Stress exposure and self-regulation in Virtual Reality

Bojan Kerouš

Doctoral thesis

Abstract:

Virtuální realita (VR) je stále více považována za schůdný terapeutický směr v rámci širokého spektra klinických agend, což dodatečně zdůrazňuje potřebu rozšířit naše porozumění jejímu vztahu k lidským kognitivním a emočním stavům. Tato práce se specificky zaměřuje na afekt (německy „affekt“, z latinského „affectus“), který v kontextu psychologie představuje „soubor pozorovatelných projevů prožívané emoce“ (definováno dle Merriam Webster, online, 2021). Tento dokument se zabývá afektem a rozšířením relevantních technologických intervencí ve zdravotnictví, a to na třech úrovních. Zaprvé, jeho cílem je poskytnout vhled do povahy lidského afektu při jeho vyvolání pomocí VR. Zadruhé, toto šetření se zavazuje přispět k našemu porozumění vlivu na interakci člověk-počítač (HCI) ve VR. A konečně, tato práce si klade za cíl rozšířit prostředky regulace afektu prostřednictvím nových technik HCI. Výzkum prezentovaný v této práci zaznamenává a analyzovat fyziologické reakce na vliv prostředí vyvolávajícího negativní a pozitivní afekt. Soustředěním se na indukci stresu (negativní afekt) na straně jedné a samoregulaci (pozitivní afekt) jakožto vyvažovací mechanismus na straně druhé jsou vyvinuty dva protokoly VR a jejich účinek je hodnocen pomocí fyziologických měření. Oba protokoly VR se zaměřují na několik problémů ve známých metodách vyvolání afektu a zde je uvedeno zdůvodnění těchto modifikací. VR protokol pro vyvolání stresu byl implementován kombinací dobře známých metod, aby byla zaručena účinnost pro většinu uživatelů. Metody zde uvedené byly přizpůsobeny tak, aby se vypořádaly s omezeními běžně používaných protokolů pro vyvolání stresu, a to vytvořením kombinovaného způsobu sociálního a úkolem indukovaného postupu vyvolání stresu. V případě samoregulace VR zde použitý inovativní přístup kombinuje dvě metody podporující interoceptivní povědomí, které jsou založeny na tzv. „mindfulness meditaci“ ve spojení s novým mechanismem zpětné vazby, který řeší známá omezení podobných systémů. Kromě toho byl prozkoumán podpůrný režim hybridní zpětné vazby s využitím komerčního rozhraní mozek-počítač. Tato práce byla provedena po konzultaci s klinickými lékaři, protože autor byl zapojen do čtyřletého projektu Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, který zkoumal využitelnost technologie VR pro pochopení řady poruch afektu. Vzhledem k dohledu poskytovanému týmem klinických lékařů jsou navrženy bezpečné a ekologicky validní virtuální zážitky pro vyvolání stresu a samoregulaci, které poskytly cenná zjištění ohledně vhledu a designu pro budoucí uplatnění technologie VR v širokém spektru populací pacientů s poruchami afektu.

Abstract:

Virtual Reality (VR) is increasingly regarded as a viable therapeutic avenue in broad clinical agendas which additionally emphasizes the need to broaden our understanding of its relation to human cognitive and emotional states. This work focuses on affect (German "affekt", borrowed from Latin affectus), which in the context of psychology represents "a set of observable manifestations of an experienced emotion" (as defined by Merriam-Webster online, 2021. ). As such, in this document affect is examined in a threefold enquiry into affect, namely stress and homeostasis, and is directed toward the expansion of technologically driven interventions for healthcare. First, it is aiming to provide insights into the nature of human affect when evoked through VR. Second, this enquiry undertakes to contribute to our understanding of the influence of affect on human-computer interaction (HCI) in VR. Lastly, this work aims to expand the means of regulating affect through novel HCI techniques. The research reported in this thesis takes on the task of acquiring and analyzing physiological responses to negative and positive affect-inducing environments. By focusing on stress induction (negative affect) on one hand and self-regulation towards homeostasis (positive affect) as a counterbalancing mechanism, two VR protocols are developed and their effect is assessed through physiological measures. Both VR protocols have addressed several challenges in well-known affect-induction methods and here a rationale of these modifications is provided. VR stress induction protocol was implemented through a combination of well-recognized methods in order to guarantee effectiveness for most users. Methods presented here were tailored to address limitations of widely used stress induction protocols by creating a combined social and task-induced stress induction procedure. In the case of VR self-regulation, the innovative approach used here combines two methods promoting interoceptive awareness, which are based on mindfulness meditation in conjunction with a novel feedback mechanism addressing known limitations of similar systems. Furthermore, an auxiliary mode of hybrid feedback leveraging commercial Brain-Computer Interface has been explored. This work was conducted in consultation with clinicians as the author was involved in a four-year-long project of the Masaryk University Faculty of Medicine examining the utility of VR technology in clinical research. Given the oversight afforded by a team of clinicians, safe and ecologically valid virtual experiences for stress induction and self-regulation are designed and have provided valuable insight and design guidelines for future VR interventions in a wide spectrum of patient populations with disorders of affect.

Keywords

Mindfulness, Cognitive Behavioral therapy, Virtual Reality Exposure Therapy, Biofeedback, EEG, ECG, Skin Conductance, Multimodal Interaction, Virtual Reality, Augmented Reality

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 8. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 25. 1. 2022
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Matula, Ph.D., doc. Fotios Liarokapis, PhD
• Reader: Assist. Prof. Christos Mousas, PhD, Assoc. Prof. Leonel Caseiro Morgado

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Computer Science / Fundamentals of Computer Science