Präsentation Virtuelle Realität, PD Godehard Weniger, 1.7.2010

Virtuelle Realität – Anwendungen und
Bedeutung für Psychiatrie und Psychologie
PD Dr. med. Dipl.-Psych. Godehard Weniger
Gliederung
¾ Definition und technische Aspekte von Virtual Reality (VR)
¾ Anwendungen im nicht-medizinischen Bereich
¾ Anwendungen von VR in Medizin
¾ Anwendungen in Psychologie und Psychiatrie
¾ Eigene Studien: VR-basiertes Testsystem für Erfassung des
allozentrischen und egozentrischen Gedächtnisses
¾ Zusammenfassung
Ziele
¾ Technischen Realisierung von virtueller Realität
¾ Bedeutung von VR im Bereich Hochtechnologie
¾ Inklusive medizinischen Sektor
¾ Möglichkeiten von VR in Neurowissenschaften darlegen
¾ Anwendungen von VR im Bereich Psychiatrie/ Psychotherapie
aufzeigen
¾ Grenzen von VR beschreiben
Definition und Technische Aspekte
von Virtual Reality (VR)
Video: Was ist VR?
Was ist VR?
¾ Virtual Reality (VR) = Immersion + Interaktion in Echtzeit
¾ Immersion: Eintauchen in eine künstliche Welt mit möglichst allen
Sinnen („sense of presence“)
¾ Interaktion : intuitives Agieren und Bewegen in einer virtuellen
Welt
¾ Echtzeit: hohe Bildwiederholungsrate und schnelle Reaktion auf
Eingabe
¾
¾
Graphisch/visuell: 25-60 Bilder/sec.
Haptisch: circa 1000 Ereignisse/sec.
Slater et al. (1994) Presence Teleoper Virtual Environ 3: 130-144
Bestandteile von VR?
¾ Eingabegeräte
¾ Geräte die Benutzer zur Interaktion nutzen
¾ Informationen aus realen Umgebung erfassen
¾ Ausgabegeräte
¾ Benutzer sensible oder sensorische Informationen vermitteln
¾ Primär visuelle Kanal
¾ Steuer- und Kontrollsysteme
¾ Datenverarbeitung
¾ Graphikcomputer
¾ VR-Software
Grimsdale (1992) Virtual Reality International: 14-22
Komponenten von VR
VR-Architektur
VR-Rechner
Benutzer
Peripherie
Datenhelm
Datenhandschuh
Datenbank
Komponenten von VR - Eingabegeräte
Head Tracking System und Datenhandschuh
Datenanzug
Eye Tracking
3D-Maus
3D-Joystick
Komponenten von VR
Ausgabegeräte
Work bench
Cave (Computer Assisted
Virtual Environment)
Laufband
Touch /Force feedback
Head Mounted Display
Komponenten von VR–
Datenverarbeitung
¾ System zur Datenverarbeitung
¾ Inklusive Software um virtuelle Umgebung zu definieren
¾ Abhängig von Systemplattform
¾Betriebssystem etc.
¾ Geometrie
¾ Im Objekten der virtuellen Umgebung
physikalischen Eigenschaften
zuzuschreiben
Arten von VR– Systemen
¾ Primär abhängig vom Grad der Immersion und Interaktion
¾ Immersive VR
¾Starke Immersion
¾Hohe Interaktion
¾ Desktop VR (PC+ Shutterbrille)
¾Architektur
¾Kein totales Eintauchen
Konstruktion einer virtuellen
Umgebung
¾ Modellierung
¾ Erschaffung der Rohfassung Geometrie und physikalische Attribute
mittels CAD (Computer Aided Design) Software
¾ Rendern
¾ Umsetzung des virtuelles Objektes
¾ „Ausformulierung des skizzierten Bildes“
¾ Interaktive Echtzeitpräsentation mittels Effektoren
Technische Aspekte von VR
Modellierung
Technische Aspekte von VR
Nach erstem rendern
Warum VR in Wissenschaft
¾ Realität
¾ Beobachtung
¾ Virtuelle Realität
¾ Experimentelle Untersuchungen
¾ Kontrollierbarkeit
¾ Replizierbarkeit
¾ Messbarkeit
Zusammenfassung
¾ Virtual Reality (VR) ≠ Monitor + Maus + Computer
¾ Technische Mindestvoraussetzungen
¾ Ziel: möglichst hohe Immersion
¾ Grade von virtueller Realität
¾ Nicht-immersive VR: Desktop VR
¾ Immersive VR: Holodeck
¾ Nebenwirkungen
¾ „Simulator sickness“
¾ Schwindel, Übelkeit
Anwendungen von Virtual Reality
Anwendungsgebiete
¾ Architektur
¾ Simulatoren
¾ FlugzeugAutomobilproduktion
Anwendungsgebiete
¾ Computerspiele
¾ Militär
Zusammenfassung
¾ VR hat in einigen Bereichen Industrie und Dienstleistung eine
sehr hohe Bedeutung:
¾ Industrie:
¾ wenn Produkt mit hohen
Entwicklungskosten verbunden
ist
¾
Alltag
¾ Videospiele
¾ Künstliche Welten
¾ Architektur
¾ Militär:
¾ am weitesten Entwickelt
Anwendungen von Virtual Reality in
Medizin
Medizinische
Anwendungen von VR
VR mit Patientendaten
Arzt interagiert mit Computer
Grundlagen /
Angewandte
Wissenschaft
Diagnostik
Therapie
- 3D-Volumendaten: Matching von
verschiedenen Datenquellen: MRTSonographie
- Virtuelle Koloskopie
- Präoperative Planung und
intraoperative Navigation
- Operationsroboter
- Virtuelle Radiotherapie
- Telemedizin
Rehabilitation
Ausbildung
VR in künstlichen Umgebungen
Pat. interagiert mit Computer
- Neurowissenschaften
- Pathophysiologie
- Endophänotypen
- Psych. Testverfahren: Untersuchung neuropsych. Funktionen
- Neurologische Patienten mit
Störungen der Motorik /Sensorik
- Therapie von spezifischen Phobien
durch virtuelle „in-vito“-Exposition,
von Depressionen
- Therapie von PTBS
- Rehabilitation von motorischen oder
kognitiven Funktionen z.B. nach
Schlaganfall
- Simulation invasiver oder
lernintensiver Verfahren:
- Virtuelle Arthoskopie
- Virtuelle Echokardiographie
Mehlitz, Weniger et al. (1998): Krankenhaus 8, 463-468
Medizinische Anwendungen
von VR Diagnostik
¾ 3D Volumendaten
¾ Mittels MRI oder CT
¾3D- Koloskopie
¾3D-Darstellung des Herzen
Medizinische Anwendungen
von VR
¾ Caspar-Operationsrobotor
¾ Hüftchirurgie
¾ DaVinci-Operationsroboter
¾ Herz-Thorax Chirurgie
¾ Urologie (USZ)
Medizinische Anwendungen
von VR
¾ Training /Simulation
¾ Virtuelle Laparoskopie
¾ Virtuelle Endoskopie
¾ Virtuelle Arthroskopie
Zusammenfassung
¾ Medizin unterschiedliche Anforderungen an die technische
Realisation von VR
¾ Chirurgischen Fächern sehr hohe technische Anforderungen, z.B.
¾ Objektverhalten (Blutgefässe)
¾ Echtzeit
¾ Euphorie der frühen Jahre verflogen
¾ Nennungen in PubMed
¾
¾
¾
¾
„Robotic surgery“: 3000
Virtual reality 3000
Funktionelle Bildgebung: 50 000
Genetik: 900 000
Anwendungen von Virtual Reality in
Neurobiologie/Psychologie/Neuropsychologie
Medizinische
Anwendungen von VR
VR mit Patientendaten
Arzt interagiert mit Computer
Grundlagen /
Angewandte
Wissenschaft
Diagnostik
Therapie
- 3D-Volumendaten: Matching von
verschiedenen Datenquellen: MRTSonographie
- Virtuelle Koloskopie
- Präoperative Planung und
intraoperative Navigation
- Operationsroboter
- Virtuelle Radiotherapie
- Telemedizin
Rehabilitation
Ausbildung
- Simulation invasiver oder
lernintensiver Verfahren:
- Virtuelle Arthroskopie
- Virtuelle Echokardiographie
VR in künstlichen Umgebungen
Pat. interagiert mit Computer
- Neurobiologie
- Pathophysiologische Konzepte
- Endophänotypen
- Psych. Testverfahren zur
Untersuchung verschiedener
neuropsych. Funktionen
- Neurologische Patienten mit
Störungen der Motorik oder
Sensorik
- Therapie von spezifischen Phobien
durch virtuelle „in-vito“-Exposition,
von Depressionen
- Therapie der Posttraumatischen
Belastungsstörung (PTBS)
- Rehabilitation von motorischen oder
kognitiven Funktionen z.B. nach
Schlaganfall
Vorteile von VR-Technik in
Neurowissenschaften
¾ Experiment als Methode der Naturwissenschaft
¾ Kontrolle von Störfaktoren
¾ Replizierbar
¾ Messbarkeit
¾ Psychische Funktionen klassisch bzw.
2-dimensional nicht messbar
¾ Visuell-räumliches Lernen
¾ Soziale Interaktionen
¾ VR erlaubt experimentelle Untersuchung neuer kognitiver/neuropsychologischer Funktionen
Video: Virtuelles Tübingen
Worauf basiert die
kontinuierliche räumliche
Orientierung
Riecke et al. (2006). ACM Transactions on Applied Perception 3: 194-216
Riecke et al. (2006). Psychological Research71: 298-313
VR in Neurowissenschaften/
Psychologie
¾ Räumliche Orientierung
¾ Raumkognition und Raumgedächtnis
¾ Verarbeitung visuell-räumlicher
Informationen
Pompeji
Cybercarpet
Virtuelle Realität:
Park und Labyrinth
¾ Visuell-räumliche Orientierung
¾ Allozentrisches
Gedächtnis
¾ Egozentrisches
Gedächtnis
Virtuelle Realität:
Beeinträchtigung der Navigation
¾ Vergleich reale Welt vs. Virtuelle Realität
¾ Individuell vergleichbare
Leistungen
¾ Bei allen untersuchte
Gruppen
¾ VR erlaubt reliable und
valide Erfassung
visuell-räumlicher
Leistungen
Cushman et al. (2008). Neurology 71: 888-895
VR in Neurowissenschaften/Psychologie
¾ Soziale Wahrnehmung bei
schizophrenen Patienten
¾ Vergleich natürliche emotionale
Gesichter vs. virtuelle emotionale
Gesichter
¾ Ähnliches Muster
¾ VR erlaubt reliable und valide
Erfassung der sozialen
Wahrnehmung
Dyck et al (2010). Psychiatry Research, doi 10.1016/j..psychres.2009.11.004
VR in Neurowissenschaften/
Psychologie
¾ Verfolgungsideen in Allgemeinbevölkerung
¾ 40% der Teilnehmer weisen Züge von „paranoiden Ideen“ auf
¾ Häufigkeit der Nutzung von U-Bahn hat Einfluss
¾ Wenig-Nutzer von U-Bahn misstrauischer
Freeman et al. (2008) British Journal of Psychiatry 192:258-263
Zusammenfassung
¾ VR erlaubt Untersuchung bisher schwer erfassbarer
neuropsychologischer Funktionen
¾ Experiment vs. Beobachtung
¾ Valide Erfassung/Operationalisierung der kognitiven Funktionen
¾ Hohe Übereinstimmung zwischen virtueller Realität und Realität
¾ Neue Erkenntnisse über
¾ Neuronale Repräsentation kognitiver Funktionen
¾ Pathophysiologische Prozesse bei psychiatrischen Erkrankungen
Anwendungen von Virtual Reality in
Psychiatrie/Psychotherapy
Medizinische Anwendungen
von VR
VR mit Patientendaten
Arzt interagiert mit Computer
Grundlagen /
Angewandte
Wissenschaft
Diagnostik
Therapie
- 3D-Volumendaten: Matching von
verschiedenen Datenquellen: MRTSonographie
- Virtuelle Koloskopie
- Präoperative Planung und
intraoperative Navigation
- Operationsroboter
- Virtuelle Radiotherapie
- Telemedizin
Rehabilitation
Ausbildung
- Simulation invasiver oder
lernintensiver Verfahren:
- Virtuelle Arthroskopie
- Virtuelle Echokardiographie
VR in künstlichen Umgebungen
Pat. interagiert mit Computer
- Neurobiologie
- Pathophysiologische Konzepte
- Endophänotypen
- Psych. Testverfahren zur
Untersuchung verschiedener
neuropsych. Funktionen
- Neurologische Patienten mit
Störungen der Motorik oder
Sensorik
- Therapie von spezifischen Phobien
durch virtuelle „in-vito“-Exposition,
von Depressionen
- Therapie der Posttraumatischer
Belastungsstörung (PTBS)
- Rehabilitation von motorischen oder
kognitiven Funktionen z.B. nach
Schlaganfall
Vorteile von VR-Technik in
Psychiatrie/Psychotherapie
¾ Primär im Rahmen der kognitiven Verhaltenstherapie
¾ Integration in bekannte theoretische Therapieform
¾ Neue Technologie – alte Intervention
¾ Verhaltensorientierte
Interventionsverfahren
¾ Konfrontation
¾ Systematische Desensibilisierung
¾ Reizüberflutung/ Flooding
¾ VR als technologisches Werkzeug
Anwendungen in
Psychiatrie/Psychotherapie
¾ Therapie
¾ Höhenangst
Emmelkamp et al. (2002) Behav Res Ther 40: 509-516
¾ Flugangst
Rothbaum et al (2006) Behav Ther 37: 80-90
¾ Soziale Phobie
Klinger et al. (2005) Cyberpsychol Behav 8:76-88
¾ Posttraumatische Belastungsstörung
Rothbaum et al. (2001) J Cin Psychiat 62:617-622
¾ Essstörung
Riva et al (2003) Cyberpsychol Behav 6: 251-258
Therapie von einfachen
Phobien: Höhenangst
¾ Früheste Therapiestudie mit VR
¾ Systematische Desensibilisierung
¾ VR-gestützte Therapie vs.
Warteliste
¾ Dauer 8 Wochen
¾ Fragebögen zur Höhenangst:
¾ VR-Gruppe signifikante Besserung gegenüber Warteliste
¾ VR-gestützte Therapie kann Höhenangst reduzieren
Rothbaum et al. (1995) Am J Psychiatry 152: 626-628
Therapie von einfachen
Phobien: Flugangst
¾ 3-armige Studie
¾ Warteliste (WL) vs. VR vs. Kognitive Verhaltenstherapie (KVT)
¾ 4 VR-Sitzungen in 2 Wochen im virtuellen Flugzeug
¾ KVT: nur Flughafenexposition, aber kein Flug (nur Imagination:
in sensu)
¾ VR und KVT vergleichbar effektiv
und effektiver als WL
¾ Titel: VR Therapy and standard
(in Vivo) exposure therapy……
Rothbaum et al. (2006) Behav Therapy 37: 80-90
Therapie von einfachen
Phobien: Flugangst:
Bedeutung von Immersion und Präsenz
¾ Vergleich HMD vs. CAVE (vs. Warteliste)
¾ VR Exposition
¾ Fragebögen 6 Monate später
¾ Beide VR-Gruppen signifikant besser als WL
¾ Keine Unterschied zwischen HMD und CAVE
Î Immersion und Präsenz keinen Effekt?
Krijn et al. (2004) Behav Res Ther 42: 229-239
Therapie von einfachen
Phobien: Klaustrophobie
¾ Fahrt durch einen virtuellen Tunnel
¾ Signifikanter Unterschied Patienten vs.
Kontrollen
¾ Selbstbericht
¾ Herzfrequenz
Mühlberger et al (2007). Psychol Assess 19:340-346
Therapie von der PTBS
Trauma: Angriff auf World Trade Center
¾ VR-System
¾ Head Mounted Display
¾ Tracking System
¾ Sound System
¾ Virtuelle systematische Desensiblisierung
¾ 11-stufige Hierarchie
¾Ein Flugzeug fliegt
über Ney York (Stufe 1)
¾Zusammenbruch der
Gebäude (Stufe 11)
¾ 14 Sitzungen
¾ Vergleich mit Warteliste
Difede et al. (2007) Journal of Clinical Psychiatry 68:1639-1647
Schmerzkontrolle bei
Behandlung von Brandwunden
¾ VR-Gruppe vs. normale Gruppe
¾ VR-Entspannung effektiv
¾ Signifikant weniger Schmerz
¾ Behandlung kürzer
¾ Teilgruppe hohe Immersion
¾ Deutliche Differenzen
¾ Teilgruppe niedrige
Immersion
¾ Wenig Unterschiede
Hoffman et al (2008) Clinical Journal of Pain. 24: 299-304
Zusammenfassung
¾ Bereich Psychotherapie mehr Review als kontrollierte Studien
¾ Fast alle Studien viel zu kleine Stichproben (z.T <10)
¾ Einfache Phobien
¾ Praktikabler als in vivo Exposition, unklar ob wirksamer
¾ Unklar ob besser wirkt als Imagination (in senso)
¾ PTSD
¾ Primär Studien mit Kriegsveteranen (andere Trauma?)
¾ Relevanter wegen Probleme mit in vivo Exposition
Î Immersion + Präsenz = Hypnose?
Eigene Studien: räumliches Gedächtnis:
VR-gestütztes neuropsychologisches Testsystem
Komponenten des VRSystems
¾ Präsentation
¾ Head Mounted Display
(Sony Personal LCD Display)
Auflösung: 800 x 600 Pixel
¾ Interaktion
TM
¾ Trackingsystem (InterTrax 20)
zur Erfassung von Rotationsbewegungen in der Ebene
Abtastrate: 256 Hz
Latenzzeit: 38 ms ± 2 ms
¾ Maus zur Initiierung von
Vorwärtsbewegungen
Neuropsychologische
Operationalisierung
Î Allozentrisches Gedächtnis:
Betrachter unabhängiges LernenÙ virtueller Park
mit Landmarken, grösstenteils gut überschaubar
Î Egozentrisches Gedächtnis
Betrachter abhängiges Lernen Ù virtuelles Labyrinth
ohne Landmarken, nicht überschaubar
Virtuelle Realität: Park und
Labyrinth
Video: Virtueller Park
Video: Virtuelles Labyrinth
Temporallappenepilepsie
¾ TLE-rechts signifikante
Beeinträchtigungen
¾ Besondere Bedeutung: Läsion des
rechten posterioren Parahippcampus
TLE-links N=13
TLE-rechts N=18
Kontrollgruppe N=19
Weniger, G. & Irle, E. (2006). European Journal of Neuroscience 24: 2406–2414.
Parietale Blutung
Park
Labyrinth
Links parietale Läsion N=14
Rechts parietale Läsion N=10
Kontrollgruppe N=36
Î Kein Lateralitätseffekt
Weniger et al. (2009). Neuropsychologia 47: 59-69
Schizophrenie
Ergebnisse
Schizophrenie N=25
Park
Park: hochsignifikante
Unterschiede
Kontrollen N=25
Labyrinth
Labyrinth: keine
Unterschiede
Weniger, G. & Irle, E. (2008). Schizophrenia Research 101:201-209.
Ergebnisse
Regionen erhöhter Aktivierung
während Egozentrischem Lernen
posterior parietal – temporal retrospenial/ cinguläres –
rremotorisches Netzwerk
PHC: parahippocampaler Cortex
Bilateral
Bold Signal
Bilaterale rechtsbetonte Aktivierung der posterioren
parahippocampaler Gyrus
Weniger et al (2010). Neurobiology of Learning and Memory 93: 46–55
Zusammenfassung
¾ Anzahl Fehler bei allen bisher untersuchten Patienten (TLE,
MCI, ICB) und Kontrollen
¾ Allozentrisch (Park) < egozentrisch (Labyrinth)
¾ Patienten mit Schizophrenie
¾ Egozentrisch (Labyrinth) < allozentrisch (Park)
¾ Erklärung
¾ Egozentrisches Gedächtnis als Teil des impliziten Gedächtnisses
¾ Dissoziation bei klinischer Gruppe
¾ modifiziert neuropsychologische Theorie
Folgerungen für Schizophrenie
¾ Beeinträchtigung des allozentrischen (deklarativen)
Gedächtnis bei Patienten mit Schizophrenie
¾ Bisher nur eine Studie
Hanlon et al (2006) Schizophr. Res. 87:67-80
¾ Egozentrisches (implizites) Lernen intakt
¾ Globalere implizite neuronale parietale Netzwerk weniger
beeinträchtigt als das deklarative hippocampale
Gedächtnissystem
¾ Konsequenz: Psychoedukation weniger explizit?
Zusammenfassung
Zusammenfassung:
VR in Medizin
¾ VR bietet Technologie, deren Einsatz in Medizin sicherlich
sinnvoll, z.B.
¾ Operationsnavigation
¾ Rehabilitation
¾ Ausbildung/ Training
¾ Bisher immer noch zu wenig wissenschaftlich gesicherte
Daten
¾ Evaluation wo, welche Art von VR geeignet ist
¾ Praktisch-wirtschaftliche Aspekte bedeutsam
¾ Allerdings VR auch Modethema
¾ nicht alle gedachten Anwendungen sinnvoll
Zusammenfassung:
VR in Neurowissenschaften
¾ „Neue“ Methodologie in experimentellen Neurowissenschaften
¾ VR ermöglicht das Verhalten der einzelnen enthaltenen Objekte
vollständig kontrollieren zu können
¾ Virtuelle Realität als homologes/analoges Modell für die Realität
¾ Grad der Immersion
¾ Durchführung neuartiger in Realität nicht durchführbare Experimente,
exemplarisch
¾ Visuell-räumliches Lernen
¾ Soziale Interaktion
Zusammenfassung VR in
Psychiatrie/Psychotherapie
¾ Neue Interventionsform basierend auf alten
verhaltenstherapeutischen Techniken: Exposition
¾
Virtuelle Realität zwischen in sensu und in vivo
¾ Bedeutung bei phobischen Störungen
¾
Unbestritten, aber lohnt Aufwand?
¾ Bedeutung bei komplexen Angststörungen PTBS
¾
¾
Ja
Aber: Retraumatisierung offen
¾ Bedeutung bei Persönlichkeitsstörungen
¾
¾
Nein bisher keine Studie
Psychotherapeuten weiter notwendig
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit