The study was prepared by Modum Lab.

VR in a modern form – new technology. The impetus for the development of virtual reality was the release of glasses Oculus DK1 in 2013, and the first consumer VR helmets Oculus and PSVR appeared only three years ago.

At the same time began the active use of technology in corporate training and children’s education. Along with the increasing interest in VR / AR and the first research on their effectiveness, opinions about the dangers of virtual reality for health also appeared.

Virtual reality technology is a promising way to improve and transform children’s and corporate learning. According to our observations, the majority of users are positively inclined towards VR and understand that the introduction of new technologies will make it easier to explain complex topics, increase interest in children and adults to new knowledge, standardize testing, simplify the process of remembering new information. But not all teachers, business coaches and parents of schoolchildren are equally optimistic. Some of them believe that VR will adversely affect the health of users. Parents, fearing for their children, are wondering: do VR glasses contribute to the development of myopia (myopia), will VR not adversely affect the posture of young people? And you can understand skeptics, because their fears have not been refuted by real research, and information about technology in open sources is still not enough. The optimal and safe time of being in an immersive environment for children and adults has also still not been determined.

Because of the youth of the technology of medical research, its impact on people was carried out a little, and there is still no single verdict of scientists regarding the safety of using VR-glasses. To better understand the controversial issue and find out whether viewing content in a virtual reality helmet is a threat to health, we tried to collect relevant research. Particular attention is paid in the article to frequently asked questions – how does VR affect vision and the vestibular apparatus?

Is eye fatigue in VR subjective or objective?

Sometimes, after one of the first experiences of using VR-glasses, users report unpleasant sensations: eye strain or strain. The influence of virtual reality displays on vision is an open question. Some people think that VR is no worse than a regular laptop, and most importantly – do not overdo it with the time spent in an immersive environment. In the end, unpleasant dryness and redness in the eye area appear after a long pastime in front of our usual TV or computer screens. Others are sounding the alarm and forever refusing to use VR helmets. To draw objective conclusions, taking into account the state of health of all users, today physicians and the first researchers of technology are trying.

Scientists from three different departments of Osaka University School of Medicine in Japan in 2019 tried to find out the reasons for the appearance of unpleasant sensations in the eyes after using VR equipment. To do this, university professors had to find users who claimed that virtual reality glasses bring discomfort to their eyes. This study was aimed at assessing objective and subjective fatigue felt before and after performing a visual task using a virtual reality display (VR-HMD), as well as a two-dimensional (2D) display.

Fig.1 Experiment to assess eye strain at Osaka University. Equipment: 2D display (left) VR glasses (right)

Twelve healthy people were divided into two groups. Some volunteers were shown content on a conventional 2D screen, and the second on a HMD display (head-mounted display). After viewing the content, the control groups performed a series of tests and filled out a questionnaire, where their subjective feelings were checked before and after performing the visual task on different screens. In addition, each participant before and after being in an immersive environment or watching a film for 15 minutes underwent a detailed ophthalmologic examination, including checking visual acuity at a distance (5.0 m), near the point of convergence, fusion similarity range, sharpness of stereo sound (Titmus Stereo Tests; Stereo Optical Co., Inc, Chicago, USA) and deflection angle using an alternative prism coating test both near (33 cm) and at a distance (5.0 m). All subjects were also asked to complete a seven-item questionnaire before and after the completion of the experiment. Questions 1-3 were designed to assess subjective ocular symptoms, while questions 4-7 evaluated physical and psychological discomfort.

As a result of the experiment, scientists came to the conclusion that the subjective assessment of visual fatigue was not significantly different, both when using a virtual reality helmet (VR-HMD) and when using a two-dimensional display: people talked about the same sensations. Medical examination of the users’ eyes also did not reveal any serious changes.

“The objective and subjective assessment of visual fatigue did not differ significantly when using a virtual reality display (VR-HMD) and a two-dimensional display. This may indicate a fear of a new format, but not a real threat, ”the researchers specified.

The main concerns regarding eye health and the effects of virtual reality on users are usually associated with a very close position of the display to the eyes and powerful lenses. In order to find out whether VR devices are affecting the development of myopia, scientists from New Zealand compared the binocular status of the eyes after 45-minute tests in both real and virtual worlds. They also measured changes in the thickness of the choroid to assess the likely presence of signals for the development of myopia.

The study involved 40 healthy people, who were divided into two groups: one spent 45 minutes outside and the other wearing virtual reality glasses roamed the virtual garden. Both groups before and after the experiment were checked by ophthalmologists.

Fig.2 Research of the New Zealand scientists. Virtual and real environment in which users were immersed

It turned out that the thickness of the choroidal eyes did not change after testing in the real world, but there was a slight thickening after each test before the 2D display and in VR. However, scientists called such a change completely normal and not affecting vision.

The thickening of the choroid observed by doctors has allowed them to assume that the VR headset cannot be a stimulus for myopia, despite the very close viewing distance of the content.

The findings of these studies may indicate that fears in this matter are not confirmed. After all, when the first train was commissioned in Petrograd in 1837, passengers were afraid to ride it and believed that such an inconceivable speed (50 km / h) could cause sharp headaches and lead to death. Today, after almost 200 years, such arguments seem irrelevant and even ridiculous to us. Such concerns of users were subsequently characteristic of very many inventions, without which we no longer represent life: the telephone, the television, the computer, and the tablet. At the same time, studying all these technological components of our life, scientists agreed in opinion – everything is good in moderation. It is quite obvious that this statement also applies to virtual reality.

The study of the influence of VR on people’s vision is not limited only to the attempts of scientists to prove the harm of technology. Today, ophthalmologists are thinking about using VR for the treatment of ophthalmic diseases.

For example, in China, where myopia became a problem of public hygiene, which threatens the health of a huge number of people, scientists in Nanjing Medical University in 2018 tried to use VR to prevent this disease. Watching more than 20 teenagers (7–16 years old), the researchers set a goal to answer two questions: can VR devices be used to prevent and control myopia and are existing VR devices safe for young users?

The main arguments in favor of using VR displays for the prevention and treatment of myopia consisted in the similarity of existing treatment methods and the possibilities provided by VR displays: changing the depth of field, defocusing, adjusting the intensity and spectral composition of light. Interestingly, during the ongoing manipulations, to reduce the level of stress in VR format, adolescents were shown nature.

During the study on the possible use of VR for the prevention and treatment of myopia, scientists faced a number of issues and difficulties. First of all, due to the fact that most of the existing VR-glasses have a relatively low resolution, and therefore are not able to create the clarity of the image needed by doctors. Secondly, the field of view of most existing VR devices is relatively small and can further accelerate the occurrence of myopia.

Scientists also conducted a preliminary study in which 23 children aged 7–16 years old spent 30 minutes playing a VR game. After that, the children were examined and it turned out that not a single child had experienced a serious deterioration in their state of vision. It is important to note that in three cases their visual acuity and the ability to detect differences in distances were disturbed for a short time. One child physicians recorded a short-term deterioration in the balance of vision. It is still important to note here that the article does not indicate the equipment used in the experiment, and in many respects the perception of the content and eye load depend on the modification of the VR helmet.

“For the above reasons, we believe that in the future, you can use VR technology for the prevention of myopia and control,” the researchers concluded.

The researchers also point out that in order to ensure the safety of adolescents and children who use VR devices, it is necessary to better explore the technology and solve the following tasks:

1. Some parameters of virtual reality devices, such as interpupillary distance, resolution, light intensity and visual field, should be improved in the future in order to match the physiological and psychological characteristics of adolescents or children.

2. Farsightedness and myopic defocusing by users contribute to a blurred image on the VR display. It is not yet entirely clear whether the blurred image in the peripheral retina is caused by myopic or hypermetropic defocusing. Therefore, a simple combination of rendering with eye tracking methods cannot ideally imitate myopic defocus on the periphery of the retina.

3. Many studies still need to be conducted to objectively assess the risks and benefits of using VR devices for adolescents.

He summarized a number of studies on VR (for the end of 2017 – the beginning of 2019) made by scientists over 2 years. Dr. Khaderi of the Keck School of Medicine at the University of Southern California. Khaderi analyzed 12 current studies on the effect of VR on eye health and tried to find out whether blue light waves from displays are a threat to the retina.

Fig.3 Research of medical school Keck. The retina is most sensitive to blue light in the range from 430 to 470 nm. This light radiates most electronic display devices.

According to the author, the active study of the waves of blue light began in the 1970s. A little later, in the 1990s, scientists came to the conclusion that photochemical damage to the eyes occurs in the lower part of the visible spectrum and also that the human retina is most sensitive to blue light. Similar waves of light emit known to us smartphones, computers and VR-glasses. At the same time, the author notes that in 10 years of research, scientists have described only 2 cases in which waves of light from a TV screen or a smartphone caused damage to the retina. Therefore, in general, the radiation from the screens of devices familiar to us is considered safe. The situation with the VR-equipment is somewhat different, since the eyes are very close to the screen.

Fig. 4 Study of medical school Keck. The radiation of blue light from the screens of different devices. The author notes that according to the evaluation of the US Health Institute, the average American spends 7.4 hours a day in front of the screens of devices in 2016.

Haderi was able to find several small studies, where user discomfort was revealed during the operation of HMD displays in VR helmets (+ -2 hours spent in a helmet). However, no long-term effects on vision were observed by scientists.

The direct influence of these screens on the destruction of the retina is not proven, however, smartphones, computers and tablets today are classified as “at risk”. To ensure the safety of users, the author proposes to assign VR glasses to the same risk group, but at the same time notes:

“Judging by the available data, modern consumer electronic VR displays do not pose a serious risk to the eyes at the time of use recommended by the manufacturer.”

Along with safety for sight, speaking of VR, users often have questions about motion sickness. Scientists are also trying to explain this unpleasant feeling from a medical point of view. To identify the existence of the syndrome of motion sickness in an immersive environment, many theories have been developed or adapted from the study of motion sickness in the water and in the air. The most popular method of measuring motion sickness for scientists is the questionnaire. Attempts were also made to find specific physiological indicators of the described syndrome, but no definitive conclusion has yet been made on this issue.

In 2011, researchers Moss and Munt from Clemsen University tested several display characteristics (note that these displays are quite old) of virtual reality in order to study the effect of prolonged exposure of the virtual environment to humans. The task of the participants was to find several objects in a virtual environment (virtual laboratory), using only head movements. Each of the 15 participants passed two training sessions and five two-minute trials with breaks of one minute between them. The results of the study, scientists identified using questionnaires.

A number of results were obtained: before the experiment, after the training, after each test, after 5 and 10 minutes after the experiment. It was noted that the severity of symptoms of a simulation disease increased with time — a significant effect of the duration of exposure to BP was found. The most serious symptoms were noted after the last test.

Thus, the researchers found that an increase in the time spent in the virtual environment may adversely affect the subjective sensations associated with motion sickness syndrome.

Scientists from the Korean Catholic University of Busan expanded the previous study in 2017. Their findings also provide information on the temporal characteristics of the simulation disease, but when the user moves in an immersive environment. Three types of walking control were included in their pilot project:

(1) gamepad,

(2) hand motion sensors

(3) hiking simulator with sensors and portable sensors mounted to the legs

All study participants were introduced to three different virtual reality environments: a cartoon city, a realistic natural environment, and an unrealistic environment. In addition, each of the participants performed nine experiments in virtual reality. In the study, the simulation disease was measured using a questionnaire.

The authors reported that the symptoms of the disease on the simulator over time became more pronounced, although in general they were of moderate severity.

The above results of the study confirm the hypothesis that the severity of the imitation disease may indeed increase with time, but may differ depending on many variables (for example, the type of VR glasses and content, its characteristics, the duration of the entire impact, age, emotional and other individual characteristics of the participants).

Postural resistance and signs of a simulation disease after walking on a treadmill in a virtual environment in 2017 were investigated by scientists from Toronto Sinitsky, Thompson and Basemann. Thirty healthy study participants were recruited through the Canadian Forces.

Fig. 5 Experiment from the Toronto Research Center. Data of participants

All participants were in excellent medical form and declared fit for service. All 28 participants completed the same tasks with glasses of virtual reality: they walked 45 minutes on a treadmill with an inclination of ± 5 ° and ± 10 °. At the same time, in the VR helmet, the experiment participants saw the way in a virtual park with trees and shrubs. A total of 16 simulation symptoms of the disease were evaluated in three categories: nausea, eye disorientation and movement disorientation. Чтобы лучше понять, как усталость от ходьбы на беговой дорожке повлияла на нарушения ориентации в пространстве, учёные также измерили показатели потливости у каждого участника группы.

Результаты продемонстрировали незначительное усиление симптомов дезориентации после первых 15 минут воздействия виртуальной среды. При этом к концу сеанса эти симптомы у людей практически сошли на нет, что может говорить о выработке привычки к нахождению в VR.

В конце эксперимента лёгкие симптомы симуляционной болезни после погружения, включая усталость глаз, головную боль, трудности с фокусировкой и головокружение испытывали 25% участников. При это исследователи отмечают, что все участники были в состоянии успешно завершить эксперимент, не превышая «легкий» или допустимые уровни симптомов кибер-болезни.

Другое исследование, подтверждающее гипотезу о привыкании к VR, было проведено группой немецких ученых в 2017 году. В эксперименте, состоявшем из двух частей, разделенных перерывом на 7–14 дней, приняли участие 28 участников. В первый день состоялось шесть 20-минутных поездок в дорожном VR-симуляторе, а во второй день их было четыре.

Рис. 6 Исследование о привыкании к VR. Примеры VR-среды, в которую были погружены участники эксперимента

Авторы сообщают интересную картину результатов.

Во время обоих сеансов выраженность симптомов действительно увеличивалась, но это увеличение было менее заметным во время второго сеанса.

Рис. 7 Рис. 6 Исследование о привыкании к VR. Разница результатов укачивания в первый и второй день исследования

Таким образом, эффект адаптации был доказан, но при этом полного исчезновения симптомов не было зафиксировано. В статье подчеркивается, что к первому погружению в VR следует относиться с особой осторожностью — субъекты должны подвергаться мониторингу на наличие неприятных симптомов, периоды между испытаниями должны быть длиннее, а сами испытания — как можно короче.

Учёные из Ягеллонского университета в Польше попытались выявить и объяснить три временных аспекта «симуляционной болезни»: временное прогрессирование укачивания, возможность предварительной адаптации пользователей к VR и постоянство симптомов после воздействия ВР. Для этого исследователи изучили 39 уже имеющихся работ с 1998 по 2018 год на эту тему и сделали значимые выводы.

В первую очередь, исследователи провели анализ работ и выявили факторы, которые можно отнести к симптомам укачивания. Ими оказались: тошнота, потливость, затруднение концентрации внимания, неприятные ощущения в районе желудка, глазодвигательные нарушения, головная боль, напряжение глаз, затуманенное зрение, дезориентация, головокружение с открытыми и закрытыми глазами.

Также учёные выявили, что симптоматология и тяжесть недомогания зависят от многих переменных — например, возраста, пола, стресса, беспокойства, индивидуальной склонности к такому заболеванию или характеристик самого тренажера.

Кроме того, исследователи предположили, что удовольствие, полученное во время тренировки на VR-тренажере, может привести к облегчению симптомов болезни.

Ученые из отделения отоларингологии хирургии головы и шеи, больницы Гуро при Корейском университете пришли к выводу о том, что VR в ряде случаев, действительно, может вызвать постуральный дисбаланс для пользователей.

В экспериментальную группу вошли 20 человек в возрасте от 21 до 35 лет с нормальной переносимостью укачивания, без наличия хронических и иных заболеваний. Всем добровольно согласившимся на эксперимент взрослым показывали разные симуляции на устройстве Samsung Gear VR.

В рамках исследования выяснилось, что разные VR-симуляции оказывали на пользователей разный эффект: где-то процент укачивания был выше, а где-то его почти не наблюдалось.

Это также говорит о наличии связи между качеством разработки контента и субъективными ощущениями пользователей.

Ещё одно исследование влияния виртуальной среды на укачивание провели американские учёные, обучая группу людей навыкам вождения в VR.

В общей сложности 58 младших (в возрасте 18–35 лет) и 63 старших (в возрасте 65+) участников были случайным образом распределены в одну из четырех экспериментальных групп (только визуальная, визуальная + слуховая, визуальная + двигательная, тримодальная). До первой и после последней сессии вождения стабильность позы участников измерялась с помощью силовой пластины.

Рис. 8 Исследование об укачивании в VR американских учёных. Схема расстановки оборудования в эксперименте

Восприимчивость к симуляционной болезни измерялась до начала эксперимента с помощью анкетирования. Из-за неприятных ощущений 36 из 121 участников были вынуждены бросить учебу до окончания экспериментального задания. Интересно, что общее время для восстановления между участниками, выполнившими задание, и теми, кто выбыл ранее, значительно варьировалось — последним требовалось больше времени для восстановления. Тем не менее, только пять человек (все они — из выбывшей группы) не полностью восстановились через 15 минут после воздействия VR. Кроме того, у всех участников наблюдалось значительное снижение тяжести симптомов симуляционной болезни между моментом после воздействия и 3 минутами позже. Уже после трёх минут у всей группы какие-либо симптомы полностью исчезали.

Также исследователи предположили, что тяжесть симптомов быстро меняется — она ​​увеличивается сразу после воздействия VR, но значительно снижается через 15 минут после пребывания в виртуальной среде.

Отметим, что большинство результатов вышеприведенных экспериментов основаны на субъективных ощущениях пользователей. Кроме того, в ряде исследований нет информации о VR-оборудовании, на котором были осуществлены замеры изменения состояния пользователей, а также о разработчиках симуляций, участвовавших в экспериментах.

Важно понимать, что во всех случаях комфорт человека сильно зависит от предлагаемого ему контента, а также от моделей используемых VR-шлемов. Кроме того, учёные признают, что для повышения качества исследований необходимо продолжить изучение технологии и вывести новые шкалы мер изменения физического состояния людей после использования VR.

Как и всё новое, технологии виртуальной реальности вызывают у пользователей некоторые опасения. Ответить на их вопросы сегодня пытаются не только разработчики, но и учёные, которые проводят исследования о влиянии VR на самые разные аспекты человеческого здоровья. Из-за молодости технологии этих исследований на сегодняшний день немного и для того, чтобы сделать единогласный и обоснованный вывод о вреде или безопасности VR-технологии, должно пройти время. К настоящему моменту учёные не нашли признаков, свидетельствующих о негативном влиянии дисплеев виртуальной реальности на глаза или развития миопии, хотя некоторые изменения в глазах после долгого пребывания в VR всё же прослеживаются.

И несмотря на то, что вред VR для глаз не доказан, во избежание негативных последствий, важно внимательно читать инструкцию к устройствам и не пренебрегать рекомендациями о безопасном времени пребывания в VR, установленного производителем. При этом стоит отметить, что рекомендации производителей — это скорее подстраховка, а не обоснованные учёными ограничения.

Исследования о влиянии VR на ориентацию в пространстве и вестибулярный аппарат также находятся в зачаточной стадии и чаще всего основываются на субъективных оценках пользователей. При этом на сегодняшний день учёные предполагают, что иммерсивная среда в ряде случаев, действительно, может вызывать неприятные ощущения, тошноту или даже головные боли. Почти во всех описанных случаях симптомы исчезают после адаптации к устройству или же в течении нескольких минут после завершения VR-сеанса.

Над разработкой единых санитарно-эпидемиологических правил использования VR-очков работают и российские учёные. Например, активно работает с виртуальной реальностью Дальневосточный федеральный университет, а потому ученые из этого учебного заведения сейчас изучают влияние VR-оборудования на детей и подростков. Результатом исследования станут СанПиНы по использованию и безопасному времени нахождения в иммерсивной среде.

Вероятно, уже в скором времени учёные смогут определить безопасное время нахождения в VR и характеристики комфортного виртуального опыта для каждого возраста, а также вывести понятные каждому правила эксплуатации VR-очков.

Ссылка на Medium с исследованием

Оставайтесь в курсе последних исследований виртуальной реальности вместе с VRcue.

Далее: VirtualLink все ещё не является обязательным для Nvidia RTX Super, но все больше видеокарт его поддерживают

Is VR harmful to health?

About The Author