Relaxation, Distraction, and Fun: Improving Well-being in Situations of Acute Emotional Distress with Virtual Reality
This thesis investigates the stress-reducing and emotion-enhancing effects of virtual environments and digital games in situations of acute stress and emotional strain. Virtual reality (VR) technology allows users to immerse themselves in alternative worlds and escape reality for a moment by shielding them from stressful stimuli and distracting them from negative thoughts. First, three successive laboratory studies, forming the basic research foundation, will illuminate how the VR experience affects human sensation. Then, taking the example of magnetic resonance imaging (MRI) examinations of children, the real-world application of the findings is established.
The first study considered the role of immersion in particular. The results show that viewing an underwater simulation with a head-mounted display (HMD) leads to a more pronounced relaxation effect than viewing the same scenario on a conventional screen. The second study builds on this finding and demonstrates that active gaming in a natural virtual environment, which was developed specifically for this study, leads to an increased mood-enhancement due to the added distraction and interactivity. Furthermore, the study reveals that the experience of presence in the virtual environment promotes positive affect both during VR exposure and in a subsequent stressful situation, resulting in increased stress tolerance. The third study examined whether spending time in virtual nature or playing an action-packed VR game bears a greater recovery effect. It was found that both approaches can equally produce a significant improvement of the emotional experience. Again, the sense of presence simulated positive emotions, leading to a significant mood-enhancement in a subsequent stressful situation.
The laboratory studies required a reliable method for generating acute mental stress under controlled conditions. For this purpose, the ECG VR-TSST, a VR-based, flexible instrument that builds on a proven psychological stress induction procedure (Trier Social Stress Test), was developed within this thesis. Additionally, two studies were conducted which validate the effectiveness of the ECG VR-TSST.
MRI examinations of children constitute an example of an acute stress situation. Children often react to the MRI examination with high levels of anxiety and stress and often need to be sedated for a proper diagnosis. To this end, two content-related game-based VR applications (apps) were developed to reduce anxiety in children before and during the examination in an accompanying interdisciplinary research project. The “Pengunaut Trainer” is a VR app for smartphones to prepare for the examination based on play therapy and exposure therapy principles. In a virtual MRI scanner, children learn to lie motionless and can get used to the examination. Various playful elements and physical materials are used to promote long-term motivation for regular training of the examination. In a one-year, multicenter study, the effectiveness of the Pengunaut Trainer was demonstrated. Children who were prepared with the app were less afraid of the examination and more cooperative.
For distraction and entertainment during the MRI scan, the VR game “Pengunauts: Star Journey” was created. It continues the story of the Pengunaut Trainer and sends the patients on a journey through space using an MRI-safe HMD, which is currently under development. The thesis presents solutions for the multifaceted challenges the MRI examination poses for the game design and technical implementation of such a VR game. For instance, the game should be both distracting and calming, must not provoke movement, and be entertaining even when the patients are unable or unwilling to interact. The concept for this app was developed in a participatory development process together with children. The findings from the design process are formulated as guidelines for the design of VR games for similar use cases.
This work demonstrates that VR technology can improve many people's lives in situations of anxiety, stress, and emotional distress in a variety of ways.
In dieser Arbeit wird die stressreduzierende und emotionsförderliche Wirkung virtueller Umgebungen und digitaler Spiele in Situationen von akutem Stress und emotionaler Belastung untersucht. Mit Virtual Reality (VR)-Technologie können die Benutzer in andere Welten eintauchen und der Realität für einen Moment entfliehen, indem sie von belastenden Reizen abgeschirmt und von negativen Gedanken abgelenkt werden. Die Arbeit beleuchtet zunächst aus Sicht der Grundlagenforschung in drei aufeinanderfolgenden Laborstudien, wie sich das VR-Erlebnis auf das menschliche Empfinden auswirkt. Anschließend wird anhand des Beispiels der Untersuchung von Kindern im Magnetresonanztomographen (MRT) der reale Anwendungsbezug der gewonnenen Erkenntnisse hergestellt.
In der ersten Studie wurde dabei insbesondere die Rolle der Immersion betrachtet. Die Studie zeigt, dass die Darstellung einer Unterwassersimulation mit einem head-mounted display (HMD) zu einem größeren Entspannungseffekt führt als das Betrachten desselben Szenarios auf einem konventionellen Bildschirm. Die zweite Studie baut auf dieser Erkenntnis auf und zeigt, dass das aktive Spielen in einer eigens für diese Studie entwickelten virtuellen natürlichen Umgebung durch die zusätzliche Ablenkung und Interaktivität zu einem noch intensiveren stimmungsaufhellenden Effekt führt. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass das Gefühl von Präsenz in der virtuellen Umgebung das Erleben positiver Gefühle sowohl während der VR-Exposition als auch in einer nachfolgenden Stresssituation fördert und damit eine erhöhte Stresstoleranz bewirken kann. In der dritten Studie wurde untersucht, ob der Aufenthalt in virtueller Natur oder das Spielen eines actionreichen VR-Spiels einen größeren Erholungseffekt birgt. Dabei wurde gezeigt, dass beide Ansätze gleichermaßen eine signifikante Verbesserung des emotionalen Erlebens bewirken können. Erneut zeigte sich, dass das Erleben von Präsenz mit positiven Emotionen einhergeht und sich diese Stimmungsverbesserung positiv auf das Empfinden in einer nachfolgenden Stresssituation auswirkt. Die Laborstudien erfordern eine zuverlässige Methode zur Erzeugung von akutem, psychischem Stress unter kontrollierten Bedingungen. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit mit dem ECG VR-TSST ein VR-basiertes, flexibles Instrument entwickelt, das auf einem bewährten psychologischen Stressinduktionsverfahren (Trier Social Stress Test) aufbaut. Die Wirksamkeit des ECG VR-TSST konnte in zwei Studien bestätigt werden.
Als Beispiel für eine akute Stresssituation wird die Untersuchung von Kindern im MRT betrachtet. Kinder reagieren auf die MRT-Untersuchung häufig mit großer Angst und Stress und müssen sediert werden, um eine korrekte Diagnose zu ermöglichen. In einem begleitenden interdisziplinären Forschungsprojekt wurden zwei inhaltlich zusammenhängende spielerische VR-Anwendungen (Apps) zur Angstreduktion von Kindern vor und während der Untersuchung entwickelt. Der „Pingunauten Trainer“ ist eine VR-App für Smartphones zur Vorbereitung auf die Untersuchung, die auf Prinzipien der Spieltherapie und der Konfrontationstherapie basiert. In einem virtuellen MRT-Scanner lernen die Kinder bewegungslos zu liegen und können sich an die Untersuchung gewöhnen. Mit verschiedenen spielerischen Elementen und physischen Materialien wird die Langzeitmotivation für ein regelmäßiges Training der Untersuchung gefördert. In einer einjährigen, multizentrischen Studie konnte die Wirksamkeit des Pingunauten Trainers gezeigt werden. Kinder, die mit der App vorbereitet wurden, hatten weniger Angst vor der Untersuchung und waren kooperativer.
Zur Ablenkung und Unterhaltung während des MRT-Scans wurde das VR-Spiel „Pingunauten: Sternenreise“ entwickelt. Es führt die Geschichte des Pingunauten Trainers fort und schickt die Patient*innen mit einem in der Entwicklung befindlichen MRT-tauglichen HMD auf eine Reise durch das Weltall. Dabei stellt die MRT-Untersuchung zahlreiche Herausforderung an das Game Design und die technische Umsetzung, für die Lösungen präsentiert werden. So muss das Spiel beispielsweise zugleich ablenkend und beruhigend wirken, darf keine Bewegung provozieren und muss auch dann unterhaltsam sein, wenn die Patient*innen nicht interagieren können oder wollen. Das Konzept für diese Anwendung wurde in einem partizipatorischen Entwicklungsprozess gemeinsam mit Kindern entwickelt. Die Erkenntnisse aus dem Designprozess werden als Richtlinien formuliert, die bei der Gestaltung von VR-Spielen für ähnliche Anwendungsfälle unterstützen.
Diese Arbeit demonstriert, dass die VR-Technologie das Leben vieler Menschen in Situationen von Angst, Stress und emotionaler Belastung auf vielfältige Weise verbessern kann.