Visually Induced Motion Sickness Predicted by Postural Instability
We investigated whether postural instability can predict motion sickness and studied relations among instability, motion sickness, and vection. Nine men and 4 women (mean age = 19.85 years) were exposed, while standing, to an optical simulation of body sway. Head motion was recorded using a magnetic tracking system. Postural instabilities were observed prior to the onset of motion sickness. Vection was reported by most participants, including all who became ill. A dis- criminant analysis revealed that parameters of postural motion accurately predicted motion sickness. The results confirm that postural instability precedes motion sickness and suggest that measures of postural motion may serve as reli- able predictors of motion sickness. Potential applications of this research include the development of on-line diagnostic tools that will allow for the prevention of motion sickness in operational and training settings.
INTRODUCTION
Motion sickness is a common by-product of exposure to optical depictions of inertial motion. This phenomenon, called visually induced motion sickness (VIMS), has been reported in a variety of virtual environments, such as fixed-base flight and automobile simulation (Frank, Casali, amp; Wierwille, 1988; Regan amp; Price, 1994; Yoo, Lee, amp; Jones, 1997) and in a variety of nonvehicular simulations (DiZio amp; Lackner, 1992; Ellis, 1991). Improvements in simulation fidelity are associated with increases in the likelihood of sickness (Crowley, 1987; McGuiness, Bouwman, amp; Forbes, 1981; Miller amp; Goodson, 1960). The effectiveness of virtual environments and simulation systems, and their acceptance by users, can be reduced if they produce motion sickness (Biocca, 1992). This is true especially if sickness in simulations occurs in situations in which it does not occur in the simulated system. This problem provides a practical motivation for understanding visually induced motion sickness. Prevention of visually induced motion sickness would be facilitated if objective measures could be developed to predict it and if the factors that cause it could be identified and eliminated.
Explanations of motion sickness typically have been grounded in the concept of sensory conflict (e.g., Oman, 1982; Reason, 1978; Reason amp; Brand, 1975). However, the sensory conflict theory of motion sickness has low predictive validity (Draper, Viirre, Gawron, amp; Furness, 2001; Stoffregen amp; Riccio, 1991), which reduces the extent to which this theory can guide the design of simulators and other virtual environments. The present study does not attempt to evaluate the sensory conflict theory of motion sickness; rather, one of our goals was to evaluate a new, alternative theory of motion sickness etiology.
Postural Sway and Imposed Vibration
The occurrence of motion sickness is influenced by the frequency of imposed oscillation. In laboratory studies, motion sickness occurs in the presence of imposed periodic motion at frequencies from 0.08 to 0.40 Hz (Guignard amp; McCauley, 1990; Lawther amp; Griffin, 1988). Motion at other frequencies produces little or no sickness, even with long exposure durations (Guignard amp; McCauley, 1990). These data are consistent with what is known about opera- tional vehicles that are associated with motion sickness: Vibration or oscillation in this fre- quency range is characteristic of ships, trains, aircraft, and vehicular rides (Guignard amp; McCauley, 1990; Lawther amp; Griffin, 1988). The consistency of the laboratory and operational data might suggest that motion sickness is caused by motion in the 0.08- to 0.40-Hz range. However, the spectral power of normal standing sway is concentrated between 0.1 and 0.4 Hz (Bensel amp; Dzendolet, 1968), yet people are not sickened by their own postural sway. Thus it cannot be the case that vibration in this frequency range is inherently nauseogenic.
Destabilization of Posture
Riccio and Stoffregen (1991) suggested that motion sickness results from instability in con- trol of the posture of the body or its segments. They defined postural stability as “the state in which uncontrolled movements of the perception and action systems are minimized” (p. 202). This means that stability may be degraded rather than lost outright; there can be variation in the magnitude of instability, and instability can persist over long periods without necessarily leading to frank loss of control.
What could cause postural stability to be degraded? Stoffregen and Smart (1998) suggested that instability might occur when posture is controlled in the presence of imposed oscillations of a frequency between 0.08 and 0.40 Hz through a form of wave interference (Tipler, 1987). When independently generated waveforms interact, the resulting waveform is a function of the relative frequencies of the components. If two systems oscillate at very different frequencies, the resulting waves will pass through each other with little effect. However, when two systems oscillate at similar frequencies, the interaction of the waveforms can lead to dramatic instabilities. This particular outcome, often described as destructive interference, usually occurs when the waveforms are similar but out of phase (Tipler, 1991). Stoffregen and Smart argued that imposed oscillations in the frequency range of spontaneous sway might destabilize the postural control system, leading to abnormal patterns of body sway. Such effects would not be expected when the imposed vibration is not in the frequency range of body sway. If it gave rise to motion sickness, waveform interference could explain why sickness is associated with imposed motion in the narrow band of frequencies that are spontaneously produced by postural sway.
The postural instability theory of motion sickness (Riccio amp;
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视觉不稳定预测的视觉诱发晕动性疾病
我们调查了姿势不稳定是否可以预测晕动病，并研究不稳定性，晕动病和晕动之间的关系。9名男性和4名女性（平均年龄= 19.85岁）在站立时暴露于身体摇摆的光学模拟中。使用磁跟踪系统记录头部运动。在晕动病发作之前观察到姿势不稳定。大多数参与者报告了包括所有生病的人。一项判别分析显示，姿势运动的参数准确预测了晕动病。结果证实，姿势不稳定先于晕动病，并表明姿势运动的测量可以作为晕动病的可靠预测因素。该研究的潜在应用包括开发在线诊断工具，以便在操作和培训环境中预防晕动病。
介绍
晕动病是暴露于惯性运动的光学描绘的常见副产品。这种被称为视觉诱发晕动病（VIMS）的现象已经在各种虚拟环境中被报道，例如固定基地飞行和汽车模拟（Frank，Casali，＆Wierwille，1988; Regan＆Price，1994; Yoo，Lee） ，＆Jones，1997）以及各种非平面模拟（DiZio＆Lackner，1992; Ellis，1991）。模拟保真度的提高与疾病可能性的增加有关（Crowley，1987; McGuiness，Bouwman，＆Forbes，1981; Miller＆Goodson，1960）。如果产生晕动病，虚拟环境和模拟系统的有效性以及用户的接受度可以降低（Biocca，1992）。如果模拟中的疾病发生在模拟系统中不发生的情况下，则情况尤其如此。该问题为理解视觉诱发的晕动病提供了实际动机。如果可以制定客观的措施来预测视力诱发的晕动病，以及是否可以确定和消除导致它的因素，将有助于预防视觉诱发的晕动病。
晕动病的解释通常基于感觉冲突的概念（例如，Oman, 1982; Reason, 1978; Reason amp; Brand, 1975）。 然而，晕动病的感觉冲突理论具有较低的预测效度（Draper，Viirre，Gawron，＆Furness，2001; Stoffregen＆Riccio，1991），这降低了该理论在多大程度上可以指导模拟器和其他虚拟环境的设计。 本研究并未试图评估晕动病的感觉冲突理论; 相反，我们的目标之一是评估一种新的，另类的晕动病病因学理论。
姿势摇摆和强加的振动
晕动病的发生受到施加的振荡频率的影响。在实验室研究中，晕动发生在频率为0.08至0.40 Hz的强加周期性运动的情况下（Guignard＆McCauley，1990; Lawther＆Griffin，1988）。即使暴露时间很长，其他频率的运动也几乎不会产生疾病（Guignard＆McCauley，1990）。这些数据与关于晕动病的操作车辆的已知情况一致：在这个频率范围内的振动或振荡是船舶，火车，飞机和车辆乘坐的特征（Guignard＆McCauley，1990; Lawther＆Griffin，1988）。实验室和操作数据的一致性可能表明晕动病是由0.08至0.40 Hz范围内的运动引起的。然而，正常站立摇摆的光谱功率集中在0.1和0.4Hz之间（Bensel和Dzendolet，1968），但人们不会因自己的姿势摇摆而感到恶心。因此，不可能在该频率范围内的振动本质上是恶心的。
姿势不稳定
Riccio和Stoffregen（1991）认为晕动病是由于身体或其节段的姿势控制不稳定造成的。他们将姿势稳定性定义为“感知和行动系统的不受控制的运动被最小化的状态”。这意味着稳定性可能会降低而不是彻底丢失;不稳定程度可能存在差异，不稳定性可能会持续很长时间而不一定导致坦率失控。
什么可能导致姿势稳定性降低？ Stoffregen和Smart（1998）提出，当通过一种波干扰形式在频率介于0.08和0.40 Hz之间的振荡的情况下控制姿势时，可能会出现不稳定性（Tipler，1987）。当独立生成的波形相互作用时，得到的波形是组件相对频率的函数。如果两个系统以非常不同的频率振荡，则产生的波将以很小的效果相互通过。然而，当两个系统以相似的频率振荡时，波形的相互作用可能导致剧烈的不稳定性。这种特殊的结果，通常被描述为破坏性干扰，通常发生在波形相似但不同相时（Tipler，1991）。 Stoffregen和Smart认为，在自发摇摆的频率范围内施加的振荡可能会使姿势控制系统不稳定，从而导致身体摇摆的异常模式。当强加的振动不在身体摇摆的频率范围内时，不会出现这种影响。如果它引起晕动病，波形干扰可以解释为什么疾病与姿势摇摆自发产生的狭窄频带中的强加运动有关。
晕动的姿势不稳定理论（Riccio＆Stoffregen，1991）预测姿势不稳定应该在晕动病症状发作之前。 Stoffregen和Smart（1998）通过将常设参与者暴露于身体摇摆的广角光学模拟来测试这种预测。 施加的光流的幅度和频率类似于自然姿态期间身体摇摆的幅度和频率。 正如所预测的那样，在暴露于施加的光学流动期间，后来成为晕动病的参与者表现出姿势摇摆的增加。 观察到姿势运动的变异性，速度和范围的增加。 Stoffregen，Hettinger，Haas，Roe和Smart（2000）对坐着的参与者观察到类似的效果。
运动疾病和运动
自运动的光学模拟经常引起相对于惯性环境的自运动的主观体验，其被称为矢量。背景技术在车辆模拟器，宽视场电影院（例如，IMAX）和头戴式视觉显示系统中是常见的。 Hettinger和Riccio（1992）认为，vection是视觉诱发晕动病发生的必要前提。在本研究中，我们的目标之一是在通过对身体摇摆的光学模拟引起的晕动病的背景下测试该假设。这种类型的测试很重要，因为在日常生活中，身体摇摆通常不会产生自我运动的主观体验。在实验室中，模拟身体摇摆的幅度和频率的光学模拟在某些人中产生了自我运动的主观体验，但在其他人中却没有（例如，Stoffregen，1985）;也就是说，有些但不是所有人都经历过这种情况。然而，身体摇摆几乎总是强烈地耦合到强加的光学振荡，无论一个人是否经历过感染。
疾病和疾病数据导致一个简单的问题：这种情况下的晕动病是否仅发生在经历过感染的参与者身上？ 如果是这样，这将为Hettinger和Riccio（1992）的假设提供支持。 与Hettinger和Riccio的预测一致，Stoffregen和Smart（1998）发现所有报告晕动病的参与者也报告了感染。 然而，他们的感染数据是定性的，并且仅在实验刺激终止后才获得（参见Lishman＆Lee，1973; Stoffregen，1985）。 在本研究中，我们获得了关于在施加光流量期间脉动发作次数和持续时间的定量数据。
运动疾病的定量预测
有几个因素使得在特定情况下难以预测特定个体的晕动病的发生。晕动病的易感性因人而异，并且在个体内因情况和经验水平而异（Benson，1984; Calkins，Reschke，Kennedy，＆Dunlop，1987; Miller＆Graybiel，1972; von Baumgarten，1986; Yardley，1992 ）。此外，晕车的许多症状并不是唯一的;它们与许多其他疾病一起发生，这种重叠可能导致混乱（Griffin，1990）。另一个因素是晕动病可能有多种原因（Kennedy＆Fowlkes，1992）。预测的一个特别困难的问题是经验的作用。当人们接触到真实世界事件的模拟时，晕车的发生率在具有该现实世界事件的先前经验的人中更大（Kennedy，Hettinger，＆Lilienthal，1990）。这似乎表明，对晕动病的可靠预测需要了解个人先前的经验（Stoffregen＆Riccio，1991）。
仍然需要确定可以预测晕动病的客观措施。 Riccio和Stoffregen（1991）认为通过观察在暴露于恶心刺激期间发生的姿势控制的变化，可以发现晕动病的可靠预测因子。暴露期间对姿势的关注不同于仅在暴露前后测量姿势的研究（例如，Anderson，Reschke，Homick，＆Werness，1986; Cobb，1999; Hamilton，Kantor，＆Magee，1989; Kennedy＆Stanney，1996 ）。之前的研究（Stoffregen等，2000; Stoffregen＆Smart，1998）为姿势不稳定理论的一个关键假设提供了支持：姿势不稳定先于晕动病。 Stoffregen和Smart以及Stoffregen等人仅以定性的方式评估了这一假设 - 也就是说，他们并没有试图根据预测性姿势摇摆的定量细节来预测晕动病。在本研究中，我们尝试定量地确定可预测晕动病的姿势运动参数。
目前的研究
目前的研究类似于Stoffregen和Smart（1998）的研究，其中常设参与者接受了身体摇摆的光学模拟。 它与以前的研究有三种不同。 首先，参与者报告了在暴露于恶心刺激期间的感染。 其次，我们试图基于姿势运动的重要参数生成预测模型。 第三，我们对身体摇摆数据的分析包括比Stoffregen和Smart分析的更多运动轴。
在暴露于光流期间，参与者使用手持设备来指示他们何时经历了感染。我们测量了视觉误差事件的数量和持续时间。此外，还测量了参与者的姿势动作。我们假设姿势不稳定会在症状出现之前（Stoffregen等，2000; Stoffregen＆Smart，1998）。为了评估这一假设，参与者在实验开始前熟悉晕动病症状，并明确指示在症状出现时停止参与实验，无论多么轻微。测量了姿势运动的几个参数。对于三个平移和旋转轴中的每一个，主要测量是可变性（在操作上定义为头部位置的标准偏差），速度和范围（在操作上定义为头部运动的最大和最小位置之间的绝对差）。其他措施将在下一节中详述。
方法
参与者
9名男性和4名女性本科生自愿参加实验。参与者来自辛辛那提大学心理学系的参与者库，并获得参加的课程学分。参与者的年龄范围为18至23岁（M = 19.85岁），体重为45.45至84.09千克（M = 72.38 千克），身高为1.63至1.88米（M = 1.75米）。所有参与者都报告说他们身体健康;他们还报告正常或矫正视力正常，无眩晕，反复跌倒或前庭功能障碍史。每位参与者证明他或她可以睁着眼睛站立一只脚30秒。参与者始终按照美国心理学会的道德标准进行治疗（American Psychological Association，1992），并且意识到该实验旨在诱发晕动病。在安排参与时，参与者被指示在实验会议之前4小时不吃任何东西。在会议开始时验证了对此说明的遵守情况。
仪器
使用移动房间生成光流（Lee＆Lishman，1975; Stoffregen＆Smart，1998），一个由立方体框架组成的外壳，侧面2.4米，安装在轮子上并沿着轨道在一个轴上移动（图1）。 房间由计算机控制下的电动机移动。 在前墙的中心是一张俄亥俄州的大地图（96*106厘米，32°*34°）。参与者站在混凝土实验室地板上，没有施加惯性运动。
房间使用两个功能驱动（图2）。一个由简单的0.2Hz振荡组成，振幅为1.5cm。 另一个是10个正弦的总和，频率为0.0167,0.0416,0.0783,0.1050,0.1670,0.1800,0.1900,0.2200,0.2600和0.3100Hz，每个具有1.5cm的振幅。调整组件正弦波的相位和幅度，使组合波形的最大振幅为1.8 cm。
使用电磁跟踪系统（Flock of Birds，Ascension Technologies，Inc.，Burlington，VT）收集关于姿势运动的数据。 发射器位于参与者头部后面的支架上。 一个接收器连接到参与者佩戴的自行车头盔（重0.34千克），第二个接收器连接到移动房间。 从每个接收器以50Hz收集六个自由度位置/取向数据并存储在盘上用于后续分析。
参与者被给予一个手持按钮，该按钮向计算机发送二进制信号，并用于指示在正弦试验中进行的检测。
Figure 1. The moving room.
图1 移动的房间
图2 移动房间的运动功能。 上部迹线显示0.2 Hz运动。 下面的迹线显示了正弦运动总和的一部分。 在600秒的时间内，正弦运动的总和不再重复。
程序
在实验之前，参与者完成了关于晕动病史的调查问卷。 为了评估他们的初始症状水平并确保他们熟悉晕动病症状，要求参与者完成模拟器疾病调查问卷，或SSQ（Kennedy，Lane，Berbaum，＆Lilienthal，1993）。 继Regan和Price（1994）之后，这些预暴露的SSQ数据用于建立基线，以后可以比较后来的SSQ数据。
参与者通过右壁的开口进入移动室，并将脚跟放在地板上的标记上，使它们面向运动线。 他们被要求将自由的手（没有按钮的人）放在口袋里，并且在试验期间不要移动他们的脚。 没有单一的固定点; 要求参与者将注意力集中在前墙上的地图上，并在观看地图时尽量减少头部运动。
试验的性质，数量和顺序与Stoffregen和Smart（1998）中使用的相同，并在表1中给出。在正弦试验总和期间，参与者使用他们喜欢的手握住按钮，并且他们被指示 每当他们经历过痉挛时按下它，并且只要他们经历过痉挛就保持沮丧。 Vection被定义为一种自我运动的感觉，例如“当你的汽车在你旁边移动并且你把它误认为是你自己的运动时所得到的感觉。”在房间和自我的感知运动的口头报告被收集在 每次正弦试验的结束。 要求与会者描述他们所拥有的任何动议经历，并记录他们的逐字记录报告。 在移动的房间里，参与者由坐在门外的实验室连续监控。 这是为了他们的安全以及确保遵守指示。
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表 1: 试验顺序 |
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试验 |
运动类型 |
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