Virtual reality based interventions for pulmonary rehabilitation

Chronic respiratory diseases represent one of the leading causes of comorbidities and death worldwide. Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) is the most common among these. At the same time, the COVID-19 pandemic has recently brought a new clinical condition, the post-COVID-19 syndrome, that may emerge as a chronic respiratory disease. Pulmonary Rehabilitation (PR) is a comprehensive intervention, including physical exercise as a cornerstone, proven effective in improving the health condition of individuals with respiratory diseases. However, the benefits of PR usually decrease when the patients return home because they are not motivated enough to regularly carry out the prescribed activities due to their repetitiveness, lack of direct surveillance, and low self-awareness. In the last decade, researchers have started exploring the potentiality of Virtual Reality (VR) to improve PR protocols. Virtual reality allows the creation of personalized, interactive, multisensory environments to motivate and monitor patients in both clinical and domestic settings. Despite promising, VR is still under-explored in the field of PR. To fully exploit the potential of VR, the technological complexity should be improved towards more immersive and interactive systems. In such a context, my PhD work examined whether and how VR can be applied to pulmonary rehabilitation. The main objectives are: 1) to investigate how VR could enhance PR protocols; 2) to verify the feasibility of integrating VR in a complete PR pathway from hospital to home. To achieve the first objective, a semi-immersive system for the endurance training was developed; it provides a VR experience simulating a bicycle ride in a park. The Virtual Park system has been tested in a clinical setting, proving feasible and well accepted by a group of older adults with COPD, who reported that VR had distracted them from the negative feelings of fatigue induced by the exercise. To explore this further, a second activity aimed at evaluating the effects of VR on exercise tolerance was performed, focusing on the impact of the level of immersion and interaction. It emerged that, in young adults, the perceived exertion is not directly mediated by any of these VR factors. However, adding an entertaining task to the immersive experience made participants cycle faster and make more physical effort. Moreover, participants had higher enjoyment during the full immersive experience, despite slight, though acceptable, cybersickness symptoms. Given these outcomes, the next step consisted in developing an immersive system for patients with respiratory deficits. A pilot study demonstrated that the developed solution is suitable for pulmonary rehabilitation protocols, particularly post-COVID, and generally well accepted by participants. Although results seem encouraging, further efforts are required to strengthen these outcomes, reduce the side effects, and further investigate the motivational aspect. In parallel to applications for the clinical setting, part of my work was dedicated to home-based rehabilitation, given the advantages that VR also provides in terms of continuity of care. More specifically, I have developed a mobile app that works as a training diary to support patients in continuing rehabilitation at home through physical training, cognitive stimulation, and an educational program. Participants tested the app at home for three months with encouraging results regarding treatment adherence and satisfaction. Furthermore, a non-immersive dual-task version of the Vrtual Park has been developed and integrated into a commercial platform. A pilot study is ongoing and will provide further insights into the feasibility of VR-based telerehabilitation for chronic patients. Finally, the last part of my work focused on achieving the second objective, i.e., the consideration of a more clinical perspective. A hybrid - hospital + home - PR protocol based on VR has been defined and tested with patients with COPD. Such a study, although with limitations, suggests that VR-based interventions can improve exercise capacity, dyspnea, and quality of life, as traditional programs do. In particular, it emerged that the in-hospital period is crucial for obtaining clinical improvements that can be maintained at home thanks to the gained motivation and self-awareness. In conclusion, these results were promising and improved the current knowledge on the use of VR for patients with respiratory impairment. Although preliminary, the presented studies allowed outlining potential areas of interest and future research opportunities that, once fulfilled, will lead to the implementation of more personalized and technologically advanced pulmonary rehabilitation interventions.

Le patologie respiratorie croniche rappresentano una delle principali cause di comorbidità e mortalità a livello globale. Tra queste, la più diffusa è la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO). Inoltre, la recente pandemia da COVID-19 ha fatto emergere una nuova possibile patologia cronica con caratteristiche simili, detta sindrome post-COVID. Tra i trattamenti non farmacologici, la riabilitazione respiratoria (RR) è un programma multidisciplinare e multi dominio che ha come elemento principale l’esercizio fisico. Nonostante la sua comprovata efficacia nel migliorare la condizione di salute di individui con patologie respiratorie, i benefici della RR tendono a diminuire nel lungo periodo, quando i pazienti tornano a casa dopo un periodo di ospedalizzazione. Non essendo motivati a sufficienza, i pazienti hanno difficoltà a continuare le attività riabilitative prescritte, a causa della loro ripetitività, della mancanza di supervisione diretta e di scarsa consapevolezza. Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno iniziato ad investigare le potenzialità della realtà virtuale (RV) come strumento per migliorare i protocolli di RR. La RV permette, infatti, di creare scenari di allenamento personalizzati, interattivi, e multisensoriali, in grado di motivare e monitorare i pazienti sia in clinica sia al domicilio. Nonostante tali vantaggi, l’utilizzo della RV è ancora attualmente limitato nell’ambito della RR. Affinché le potenzialità della RV siano sfruttate appieno, si dovrebbero esplorare sistemi più immersivi e più interattivi, caratterizzati da una maggior complessità tecnologica. L’obiettivo del mio lavoro di dottorato è stato quindi approfondire la possibilità di applicare la RV alla riabilitazione respiratoria. Obiettivi specifici sono: 1) investigare come la RV possa migliorare i protocolli clinici attualmente utilizzati nella RR; 2) valutare la fattibilità di integrare tale tecnologia all’interno di un percorso riabilitativo completo dalla clinica al domicilio. Partendo dal primo obiettivo, ho progettato e sviluppato un’applicazione per l’allenamento aerobico su cicloergometro. Il sistema offre un’esperienza di RV semi-immersiva, che simula una pedalata in un parco. Il “Virtual Park” è stato testato in clinica da un gruppo di anziani con BPCO, che hanno seguito un intero programma di allenamento con la realtà virtuale. Il programma è risultato sostenibile e ben accettato dai pazienti, i quali hanno riconosciuto nella RV una distrazione dalle sensazioni negative di fatica indotte dall’esercizio. Questo aspetto è stato successivamente approfondito in uno studio volto specificatamente a valutare gli effetti della RV sulla tolleranza all’esercizio, con particolare attenzione al livello di immersione e di interazione. Dallo studio, condotto su una popolazione di giovani, è emerso che lo sforzo percepito non è direttamente influenzato da nessuno dei fattori indagati. Tuttavia, l’aggiunta di un compito coinvolgente combinato ad un’esperienza immersiva ha indotto i partecipanti a pedalare più velocemente e ad effettuare un maggiore sforzo fisico. Inoltre, i partecipanti si sono mostrati maggiormente coinvolti e motivati dall’esperienza di RV immersiva, nonostante il visore provocasse in alcuni di loro l’insorgenza di leggeri, ma accettabili, sintomi di “cybersickness”. Questi risultati hanno guidato la fase successiva del mio lavoro: lo sviluppo di un sistema immersivo per l’allenamento aerobico dedicato a pazienti con problematiche respiratorie. Lo studio pilota – che ha coinvolto un gruppo di adulti con sindrome post-COVID – ha dimostrato la fattibilità del protocollo basato su RV e l’accettabilità da parte dei pazienti. Sebbene i risultati siano incoraggianti, saranno necessari ulteriori studi per rafforzare i risultati ottenuti, ridurre gli effetti collaterali, e migliorare l’aspetto motivazionale. Parallelamente allo sviluppo di applicazioni per la clinica, il mio lavoro ha anche riguardato la riabilitazione domiciliare, dati i vantaggi che la RV può portare anche in ottica di continuità di cura. Nello specifico, ho sviluppato un’applicazione mobile che funziona da diario di allenamento e permette ai pazienti di continuare il percorso riabilitativo a casa fornendo supporto per allenamento fisico, cognitivo, e proponendo un programma educazionale. I partecipanti coinvolti nello studio hanno utilizzato l’app a casa per tre mesi; i risultati sono stati incoraggianti in termini di aderenza al trattamento e soddisfazione. Sempre nell’ottica della continuità di cura, è stata realizzata una versione non immersiva e dual-task del “Virtual Park” per utilizzo domiciliare, che è stata integrata in una piattaforma commerciale di teleriabilitazione. Lo studio di fattibilità, attualmente in corso, permetterà -attraverso i feedback di pazienti cronici e terapisti - di comprendere come l’allenamento aerobico con RV sia applicabile anche al domicilio. Il secondo obiettivo del mio lavoro è caratterizzato da una prospettiva più clinica. Per realizzarlo, ho lavorato alla definizione e validazione di un protocollo di RR ibrido (ospedale + domicilio) dedicato a pazienti con BPCO. Il programma, che comprendeva alcune delle soluzioni precedentemente descritte, è stato valutato in uno studio pilota randomizzato controllato. Lo studio, seppur con alcune limitazioni, suggerisce che interventi basati su RV sono in grado di migliorare la capacità di esercizio, la dispnea a la qualità della vita, similmente ai programmi tradizionali. In particolare, è emerso come il periodo in ospedale sia fondamentale per il paziente per migliorare la propria condizione clinica e per acquisire motivazione e maggior consapevolezza. Grazie ai benefici acquisiti e con il supporto della tecnologia, i risultati così ottenuti sono stati mantenuti anche a valle del periodo di riabilitazione domiciliare. In conclusione, questo lavoro contribuisce ad incrementare la conoscenza riguardante l’applicabilità della RV a protocolli clinici di RR, mostrando risultati promettenti in termini di fattibilità e di soddisfazione da parte dei pazienti. Seppur preliminari, gli studi presentati hanno permesso di delineare potenziali aree di interesse e ambiti di ricerca futuri, che, una volta approfonditi, porteranno all’implementazione di percorsi di riabilitazione respiratoria basati sulle più avanzate tecnologie, più personalizzati, e più efficaci.