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 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
