Applications of virtual reality - based exercise in physical, cognitive and psychological health: exploring usability, acceptance, and effectiveness across diverse populations

Abstract

Given the proven difficulty in motivating individuals to exercise, especially if they face health problems or lack of time, the use of new technologies in recent years in this direction is of particular interest. The aim of this dissertation was to examine the effects of Virtual Reality-based exercise on various healthy and clinical populations concerning physical, cognitive, and mental health factors based on their needs, while evaluating its acceptance, usability, tolerance, and interest/enjoyment. We hypothesized that this innovative approach of combining exercise with VR (Virtual Reality) technology could produce positive physical and psychological outcomes across populations and motivate them to be more physically active. The first study aimed to assess acceptance, intention for future use, interest/enjoyment, and usability of a VR exercise system among 40 female office workers who used it during their work break. Participants completed two consecutive 15-minute dual-task cycling sessions in two experimental conditions: the first involved cycling in a virtual environment while answering cognitive questions, and the second involved cycling on a stationary bike while verbally responding to cognitive tasks. The results showed that participants significantly preferred exercising in the VR environment compared to traditional cycling. High scores were observed for acceptance, interest/enjoyment, usability, and intention for future use. Qualitative data indicated increased intention for future use, a sense of control and presence, and most participants experienced no difficulties or need for extra assistance in understanding the VR system. The second study aimed to investigate the acute effects of VR-based exercise on attention and self-efficacy expectations in individuals undergoing substance use disorder (SUD) treatment. Twenty participants completed a self-selected duration cycling session with the VR system. After the exercise, measurements showed significant improvements in self-efficacy expectations and attention (assessed via the Stroop test). Results indicated high intention for future use, interest/enjoyment, and positive attitudes toward the VR exercise system. Qualitative data suggested participants found the system enjoyable, had strong intentions for future use, and experienced no technical difficulties or negative emotions. The third study aimed to investigate the effects of exercise in a virtual environment on biological and psychological parameters in patients with type 1 diabetes mellitus (T1DM) compared to typical exercise, as well as evaluate the acceptance, intention for future use, usability, and preference. Eleven patients completed 20 minutes of cycling on a cycle ergometer and 48 hours later, 20 minutes of VR-based exercise. According to our results, we observed a reduction in blood glucose levels after the VR-based exercise trial. There were, also, significant differences in mood and interest/enjoyment after VR-based exercise trial compared to typical cycling. The results showed high preference, acceptance, and usability of the VR exercise system. Participants found the system enjoyable and reported it as a motivator for physical activity. However, a small percentage stated they would not want to use it for regular exercise. The findings suggest that VR-based exercise can reduce blood glucose levels, improve mood and interest/enjoyment for exercise of T1DM patients. It is also a well-accepted and user-friendly tool to be used in T1DM management exercise programs. The fourth study aimed to examine the effects of exercise in a VR environment compared to traditional exercise, both combined with Self-Determination Theory-based counseling, on overweight and obese individuals. Forty participants were randomly divided into a VΡ exercise group (intervention) and a traditional exercise group (control). Both groups received Self-Determination Theory-based counseling for four weeks. Measurements were taken pre and post intervention. Participants in the VR-based exercise group showed significant reductions in BMI, body fat mass, and hip circumference compared to the control group. Additionally, they showed a greater increase in physical activity levels and improvements in psychological factors such as basic psychological needs, self-efficacy, self-esteem, and attitudes toward the exercise and counseling program. Furthermore, the intervention group scored better in terms of interest/enjoyment and attitudes toward exercise compared to the control group, had positive perceptions of the VR exercise system, high ratings for system acceptance (enjoyment, intention for future use), and usability. Qualitative data revealed that the VR-based exercise was more enjoyable and engaging. The findings suggest that exercise using VR combined with counseling is more effective than traditional exercise in reducing weight, increasing physical activity levels, and improving psychological parameters in overweight and obese individuals. In conclusion, the VR exercise system was well-received and user-friendly by all participants, demonstrating significant benefits across various populations based on their specific needs. As a result, its use is highly recommended for employees, both during and outside work hours, as it can effectively promote exercise participation and maybe to enhance cognitive functions in individuals with Substance Use Disorder (SUD), support individuals with type 1 diabetes, and serve as a valuable tool for managing obesity. Based on our encouraging findings, VR exercise systems appear to be an appealing and effective tool for motivating diverse populations to initiate or sustain regular exercise participation. However, the careful and methodical implementation of emerging technologies and VR-based exercise protocols presents a significant challenge, particularly in clinical populations. It is crucial that practical implementations are grounded in rigorous and systematic research. Future studies in this area should aim to expand the scope of application, exploring further possibilities for its use in diverse populations and settings.

Λαμβάνοντας υπόψη τη μειωμένη παρακίνηση των ατόμων για συμμετοχή σε άσκηση, ιδιαίτερα όταν αντιμετωπίζουν προβλήματα υγείας ή έχουν έλλειψη χρόνου, η χρήση των νέων τεχνολογιών προς αυτήν την κατεύθυνση, τα τελευταία χρόνια, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν να εξετάσει την επίδραση της άσκησης εντός εικονικής πραγματικότητας (ΕΠ) σε ποικίλους υγιείς και κλινικούς πληθυσμούς σε διάφορους παράγοντες σωματικής, γνωστικής και ψυχικής υγείας με βάση τις ανάγκες τους και να αξιολογήσει την αποδοχή, την ευχρηστία, την ανεκτικότητα και το ενδιαφέρον/ευχαρίστηση από την άσκηση αυτή. Υποθέσαμε ότι αυτή η πρωτοποριακή προσέγγιση του συνδυασμού της άσκησης με την τεχνολογία ΕΠ θα μπορούσε να επιφέρει θετικά σωματικά και ψυχολογικά αποτελέσματα σε διάφορους πληθυσμούς, όπως επίσης και να τους παρακινήσει να είναι πιο φυσικά δραστήριοι. Η πρώτη μελέτη στόχευε να εξετάσει την αποδοχή, την πρόθεση για μελλοντική χρήση, το ενδιαφέρον/ευχαρίστηση και την ευχρηστία ενός συστήματος άσκησης ΕΠ από 40 εργαζόμενες γυναίκες σε γραφείο, οι οποίες ασκήθηκαν με αυτό κατά τη διάρκεια του διαλείμματος εντός του ωραρίου εργασίας τους. Οι συμμετέχουσες ολοκλήρωσαν δύο διαδοχικές “dual-task” συνεδρίες ποδηλασίας διάρκειας 15 λεπτών η καθεμία, που αντιστοιχούσαν σε δύο πειραματικές συνθήκες. Η πρώτη περιλάμβανε ποδηλασία σε εικονικό περιβάλλον και ταυτόχρονη απάντηση σε γνωστικές ερωτήσεις και η δεύτερη περιλάμβανε ποδηλασία σε στατικό ποδήλατο και ταυτόχρονη απάντηση σε γνωστικές ασκήσεις προφορικά. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι συμμετέχουσες προτίμησαν σημαντικά την άσκηση σε περιβάλλον εικονικής πραγματικότητας σε σύγκριση με την τυπική ποδηλασία. Σημειώθηκαν υψηλά σκορ στην αποδοχή, το ενδιαφέρον/ευχαρίστηση, την ευχρηστία και την πρόθεση για μελλοντική χρήση. Τα ποιοτικά δεδομένα έδειξαν αυξημένη πρόθεση για μελλοντική χρήση, αίσθημα ελέγχου και παρουσίας, ενώ οι περισσότερες συμμετέχουσες δεν αντιμετώπισαν δυσκολίες ή ανάγκη για επιπλέον βοήθεια για την κατανόηση του συστήματος ΕΠ. Η δεύτερη μελέτη στόχευε να διερευνήσει τις άμεσες επιδράσεις της ποδηλασίας σε περιβάλλον ΕΠ στην προσοχή και τις προσδοκίες αυτο-αποτελεσματικότητας ατόμων που βρίσκονται σε θεραπεία διαταραχών χρήσης ουσιών(ΔΧΟ). Συμμετείχαν 20 άτομα που βρίσκονταν σε πρόγραμμα θεραπείας ΔΧΟ και ολοκλήρωσαν μια συνεδρία ποδηλασίας αυτο-επιλεγόμενης διάρκειας με το σύστημα ΕΠ. Μετά τη συνεδρία άσκησης, οι μετρήσεις που διενεργήθηκαν πριν και μετά έδειξαν στατιστικά σημαντική βελτίωση των προσδοκιών αυτο-αποτελεσματικότητας και της προσοχής, που αξιολογήθηκε με το Stroop τεστ. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι συμμετέχοντες εξέφρασαν υψηλά επίπεδα πρόθεσης για μελλοντική χρήση και ενδιαφέροντος/ευχαρίστησης και θετικές στάσεις προς το σύστημα άσκησης ΕΠ. Τα ποιοτικά δεδομένα έδειξαν ότι οι συμμετέχοντες βρήκαν το σύστημα άσκησης ΕΠ ευχάριστο, είχαν έντονη πρόθεση για μελλοντική χρήση και δεν αντιμετώπισαν τεχνικές δυσκολίες ή αρνητικά συναισθήματα. Η τρίτη μελέτη στόχευε να διερευνήσει τις επιδράσεις της άσκησης εντός εικονικού περιβάλλοντος σε βιολογικές και ψυχολογικές παραμέτρους ασθενών με σακχαρώδη διαβήτη τύπου 1 (ΣΔΤ1) συγκριτικά με τυπική άσκηση και να αξιολογήσει την αποδοχή, την πρόθεση για μελλοντική χρήση, την ευχρηστία και την προτίμησή τους. Συμμετείχαν 11 ασθενείς που υποβλήθηκαν σε 20 λεπτά άσκησης σε στατικό ποδήλατο και 48 ώρες μετά σε 20 λεπτά άσκησης εντός εικονικού περιβάλλοντος. Σύμφωνα με τα αποτελέσματά μας, παρατηρήθηκε μείωση των επιπέδων γλυκόζης στο αίμα μετά τη συνθήκη άσκησης ΕΠ. Επιπλέον, καταγράφηκαν σημαντικές βελτιώσεις στη διάθεση και στο ενδιαφέρον/ευχαρίστηση μετά τη συνθήκη άσκησης ΕΠ σε σύγκριση με την τυπική ποδηλασία. Τέλος, σημειώθηκαν υψηλά σκορ στην προτίμηση, την αποδοχή και την ευχρηστία του συστήματος άσκησης ΕΠ. Τα ποιοτικά δεδομένα έδειξαν ότι δεν υπήρξαν δυσκολίες στη χρήση και την κατανόηση του συστήματος, υπήρχε υψηλό αίσθημα παρουσίας και ελέγχου και οι συμμετέχοντες βρήκαν το σύστημα ευχάριστο και δήλωσαν ότι αποτελεί κίνητρο για τη συμμετοχή τους σε φυσική δραστηριότητα. Ωστόσο ένα μικρό ποσοστό δήλωσε ότι δε θα ήθελε να χρησιμοποιεί το σύστημα αυτό για να ασκείται συστηματικά. Τα ευρήματά μας υποδεικνύουν ότι η άσκηση σε ΕΠ μπορεί να μειώσει τα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα, να βελτιώσει τη διάθεση και το ενδιαφέρον/την απόλαυση της άσκησης σε ασθενείς με ΣΔΤ1. Επιπλέον, αποτελεί ένα καλά αποδεκτό και φιλικό προς τον χρήστη εργαλείο που μπορεί να ενσωματωθεί στα προγράμματα άσκησης για τη διαχείριση του ΣΔΤ1. Η τέταρτη μελέτη στόχευε να εξετάσει τις επιδράσεις της άσκησης σε περιβάλλον ΕΠ σε σύγκριση με την παραδοσιακή άσκηση, και οι δύο συνδυασμένες με συμβουλευτική βασισμένη στη Θεωρία του Αυτοκαθορισμού σε υπέρβαρα και παχύσαρκα άτομα. Συμμετείχαν 40 υπέρβαρα/παχύσαρκα άτομα, τα οποία χωρίστηκαν τυχαία σε ομάδα άσκησης ΕΠ (παρέμβαση) και ομάδα παραδοσιακής άσκησης (ομάδα ελέγχου), με τις δύο ομάδες να λαμβάνουν συμβουλευτική βασισμένη στη Θεωρία του Αυτοκαθορισμού για 4 εβδομάδες. Μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν πριν και μετά την παρέμβαση. Οι συμμετέχοντες της ομάδας άσκησης ΕΠ παρουσίασαν σημαντική μείωση στον ΔΜΣ και στη μάζα σωματικού λίπους, καθώς και στην περιφέρεια ισχίων, σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου. Επίσης, εμφάνισαν υψηλότερη αύξηση στα επίπεδα φυσικής δραστηριότητας και βελτιώσεις σε ψυχολογικούς παράγοντες, όπως οι βασικές ψυχολογικές ανάγκες, η αυτο-αποτελεσματικότητα, η αυτοεκτίμηση και οι στάσεις προς το πρόγραμμα άσκησης και συμβουλευτικής. Επιπλέον, η ομάδα παρέμβασης σημείωσε καλύτερα αποτελέσματα στο ενδιαφέρον/ευχαρίστηση και τις στάσεις προς την άσκηση σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου, είχε θετικές αντιλήψεις για το σύστημα ΕΠ, υψηλές βαθμολογίες στην αποδοχή του συστήματος (ευχαρίστηση, πρόθεση για μελλοντική χρήση) και την ευχρηστία του. Τα ποιοτικά δεδομένα έδειξαν ότι η άσκηση ΕΠ ήταν πιο ευχάριστη και ενδιαφέρουσα. Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι η άσκηση με τη χρήση ΕΠ σε συνδυασμό με συμβουλευτική είναι πιο αποτελεσματική από την παραδοσιακή άσκηση στη μείωση βάρους, την αύξηση των επιπέδων φυσικής δραστηριότητας και τη βελτίωση ψυχολογικών παραμέτρων υπέρβαρων και παχύσαρκων ατόμων. Συμπερασματικά το σύστημα άσκησης ΕΠ ήταν αποδεκτό και εύχρηστο από όλους τους συμμετέχοντες, παρουσιάζοντας σημαντικά οφέλη σε διάφορους πληθυσμούς, ανάλογα με τις ανάγκες τους. Ως εκ τούτου, συνιστάται η χρήση του τόσο κατά τη διάρκεια όσο και εκτός του ωραρίου εργασίας, καθώς μπορεί να προάγει αποτελεσματικά τη συμμετοχή στην άσκηση και πιθανά να βελτιώσει τις γνωστικές λειτουργίες σε άτομα με ΔΧΟ, να υποστηρίξει άτομα με ΣΔΤ1 και να αποτελέσει πολύτιμο εργαλείο για τη διαχείριση της παχυσαρκίας. Με βάση τα ευρήματά μας, που ήταν ιδιαίτερα ενθαρρυντικά, τα συστήματα άσκησης ΕΠ φαίνεται να αποτελούν ένα ελκυστικό και αποτελεσματικό εργαλείο για την παρακίνηση διαφορετικών πληθυσμών να ξεκινήσουν ή να διατηρήσουν τη συστηματική συμμετοχή τους στην άσκηση. Ωστόσο, η προσεκτική και μεθοδική αξιοποίηση των νέων τεχνολογιών και των πρωτοκόλλων άσκησης μέσω ΕΠ αποτελεί σημαντική πρόκληση, ιδιαίτερα σε κλινικούς πληθυσμούς. Είναι κρίσιμο οι πρακτικές εφαρμογές να βασίζονται σε αυστηρή και συστηματική έρευνα. Μελλοντικές μελέτες σε αυτόν τον τομέα θα πρέπει να στοχεύουν στη διεύρυνση του πεδίου εφαρμογής, εξερευνώντας περαιτέρω τις δυνατότητες χρήσης του σε διαφορετικούς πληθυσμούς και πλαίσια.