, że w celu zmniejszenia ryzyka związanego z użytkowaniem środowisk VE, dla każdego symulatora należy opracować zalecenia dla osób go użytkujących, obejmujące również rozpoznawanie wystąpienia objawów choroby oraz właściwe postępowanie w przypadku wystąpienia objawów umożliwiające zachowanie bezpieczeństwa zarówno w czasie ekspozycji na środowisko wirtualne jak i po jej zakończeniu. Jest to obowiązek każdego właściciela urządzenia udostępniającego je osobom. Niespełnienie tego obowiązku może być przyczyną spraw sądowych np. z powództwa cywilnego.

W związku z coraz częstszym stosowaniem techniki rzeczywistości wirtualnej, zagrożenie chorobą symulatorową będzie występowało w kraju coraz częściej w zastosowaniach cywilnych. Aktualnie np. w Warszawie szkolenie spawaczy odbywa się w zdecydowanej części czasu z zastosowaniem wirtualnego symulatora.

W UE obowiązuje np. dyrektywa 2003/59/EU Parlamentu Europejskiego i Rady z 15 lipca 2003 r. w sprawie wstępnej kwalifikacji i okresowego szkolenia kierowców niektórych pojazdów drogowych do przewozu towarów i osób, zmieniająca rozporządzenie rady nr 3920/295 oraz dyrektywę Rady 91/439/EWG i uchylające dyrektywę rady 76/914/EWG. Według tej dyrektywy, od momentu odbycia pierwszego szkolenia, zawodowi kierowcy będą zobowiązani do udziału w kolejnych szkoleniach okresowych co pięć lat. W okresie tym łączny czas trwania szkoleń okresowych ustalono na 35 godzin, w cyklach co najmniej 7-godzinnych. Część szkolenia może się odbywać na wysokiej klasy symulatorach jazdy.

Istnieje zgodność badaczy co do tego, że jest pilna potrzeba badań dotyczących skłonności osobniczych do choroby symulatorowej, ponieważ dotychczasowe wyniki badań są cząstkowe, niepełne i dotyczą głównie osób wszechstronnie wyselekcjonowanych pod względem zdrowotnym.

Definicje

środowisko wirtualne (VE - od angielskiego odpowiednika „virtual environment”) –  symulowane komputerowo trójwymiarowe środowisko, według środowiska rzeczywistego lub danych je opisujących
UWAGA – terminy środowisko wirtualne i rzeczywistość wirtualna są stosowane jako synonimy, ale wielu autorów uważa środowisko wirtualne jako środowisko symulowane, z którym użytkownik jest w interakcji.

infohełm (HMD – skrót od angielskiego określenia „head-mounted display”) – wyposażenie podobne do hełmu, zakładane na głowę człowieka, zawierające zwykle 2 monitory, słuchawki audio oraz czujniki umożliwiające komputerowe określanie położenia i orientacji głowy w środowisku wirtualnym

choroba lokomocyjna – stan charakteryzujący się nudnościami, wymiotami, bladością i wzmożonymi potami, które występują u człowieka w warunkach ekspozycji na rzeczywiste bodźce ruchowe, które nie są dla niego bodźcami fizjologicznymi i do których nie jest zaadaptowany
UWAGA – termin ten jest stosowany zamiennie z terminem choroba symulatorowa w przypadku symulatorów z platformą ruchomą, w których jest stosowany ruch rzeczywisty do symulacji ruchu w świecie ze środowiskiem wirtualnym lub bez tego środowiska.

choroba symulatorowa – stan charakteryzujący się różnymi objawami, począwszy od złego samopoczucia, bólu głowy aż do objawów choroby lokomocyjnej, spowodowany różnymi aspektami oddziaływania środowiska wirtualnego na człowieka
UWAGA – Termin choroba symulatorowa  wynika stąd, że począwszy od drugiej wojny światowej, produkuje się symulatory wojskowe, w których iluzję ruchu otrzymuje się bez stosowania rzeczywistego ruchu fizycznego, a jedynie z zastosowaniem iluzji wizualizacyjnej.  Ponieważ u osób użytkujących te symulatory obserwuje się objawy podobne do objawów choroby lokomocyjnej, pomimo braku bodźców ruchowych, to dla odróżnienia, stosuje się termin choroba symulatorowa (według [1], [ 3 ], [4]). Choroba symulatorowa jest wieloobjawowa i w dużym stopniu zależy od cech osobniczych [5].
Z podobnych przyczyn stosuje się również terminy „choroba samolotowa”, „choroba morska”, i „choroba kosmonautów” [5].

Doniesienia literaturowe

Informacje i dane z literatury dotyczące oddziaływania środowiska VE na człowieka są ubogie i dotyczą w większości symulatorów lotniczych do szkolenia pilotów wojskowych i kandydatów na pilotów wojskowych.

Według klasyfikacji przyjętej w literaturze (np. [1, rozdziały 29 do 36]), oddziaływanie środowiska wirtualnego na człowieka można podzielić na bezpośrednie i pośrednie. Oddziaływanie bezpośrednie jest związane z jakością monitorów, systemów audio, itd. i zależy głównie od konstrukcji i budowy symulatora oraz jest łatwiejsze do kontroli. Nie jest ono przedmiotem niniejszego opracowania. Oddziaływanie pośrednie jest znacznie trudniejsze do badań i kontroli. Skutki oddziaływania pośredniego obejmują także skutki psychologiczne i neurologiczne. Środowisko wirtualne może oddziaływać na układ percepcji ruchu i może powodować zaburzenia równowagi oraz objawy podobne do choroby lokomocyjnej.

Dotychczas nie udało się do końca jednoznacznie ustalić przyczyn choroby symulatorowej ze względu na złożony charakter bodźców wynikających również z dynamiki obrazów w środowisku wirtualnym. Prawdopodobnie następuje przekazywanie do OUN sprzecznych informacji z błędników, narządu wzroku i proprioceptorów pozostających w niezgodzie ze statycznością symulatora i ze świadomością jego bezruchu. Dochodzi do dysharmonii w zakresie układu równowagi przy współistnieniu istotnego dla etiologii choroby symulatorowej czynnika psychicznego (z doświadczenia WIML w Warszawie oraz według [1]).  Zwykle środowisko wirtualne stwarza iluzję ruchu człowieka, podczas gdy w rzeczywistości jest on nieruchomy. W literaturze anglosaskiej tę iluzję ruchu określa się mianem „vection”. Stan taki powoduje powstanie konfliktu przedsionkowo-wzrokowego.

Istnieje zgodność badaczy co do faktu, że podobnie jak bodźce ruchowe, obrazy ruchome i iluzja ruchu mogą powodować poważny dyskomfort u zdrowych osób będących w bezruchu. Chorobę lokomocyjną w ruchu rzeczywistym tłumaczy się istnieniem efektu Coriolisa. Występowanie objawów podobnych do objawów choroby lokomocyjnej w przypadku iluzji ruchu w środowisku wirtualnym, jedna z teorii tłumaczy istnieniem pseudo-efektu Coriolisa. Istnienie pseudo-efektu Coriolisa zademonstrowali Dichgans i Brandt w roku 1973 [1]. Poprzez symulację iluzji ruchu obrotowego oraz zastosowanie jednoczesnego przechylania głowy z osi ruchu obrotowego mogły powstawać takie same objawy choroby lokomocyjnej jakie powstają wtedy, gdy osoba w środowisku rzeczywistym siedzi na obrotowym krześle i wykonuje wychylenia głowy z jednego ramienia na drugi (jeden z testów dla kandydatów na pilotów wojskowych i kosmonautów). Teorii tej nie zaprzeczają wyniki badań w Korei  [4], prowadzonych z zastosowaniem wirtualnego symulatora samochodu do nauki jazdy. Podczas symulacji ruchu prostoliniowego symulowanego pojazdu stwierdzono mniej objawów skutków ubocznych aniżeli w przypadku ruchu po krzywej, ze skręcaniem w lewo i w prawo.

Szereg istotnych badań dotyczących symulacji iluzji ruchu człowieka na powstawanie objawów choroby lokomocyjnej wykonali Stern, Koch, Hu i Grant. Wykazali oni, że stopień nasilenia objawów można zmniejszyć adaptacją do warunków poprzez powtarzanie ekspozycji na środowisko wirtualne [1].
Interesujące są wyniki pracy [2], autorstwa Diels. C., Ukai K. i Howarth P.A. (2007), dotyczącej przyczyn powstawania objawów podobnych do objawów choroby lokomocyjnej.  Celem pracy było zbadanie skłonności do wywołania objawów podobnych do objawów choroby lokomocyjnej w wyniku patrzenia pod różnymi kątami na obraz o promienistym układzie jasnych punktów na ciemnym tle, stwarzających wrażenie głębi w części centralnej i pulsujących w osi przód-tył.

Obserwowanie obrazu miało za zadanie wywołanie iluzji przemieszczania się ciała patrzącego, co powodowałoby powstanie konfliktu przedsionkowo-wzrokowego sprzyjającego powstawaniu objawów podobnych do objawów choroby lokomocyjnej. Badaniom poddano 12 zdrowych osób w wieku około 23 lat. Podczas badania znajdowali się oni w pozycji siedzącej, nieruchomej i obserwowali pulsujący obraz w czterech sytuacjach, a mianowicie: 1) z fiksacją wzroku na punkcie centralnym ekranu; 2) z fiksacją wzroku na celu znajdującym się ekscentrycznie pod kątem 16  w stosunku do punktu centralnego; 3) z przemieszczaniem wzroku z punktu centralnego na cel położony ekscentrycznie; 4) swobodnie oglądając obraz. Oceniono liczbę i stopień nasilenia objawów w poszczególnych sytuacjach oraz zarejestrowano ruchy gałek ocznych z zastosowaniem techniki wideookulograficznej. Okazało się, że w sytuacjach 2 i 3 sposób śledzenia sprzyjał najbardziej powstawaniu objawów. Średnia ilość objawów była o 20 % większa niż wówczas, gdy badani mieli możność swobodnego oglądania obrazu lub koncentrowali wzrok na punkcie centralnym obrazu. Stwierdzono także, że sytuacje, w których wzrok fiksował się na punkcie ekscentrycznym uzasadnia tezę, iż szybkość  rozwiania się objawów i ich nasilenie zależy od szybkości zmian obrazów na siatkówce.

Istnieje pełna jednomyślność użytkowników systemów VE, że choroba symulatorowa jest wyjątkowo przykrym doświadczeniem i że jej występowanie należy zmniejszyć w możliwie największym stopniu. Interesującym wyjątkiem jest symulator NASA zbudowany z zastosowaniem systemu VE, przeznaczony do adaptacji astronautów do takich warunków, w których są wyjątkowo duże i intensywne bodźce wywołujące chorobę kosmonautów.

Z doświadczenia wielu badaczy wynika, że bardzo niewiele osób może nie odczuwać skutków np. ujemnego oddziaływania ruchomych obrazów środowiska wirtualnego, podczas gdy od 50 % do ponad 90 % może odczuwać zawroty głowy o charakterze oszołomienia, zaś od  20 % do 60 % może odczuwać niektóre objawy wynikające z reakcji układu wegetatywnego. Prawdopodobnie tego rodzaju oddziaływanie środowiska skutkuje w większym stopniu objawami podobnymi do zawrotów głowy o charakterze oszołomienia (Lackner, sprawozdanie BRL-CR-629, 1990 r.; Reason i Brand, 1975 r.) [1]. Podobne objawy zaobserwowano w przypadku wojskowych pilotów symulatorów lotniczych, w których wizualizacja jest zasadniczym elementem (np. Kennedy, Bernbaum i Lilienthal, 1997 r.)[1].

Analizując wyniki badań dotyczących ekspozycji osób na VE, Stanney, Mourant i Kennedy (1998 r.)[1] zauważyli, że od 80% do 95% uczestników badań zgłosiło objawy ujemnego oddziaływania, zaś od 5% do 30 % uczestników doświadczyło objawów w takim stopniu nasilenia, że badanie trzeba było przerwać. Stanney, Kennedy, Drexler i Harm (1999 r.) [1] zaobserwowali częstsze występowanie objawów skutków ubocznych w przypadku ekspozycji osób na VE aniżeli w przypadku symulatorów lotniczych, w których od 60% do 70 % osób miało takie objawy. Zwrócili oni uwagę na fakt, że większość osób użytkujących symulatory lotnicze, to wojskowi piloci lub kandydaci na pilotów wojskowych, którzy prawdopodobnie są mniej podatni na oddziaływanie środowiska wirtualnego aniżeli osoby cywilne, ze względu na wszechstronną selekcję do zawodu pilota.

Podobne wyniki dostrzegli Regan i Price (1994 r.) [1], w wyniku badań 150 osób eksponowanych na VE, wśród których 20 osób było pilotami wojskowymi. Osoby badane zgłosiły objawy w postaci nudności (25%), zawrotów głowy o charakterze oszołomienia, bólu głowy. 8 uczestników wycofało się z badań na skutek dużego nasilenia objawów skutków ubocznych, ale żaden z nich nie był pilotem wojskowym.

Niezbędne są dalsze badania dotyczące innych grup aniżeli piloci wojskowi .
Badania takie są prowadzone w CIOP-PIB (w latach 2008-2010)

____________________________________________

1. AGARD – Advisory Group for Aerospace Research & Development Lecture series 1991, 175, 6B:1-3. (Money 1991).


2. CyberForum.edu.pl – http://www.ha.art.pl/RABID/rozmowa.html, Sitarski P. Wstępna charakterystyka rzeczywistości wirtualnej.


3. Gerwatowska W.: Choroba lokomocyjna. Polski Przegl. Med. Lotn. 1996, 2(2): 155-159.


4. Guideline for Alleviation of Simulator Sickness Symptomatology. Naval Training System Center NAVTRASTSCEN TR-87-007, Orlando, Florida USA 1987.


5. http://www.autosim.no/dl/ppt/Presentation_Poland_Polish.ppt#487,8,Slajd (10.10.2010)


6. Kwarecki K., Zużewicz K.: Symulatory ruchu i zarządzanie bezpieczeństwem w transporcie. Bezpieczeństwo Pracy 2000, 2: 24-25.


7. Lozia Z.: Symulatory jazdy samochodem. Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2008.


8. Money K.E.: Simulator Sickness. W: Motion Sickness: Significance in Aerospace Operations and Prophylaxis. AGARD – Advisory Group for Aerospace Research & Development Lecture series 1991, 175, 6B:1-3.


9. Sitarski P.: Wstępna charakterystyka rzeczywistości wirtualnej) CyberForum.edu.pl – http://www.ha.art.pl/RABID/rozmowa.html