Development of a VR scenario for controlled box breathing exercises with heart rate and respiratory pattern biofeedback using embedded headset sensors

Virtual Reality (VR) is a rapidly evolving technology that is increasingly being applied in healthcare, thanks to its ability to create safe, immersive, and controllable environments for therapeutic purposes. Its current applications span respiratory rehabilitation for patients with chronic obstructive pulmonary disease, athletic training and the treatment of psychological conditions such as anxiety disorders, post- traumatic stress disorder and specific phobias. In addition to these uses, the integration of VR with physiological monitoring technologies opens new avenues for both clinical intervention and research. In this context, a virtual scenario was developed using Unity, designed to promote relaxation through guided breathing techniques, specifically box breathing. At the same time, physiological measures (respiratory activity and heart rate) were recorded using embedded sensors in the VR headset exploiting head ballistocardiography (HBCG), to provide biofeedback. The system was tested in a two-phase pilot study involving a total of seven participants. The first phase focused on the effectiveness of the VR breathing experience and involved the first four participants (subjects 001–004). During these sessions, heart rate (HR) and respiratory activity were measured. The primary objective was to determine whether box breathing could elicit a relaxation response, as reflected in a reduction in HR. A secondary aim was to evaluate the quality of the extracted respiratory signal to assess its suitability for providing quasi real-time biofeedback to users. Results showed that three out of four participants experienced a measurable decrease in HR, suggesting a potential calming effect of the breathing protocol. Additionally, responses to the User Experience Questionnaire (UEQ) indicated a positive perception of the system in terms of efficiency and perspicuity, although stimulation scores were more neutral. Participants also reported good levels of immersion and engagement within the virtual environment. The second phase aimed to assess the reliability of HR estimation derived from the VR headset by HBCG, by comparing it with the reference HR obtained via electrocardiogram (ECG). This phase involved the last three participants (subjects 005– 007), each of whom completed a 30-second session during which both ECG and HBCG signals were simultaneously recorded. The ECG served as the gold-standard measurement. Data analysis showed limited discrepancies between the two HR estimation methods, with both low absolute and percentage errors, indicating promising reliability of the HBCG-based HR estimation algorithm. Overall, the findings from this exploratory pilot study suggest that the developed VR environment and breathing protocol may support relaxation and provide valid physiological monitoring capabilities. However, the small sample size limits the generalizability of the results. Future studies involving a larger and more diverse population are required to confirm these preliminary observations and to further explore the system’s potential as a tool for stress reduction and physiological self-regulation.

La Realtà Virtuale (VR) è una tecnologia in rapida evoluzione che trova un'applicazione sempre più ampia nel settore sanitario, grazie alla sua capacità di creare ambienti sicuri, immersivi e controllabili a scopo terapeutico. Le sue applicazioni attuali spaziano dalla riabilitazione respiratoria per pazienti con broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO), all’allenamento atletico e al trattamento di condizioni psicologiche come disturbi d'ansia, disturbo da stress post- traumatico e fobie specifiche. Oltre a questi utilizzi, l’integrazione della VR con tecnologie di monitoraggio fisiologico apre nuove prospettive sia per l’intervento clinico che per la ricerca. In questo contesto, è stato sviluppato uno scenario virtuale utilizzando Unity, progettato per promuovere il rilassamento attraverso tecniche di respirazione guidata, in particolare la box breathing. Contemporaneamente, sono state misurate attività fisiologiche (attività respiratoria e frequenza cardiaca) utilizzando sensori integrati nel visore VR, sfruttando la ballistocardiografia della testa (HBCG), per fornire biofeedback. Il sistema è stato testato in uno studio pilota in due fasi che ha coinvolto un totale di sette partecipanti. La prima fase si è concentrata sull’efficacia dell’esperienza respiratoria in VR e ha coinvolto i primi quattro partecipanti (soggetti 001–004). Durante queste sessioni sono stati misurati frequenza cardiaca (HR) e attività respiratoria. L'obiettivo principale era determinare se la box breathing potesse indurre una risposta di rilassamento, riflessa in una riduzione della frequenza cardiaca. Un obiettivo secondario era valutare la qualità del segnale respiratorio estratto per verificarne l'idoneità a fornire un biofeedback quasi in tempo reale agli utenti. I risultati hanno mostrato che tre dei quattro partecipanti hanno registrato una diminuzione misurabile della frequenza cardiaca, suggerendo un potenziale effetto calmante del protocollo respiratorio. Inoltre, le risposte al questionario sulla User Experience (UEQ) hanno indicato una percezione positiva del sistema in termini di efficienza e chiarezza, anche se i punteggi relativi alla stimolazione sono stati più neutri. I partecipanti hanno anche riportato buoni livelli di immersione e coinvolgimento all’interno dell’ambiente virtuale. La seconda fase mirava a valutare l’affidabilità della stima della frequenza cardiaca derivata dal visore VR tramite HBCG, confrontandola con la frequenza cardiaca di riferimento ottenuta tramite elettrocardiogramma (ECG). Questa fase ha coinvolto gli ultimi tre partecipanti (soggetti 005–007), ognuno dei quali ha completato una sessione di 30 secondi durante la quale sono stati registrati simultaneamente i segnali ECG e HBCG. L’ECG ha rappresentato la misura di riferimento (gold standard). L’analisi dei dati ha mostrato discrepanze limitate tra i due metodi di stima della frequenza cardiaca, con errori assoluti e percentuali ridotti, indicando una promettente affidabilità dell’algoritmo basato su HBCG. Nel complesso, i risultati di questo studio pilota esplorativo suggeriscono che l’ambiente VR sviluppato e il protocollo di respirazione possano supportare il rilassamento e offrire capacità valide di monitoraggio fisiologico. Tuttavia, il ridotto numero di partecipanti limita la generalizzabilità dei risultati. Sono necessari studi futuri con una popolazione più ampia e diversificata per confermare queste osservazioni preliminari e per esplorare ulteriormente il potenziale del sistema come strumento per la riduzione dello stress e l’autoregolazione fisiologica.