Virtual reality and autism: Process preparations enabling future research and intervention practices

Abstract

Background: The overall aim of this study is to examine key parts that need to be considered when planning and conducting research using virtual reality (VR) for autistic individuals. VR is a technology that simulates realistic environments and experiences that also can be tailored to meet specific needs. VR has the possibility to mimic real-life situations integrated in a controlled, predictable, safe, and supportive space. Moreover, VR can enhance engagement and motivation for autistic individuals, and offers customizable opportunities to develop and practice essential skills. The integration of virtual reality (VR) represents an exciting frontier in autism research and intervention practices. However, the complexity represented by such research and that the evidence of the effectiveness of VR-interventions is still scarce. It is therefore a need to carefully examine auxiliary assumptions that can affect the outcomes. In this thesis, I present four studies aimed at enabling researchers and conducting process preparations for future scientific endeavors.

Objectives: The objective of this thesis is to investigate elements that are important to enable future research on autism and VR. This objective will be reached by (1) providing knowledge about the overall acceptability towards VR by autistic individuals, (2) addressing research gaps on autism, VR, and social skills, (3) evaluate whether available software create valid emotion expressions in avatars, and (4) investigating factors important for implementation of VR in schools.

Methods: The four papers presented in this doctoral thesis utilized different methods. The first study is a review of the available peer-reviewed literature on autism and VR. We qualitatively analyzed the reporting of acceptability from autistic participants. We categorized the findings as positive, negative, or inconclusive. Inconclusive meaning variations within the sample in a study. The second study is a systematic scoping review providing an extensive overview of the literature reporting on social skills interventions, involving autistic participants, in VR. We analyzed the studies and identified several research gaps. The third study is a web-based pilot-survey where we quantitatively evaluate emotions expressed by avatars. We created avatars from real person photos using an available software which automatically expressed various basic and complex emotions. Using structural equation modelling and Bayesian confirmatory factor analysis, we analyzed responses from the participants in terms of correctly perceived, difficulty level, and discrimination. The fourth study is a qualitative investigation of factors that are perceived important when implementing VR in schools. We used semi-structured interviews with eight individuals and a group of five individuals consisting of teachers, special educators, leaders, and student teachers. We used thematic analysis and identified factors that our informants deemed as important for a successful implementation.

Results: Study 1 revealed an increase of the number of studies on autism and VR, but less than half of the included studies reported acceptability. Of the studies providing acceptability information, 89% reports positive evaluations while 1% is negative. More than 70% of the studies using head-mounted displays (HMD) provide acceptability information. Of these, approximately 4 out of 5 studies showed positive evaluations and none were negative. In Study 2, a total of 49 studies were included and analyzed. We identified seven prominent research gaps. The first gap shows that less than half of the studies reported acceptability data. Further, there is a lack of diversity of methodology and demographics. Only 1:10 participants are female, there are few studies with participants having co-occurring diagnoses, few participants aged over 30, and few studies using HMDs. Additionally, there is lack of diversity of methods, meaning; few RCTs or case-control studies, and few multiple singlecase designs. Furthermore, a theoretical grounding in the intervention studies is missing. Study 3 revealed that few emotions were correctly perceived, however, the difficulty level were around average on a standard threshold. The discrimination of the images was .7, indicated by the factor loadings, meaning that it shares 49% of the variance with the latent factor. In Study 4, we identified five themes important for implementation: (1) sufficient knowledge and training, (2) an internal and external network, (3) sufficient resources, (4) positive attitudes, and (5) technological features. All participants expressed enthusiasm towards applying VR in schools.

Conclusions: The main findings of this thesis are that, first, VR is a preferable tool for many autistic individuals thus making it a technology worth developing. Second, there are research gaps that needs to be filled to justify future claims of effectiveness. Researchers should be aware of the possible fallacies connected to auxiliary assumptions as demonstrated in Study 3. Furthermore, to ensure proper implementation of VR in schools, and make probable treatment integrity from the start, valuable information about crucial factors is now available. The process preparations rendered visible by this thesis provide researchers with important knowledge for future endeavors and is a step in enabling future research on autism and VR.

Bakgrunn: Bruk av virtual reality (VR) i autismeforskning og intervensjoner er under spennende utvikling. Det er økende interesse for å utforske og utvikle innovative teknikker for å bedre livskvaliteten for autistiske individer. VR er en teknologi som kan simulere realistiske omgivelser og opplevelser, og som kan skreddersys for å møte spesifikke behov. VR kan tilpasses og etterligne virkelige situasjoner og på den måten tilby trygge og støttende miljøer for utvikling og trening av viktige ferdigheter. I tillegg kan VR øke engasjementet og motivasjonen for slik trening. Forskningen og utviklingen på dette feltet beveger seg raskt framover. Tatt i betraktning kompleksiteten denne forskningen representerer, og at bevisene for effektiviteten av VR-intervensjoner fortsatt lar vente på seg, er det behov for å undersøke underliggende faktorer, eller hjelpehypoteser, som kan påvirke resultatene. I denne doktorgradsavhandlingen presenterer jeg fire studier som tar sikte på, gjennom en rekke prosessforberedelser, å legge til rette for forskere og utviklingen av forskning på autisme og VR.

Mål: Det overordnede målet med denne avhandlingen er å undersøke elementer som muliggjør grundig fremtidig forskning på autisme og VR. Denne avhandlingen vil (1) gi kunnskap om den generelle aksepterbarheten av VR, rapporert av autistiske individer, (2) adressere forskningshull om autisme, VR og sosiale ferdigheter, (3) vurdere om tilgjengelig programvare skaper gyldige følelsesuttrykk i avatarer, og (4) undersøke faktorer som er viktige for implementering av VR i skolen.

Metoder: De fire artiklene som presenteres i denne doktorgradsavhandlingen benyttet ulike metoder. Den første studien er en gjennomgang av tilgjengelig fagfellevurdert litteratur om autisme og VR. Vi analyserte rapporteringen av akseptarbarhet fra autistiske deltakere. Vi kategoriserte funnene som positive, negative eller ikke entydige. Ikke entydige innebar manglende samsvar innad i utvalget i en studie. Den andre studien er en systematisk scoping review som gir en omfattende oversikt over forskningen på sosiale ferdighetsintervensjoner, i VR, som involverer autistiske deltakere. Vi analyserte studiene og identifiserte flere forskningshull. Den tredje studien er en nettbasert undersøkelse der vi evaluerer følelser uttrykt av avatarer. Vi opprettet avatarer fra ekte profilbilder ved hjelp av en tilgjengelig programvare som automatisk genererte ulike grunnleggende og komplekse følelsesuttrykk. Ved hjelp av structural equation modelling og Bayesian confirmatory factor analysis, analyserte vi svarene fra deltakerne ut fram om bildene ble korrekt oppfattet, deres vanskelighetsgrad og diskrimineringen mellom dem. Den fjerde studien er en kvalitativ undersøkelse av faktorer som oppfattes som viktige ved implementering av VR i skolen. Vi benyttet semistrukturerte intervjuer med åtte personer og en gruppe på fem personer bestående av lærere, spesialpedagoger, ledere og lærerstudenter. Vi benyttet tematisk analyse og identifiserte faktorer som våre informanter anså som viktige for en vellykket implementering.

Resultater: Studie 1 viste en økning i antall studier på autisme og VR, men at under halvparten av de inkluderte studiene rapporterte aksepterbarhet. Av studiene som gir informasjon om aksepterbarhet, rapporterer 89% positive evalueringer mens 1% er negative. Mer enn 70% av studiene som bruker VR-briller gir informasjon om aksepterbarhet. Av disse viste ca. 4 av 5 studier positive evalueringer og at ingen var negative. I studie 2 ble totalt 49 studier inkludert og analysert. Vi identifiserte syv fremtredende forskningshull. Det første hullet viser at mindre enn halvparten av studiene rapporterte aksepterbarhetsdata. Videre er det lite mangfold, både i form av metodikk og demografi. Bare 1 av 10 deltakere er kvinner, det er få studier med deltakere som har tilleggsdiagnoser, få deltakere over 30 år og få studier med VR-briller. I tillegg er det lite mangfold av metoder, det vil si; få RCTer eller kasuskontroll studier, og få multiple single-case design. Videre mangler det en teoretisk forankring i intervensjonsstudiene. Studie 3 viste at få følelser ble oppfattet korrekt, men at vanskelighetsgraden var rundt gjennomsnittet på en standard terskelverdi. Diskrimineringen mellom bildene indikerer at de deler 49% av variansen med den latente faktoren. I studie 4 identifiserte vi fem temaer som er viktige for implementering: (1) tilstrekkelig kunnskap og opplæring, (2) et internt og eksternt nettverk, (3) tilstrekkelige ressurser, (4) positive holdninger og (5) teknologiske egenskaper. Deltakerne var positive til å bruke VR i skolen.

Konklusjon: Prosessforberedelsene fra denne avhandlingen gir forskere viktig kunnskap for videre arbeid. For det første er VR et foretrukket verktøy for mange autistiske individer, noe som gjør det til en teknologi verdt å utvikle. For det andre er det forskningshull som må fylles for å rettferdiggjøre fremtidige påstander om effektivitet. Forskere og klinikere bør være oppmerksomme på mulige feilslutninger knyttet til underliggende faktorer, slik som demonstrert i Studie 3. Videre, for å sikre riktig implementering av VR i skolene, og sannsynliggjøre behandlingsintegritet fra starten av, har vi tilgjengeliggjort verdifull informasjon om viktige faktorer som må tas hensyn til. Prosessforberedelsene synliggjort i denne avhandlingen er et ledd i å muliggjøre grundigere fremtidig forskning på autisme og VR.