Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010
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Virtuelle Realität – Anwendungen und Bedeutung für Psychiatrie und Psychologie
PD Dr. med. Dipl.-Psych. Godehard Weniger
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Definition und technische Aspekte von Virtual Reality (VR)
Anwendungen im nicht-medizinischen Bereich
Anwendungen von VR in Medizin
Anwendungen in Psychologie und Psychiatrie
Eigene Studien: VR-basiertes Testsystem für Erfassung des allozentrischen und egozentrischen Gedächtnisses
Zusammenfassung
Gliederung
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Technischen Realisierung von virtueller Realität
Bedeutung von VR im Bereich Hochtechnologie
Inklusive medizinischen Sektor
Möglichkeiten von VR in Neurowissenschaften darlegen
Anwendungen von VR im Bereich Psychiatrie/ Psychotherapie aufzeigen
Grenzen von VR beschreiben
Ziele
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Definition und Technische Aspekte von Virtual Reality (VR)
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Video: Was ist VR?
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Virtual Reality (VR) = Immersion + Interaktion in EchtzeitImmersion: Eintauchen in eine künstliche Welt mit möglichst allen Sinnen („sense of presence“)Interaktion : intuitives Agieren und Bewegen in einer virtuellenWeltEchtzeit: hohe Bildwiederholungsrate und schnelle Reaktion auf Eingabe
Graphisch/visuell: 25-60 Bilder/sec.Haptisch: circa 1000 Ereignisse/sec.
Was ist VR?
Slater et al. (1994) Presence Teleoper Virtual Environ 3: 130-144
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Eingabegeräte Geräte die Benutzer zur Interaktion nutzenInformationen aus realen Umgebung erfassen
AusgabegeräteBenutzer sensible oder sensorische Informationen vermittelnPrimär visuelle Kanal
Steuer- und KontrollsystemeDatenverarbeitungGraphikcomputer VR-Software
Bestandteile von VR?
Grimsdale (1992) Virtual Reality International: 14-22
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VR-Architektur
Komponenten von VR
VR-Rechner
Datenbank
PeripherieDatenhelm
Datenhandschuh
Benutzer
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Head Tracking System und Datenhandschuh
Komponenten von VR - Eingabegeräte
3D-Maus3D-Joystick
Eye Tracking
Datenanzug
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Komponenten von VR Ausgabegeräte
Head Mounted Display
Work benchCave (Computer AssistedVirtual Environment)
Touch /Force feedback
Laufband
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System zur DatenverarbeitungInklusive Software um virtuelle Umgebung zu definierenAbhängig von Systemplattform
Betriebssystem etc.
Geometrie
Im Objekten der virtuellen Umgebungphysikalischen Eigenschaftenzuzuschreiben
Komponenten von VR–Datenverarbeitung
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Primär abhängig vom Grad der Immersion und InteraktionImmersive VR
Starke Immersion Hohe Interaktion
Desktop VR (PC+ Shutterbrille)ArchitekturKein totales Eintauchen
Arten von VR– Systemen
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Modellierung
Erschaffung der Rohfassung Geometrie und physikalische Attributemittels CAD (Computer Aided Design) Software
RendernUmsetzung des virtuelles Objektes„Ausformulierung des skizzierten Bildes“
Interaktive Echtzeitpräsentation mittels Effektoren
Konstruktion einer virtuellen Umgebung
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Technische Aspekte von VRModellierung
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Nach erstem rendern
Technische Aspekte von VR
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Realität Beobachtung
Virtuelle Realität Experimentelle Untersuchungen
Kontrollierbarkeit
Replizierbarkeit
Messbarkeit
Warum VR in Wissenschaft
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Virtual Reality (VR) ≠ Monitor + Maus + Computer
Technische MindestvoraussetzungenZiel: möglichst hohe Immersion
Grade von virtueller RealitätNicht-immersive VR: Desktop VR
Immersive VR: Holodeck
Nebenwirkungen„Simulator sickness“
Schwindel, Übelkeit
Zusammenfassung
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Anwendungen von Virtual Reality
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Architektur
Simulatoren
Flugzeug-Automobilproduktion
Anwendungsgebiete
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Computerspiele
Militär
Anwendungsgebiete
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VR hat in einigen Bereichen Industrie und Dienstleistung eine sehr hohe Bedeutung:
Industrie:wenn Produkt mit hohenEntwicklungskosten verbundenist
AlltagVideospieleKünstliche WeltenArchitektur
Militär: am weitesten Entwickelt
Zusammenfassung
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Anwendungen von Virtual Reality in Medizin
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Medizinische Anwendungen von VR
VR mit Patientendaten
Arzt interagiert mit Computer VR in künstlichen Umgebungen
Pat. interagiert mit Computer
Grundlagen / Angewandte Wissenschaft
- Neurowissenschaften - Pathophysiologie - Endophänotypen
Diagnostik - 3D-Volumendaten: Matching von verschiedenen Datenquellen: MRT-Sonographie
- Virtuelle Koloskopie
- Psych. Testverfahren: Unter- suchung neuropsych. Funktionen
- Neurologische Patienten mit Störungen der Motorik /Sensorik
Therapie - Präoperative Planung und intraoperative Navigation
- Operationsroboter - Virtuelle Radiotherapie - Telemedizin
- Therapie von spezifischen Phobien durch virtuelle „in-vito“-Exposition, von Depressionen
- Therapie von PTBS
Rehabilitation - Rehabilitation von motorischen oder kognitiven Funktionen z.B. nach Schlaganfall
Ausbildung - Simulation invasiver oder lernintensiver Verfahren: - Virtuelle Arthoskopie - Virtuelle Echokardiographie
Mehlitz, Weniger et al. (1998): Krankenhaus 8, 463-468
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Medizinische Anwendungen von VR Diagnostik
3D Volumendaten Mittels MRI oder CT
3D- Koloskopie3D-Darstellung des Herzen
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Caspar-OperationsrobotorHüftchirurgie
DaVinci-Operationsroboter Herz-Thorax ChirurgieUrologie (USZ)
Medizinische Anwendungen von VR
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Medizinische Anwendungen von VR
Training /SimulationVirtuelle Laparoskopie
Virtuelle Endoskopie
Virtuelle Arthroskopie
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Medizin unterschiedliche Anforderungen an die technische Realisation von VR
Chirurgischen Fächern sehr hohe technische Anforderungen, z.B.Objektverhalten (Blutgefässe)Echtzeit
Euphorie der frühen Jahre verflogen
Nennungen in PubMed„Robotic surgery“: 3000 Virtual reality 3000 Funktionelle Bildgebung: 50 000Genetik: 900 000
Zusammenfassung
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Anwendungen von Virtual Reality in Neurobiologie/Psychologie/Neuro-
psychologie
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Medizinische Anwendungen von VR
VR mit Patientendaten
Arzt interagiert mit Computer VR in künstlichen Umgebungen
Pat. interagiert mit Computer
Grundlagen / Angewandte Wissenschaft
- Neurobiologie - Pathophysiologische Konzepte - Endophänotypen
Diagnostik - 3D-Volumendaten: Matching von verschiedenen Datenquellen: MRT-Sonographie
- Virtuelle Koloskopie
- Psych. Testverfahren zur Untersuchung verschiedener neuropsych. Funktionen
- Neurologische Patienten mit Störungen der Motorik oder Sensorik
Therapie - Präoperative Planung und intraoperative Navigation
- Operationsroboter - Virtuelle Radiotherapie - Telemedizin
- Therapie von spezifischen Phobien durch virtuelle „in-vito“-Exposition, von Depressionen
- Therapie der Posttraumatischen Belastungsstörung (PTBS)
Rehabilitation - Rehabilitation von motorischen oder kognitiven Funktionen z.B. nach Schlaganfall
Ausbildung - Simulation invasiver oder lernintensiver Verfahren: - Virtuelle Arthroskopie - Virtuelle Echokardiographie
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Experiment als Methode der NaturwissenschaftKontrolle von StörfaktorenReplizierbarMessbarkeit
Psychische Funktionen klassisch bzw. 2-dimensional nicht messbar
Visuell-räumliches LernenSoziale Interaktionen
Vorteile von VR-Technik inNeurowissenschaften
VR erlaubt experimentelle Unter-suchung neuer kognitiver/neuro-psychologischer Funktionen
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Video: Virtuelles Tübingen
Riecke et al. (2006). ACM Transactions on Applied Perception 3: 194-216Riecke et al. (2006). Psychological Research71: 298-313
Worauf basiert die kontinuierliche räumliche
Orientierung
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VR in Neurowissenschaften/Psychologie
Räumliche OrientierungRaumkognition und RaumgedächtnisVerarbeitung visuell-räumlicher Informationen
Cybercarpet Pompeji
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Virtuelle Realität: Park und Labyrinth
Visuell-räumliche Orientierung
Allozentrisches Gedächtnis
Egozentrisches Gedächtnis
![Page 34: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/34.jpg)
Virtuelle Realität: Beeinträchtigung der Navigation
Vergleich reale Welt vs. Virtuelle Realität
Individuell vergleichbare Leistungen
Bei allen untersuchte GruppenVR erlaubt reliable und valide Erfassungvisuell-räumlicherLeistungen
Cushman et al. (2008). Neurology 71: 888-895
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Soziale Wahrnehmung beischizophrenen Patienten
Vergleich natürliche emotionale Gesichter vs. virtuelle emotionale GesichterÄhnliches Muster
VR in Neurowissen-schaften/Psychologie
Dyck et al (2010). Psychiatry Research, doi 10.1016/j..psychres.2009.11.004
VR erlaubt reliable und valideErfassung der sozialenWahrnehmung
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Verfolgungsideen in Allgemeinbevölkerung40% der Teilnehmer weisen Züge von „paranoiden Ideen“ aufHäufigkeit der Nutzung von U-Bahn hat Einfluss
Wenig-Nutzer von U-Bahn misstrauischer
VR in Neurowissenschaften/Psychologie
Freeman et al. (2008) British Journal of Psychiatry 192:258-263
![Page 37: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/37.jpg)
VR erlaubt Untersuchung bisher schwer erfassbarer neuropsychologischer Funktionen
Experiment vs. Beobachtung
Valide Erfassung/Operationalisierung der kognitiven FunktionenHohe Übereinstimmung zwischen virtueller Realität und Realität
Neue Erkenntnisse über Neuronale Repräsentation kognitiver FunktionenPathophysiologische Prozesse bei psychiatrischen Erkrankungen
Zusammenfassung
![Page 38: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/38.jpg)
Anwendungen von Virtual Reality in Psychiatrie/Psychotherapy
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Medizinische Anwendungen von VR
VR mit Patientendaten
Arzt interagiert mit Computer VR in künstlichen Umgebungen
Pat. interagiert mit Computer
Grundlagen / Angewandte Wissenschaft
- Neurobiologie - Pathophysiologische Konzepte - Endophänotypen
Diagnostik - 3D-Volumendaten: Matching von verschiedenen Datenquellen: MRT-Sonographie
- Virtuelle Koloskopie
- Psych. Testverfahren zur Untersuchung verschiedener neuropsych. Funktionen
- Neurologische Patienten mit Störungen der Motorik oder Sensorik
Therapie - Präoperative Planung und intraoperative Navigation
- Operationsroboter - Virtuelle Radiotherapie - Telemedizin
- Therapie von spezifischen Phobien durch virtuelle „in-vito“-Exposition, von Depressionen
- Therapie der Posttraumatischer Belastungsstörung (PTBS)
Rehabilitation - Rehabilitation von motorischen oder kognitiven Funktionen z.B. nach Schlaganfall
Ausbildung - Simulation invasiver oder lernintensiver Verfahren: - Virtuelle Arthroskopie - Virtuelle Echokardiographie
![Page 40: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/40.jpg)
Primär im Rahmen der kognitiven VerhaltenstherapieIntegration in bekannte theoretische Therapieform
Neue Technologie – alte Intervention
VerhaltensorientierteInterventionsverfahren
Konfrontation Systematische DesensibilisierungReizüberflutung/ Flooding
Vorteile von VR-Technik inPsychiatrie/Psychotherapie
VR als technologisches Werkzeug
![Page 41: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/41.jpg)
TherapieHöhenangstEmmelkamp et al. (2002) Behav Res Ther 40: 509-516
FlugangstRothbaum et al (2006) Behav Ther 37: 80-90
Soziale PhobieKlinger et al. (2005) Cyberpsychol Behav 8:76-88
Posttraumatische BelastungsstörungRothbaum et al. (2001) J Cin Psychiat 62:617-622
EssstörungRiva et al (2003) Cyberpsychol Behav 6: 251-258
Anwendungen in Psychiatrie/Psychotherapie
![Page 42: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/42.jpg)
Therapie von einfachen Phobien: Höhenangst
Früheste Therapiestudie mit VR
Systematische DesensibilisierungVR-gestützte Therapie vs.Warteliste
Dauer 8 WochenFragebögen zur Höhenangst:
VR-Gruppe signifikante Besserung gegenüber Warteliste
VR-gestützte Therapie kann Höhenangst reduzieren
Rothbaum et al. (1995) Am J Psychiatry 152: 626-628
![Page 43: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/43.jpg)
Therapie von einfachen Phobien: Flugangst
3-armige StudieWarteliste (WL) vs. VR vs. Kognitive Verhaltenstherapie (KVT)
4 VR-Sitzungen in 2 Wochen im virtuellen FlugzeugKVT: nur Flughafenexposition, aber kein Flug (nur Imagination: in sensu)
VR und KVT vergleichbar effektivund effektiver als WL
Titel: VR Therapy and standard (in Vivo) exposure therapy……
Rothbaum et al. (2006) Behav Therapy 37: 80-90
![Page 44: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/44.jpg)
Therapie von einfachen Phobien: Flugangst:
Bedeutung von Immersion und Präsenz
Vergleich HMD vs. CAVE (vs. Warteliste)
VR Exposition
Fragebögen 6 Monate späterBeide VR-Gruppen signifikant besser als WL
Keine Unterschied zwischen HMD und CAVE
Krijn et al. (2004) Behav Res Ther 42: 229-239
Immersion und Präsenz keinen Effekt?
![Page 45: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/45.jpg)
Therapie von einfachen Phobien: Klaustrophobie
Fahrt durch einen virtuellen Tunnel
Signifikanter Unterschied Patienten vs. Kontrollen
Selbstbericht
Herzfrequenz
Mühlberger et al (2007). Psychol Assess 19:340-346
![Page 46: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/46.jpg)
Therapie von der PTBSTrauma: Angriff auf World Trade Center
VR-SystemHead Mounted DisplayTracking SystemSound System
Virtuelle systematische Desensiblisierung 11-stufige Hierarchie
Ein Flugzeug fliegtüber Ney York (Stufe 1)Zusammenbruch derGebäude (Stufe 11)
14 Sitzungen Vergleich mit Warteliste
Difede et al. (2007) Journal of Clinical Psychiatry 68:1639-1647
![Page 47: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/47.jpg)
Schmerzkontrolle bei Behandlung von BrandwundenVR-Gruppe vs. normale Gruppe
VR-Entspannung effektivSignifikant weniger SchmerzBehandlung kürzer
Teilgruppe hohe Immersion Deutliche Differenzen
Teilgruppe niedrige Immersion
Wenig Unterschiede
Hoffman et al (2008) Clinical Journal of Pain. 24: 299-304
![Page 48: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/48.jpg)
Bereich Psychotherapie mehr Review als kontrollierte StudienFast alle Studien viel zu kleine Stichproben (z.T <10)
Einfache PhobienPraktikabler als in vivo Exposition, unklar ob wirksamerUnklar ob besser wirkt als Imagination (in senso)
PTSDPrimär Studien mit Kriegsveteranen (andere Trauma?)Relevanter wegen Probleme mit in vivo Exposition
Zusammenfassung
Immersion + Präsenz = Hypnose?
![Page 49: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/49.jpg)
Eigene Studien: räumliches Gedächtnis:VR-gestütztes neuropsychologisches Testsystem
![Page 50: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/50.jpg)
Komponenten des VR-Systems
Präsentation
Head Mounted Display(Sony Personal LCD Display)Auflösung: 800 x 600 Pixel
Interaktion
Trackingsystem (InterTraxTM
20)zur Erfassung von Rotations-bewegungen in der EbeneAbtastrate: 256 HzLatenzzeit: 38 ms ± 2 ms
Maus zur Initiierung vonVorwärtsbewegungen
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Allozentrisches Gedächtnis:
Betrachter unabhängiges Lernen virtueller Parkmit Landmarken, grösstenteils gut überschaubar
Egozentrisches Gedächtnis
Betrachter abhängiges Lernen virtuelles Labyrinthohne Landmarken, nicht überschaubar
NeuropsychologischeOperationalisierung
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Virtuelle Realität: Park und Labyrinth
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Video: Virtueller Park
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Video: Virtuelles Labyrinth
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TLE-links N=13TLE-rechts N=18Kontrollgruppe N=19
Temporallappenepilepsie
TLE-rechts signifikante BeeinträchtigungenBesondere Bedeutung: Läsion des rechten posterioren Parahippcampus
Weniger, G. & Irle, E. (2006). European Journal of Neuroscience 24: 2406–2414.
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Links parietale Läsion N=14Rechts parietale Läsion N=10Kontrollgruppe N=36
Kein Lateralitätseffekt
Parietale BlutungPark
Labyrinth
Weniger et al. (2009). Neuropsychologia 47: 59-69
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Schizophrenie N=25 Kontrollen N=25
SchizophrenieErgebnisse
Labyrinth: keine Unterschiede
Park Labyrinth
Park: hochsignifikante Unterschiede
Weniger, G. & Irle, E. (2008). Schizophrenia Research 101:201-209.
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Ergebnisse
Regionen erhöhter Aktivierungwährend Egozentrischem Lernen
posterior parietal – temporal -retrospenial/ cinguläres –rremotorisches Netzwerk
PHC: parahippocampaler CortexBilateral
Bilaterale rechtsbetonte Aktivierung der posterioren parahippocampaler Gyrus
Weniger et al (2010). Neurobiology of Learning and Memory 93: 46–55
Bold Signal
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Zusammenfassung
Anzahl Fehler bei allen bisher untersuchten Patienten (TLE, MCI, ICB) und Kontrollen
Allozentrisch (Park) < egozentrisch (Labyrinth)
Patienten mit Schizophrenie Egozentrisch (Labyrinth) < allozentrisch (Park)
ErklärungEgozentrisches Gedächtnis als Teil des impliziten GedächtnissesDissoziation bei klinischer Gruppe
modifiziert neuropsychologische Theorie
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Folgerungen für Schizophrenie
Beeinträchtigung des allozentrischen (deklarativen) Gedächtnis bei Patienten mit Schizophrenie
Bisher nur eine StudieHanlon et al (2006) Schizophr. Res. 87:67-80
Egozentrisches (implizites) Lernen intaktGlobalere implizite neuronale parietale Netzwerk weniger beeinträchtigt als das deklarative hippocampale GedächtnissystemKonsequenz: Psychoedukation weniger explizit?
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Zusammenfassung
![Page 62: Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052706/586e52141a28ab5f098b90ea/html5/thumbnails/62.jpg)
Zusammenfassung:VR in Medizin
VR bietet Technologie, deren Einsatz in Medizin sicherlich sinnvoll, z.B.
OperationsnavigationRehabilitationAusbildung/ Training
Bisher immer noch zu wenig wissenschaftlich gesicherte Daten
Evaluation wo, welche Art von VR geeignet ist
Praktisch-wirtschaftliche Aspekte bedeutsam
Allerdings VR auch Modethemanicht alle gedachten Anwendungen sinnvoll
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Zusammenfassung:VR in Neurowissenschaften
„Neue“ Methodologie in experimentellen Neurowissenschaften
VR ermöglicht das Verhalten der einzelnen enthaltenen Objekte vollständig kontrollieren zu können
Virtuelle Realität als homologes/analoges Modell für die RealitätGrad der Immersion
Durchführung neuartiger in Realität nicht durchführbare Experimente, exemplarisch
Visuell-räumliches LernenSoziale Interaktion
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Zusammenfassung VR in Psychiatrie/Psychotherapie
Neue Interventionsform basierend auf alten verhaltenstherapeutischen Techniken: Exposition
Virtuelle Realität zwischen in sensu und in vivo
Bedeutung bei phobischen StörungenUnbestritten, aber lohnt Aufwand?
Bedeutung bei komplexen Angststörungen PTBSJaAber: Retraumatisierung offen
Bedeutung bei PersönlichkeitsstörungenNein bisher keine StudiePsychotherapeuten weiter notwendig
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Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit