VR：トレーニングとパフォーマンス [第1部]

バーチャルリアリティ（VR）が、スキル習得のための安全かつ完全に制御された環境を構築することで、医療、スポーツ、リハビリテーション、社会性の発達といった分野におけるトレーニングをどのように変革しているかをご紹介します。本ブログでは、VRが手術のパフォーマンス、身体的回復、社会性をどのように向上させるかを示す実証研究を取り上げます。特に、アイトラッキング、脳波（EEG）、筋電図（EMG）といった生体センサーと組み合わせることで、行動や進捗状況をリアルタイムで測定する場合の効果に焦点を当てています。

現在の世代のバーチャルリアリティ（VR）デバイスは、かつてないほどリアルな世界体験を可能にしています。双眼鏡ほどの大きさしかないようなデバイスを使えば、現実では実現が困難だったり、危険だったり、あるいはそもそも体験することさえ不可能な環境に没入することができるようになりました。

2010年頃から登場した現在の形のVRは、今やかつてないほど身近なものとなっています。以前登場した多くのデバイスは、一般消費者にとっては単に高価すぎた上（もちろん、現代のデバイスで実現可能なほどの精細さや没入感も提供していませんでした）。

VRが以前よりはるかに身近になったことで、これらのデバイスの可能性が徐々に明らかになりつつあります。これまでの開発は主にゲーム用途のVRの向上に重点が置かれてきましたが、人々の生活を向上させる可能性はそれよりもはるかに広範であり、政府機関、大学、企業などがVRの潜在能力を最大限に活用しようと取り組んでいます。

VRがもたらす可能性の中でも、治療（これについては以前ここで取り上げたことがある）、デザインや建築、そしてトレーニングは、最も研究が進み、活用されている分野のトップに挙げられる（また、健康とウェルビーイングの向上にも大きな可能性を秘めている）。

VRを活用したトレーニングには、あらゆる仮想環境が持つ根本的な利点、すなわち、現実の世界では人を置かせるのが不合理あるいは非倫理的となるような環境を含め、思い通りに環境を構築できるという点が活かされています。

以下では、VRの最も一般的かつ研究が進んでいる活用事例――医療、運動、社会、軍事、産業訓練――について解説し、それぞれの活用に関する最新の研究動向について考察します。本記事は全2回シリーズの第1回にあたり、最初の3つのトピックを取り上げています。第2回はこちらのリンクからご覧ください。

バーチャルリアリティを用いた医療・外科手術トレーニング

VRの利用が始まった比較的早い段階から、仮想環境での医療訓練は、患者にリスクを伴わないという点で有益であるだけでなく、外科研修医の研修を補完するものとして、そのスキル向上に寄与し得ることがすでに明らかになっていた。

イェール大学およびベルファストのクイーンズ大学のシーモアらによる研究では、VR環境で追加の訓練を受けたグループは（標準的な訓練のみを受けたグループと比較して）、胆嚢の切開が平均で29％速かっただけでなく、標的以外の組織を損傷したり火傷を負わせたりする可能性もはるかに低いことが明らかになった[1]。

2009年の研究では、腹腔鏡手術（腹部または骨盤内で行う手術）においても同様の結果が得られた。デンマークの研究者らは、驚くべきことに、事前のVRトレーニングにより、実際の手術における平均的なパフォーマンスが、20～50回の手術経験に相当するレベルまで向上したことを明らかにした。一方、対照群のパフォーマンスは、5回未満の手術経験に相当すると評価された[2]。

2016年に実施されたメタ分析では、VR群または対照群のいずれかに参加した579名の被験者の結果を分析し、腹腔鏡手術におけるこれらの知見が裏付けられた[3]。研究者らは、VRトレーニング群において、手術の遂行能力に全体として有意な向上が認められたことを明らかにした。

上記の研究は特定の種類の手術に限定されているものの、仮想世界での練習によって現実世界での技能が向上し得るという、重要な概念実証を示している。

2019年の最近の研究では、人工股関節置換術においてこのことが改めて示された[4]。同様の実験デザイン（実験条件を知らされていない他の外科医によって手術の出来栄えが評価されるもの）でも、同様の結果が得られた。この研究の著者らが述べているように、「データは、VRで習得した手技的知識と精神運動技能が実臨床の現場へと転移していることを示している……VRトレーニングにより、学習曲線の上位へとさらに進んだ」。

VRを用いたトレーニングによって手術技術を飛躍的に向上させることができるという点は、その重要性をいくら強調してもしすぎることはない。もしこの利点が他の手術治療法においても一貫して認められるようになれば、手術室での教育の抜本的な見直し（そして手術成果の向上）が実現する可能性が高い。

『Annals of Translational Medicine』誌に2016年に掲載された論文では、「シミュレーションを日常的な研修医の研修に組み込んだ、体系的なカリキュラムが開発されるにつれ、シミュレーション手術は外科医の技能を向上させ、病院のコストを削減し、患者の転帰を改善するだろう」と述べられている[5]。

スポーツおよび理学療法トレーニングにおけるバーチャルリアリティ

VRを用いた手術トレーニングと同様に、理学療法やスポーツトレーニングにおいても、シミュレーション環境下で得られる運動能力の向上を活用しようとしている。

この手法は、バスケットボール[6]、アメリカンフットボール[7]、テニス[8]をはじめとする様々なスポーツの学習戦略に応用されてきた。また、選手が実際に試合を行う前にゲームプレイを入力できるソフトウェアが開発されており、これにより選手は実戦前にセットプレーの練習を行うことができる。

これには、プレイヤーがミスを犯したり、よりリスクの高いゲームに臨む前に徹底的に準備したりできるという明確な利点があります。アイトラッキングなどのツールと組み合わせることで、プレイヤーの視線がどこに向いているかを特定し、それがパフォーマンスに影響を与えているかどうかを確認することが可能になります（そして、ゲームプレイを改善するための解決策を提案することもできます）。

理学療法では、失敗しても安全な環境の中で動作を練習する機会も提供されます。研究者たちは、高齢者を対象としたバランスや歩行訓練におけるVR環境の活用について調査を行っています[9]。ゲームを活用することで、個人は（例えばスキーゲームのように）通常の運動よりもやりがいを感じられる環境で動作を訓練できるだけでなく、実際のスキーのような環境に伴うリスクを回避することができます。

脳卒中後の回復において、理学療法は特に重要です。その効果は「量に比例する」ものであり、つまり、動作の練習をすればするほど、回復の度合いも高まるからです[10]。これには多くの障壁がありますが、中でも主なものは、利用のしやすさと費用の問題です。誰もが簡単に理学療法を受けられるわけではなく、また、誰もがその費用を負担できるわけではありません。

少なくともバーチャルリアリティは、そうした障壁を取り除く一助となります。ヘッドセットは決して安くはありませんが、少なくともセラピーに比べれば比較的安価であり、さらに自宅であれば好きなだけ利用できるという利点もあります。

ウィットマンらチューリッヒ大学病院の研究者らは、脳卒中を経験した患者を対象に、VRの利用効果について調査を行った[11]。その結果、患者によるVRシステムの利用率は高く、利用頻度が高まるにつれて運動機能が改善することが判明した。このことは、このシステムが、診療所や病院における理学療法の補助手段、あるいはその一部を代替する手段として有効に機能し得ることを示唆している。

研究によると、脳性麻痺の子供たちにおいても同様の改善が見られることが示されている。韓国の複数の大学の研究者らは、VR環境下での訓練は、VRを使用しない訓練と比較して、運動機能のより大きな改善をもたらすことを明らかにした[12]。

筋電図（EMG）装置を使用することで、筋活動の実際の変化を数値化することにより、機能の向上に関するより多くのデータを得ることができます。また、脳波（EEG）などの他の装置は、運動機能の改善やリハビリテーションにつながる変化と関連付けられる神経活動に関する重要な情報を提供することができます。

自閉症のためのソーシャルトレーニング

VRが機能改善のために活用されているもう一つの分野は、自閉症を持つ人々の社会的スキルの訓練である。DSM-5（『精神障害の診断・統計マニュアル』[13]）によれば、自閉症はしばしば「他者とのコミュニケーションや相互作用の困難」を特徴とする。VRは、理学療法が行われるのと同様の方法で、こうしたスキルを訓練する機会を提供する。

テキサス大学の研究者らは、7歳から16歳の高機能自閉症の子供たちを対象にVRトレーニングを実施した[14]。 子供たちはVRプラットフォーム「Second Life™」に入り、臨床医の仮想アバターと共に様々な社会的場面を体験した。「校庭での雑談」や「教室でのグループ活動への積極的な参加」など、様々な練習セッションが行われた。また、子供たちは各シナリオを円滑に進められるよう、現場の臨床医から指導を受けた。

著者らは次のように述べている。「各社会的シナリオは、新しい人との出会い、いじめへの対処、友人との絆を深めること、対立への対処、友人を慰めること、あるいは社会的ジレンマ（見知らぬ人との出会い、不正行為の現場を目撃することなど）への対応といった、さまざまな状況下で、特定の社会的学習目標を強調するように設計された」。その後、子どもたちは様々なテストを用いて、感情認識、社会的帰属、注意力、および実行機能に関するスキルを測定した。

研究者らは、実験に参加した子供たちの感情認識能力、社会的帰属能力、そして一部の実行機能能力が、数週間にわたる継続的な練習を経て向上したことを明らかにした。

しかし、この研究にはいくつかの限界があった。著者らは次のように述べている。「社会的認知の訓練にVRを用いる今後の研究では、感情の顔面追跡が役立つ可能性がある」――これは、表情分析（VRヘッドセットを使用する場合、顔面筋電図を用いて行う必要がある）が、感情認識のテストや訓練において一役買う可能性があることを示唆している。 また著者らは、VR内でのアイトラッキングも有用である可能性を指摘し、「Barisicら（2013）による最近の調査では、リアルタイムの社会的相互作用においてデュアルアイトラッキングシステムを使用することの実現可能性と有効性が示された」[15]と述べている。

VRとアイトラッキングを組み合わせることで、注意に関するデータの収集を自動化し、対照群と比較してどの視覚領域がより多く、あるいはより少なく注目されたかを明らかにすることができる。これにより、注意プロセスを評価するために必要なリソース（評価セットなど）を削減できるだけでなく、そのプロセスを直接かつリアルタイムで測定することが可能になる。

他の研究も同様の原理に基づいており、就職面接の場面における自閉症者の社会的スキルの向上[16]、交通安全教育[17]、運転技能の向上[18]など、さまざまな成果が得られている。

ヴァンダービルト大学の研究者らは、仮想現実（VR）の運転環境における自閉症者のパフォーマンスを評価するために、さまざまな測定手法を用いた[18]。 著者らは次のように述べている。「対象とした生体信号には、筋電図（EMG）、心電図（ECG）、皮膚電気反応（GSR）、光電脈波図（PPG）、皮膚温度、および呼吸が含まれた。これらの信号は、被験者の情動状態を予測する能力があることから選択された[Cacioppo et al. 2007]。」[19]。

研究者らはまた、Emotiv社の脳波測定装置を用いて、認知状態に関するデータに加え、運転パフォーマンスを評価するために用いられた「回転速度情報」も収集した。本研究の中心となったのは、参加者の視線パターンを追跡するためのアイトラッキング技術の活用であった。

研究者らは、適応型視線連動パラダイムを用いることで、参加者の視線の方向に応じて変化するVR運転環境を構築し、「より個別化された運転介入手法を提供することを目的とした」。

このマルチモーダルなアプローチは、VR環境と組み合わせて導入することで大きな可能性を秘めており、あらゆる設定を詳細に調査することが可能になる。

結論

現在のVRは依然として比較的新しい技術ですが、斬新なテスト環境を提供できるという点で大きな可能性を秘めています。さまざまなシナリオや対象者に向けた仮想トレーニングの可能性は極めて大きく、コスト削減、ストレスの軽減、モチベーションの向上といったメリットに加え、一部の環境をトレーニング用に容易に利用可能にするという利点もあります。

もちろん、各応用分野については、その潜在的な利点を裏付けるか、あるいは否定するために徹底的な検証を行う必要がありますが、バイオセンサーは、そのためのデータを提供できるツールの一つです。しかし、初期のデータは有望な結果を示しており、仮想環境を超えた、より優れたトレーニングとパフォーマンスへの道筋を示唆しています。

これは、VRにおけるトレーニングとパフォーマンスについて取り上げた一連の記事の第一弾です。第二弾の記事はこちらのリンクからご覧いただけます。

参考文献

[1] Seymour, N., Gallagher, A., Roman, S., O’Brien, M., Bansal, V., Andersen, D. および Satava, R. (2002). 「バーチャルリアリティを用いたトレーニングは手術室でのパフォーマンスを向上させる」。『Annals of Surgery』、236(4)、pp.458-464。

[2] Larsen, C., Soerensen, J., Grantcharov, T., Dalsgaard, T., Schouenborg, L., Ottosen, C., Schroeder, T. および Ottesen, B. (2009). 腹腔鏡手術に対するバーチャルリアリティ訓練の効果：無作為化比較試験. BMJ, 338(5月14日号), pp.b1802-b1802.

[3] Alaker, M., Wynn, G. および Arulampalam, T. (2016). 腹腔鏡手術におけるバーチャルリアリティ訓練：系統的レビューおよびメタ分析. International Journal of Surgery, 29, pp.85-94.

[4] Hooper, J., Tsiridis, E., Feng, J., Schwarzkopf, R., Waren, D., Long, W., Poultsides, L., Macaulay, W., Papagiannakis, G., Kenanidis, E., Rodriguez, E., Slover, J., Egol, K., Phillips, D., Friedlander, S. および Collins, M. (2019). バーチャルリアリティシミュレーションは人工股関節全置換術における研修医のトレーニングを促進する：無作為化比較試験. The Journal of Arthroplasty.

[5] Badash, I., Burtt, K., Solorzano, C. および Carey, J. (2016). 外科シミュレーションにおける革新：過去、現在、そして未来の技術に関する総説. Annals of Translational Medicine, 4(23), pp.453-453.

[6] Tsai, W., Chung, M., Pan, T. および Hu, M. (2017). 「仮想法廷でのトレーニング：バーチャルリアリティを用いたバスケットボール戦術トレーニング」。MultiEdTech ’17 収録。

[7] Huang, Y., Churches, L., & Reilly, B. (2015). バーチャルリアリティを用いたアメリカンフットボールトレーニングに関する事例研究。ACMバーチャルリアリティ国際会議（VRIC）にて発表された論文、フランス・ラヴァル。

[8] 川村 聡、井田 満、和田 哲、呉 俊良. ワイヤードライブシステムを用いたバーチャルスポーツマシンの開発――バーチャルテニスの試み. IEEE/RSJ国際会議「Intelligence Robots and Systems」論文集, 米国ペンシルベニア州ピッツバーグ, 1995年; pp. 111-116.

[9] de Vries, A., Faber, G., Jonkers, I., Van Dieen, J. および Verschueren, S. (2018). 高齢者を対象としたバーチャルリアリティを用いたバランス訓練：類似したスキーゲームでも、バランス訓練における課題は異なる。Gait & Posture, 59, pp.111-116.

[10] Kwakkel, G. (2006). 脳卒中後の練習強度が及ぼす影響：検討すべき課題. Disabil Rehabil, 28(13–14):823–30.

[11] Wittmann, F., Held, J., Lambercy, O., Starkey, M., Curt, A., Höver, R., Gassert, R., Luft, A. および Gonzenbach, R. (2016). センサーベースのバーチャルリアリティ訓練システムを用いた脳卒中後の在宅自己主導型上肢リハビリテーション．Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 13(1).

[12] Cho, C., Hwang, W., Hwang, S. および Chung, Y. (2016). バーチャルリアリティを用いたトレッドミル訓練は、脳性麻痺児の歩行、バランス、および筋力を改善する。『東北実験医学雑誌』, 238(3), pp.213-218.

[13] アメリカ精神医学会（2013）『精神障害の診断・統計マニュアル（第5版）』バージニア州アーリントン。

[14] Didehbani, N., Allen, T., Kandalaft, M., Krawczyk, D. および Chapman, S. (2016). 高機能自閉症児を対象としたバーチャルリアリティを用いた社会的認知トレーニング. Computers in Human Behavior, 62, pp.703-711.

[15] Barisic, I., Timmermans, B., Pfeiffer, U.J., Vogeley, K., Schilbach, L., 2013. 「デュアルアイトラッキングを用いたリアルタイムの社会的相互作用の調査」、『ACM SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems 論文集』所収。ACM SIGCHI
Conference on Human Factors in Computing Systems（パリ）にて発表。

[16] Smith, M., Fleming, M., Wright, M., Losh, M., Humm, L., Olsen, D. および Bell, M. (2015). 短報：バーチャルリアリティを用いた就職面接トレーニング実施から6ヶ月後の自閉症スペクトラム障害を有する若年成人の職業的成果。『Journal of Autism and Developmental Disorders』, 45(10), pp.3364-3369.

[17] Strickland, D., Mesibov, G.B., & Hogan, K. (1996). 自閉症児の学習ツールとしてのバーチャルリアリティを用いた2つの事例研究. Journal of Autism & Developmental Disorders 26:651–659.

[18] Zhang L., Wade J., Bian D., Fan J., Swanson A., Weitlauf A., et al. (2017). 自閉症介入のための仮想現実ベースの運転システムにおける認知負荷の測定. IEEE Trans. Affect. Comput. 8 176–189. 10.1109/TAFFC.2016.2582490.

[19] Cacioppo, J. T., Tassinary, L. G., and Berntson, G. (2007). 『心理生理学ハンドブック』. ケンブリッジ大学出版局, ケンブリッジ.