VR: Training und Leistung [Teil 1]

Die aktuelle Generation von Virtual-Reality-Geräten (VR) bietet die Möglichkeit, neue Welten mit beispielloser Realitätsnähe zu erleben. Das Eintauchen in Umgebungen, die in der Realität unpraktisch, gefährlich oder gar unzugänglich sind, ist nun mithilfe dieser Geräte möglich, die oft nicht größer sind als ein Fernglas.

VR in ihrer heutigen Form, die seit etwa 2010 auf dem Markt ist, ist heute zudem zugänglicher denn je – viele der früheren Geräte waren für den Durchschnittsverbraucher schlichtweg zu teuer (und boten sicherlich nicht das Maß an Detailtreue und Immersion, das mit modernen Geräten möglich ist).

Da VR mittlerweile viel leichter zugänglich ist, beginnt man, das Potenzial dieser Geräte zu erkennen. Während sich die Entwicklung bislang vor allem auf die Verbesserung von VR für Gaming-Zwecke konzentrierte, sind die Möglichkeiten zur Verbesserung der Lebensqualität weitaus vielfältiger, und staatliche Einrichtungen, Universitäten und Unternehmen sind bestrebt, das volle Potenzial von VR auszuschöpfen.

Unter den Möglichkeiten, die die VR bietet, stehen Therapie (über die wir hier bereits berichtet haben), Design und Architektur sowie Schulungen ganz oben auf der Liste der am häufigsten erforschten und genutzten Bereiche (und bieten zudem großes Potenzial zur Verbesserung von Gesundheit und Wohlbefinden).

Das Training in der virtuellen Realität nutzt den zentralen Vorteil jeder virtuellen Umgebung: Sie lässt sich ganz nach Wunsch gestalten, einschließlich Umgebungen, in die man Menschen in der Realität niemals bringen würde, da dies unzumutbar oder unethisch wäre.

Im Folgenden werden wir die beliebtesten und am besten erforschten Anwendungsbereiche von VR – Medizin, Sport, Soziales, Militär und industrielle Ausbildung – durchgehen und die aktuelle Forschung zu deren Einsatz erörtern. Dieser Beitrag ist der erste Teil einer zweiteiligen Serie und behandelt die ersten drei Themen – Teil zwei finden Sie hier über diesen Link.

Medizinische Ausbildung und chirurgische Fortbildung mittels Virtual Reality

Schon relativ früh in der Geschichte der VR-Nutzung zeigte sich, dass die medizinische Ausbildung in virtuellen Umgebungen nicht nur von Vorteil sein könnte, da sie kein Risiko für die Patienten barg, sondern auch, dass sie Chirurgen in der Ausbildung als Ergänzung zu ihrer Ausbildung dabei helfen könnte, ihre Fähigkeiten zu verbessern.

Eine Studie von Seymour und Kollegen von der Yale University und der Queens University in Belfast ergab, dass die Entfernung einer Gallenblase bei denjenigen, die zusätzlich in einer VR-Umgebung geschult worden waren, im Durchschnitt nicht nur 29 % schneller erfolgte (im Vergleich zu denjenigen, die nur eine Standardausbildung absolviert hatten), sondern dass sie auch deutlich seltener Nicht-Zielgewebe verletzten oder verbrannten [1].

Eine Studie aus dem Jahr 2009 kam zu ähnlichen Ergebnissen bei laparoskopischen Eingriffen (Operationen im Bauch- oder Beckenraum). Die Forscher in Dänemark stellten ganz deutlich fest, dass ein vorheriges VR-Training die durchschnittliche Leistung bei der tatsächlichen Operation so weit verbesserte, dass sie der Durchführung von 20 bis 50 vorherigen Operationen entsprach, während die Leistung der Kontrollgruppe als der von weniger als fünf vorherigen Operationen gleichwertig eingestuft wurde [2].

Eine im Jahr 2016 durchgeführte Metaanalyse bestätigte diese Ergebnisse für die laparoskopische Chirurgie, wobei die Ergebnisse von 579 Teilnehmern ausgewertet wurden, die entweder an VR- oder Kontrollbedingungen teilnahmen [3]. Die Forscher stellten fest, dass bei den Teilnehmern der VR-Trainingsbedingungen insgesamt signifikante Verbesserungen der chirurgischen Leistung zu verzeichnen waren.

Auch wenn sich die oben genannten Studien auf bestimmte Arten von Operationen beschränken, liefern sie dennoch einen wichtigen Beweis dafür, dass sich praktische Fähigkeiten durch das Üben in der virtuellen Welt verbessern lassen.

Eine aktuelle Studie aus dem Jahr 2019 hat dies erneut im Zusammenhang mit Hüftgelenkersatzoperationen gezeigt [4]. Ein ähnliches Versuchsdesign (bei dem die Operationsleistung von anderen Chirurgen bewertet wurde, denen die Versuchsbedingungen nicht bekannt waren) führte zu ähnlichen Ergebnissen. Wie die Autoren der Studie feststellten, „belegen die Daten den Transfer von in der VR erworbenem prozeduralem Wissen und psychomotorischen Fähigkeiten in die reale Praxis … Das VR-Training hat sie auf der Lernkurve weiter nach oben gebracht“.

Die Bedeutung der Möglichkeit, chirurgische Fähigkeiten durch Training in der virtuellen Realität drastisch zu verbessern, kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden – sollten sich diese Vorteile auch bei anderen Formen der chirurgischen Behandlung bestätigen, könnte eine grundlegende Neugestaltung der Ausbildung im Operationssaal (und bessere Operationsergebnisse) durchaus bevorstehen.

In einem 2016 in den „Annals of Translational Medicine“ veröffentlichten Artikel hieß es: „Durch die Entwicklung gezielter, strukturierter Lehrpläne, die Simulationen in die tägliche Ausbildung der Assistenzärzte integrieren, werden simulierte Operationen die Fähigkeiten der Chirurgen stärken, die Krankenhauskosten senken und die Behandlungsergebnisse für die Patienten verbessern“ [5].

Virtual Reality für das Training im Sport und in der Physiotherapie

Analog zur chirurgischen VR-Ausbildung versuchen auch die Physiotherapie und das Sporttraining, die in simulierten Umgebungen möglichen Verbesserungen der motorischen Fähigkeiten zu nutzen.

Dies wurde unter anderem auf Lernstrategien für Basketball [6], American Football [7] und Tennis [8] angewendet. Es wurde eine Software entwickelt, mit der Spielzüge vor dem Einsatz der Spieler eingegeben werden können, sodass die Athleten Standardsituationen trainieren können, bevor sie diese im realen Spiel anwenden.

Dies hat den klaren Vorteil, dass die Spieler Fehler machen und sich gründlich vorbereiten können, bevor sie in ein Spiel einsteigen, bei dem es um mehr geht. In Kombination mit Tools wie Eye-Tracking lässt sich feststellen, worauf sich die visuelle Aufmerksamkeit des Spielers richtet, und erkennen, ob sich dies auf die Leistung auswirkt (um dann Lösungen zur Verbesserung des Spielverhaltens anzubieten).

Die Physiotherapie bietet zudem die Möglichkeit, Bewegungen in Umgebungen zu üben, in denen Fehler gefahrlos gemacht werden können. Forscher haben den Einsatz von VR-Umgebungen beim Gleichgewichts- und Gangtraining mit älteren Menschen untersucht [9]. Durch den Einsatz von Spielen können die Betroffenen ihre Bewegungen in Umgebungen trainieren, die motivierender sind als gewöhnliche Übungen (zum Beispiel in einem Skispiel), ohne dabei den Risiken ausgesetzt zu sein, die solche Umgebungen mit sich bringen würden (wie beim echten Skifahren).

Physiotherapie ist für die Genesung nach einem Schlaganfall besonders wichtig, da die positiven Effekte dosisabhängig sind – je mehr jemand seine Bewegungen trainieren kann, desto besser wird er sich erholen [10]. Es gibt viele Hindernisse, doch die größten sind logistische Probleme und die Kosten – nicht jeder hat einfachen Zugang zu Physiotherapie, und nicht jeder kann sie sich leisten.

Die virtuelle Realität trägt zumindest dazu bei, diese Hindernisse abzubauen – die Headsets sind zwar nicht gerade billig, aber immerhin deutlich günstiger als eine Therapie und bieten zudem den Vorteil, dass man sie zu Hause so oft nutzen kann, wie man möchte.

Wittman und andere Forscher des Universitätsspitals Zürich untersuchten die Auswirkungen des Einsatzes von VR bei Patienten, die einen Schlaganfall erlitten hatten [11]. Sie stellten fest, dass das VR-System von den Patienten intensiv genutzt wurde und dass sich die motorischen Funktionen mit zunehmender Nutzung schließlich verbesserten, was darauf hindeutet, dass dieses System gut als Ergänzung oder teilweiser Ersatz für die Physiotherapie in einer Klinik oder einem Krankenhaus dienen könnte.

Untersuchungen haben ähnliche Verbesserungen auch bei Kindern mit Zerebralparese gezeigt. Forscher mehrerer Universitäten in Korea stellten fest, dass VR-Umgebungen im Vergleich zu Nicht-VR-Training eine stärkere Verbesserung der motorischen Funktionen bewirken [12].

Der Einsatz von EMG-Geräten kann mehr Daten über die Funktionssteigerung liefern, indem er die tatsächliche Veränderung der Muskelaktivität quantifiziert. Andere Geräte wie das EEG können wichtige Informationen über die neuronale Aktivität liefern, die mit Veränderungen in Verbindung gebracht werden können, die zu motorischen Verbesserungen oder zur Rehabilitation führen.

Sozialtraining für Menschen mit Autismus

Ein weiterer Bereich, in dem VR zur Funktionsverbesserung eingesetzt wird, ist das Training sozialer Kompetenzen bei Menschen mit Autismus. Autismus ist laut DSM-5 (Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders, [13]) häufig durch „Schwierigkeiten bei der Kommunikation und Interaktion mit anderen Menschen“ gekennzeichnet. VR bietet die Möglichkeit, diese Fähigkeiten zu trainieren, ähnlich wie dies in der Physiotherapie geschieht.

Forscher der University of Texas führten bei Kindern mit hochfunktionalem Autismus im Alter von 7 bis 16 Jahren ein VR-Training durch [14]. Die Kinder betraten die VR-Plattform Second Life™ und erlebten verschiedene soziale Situationen mit einem virtuellen Avatar eines Therapeuten. Es fanden verschiedene Übungssitzungen statt, wie beispielsweise „Small Talk im Gespräch auf dem Schulhof“ oder „aktive Teilnahme an einer Gruppe im Klassenzimmer“. Die Kinder wurden zudem von einem anwesenden Therapeuten angeleitet, um ihnen zu helfen, sich in jedem Szenario zurechtzufinden.

Wie die Autoren feststellen: „Jedes soziale Szenario wurde so konzipiert, dass es ein bestimmtes soziales Lernziel in unterschiedlichen Kontexten hervorhebt, beispielsweise das Kennenlernen neuer Menschen, den Umgang mit einem Mobber, das Knüpfen von Freundschaften, die Bewältigung von Konflikten, das Trösten eines Freundes oder den Umgang mit sozialen Dilemmata (z. B. die Begegnung mit einem Fremden, das Ertappen eines Betrügers).“ Anschließend wurden bei den Kindern mithilfe verschiedener Tests ihre Fähigkeiten in den Bereichen Emotionserkennung, soziale Attribution, Aufmerksamkeit und exekutive Funktionen gemessen.

Die Forscher stellten fest, dass sich die Fähigkeiten der Kinder im Experiment in den Bereichen Emotionserkennung, soziale Attribution und teilweise auch bei den exekutiven Funktionen nach mehreren Wochen kontinuierlichen Übens verbesserten.

Die Studie wies jedoch einige Einschränkungen auf, wie die Autoren feststellen: „Zukünftige Forschungen, die VR zum Training sozialer Kognition einsetzen, könnten von der Erfassung von Emotionen im Gesicht profitieren“ – was darauf hindeutet, dass die Analyse von Gesichtsausdrücken (bei VR-Headsets müsste dies mittels Gesichts-Elektromyographie erfolgen) eine Rolle bei der Überprüfung der Emotionserkennung und beim Training spielen könnte. Die Autoren weisen zudem darauf hin, dass Eye-Tracking in der VR von Nutzen sein könnte, und führen an, dass „eine aktuelle Untersuchung von Barisic et al. (2013) die Machbarkeit und Wirksamkeit des Einsatzes eines dualen Eye-Tracking-Systems bei sozialen Interaktionen in Echtzeit gezeigt hat“ [15].

Der Einsatz von Eye-Tracking in Verbindung mit VR kann dazu beitragen, die Erfassung von Aufmerksamkeitsdaten zu automatisieren und dabei die visuellen Bereiche aufzuzeigen, die im Vergleich zu Kontrollgruppen häufiger oder seltener betrachtet wurden. Dies reduziert den Ressourcenaufwand für die Untersuchung von Aufmerksamkeitsprozessen (wie beispielsweise bei Testbatterien) und ermöglicht zudem eine direkte Messung dieser Prozesse in Echtzeit.

Andere Forschungsarbeiten haben auf denselben Prinzipien aufgebaut und unter anderem zu Verbesserungen der sozialen Kompetenzen von Menschen mit Autismus im Rahmen von Vorstellungsgesprächen [16], bei der Vermittlung von Verkehrssicherheit [17] sowie bei den Fahrfähigkeiten [18] geführt.

Forscher der Vanderbilt University nutzten verschiedene Messmethoden, um die Leistung autistischer Personen in einer Virtual-Reality-Fahrumgebung zu bewerten [18]. Die Autoren erklären: „Zu den untersuchten Signalen gehörten das Elektromyogramm (EMG), das Elektrokardiogramm (EKG), die galvanische Hautreaktion (GSR), das Photoplethysmogramm (PPG), die Hauttemperatur und die Atmung. Diese Signale wurden ausgewählt, da sie den affektiven Zustand der Testperson vorhersagen können [Cacioppo et al. 2007].“ [19].

Die Forscher nutzten zudem ein Emotiv-EEG-Gerät, um Daten zu kognitiven Zuständen sowie „Informationen zur Drehgeschwindigkeit“ zu erfassen, die zur Bewertung der Fahrleistung herangezogen wurden. Im Mittelpunkt der Studie stand der Einsatz von Eye-Tracking zur Verfolgung der Blickmuster der Teilnehmer.

Mithilfe eines adaptiven, blickabhängigen Paradigmas gelang es den Forschern, eine VR-Fahrumgebung zu entwickeln, die auf den Blickpunkt des Teilnehmers reagierte, „mit dem Ziel, eine individuellere Methode der Fahrintervention anzubieten“.

Der multimodale Ansatz erweist sich als äußerst vielversprechend, wenn er in Verbindung mit VR-Umgebungen eingesetzt wird, da er eine eingehende Untersuchung jeder beliebigen Umgebung ermöglicht.

Fazit

VR ist in ihrer derzeitigen Form zwar noch eine relativ neue Technologie, bietet jedoch vielversprechende Möglichkeiten, neuartige Umgebungen für innovative Testverfahren zu schaffen. Das Potenzial virtueller Schulungen für verschiedene Szenarien oder mit unterschiedlichen Zielgruppen ist enorm und bringt Vorteile wie geringere Kosten, weniger Stress und eine höhere Motivation mit sich; zudem werden dadurch bestimmte Umgebungen für Schulungszwecke erst überhaupt zugänglich gemacht.

Jeder Anwendungsbereich sollte natürlich gründlich getestet werden, um die möglichen Vorteile zu bestätigen oder zu widerlegen, und Biosensoren gehören zu den Instrumenten, die die dafür erforderlichen Daten liefern können. Erste Daten sehen jedoch vielversprechend aus und weisen den Weg zu einem besseren Training und einer besseren Leistung auch außerhalb virtueller Umgebungen.

Dies war der erste unserer Artikel zum Thema Training und Leistung in der virtuellen Realität. Den zweiten Artikel finden Sie hier über diesen Link.

Literaturverzeichnis

[1] Seymour, N., Gallagher, A., Roman, S., O’Brien, M., Bansal, V., Andersen, D. und Satava, R. (2002). Virtual-Reality-Training verbessert die Leistung im Operationssaal. Annals of Surgery, 236(4), S. 458–464.

[2] Larsen, C., Soerensen, J., Grantcharov, T., Dalsgaard, T., Schouenborg, L., Ottosen, C., Schroeder, T. und Ottesen, B. (2009). Auswirkungen von Virtual-Reality-Training auf die laparoskopische Chirurgie: randomisierte kontrollierte Studie. BMJ, 338(14. Mai 2), S. b1802–b1802.

[3] Alaker, M., Wynn, G. und Arulampalam, T. (2016). Virtual-Reality-Training in der laparoskopischen Chirurgie: Eine systematische Übersicht und Metaanalyse. International Journal of Surgery, 29, S. 85–94.

[4] Hooper, J., Tsiridis, E., Feng, J., Schwarzkopf, R., Waren, D., Long, W., Poultsides, L., Macaulay, W., Papagiannakis, G., Kenanidis, E., Rodriguez, E., Slover, J., Egol, K., Phillips, D., Friedlander, S. und Collins, M. (2019). Virtual-Reality-Simulation erleichtert die Ausbildung von Assistenzärzten in der Hüfttotalendoprothetik: Eine randomisierte kontrollierte Studie. The Journal of Arthroplasty.

[5] Badash, I., Burtt, K., Solorzano, C. und Carey, J. (2016). Innovationen in der chirurgischen Simulation: Ein Überblick über vergangene, aktuelle und zukünftige Techniken. Annals of Translational Medicine, 4(23), S. 453–453.

[6] Tsai, W., Chung, M., Pan, T. und Hu, M. (2017). Trainieren im virtuellen Spielfeld: Basketball-Taktiktraining mittels Virtual Reality. In: MultiEdTech ’17.

[7] Huang, Y., Churches, L. & Reilly, B. (2015). Eine Fallstudie zum American-Football-Training in der virtuellen Realität. Vortrag auf der internationalen ACM-Konferenz für virtuelle Realität (VRIC) in Laval, Frankreich.

[8] Kawamura, S.; Ida, M.; Wada, T.; Wu, J.L. Entwicklung einer virtuellen Sportmaschine unter Verwendung eines Drahtantriebssystems – ein Versuch mit virtuellem Tennis. In: Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Pittsburgh, PA, USA, 1995; S. 111–116.

[9] de Vries, A., Faber, G., Jonkers, I., Van Dieen, J. und Verschueren, S. (2018). Gleichgewichtstraining mit Virtual Reality für ältere Menschen: Ähnliche Skispiele stellen unterschiedliche Herausforderungen beim Gleichgewichtstraining dar. Gait & Posture, 59, S. 111–116.

[10] Kwakkel, G. (2006). Auswirkungen der Trainingsintensität nach einem Schlaganfall: zu berücksichtigende Aspekte. Disabil Rehabil, 28(13–14):823–30.

[11] Wittmann, F., Held, J., Lambercy, O., Starkey, M., Curt, A., Höver, R., Gassert, R., Luft, A. und Gonzenbach, R. (2016). Selbstgesteuerte Armtherapie zu Hause nach einem Schlaganfall mit einem sensorbasierten Virtual-Reality-Trainingssystem. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 13(1).

[12] Cho, C., Hwang, W., Hwang, S. und Chung, Y. (2016). Laufbandtraining mit Virtual Reality verbessert Gangbild, Gleichgewicht und Muskelkraft bei Kindern mit Zerebralparese. The Tohoku Journal of Experimental Medicine, 238(3), S. 213–218.

[13] American Psychiatric Association. (2013). Diagnostisches und statistisches Handbuch psychischer Störungen (5. Auflage). Arlington, VA.

[14] Didehbani, N., Allen, T., Kandalaft, M., Krawczyk, D. und Chapman, S. (2016). Training der sozialen Kognition mittels Virtual Reality für Kinder mit hochfunktionalem Autismus. Computers in Human Behavior, 62, S. 703–711.

[15] Barisic, I., Timmermans, B., Pfeiffer, U.J., Vogeley, K., Schilbach, L., 2013. Untersuchung sozialer Interaktionen in Echtzeit mittels Dual-Eye-Tracking, in: Proceedings of the ACM SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems. Vorgestellt auf der ACM SIGCHI
Conference on Human Factors in Computing Systems, Paris.

[16] Smith, M., Fleming, M., Wright, M., Losh, M., Humm, L., Olsen, D. und Bell, M. (2015). Kurzbericht: Berufliche Ergebnisse für junge Erwachsene mit Autismus-Spektrum-Störungen sechs Monate nach einem Virtual-Reality-Training für Vorstellungsgespräche. Journal of Autism and Developmental Disorders, 45(10), S. 3364–3369.

[17] Strickland, D., Mesibov, G.B. & Hogan, K. (1996). Zwei Fallstudien zum Einsatz von Virtual Reality als Lerninstrument für autistische Kinder. Journal of Autism & Developmental Disorders 26:651–659.

[18] Zhang L., Wade J., Bian D., Fan J., Swanson A., Weitlauf A. et al. (2017). Messung der kognitiven Belastung in einem auf Virtual-Reality basierenden Fahrsimulationssystem zur Intervention bei Autismus. IEEE Trans. Affect. Comput. 8, 176–189. 10.1109/TAFFC.2016.2582490.

[19] Cacioppo, J. T., Tassinary, L. G. und Berntson, G. (2007). Handbuch der Psychophysiologie. Cambridge University Press, Cambridge.