Effects of Embodiment in a VR Application for Rehabilitation

Closed Human-Computer Interaction Bachelor Thesis No Affiliation

1. Einleitung

Die fortschreitenden Entwicklung von Virtual-Reality (VR) eröffnet neue Bereiche der Forschung und Möglichkeiten, sie nicht nur zu Unterhaltungszwecken zu nutzen, sondern auch für medizinische Zwecke zu verwenden. Durch die Möglichkeit, eine Person in einer virtuellen Welt darzustellen, kann man zum Beispiel versuchen Phobien zu lindern, indem man in einer sicheren, virtuellen Umgebung Konfrontationstherapie betreibt, während der Patient in der echten Welt nie einer Gefahr ausgesetzt ist (Carlin, Hoffman, & Weghorst, 1997). Aber vorallem im Bereich Physiotherapie und Rehabilitation wird immer mehr versucht, mit VR-Anwendungen den Genesungsverlauf positiv zu beeinflussen (Sveistrup, 2004).

Wie Sveistrup, 2004 in ihrem Review Artikel zeigt, gibt es bereits einige durch VR unterstützte Reha-Anwendungen und Konzepte die darauf abzielen, Nutzer auf ihrem Weg der Genesung zu unterstützen. Jack u. a., 2001 entwickelten zum Beispiele eine Desktop-VR Anwendung, die Patienten nach einem Schlaganfall helfen sollte, die Beweglichkeit ihrer Hand wieder herzustellen. Mithilfe verschiedener Cyber-Gloves absolvierten Patienten VR-gestützte Trainingseinheiten, die verschiedene Übungen zum Training der Griffkraft oder Bewegungsgeschwindigkeit enthielten. Auch Hamzeheinejad, Straka, Gall, Weilbach, und Latoschik (2018) entwickelten ein System, das Patienten die nach einem Schlaganfall das Laufen neu erlernen müssen, dabei hilft, ihre Trainingseinheiten zu absolvieren. Die Nutzer laufen dabei nicht nur auf einem Crosstrainer, sondern werden über ein Head-Mounted-Display (HMD) in eine virtuelle Welt versetzt, in der sie sich, passend zu ihrer Geschwindigkeit auf dem Crosstrainer, fortbewegen können. Dies soll die Motivation und Zufriedenheit der Patienten während der Rehabilitation fördern.

In diesem Kontext entstand auch iLast, eine VR-Anwendung, die Patienten mit einer Knieverletzung, zum Beispiel einem Kreuzbandriss (Kreuzbandruptur, 2005), bei der Rehabilitation unterstützen soll. Sie ermöglicht das Training in VR in verschiedenen Umgebungen, wie zum Beispiel am Strand, und gibt gleichzeitig Hilfestellung für die Ausführung unterschiedlicher Physiotherapeutischer Übungen. Somit soll die Motivation des Nutzers gesteigert und ein regelmäßges Training auch außerhalb der Termine beim Physiotherapeuten gewährleistet werden. In dieser Arbeit sollen weitere Erkenntnisse darüber gewonnen werden, wie die Darstellung des Nutzers in VR, hier im Kontext von iLast, dessen Verhalten und Erleben beeinflusst. verstärken sollte.

1.1 Motivation

Ziel der Studie soll es sein herauszufinden, wie sich die Visualisierung des Körpers bei solchen Anwendungen auf den Nutzer auswirkt. Keine der drei genannten Studien macht explizit Aussage darüber, welche Darstellung des Nutzers in VR gewählt wurde und warum. Wie dos Santos u. a. (2016) in ihrem Artikel feststellten gibt es viele unterschiedliche Arten der Visualisierung der Bewegungen des Nutzers im Kontext der Rehabilitation mit VR. Die häufigsten Varianten visualisieren nicht den Nutzer selbst, sondern manipulieren die virtuelle Umgebung, um Bewegung vorzutäuschen. Nur 9 der 44 von dos Santos u. a. (2016) untersuchten Studien beeinhalteten einen virtuellen Körper bzw. ein virtuelles Körperteil. In kaum einer der Studien wurde explizit erläutert, welche Darstellung des Nutzers gewählt wurde und warum. Diese Studie setzt genau dort an und versucht, verschiedene Visualiserungen des Nutzers in VR zu vergleichen und erste Erkenntnisse zu gewinnen, wie diese dessen Training beeinflusst. Weiterhin soll ein virtueller Spiegel integriert werden und dessen Effekt auf die Illusion of Virtual Body Ownership untersucht werden.

2. Forschungsstand

Auf dem Gebiet Virtual Reality und Body Ownership wird seit Jahren viel geforscht. Dabei gibt es verschiedene Ansatzpunkte und Phänomene, die untersucht werden. Wie frühere Forschung beweist, ist es möglich, dass eine Person mit den richtigen Reizen fremde Objekte, wie zum Beispiel eine Gummihand, als Teil ihres eigenen Körpers wahrnehmen kann. Bei der sogenannten Rubber-Hand-Illusion (RHI) (IJsselsteijn, de Kort, & Haans, 2006) wird dem Proband durch synchrone Stimulierung der versteckten, echten Hand und der vor dem Probanden positionierten Gummihand vorgegaukelt, die Gummihand sei seine eigene. Dies funktioniert jedoch nicht nur mit einzelnen Körperteilen, sondern ebenso mit dem ganzen Körper, wie IJsselsteijn u. a., 2006 ebenfalls feststellen konnten. In einem weiteren Experiment versetzten sie die Perspektive des Probanden mithilfe eines Head-Mounted-Display (HMD) und mehreren Kameras so, dass es aussah, als wäre der Körper einer Puppe sein eigener. Durch synchrone Stimuli des echten Körpers und des aus erster Perspektive betrachteten Puppenkörpers gewannen die meisten Probanden den Eindruck, in einen anderen Körper versetzt worden zu sein. Als die Gummihand, bzw. der Körper der Puppe durch den Versuchsleiter mit einem Messer bedroht wurde,reagierten die Probanden als wäre ihr eigener Körper in Gefahr. Für eine derartige ’Illusion of Virtual Body Ownership’ (IVBO) in VR (Lugrin, Latt, & Latoschik, 2015), also die Illusion, dass ein künstlicher Körper für einen Probanden wie sein eigener wirkt, gilt es jedoch einige Dinge zu beachten. So stellten Tsakiris, Carpenter, James, und Fotopoulou, 2010 fest, dass die RHI nicht funktioniert, wenn das Objekt, welches vom Probanden verkörptert werden soll, nicht die topologischen Eigenschaften einer Hand besitzt. Außerdem verhindern unmögliche Positionierungen oder Haltungen (Tsakiris & Haggard, 2005), z.B. ein um 180 Grad verdrehter Arm oder die Positionierung von Körperteilen außerhalb des unmittelbaren Umfeldes des Körpers, also an Stellen an denen der Proband sie nicht seinem eigenen Körper zurechnen kann (Lloyd, 2007) diesen Body Ownership Effekt. Slater, Steed, Latoschik, und Reiners, 2010 beschreiben die Vorraussetzungen für eine überzeugende Body Ownership Illusion sinngemäß so: Der künstliche Körper muss aus Ego-Perspektive betrachtet werden. Dadurch reicht es dann aus, wenn ein real aussehnder Körper in der gleichen Haltung und Position scheint wie der echte Körper, um eine Illusion zu erzielen. Durch die Synchronität der Perspektive und der Bewegungen sind externe Stimuli nicht notwendig. Derartige Stimuli des echten und falschen Körpers sowie Realismus von Kleidung und künstlichem Körper können den Effekt zwar beeinflussen, sind aber nicht essentiell. Wie der Proteus-Effekt (Yee & Bailenson, 2007) jedoch zeigt, hat die Darstellung des Nutzers sehr wohl Einfluss auf dessen Verhalten. Dieser besagt, dass das Aussehen des Avatars, also die Darstellung des Nutzers in der virtuellen Welt, dessen Verhalten und Handlungen beeinflusst. So zum Beispiel hat das Aussehen des Avatars einen Einfluss darauf, wie ein Proband in VR eine Trommel spielt (Kilteni, Bergstrom, & Slater, 2013) oder kann dessen Größenwahrnehmung beeinflussen (Banakou, Groten, & Slater, 2013).

Die Body Ownership Illusion kann verstärkt werden, wenn der Proband sich selbst und seine Bewegungen in der virtuellen Umgebung betrachten kann. In einem Experiment dazu konnten Gonzalez-Franco u. a., 2010 feststellen, dass ein Spiegelbild des Probanden in VR dessen Gefühl von Body Ownership für den virtuellen Körper verstärkt. Probanden, die synchrone Bewegungen ihres Spiegelbildes mit dem eigenen sahen, versuchten signifkant öfter die Kollision mit einem von der Decke herabgleitenden virtuellen Ventilator zu vermeiden als Probanden in der Kontrollgruppe, bei denen das Spiegelbild festgelegte Aktionen ausführte.

Für diese Studie stellt sich nun die Frage, wie diese Darstellung des Nutzers sein Trainingsverhalten beeinflussen kann. Dazu wird einmal der komplette Körper in VR dargestellt und einmal nur der Fuß des Nutzers als abstrakteres Objekt. Studien, wie die von Tsakiris und Haggard, 2005 legen nahe, dass der Body Ownership Faktor bei der Darstellung des ganzen, realistischen Körpers höher sein sollte, als bei der Darstellung nur des Fußes als abstraktes Objekt. Außerdem sollte ein virtueller Spiegel in beiden Bedingungen den Effekt der IVBO verstärken (Gonzalez-Franco u. a., 2010).

3. Hypothesen

Unter Berücksichtigung des Forschungsstandes ergeben sich folgende Hypothesen

1. Der Body Ownership Faktor ist in der Kondition “Ganzer Körper”höher als in der Bedingung “Nur Fuß”
2. Der Spiegel erhöht in beiden Bedingungen den Body Ownership Faktor

4. Studie

Zur Überprüfung der Hypothesen soll eine Studie mit einem 2x2 gemischt faktoriellen Design durchgeführt werden. Der between-Faktor ist dabei die Verkörperung (Körper vs. nur Fuß), der within-Faktor ist die Präsenz eines Spiegels. In der Körper-Gruppe absolvieren die Probanden ein Training mit voll visualisiertem Körper, einmal mit Spiegel und einmal ohne Spiegel. Das gleiche Training absolviert auch die andere Gruppe, jedoch ohne Visualisierung des ganzen Körpers, sondern nur des Fußes durch ein abstraktes Objekt.

4.1 Ablauf

• Einverständniserklärung & Pre-Fragebögen
• VR-Equipment anziehen und kurze Einführung
• Einführung in VR durch Coach
• Ballübung 3x
  • 5 Wiederholungen
  • 60 Sekunden Pause
• Boxübung 3x
  • 10 Wiederholungen
  • 60 Sekunden Pause
• Post-Fragebögen

4.2 Fragebögen

• Einverständniserklärung
• IVBO-Questionaire (Lugrin u. a., 2015)
• Intrinsic Motivation Inventory (IMI)
• Simulator-Sickness Questionaire (Lugrin u. a., 2015)
• Subjektive Einschätzung des Schmerzlevels

5. Zeitplan

Referenzen

Banakou, D., Groten, R., & Slater, M. (2013). Illusory ownership of a virtual child body causes overestimation of object sizes and implicit attitude changes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110 (31), 12846–12851. eprint: http://www.pnas.org/content/110/31/12846.full.pdf

Carlin, A. S., Hoffman, H. G., & Weghorst, S. (1997). Virtual reality and tactile augmentation in the treatment of spider phobia: a case report. Behaviour research and therapy, 35 (2), 153–158.

dos Santos, L. F., Christ, O., Mate, K., Schmidt, H., Krüger, J., & Dohle, C. (2016). Movement visualisation in virtual reality rehabilitation of the lower limb: a systematic review. Biomedical engineering online, 15 (3), 144.

Gonzalez-Franco, M., Perez-Marcos, D., Spanlang, B., & Slater, M. (2010). The contribution of real-time mirror reflections of motor actions on virtual body ownership in an immersive virtual environment. In Virtual Reality Conference (VR), 2010 IEEE (S. 111–114). IEEE.

Hamzeheinejad, N., Straka, S., Gall, D., Weilbach, F., & Latoschik, M. E. (2018). Immersive Robot-Assisted Virtual Reality Therapy for Neurologically-Caused Gait Impairments. Proceedings of the 25th IEEE Virtual Reality (VR) conference.

IJsselsteijn, W. A., de Kort, Y. A. W., & Haans, A. (2006). Is This My Hand I See Before Me? The Rubber Hand Illusion in Reality, Virtual Reality, and Mixed Reality. Presence: Teleoperators and Virtual Environments, 15 (4), 455–464. eprint: https://doi.org/10.1162/pres.15.4.455

Jack, D., Boian, R., Merians, A. S., Tremaine, M., Burdea, G. C., Adamovich, S. V., . . . Poizner, H. (2001). Virtual reality-enhanced stroke rehabilitation. IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering, 9 (3), 308–318.

Kilteni, K., Bergstrom, I., & Slater, M. (2013). Drumming in immersive virtual reality: the body shapes the way we play. IEEE transactions on visualization and computer graphics, 19 (4), 597–605.

Kreuzbandruptur, Ü. (2005). Rupturen des vorderen Kreuzbandes bei weiblichen Athleten. Teil 1: Epidemiologie, Verletzungsmechanismen und Ursachen. SPORTMEDIZIN, 56 (6), 150.

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Lugrin, J.-L., Latt, J., & Latoschik, M. E. (2015). Avatar anthropomorphism and illusion of body ownership in VR. In Virtual Reality (VR), 2015 IEEE (S. 229– 230). IEEE.

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Sveistrup, H. (2004). Motor rehabilitation using virtual reality. Journal of neuroengineering and rehabilitation, 1 (1), 10.

Tsakiris, M., Carpenter, L., James, D., & Fotopoulou, A. (2010 Juli). Hands only illusion: multisensory integration elicits sense of ownership for body parts but not for non-corporeal objects. Experimental Brain Research, 204 (3), 343–352.

Tsakiris, M. & Haggard, P. (2005). The rubber hand illusion revisited: visuotactile integration and self-attribution. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance, 31 (1), 80.

Yee, N. & Bailenson, J. (2007). The Proteus effect: The effect of transformed selfrepresentation on behavior. Human communication research, 33 (3), 271–290.

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