Investigating Usability and Efficiency of Virtual Reality for Research, Rehabilitation, and Simulation of Visual Field Defects in the Example of Retinitis Pigmentosa

Abstract

Diese Thesis befasst sich mit der vielversprechenden Anwendung von Virtueller Realität (VR) in den Bereichen der Sehforschung und visuellen Rehabilitation, insbesondere im Hinblick auf periphere Gesichtsfelddefekte (VFDs) bei Retinitis-Pigmentosa(RP)-Patienten. Der fortschreitende Verlust des Gesichtsfelds, der durch RP und andere VFDs verursacht wird, kann alltägliche Aufgaben, geistige Gesundheit und Lebensqualität der Betroffenen stark beeinträchtigen. Darüber hinaus gibt es für über 99% der RP-Patienten keine wirksame medizinische Behandlung, um den Gesichtsfeldverlust zu verhindern. Daraus ergibt sich ein dringender Bedarf nach innovativen Rehabilitationsmethoden sowie nach neuen Ansätzen, um die alltäglichen Schwierigkeiten von Menschen mit VFD zu identifizieren und zu verringern. VR-Technologie hat in den letzten Jahren große Fortschritte im Bezug auf Zugänglichkeit, Leistung und erleichterte Nutzbarkeit erfahren. Das macht sie, in Verbindung mit ihrer Fähigkeit, kontrollierte und immersive visuelle Szenen darzustellen, zu einem vielversprechenden, jedoch im Kontext der Sehforschung und der visuellen Rehabilitation nur wenig erforschten Medium. Die Arbeit konzentriert sich auf das Design und die Entwicklung eines VR-basierten Frameworks für visuelle Aufgaben, genannt 'GazeQuest'. Die entwickelte Anwendung bildete die Grundlage für drei experimentelle Versuche, die in dieser Arbeit vorgestellt und diskutiert werden.

In der ersten Studie wurden - unter Verwendung der GazeQuest - die Auswirkungen verschiedener systematischer Blickmuster als kompensatorische Strategie bei Gesichtsfeldverlust im peripheren Bereich experimentell untersucht. Die Ergebnisse zeigen positive Auswirkungen auf die Vermeidung von Kollisionen und auf das Blickverhalten, offenbaren jedoch auch eine Verringerung der Laufgeschwindigkeit. Ergebnisse und Feedback aus der Studie haben die weitere Entwicklung der GazeQuest und das Design nachfolgender Studien beeinflusst. In der zweiten Studie wurde die Wirksamkeit von VR-basiertem, von zu Hause durchgeführtem Visualtraining evaluiert. Die Analyse der Ergebnisse zeigt signifikante positive Auswirkungen des Trainings auf die Navigationsfähigkeit von RP-Patienten in realer Umgebung. In der dritten Studie wurde untersucht, inwieweit die VR-basierte Simulation peripherer VFDs bei visuell gesunden Teilnehmern die Auswirkungen einer tatsächlichen RP-Erkrankung auf verschiedene virtuelle Aufgaben widerspiegelt. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Übereinstimmung in der Performance beider Gruppen. Das legt nahe, dass die VR-basierte Simulation von Gesichtsfelddefekten die Entwicklung und Erforschung von nutzerfreundlichen Designs für VFD-Patienten unterstützen kann. Insgesamt liefern die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse Leitlinien für die Machbarkeit und das Design zukünftiger VR-basierter Lösungen in Forschung und Rehabilitation von VFDs. Darüber hinaus wird, angeregt durch die Ergebnisse der experimentellen Studien, die fortlaufende Entwicklung der GazeQuest zu einer effektiven und adaptiven Rehabilitationsanwendung diskutiert.

This thesis explores the potential of Virtual Reality (VR) in the field of vision science and visual rehabilitation, in particular addressing peripheral visual field defects (VFDs) in retinitis pigmentosa (RP) patients. The progressive loss of the visual field caused by RP and other VFD conditions can severely impact everyday tasks, mental health, and quality of life of those affected. Additionally, for over 99% of RP patients, no effective medical treatment to cure or halt the condition exists. This calls for innovative alternative rehabilitation methods, as well as for ways to better assess how to reduce difficulties encountered by individuals with VFDs. VR technology's advancements in accessibility, performance, and flexibility, coupled with its ability to offer controlled and immersive visual scenes, make it a promising but under-explored tool in the field of vision science and visual rehabilitation.

To provide new insights into the effectiveness of VR based rehabilitation and into the feasibility of simulating VFDs for experimental approaches, a VR based visual task framework, named 'GazeQuest', is designed and developed. This framework provided the foundation for three experimental trials that are presented and discussed in this work.

The first study involved preparatory experiments, utilizing the GazeQuest to assess the impact of different systematic gaze patterns as compensatory strategies in peripheral visual field loss. Results demonstrate positive impact on collision avoidance and gaze behavior, but also reveal adverse effects in walking speed. Findings and feedback from this study shaped subsequent development and study design. The second study evaluated the efficacy of VR-based visual exercises in a home-based environment, revealing their significant positive impact on the real-world navigation performance in RP patients. The third study investigated to which degree the VR based simulation of peripheral VFDs in visually healthy participants can reflect the effects of actual RP conditions in different virtual tasks. Findings show high agreement in performance of both groups, suggesting that simulated visual field loss could facilitate research on more accessible designs and new visual aids for VFD patients.

Overall, the insights gained in this work provide guidelines for feasibility and design of future VR based tools for research and rehabilitation of VFDs. Furthermore, prompted by the findings of the experimental trials, the continued development of the GazeQuest into an effective, adaptable rehabilitation tool beyond research settings is discussed.