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Jun 23, 2023

Virtuelle VCU-Welten dienen zum Trainieren, Lehren und Behandeln in der realen Welt

4. April 2023 Von Jeff Kelley An der Virginia Commonwealth University, der Heimat der Fakultät für Mathematik und Angewandte Mathematik des College of Humanities and Sciences, hat sich ein Computerlabor umgestaltet

4. April 2023

Von Jeff Kelley

An der Virginia Commonwealth University, der Heimat der Fakultät für Mathematik und Angewandte Mathematik des College of Humanities and Sciences, hat sich ein Computerlabor für das Frühlingssemester in ein einzigartiges virtuelles Klassenzimmer verwandelt.

Die 43 Desktops in Raum 2106 von Grace E. Harris Hall sind raus und 30 High-End-Spielesysteme von Alienware und Meta Quest-Virtual-Reality-Headsets sind da, die Schüler zu bestimmten Zeitpunkten in ihrem Einführungskurs in Mathematik tragen können. Das Ziel: Einen komplizierten Kurs belegen, den die Schüler nur schwer verstehen können, und ihnen mithilfe virtueller Objekte und 3D-Umgebungen helfen, sich mit komplexen mathematischen Konzepten vertraut zu machen.

Die VR-Module bieten Studenten Visualisierungen von Ableitungen, Änderungsraten, kritischen Punkten und anderen komplexen Rechenkonzepten. „Die Idee besteht darin, allen Studierenden konkrete, manipulierbare Gegenstände zur Verfügung zu stellen, mit denen sie interagieren können, und gleichzeitig eine Intuition über diese Hauptkonzepte der Infinitesimalrechnung zu entwickeln“, sagt Rebecca Segal, Ph.D., kommissarische Vorsitzende und Professorin am Fachbereich Mathematik und Angewandte Mathematik.

Die interaktiven Visualisierungen werden unter der Leitung von Nathaniel Kinsey, Ph.D., außerordentlicher Professor an der Fakultät für Elektrotechnik und Computertechnik des VCU College of Engineering, entwickelt. Er hat VR-Simulationen entwickelt, mit denen Ingenieurstudenten beispielsweise sehen können, wie unsichtbare elektromagnetische Radiowellen geformt werden, die durch komplexe Algorithmen geformt werden. Das neue VR-Rechnungsklassenzimmer mit Unterstützung des Office of the Provost soll einer größeren Zahl von Schülern virtuelles Lernen ermöglichen.

„Wenn dieses Pilotprojekt zur Analysis-Klasse erfolgreich ist, können wir neu darüber nachdenken, wie VCU in 20 Jahren aussehen wird“, sagt Kinsey.

Auf dem gesamten akademischen und medizinischen Campus nutzen Dozenten, Forscher und Kliniker VR für Lehre, Schulung und Patientenversorgung. Über eine neue Lernmethode hinaus bietet VR wirtschaftliche und Effizienzvorteile, indem es die Schulungskosten senkt und überall und jederzeit Zugang zu akademischen Lektionen bietet. Interaktive, virtuelle Anwendungen geben Ärzten außerdem die Möglichkeit, mehr Patienten zu behandeln und Therapien zu Hause zugänglich zu machen, indem sie relativ kostengünstige Hardware und eine Internetverbindung verwenden.

VR ist ein weit gefasster Begriff, meist geht es jedoch darum, ein skimaskenartiges Headset zu tragen, das die Augen bedeckt und es dem Benutzer ermöglicht, in eine 360-Grad-Umgebung einzutauchen, die auf einem Bildschirm im Inneren des Geräts angezeigt wird. Wenn es richtig gemacht wird, wird das Gehirn des Benutzers so getäuscht, dass es sich so anfühlt, als befände er sich tatsächlich in der virtuellen Welt – zum Beispiel beim Spaziergang auf einem Campingplatz, beim Spielen auf dem Schulhof oder beim Abfahren einer Skipiste. Der Benutzer hält außerdem Controller in den Händen, um mit der Umgebung zu interagieren.

(Der Bruder von VR, „Augmented Reality“ oder AR, lässt Bilder, Animationen oder Text über der tatsächlichen Umgebung des Benutzers schweben – sichtbar durch eine High-Tech-Brille, wie die Microsoft HoloLens, oder auf einem mobilen Gerät.)

Es gibt kaum eine Schule an der VCU, die VR nicht berührt hat.

„Insgesamt überzeugt uns VCU durch seine Breite. Es gibt eine Vielzahl von Dingen, für die die Leute an der VCU VR nutzen, und das ist der Unterschied zu anderen Institutionen“, sagt Nicholas Thomson, Ph.D., forensischer Psychologe und außerordentlicher Professor an der Abteilung für Psychologie des College of Humanities and Sciences und der Abteilung für Chirurgie der School of Medicine. Er leitet eine Reihe von Studien, in denen VR eingesetzt wird, um evidenzbasierte Therapien für Jugendliche bereitzustellen, bei denen das Risiko besteht, Gewalt auszuüben oder Verhaltensprobleme zu haben. Ziel ist es, Mobbing, gewalttätiges Verhalten und Vergeltungsmaßnahmen zu verhindern.

Bei der Entwicklung von VR-Anwendungen gibt es Versuch und Irrtum. Einige Fakultätsforscher und Anwendungsentwickler sind weiter fortgeschritten

und andere. Aber all das trägt zum kollektiven Wissen der Universität und einem globalen Verständnis darüber bei, welchen Beitrag VR im klinischen und akademischen Umfeld leisten kann.

„Einige dieser Ideen werden nicht funktionieren“, sagt James S. Thomas, Ph.D., Professor in der Abteilung für Physiotherapie am VCU College of Health Professions, dessen von den National Institutes of Health finanzierte Forschung sich auf die Anwendung konzentriert VR zur Behandlung von Menschen mit motorischen Kontrollproblemen. „Aber was funktioniert aus diesen Ideen heraus? Und wie bringen wir das, was funktioniert, in die nächste VR-Generation?“

Für eine Generation von Studenten, die in einer Welt der Bildschirme aufgewachsen sind – Studenten, Absolventen, Postdoktoranden und diejenigen in der medizinischen Facharztausbildung – bietet VR eine visuell-orientierte Lernmethode, die für diejenigen hilfreich ist, die im Klassenzimmer oder mit Büchern Schwierigkeiten haben.

„VR bietet viele neue Möglichkeiten, Schüler zu erreichen und ist eine umfassendere und schnellere Art des Lernens. Wenn Sie Daten auf unterschiedliche Weise präsentieren, verbessert dies die Fähigkeit der Schüler, Informationen aufzunehmen“, sagt Kinsey. „Das ist die Grundidee des multimedialen Lernens.“

Thomas, Kinsey und Semi Ryu der VCU School of the Arts leiten das VCU Launching Excellence in Virtual Reality (LEVR) Center. Das ultimative Ziel von LEVR besteht darin, Ressourcen über Abteilungen, Hochschulen und Campus hinweg zu bündeln, um die VR-Wissenschaft und -Entwicklung voranzutreiben.

Das Zentrum erhielt Mittel vom Breakthroughs Fund des Büros des Vizepräsidenten für Forschung und Innovation, um in Zusammenarbeit mit Dayanjan S. „Shanaka“ Wijesinghe, Ph.D., einer Abteilung für Pharmakotherapie und Outcomes Science der School of Pharmacy, eine VR-Yoga-Anwendung zu entwickeln außerordentlicher Professor (und Yoga-Guru). Die Idee: Erstellen Sie klinisch anerkannte Yoga-Lektionen in einer VR-Umgebung und geben Sie diese den Patienten zur Schmerzbehandlung zu Hause.

In Zusammenarbeit mit Milos Manic, Ph.D. vom College of Engineering, und LEVR, der Urogynäkologin des Central Virginia VA Health Care System und VCU-Assistenzprofessorin Lauren Siff, MD, möchte der teure und zeitintensive Schulungsprozess für Chirurgen, die dies wünschen, ersetzt werden Führen Sie eine spezielle Operation zur Behandlung von Inkontinenz bei Frauen durch. Dieses VR-System verwendet ein virtuelles, animiertes Becken und einen haptischen Controller, der dem Chirurgen in der Ausbildung ein realistisches Feedback gibt, während er das chirurgische Instrument, den sogenannten Trokar, auf dem Bildschirm bewegt, wenn der chirurgische Eingriff abgeschlossen ist.

Siff hofft, dass die VR-App eines Tages bestehende reale Trainingsmethoden verbessern oder ersetzen kann. Es ist kostengünstiger als die Verwendung von Leichen, da keine Anreise erforderlich ist. Das VR-System „wird hoffentlich zu einem System werden, das es Stipendiaten und ausbildenden Chirurgen ermöglicht zu sagen: ‚Setzen Sie mich in den Trainer, ich bin bereit zu spielen‘“, sagt Siff.

Zusätzlich zum VR-Yoga entwickelten Wijesinghe von der School of Pharmacy und sein Team eine Anwendung für Ärzte, die es ihnen ermöglicht, die Microsoft HoloLens-Brille aufzusetzen und, während sie weiterhin ihre tatsächliche Umgebung betrachten, virtuelle, dreidimensionale CT- und NMR-Scans anzusehen.

„Wenn Sie ein 3D-Modell auf Ihrem zweidimensionalen Bildschirm sehen und es [mit einer Maus] im Kreis drehen können, ist das wirklich cool“, sagt Ken Hopson, der „The Workshop“ der VCU Libraries leitet, eine Enklave voller Keller mit Gadgets und Spielereien, die der VCU-Community dabei helfen, neue Technologien zu erkunden. „Aber wenn Sie um Ihr Modell herumgehen können, während Sie daran arbeiten? Das ist die Bombe.“

VR kann auch verwendet werden, um Verhaltensänderungen bei Patienten anzuregen. VCU-Kliniker arbeiten häufig mit Ingenieuren zusammen, um Apps mit einer Reihe therapeutischer Ziele zu entwickeln.

Der VCU-VR-Pionier Ryu, Professor für kinetische Bildgebung, leitet seit Jahren ein Projekt zu „virtuellen Körpern“, das älteren Erwachsenen und Krebspatienten die Möglichkeit gibt, eine virtuelle Darstellung ihrer selbst – als Kind oder jüngerer Erwachsener – auf einer Projektion zu sehen in einem Headset. Der Patient, der einen Controller in der Hand hält oder Sensoren am Körper trägt, erzählt eine Geschichte und beobachtet dabei, wie sich sein Avatar bewegt.

Das Ergebnis: Der Teilnehmer öffnet sich.

Im fortgeschrittenen oder letzten Lebensstadium hat das Projekt Erwachsenen dabei geholfen, sich an ihre Vergangenheit zu erinnern und „einen Sinn ihres Lebens zu entwickeln, der für die Sterbebegleitung unerlässlich ist“, sagt Ryu, ebenfalls außerordentliche Professorin an der Abteilung für Innere Medizin an der Medizinischen Fakultät.

Jetzt überträgt sie dieses Konzept auf die psychiatrische Versorgung von Kindern. Sie erzählt die Geschichte eines 8-jährigen Jungen, der selten mit seinem Berater sprach. Als er Ryus Anwendung nutzte und einen virtuellen Avatar seiner selbst sehen und bewegen konnte, „brachte es ihn zum Sprechen“, sagt sie. VR fördert im Gegensatz zur herkömmlichen Sitztherapie auch die Bewegung. „Er begann zu sprechen. Er trat auf. Er fing an, mit seinem Körper zu sprechen und zu gestikulieren“, sagt Ryu. „Es war unglaublich, wie [VR] es ihm bequem machte.“

VR-Umgebungen bieten Forschern eine immersive, kontrollierte Umgebung für ihre Forschung.

Hayley Cleary, außerordentliche Professorin für Strafjustiz an der L. Douglas Wilder School of Government and Public Affairs, nutzt VR, um den schmalen Grat zwischen zulässigen Verhörtechniken der Polizei und Zwang zur Erlangung eines Geständnisses zu erkunden. Untersuchungen zeigen, dass Jugendliche aufgrund ihrer Entwicklungsunreife anfällig für gewaltsame Überredung sind und eher dazu neigen, falsche Geständnisse abzugeben, um dem Druck der Polizei zu entgehen, sagt sie.

Sie hat eine VR-Umgebung geschaffen, die einen jungen Menschen in ein immersives Verhörszenario versetzt, in dem ein Detektiv ihn mithilfe verschiedener Techniken befragt. Die Teilnehmer berichten über ihre Wahrnehmung von Sorgerecht und Nötigung, und die Forscher sammeln ihre physiologischen Daten.

„VR ermöglicht es uns, Verhöre in der realen Welt zu simulieren und gleichzeitig die experimentelle Kontrolle zu behalten und die Sicherheit der Teilnehmer zu gewährleisten“, sagt Cleary, dessen Forschung vom VCU Quest Fund mit dem Ziel unterstützt wurde, Gesetze und Richtlinien zu informieren, insbesondere für Verdächtige der Hautfarbe, die möglicherweise betroffen sind erhöhte Benachteiligung bei Verhören. „Aus Forschungssicht ist es das Beste aus beiden Welten.“

Thomas und sein Team entwickeln eine Reihe virtueller Spiele (Ärzte nennen sie „Interventionen“) für Patienten mit Bewegungsstörungen. Mit einem Headset kann der Patient virtuell angeln gehen oder Volleyballbälle mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Flugbahnen angreifen. Als Direktor des Motor Control Lab an der VCU hofft Thomas, dass VR Menschen mit Beeinträchtigungen der Rumpfkontrolle, die durch orthopädische oder neurologische Erkrankungen wie die Parkinson-Krankheit verursacht werden, dabei helfen kann, sich zu bewegen. „Und wenn man das Headset abnimmt, bewegt man sich hoffentlich noch besser“, sagt er.

Zina Trost, Ph.D., außerordentliche Professorin in der Abteilung für Physikalische Medizin und Rehabilitation, nutzt VR zur Behandlung neuropathischer Schmerzen bei Personen mit Rückenmarksverletzungen. Durch das Tragen eines VR-Headsets können Querschnittgelähmte, die ihre realen Beine nicht mehr benutzen können, in einer virtuellen Umgebung laufen – eine Methode, um aktiv zu bleiben und ihre chronischen Schmerzen zu lindern. Sie hofft, dass die Plattform zu einem Telegesundheitstool für Patienten wird, das von externen Ärzten überwacht werden kann. Trosts klinische Studie an mehreren Standorten wird vom Verteidigungsministerium finanziert.

Mark Lambert, Profi für visuelle Effekte vor Ort, und Jarrod Reisweber, Psy.D., Assistenzprofessor am Institut für Psychologie, haben „The Retreat“ entwickelt, ein VR-Programm für Personen, die sich von einer Substanzstörung erholen. Darin besuchen Benutzer einen Campingplatz voller verschiedener Lektionen, Meditationen und Spiele, um ihre persönlichen kognitiven Verhaltenstherapiesitzungen zu ergänzen. Erste Tests am VA, wo Reisweber praktiziert, haben positive Ergebnisse gezeigt.

Aber können Verhaltensänderungen anhalten, nachdem der Bildschirm ausgeschaltet und das Headset weggelegt wurde? Es ist eine große Unbekannte, sagt Thomas. Führen die von Auszubildenden mithilfe des VR-Chirurgietrainers von Siff entwickelten Fähigkeiten zu weniger Komplikationen oder besseren chirurgischen Ergebnissen? Verbessert das Spielen von VR-Völkerball die Fähigkeit, sich in der realen Welt schmerzfreier zu bewegen?

„Das sind die Fragen, die durch eine gründliche Forschung geklärt werden müssen, und die VCU ist für diese Aufgabe hervorragend aufgestellt“, sagt Thomas, der kurz vor dem Abschluss seiner klinischen VR-Völkerball-Phase-II-Studie steht. Er ermutigt Forscher, sich Zeit zu nehmen und sicherzustellen, dass ihre Anwendungen VR nicht nur zum Selbstzweck nutzen.

„Meine größte Angst ist, dass die Leute mit der Erstellung einer Anwendung weitermachen, bevor sie die Forschung abgeschlossen haben, und plötzlich gibt es viele schlechte Anwendungen, die nicht wirklich etwas bewirken, und VR bekommt einen schlechten Ruf“, sagt Thomas . „Es ist ein wunderbar leistungsstarkes Werkzeug. Derzeit hat es für Forscher ein großes Potenzial als klinisches Werkzeug mit einem Zuhause für sehr spezifische Anwendungen.“

Die Entwicklung von VR-Apps erfordert Zeit und Feedback von Ärzten und Patienten, was sich letztendlich in der Überarbeitung des Softwarecodes oder der Durchführung von Hardwareanpassungen niederschlägt. Das Endziel besteht darin, das VR-Erlebnis so real und interessant wie möglich zu gestalten.

„Je mehr ich Sie dazu bringen kann, sich auf das Zielverhalten einzulassen, desto mehr werde ich auf neuronaler Ebene umgestalten und die gewünschten Ergebnisse erzielen“, sagt Thomas. „Das ist der Heilige Gral der VR.“

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