Exploring emotions in Virtual Reality: a physiological approach

The integration of virtual reality (VR) technology in healthcare enables the creation of safe and controlled environments for tests and exploration. VR offers key applications in healthcare such as rehabilitation for physical or cognitive disabilities, managing stress, anxiety, and post-traumatic disorders. It also plays a crucial role in simulating surgical procedures, contributing to skill enhancement and error reduction for both physicians and medical students. Additionally, VR enables the visualization of complex three-dimensional biomedical data models, fostering advancements in research and development within the healthcare sector. The intersection of VR technology and human emotions opens innovative avenues, especially when empowered by the measurements of physiological parameters. The aim of this research is to explore whether immersive VR scenarios could successfully elicit specific emotional experiences, detectable through quantitative physiological changes. Five interactive virtual scenarios were developed using Unity software: four tailored to evoke an emotion among fear, disgust, happiness, and sadness, and one neutral as a baseline. To assess emotion perception within VR, 61 participants (34 M, 26 F, 1 O) underwent a 7-minute evaluation for each scenario, with a 2-minute baseline intermission between scenarios. Blood pressure, heart rate, and skin galvanic response were continuously acquired via FinaPres and EmbracePlus medical devices. At the end of the experiment, participants filled a questionnaire on the overall experience. Wilcoxon statistical analysis of collected data targeted at identifying physiological variations correlated to potentially experienced emotions. A further stage delves into the correlation between physiological tendencies and traditional surveys in VR context. The analysis revealed a generally increasing trend in the physiological parameters within emotional scenarios when compared to baseline values. Indeed, significance was observed for emotions expected to yield a physiological increase (i.e., p_value fear, HR = 4,104e-09). By investigating the relationship among emotional scenarios, evidence identified the ‘Fear’ scenario as the most impactful (i.e., p_value fear - sadness, GSR = 0,017). Similarly, the questionnaire analysis revealed high levels of immersion and engagement among participants. Correlation analysis revealed significance between survey emotion scores and certain physiological trends (i.e., corr_Spearman disgust, MAP = -0,3440). The results underscore the efficacy of designed VR scenarios in eliciting emotional responses, as supported by both physiological trends and survey analysis, even though they also suggest a similar impact on physiological changes from diverse emotions. The developed VR immersive scenarios have proven their efficacy as a controlled environment, enabling the predictable elicitation of physiological responses.

L'integrazione della tecnologia di Realtà Virtuale (VR) nel settore sanitario consente la creazione di ambienti sicuri e controllati per test e ricerca. La VR offre applicazioni chiave nel settore sanitario, come la riabilitazione per disabilità fisiche o cognitive, la gestione dello stress, dell'ansia e dei disturbi post-traumatici. Gioca un ruolo cruciale nella simulazione di procedure chirurgiche, contribuendo all'arricchimento delle competenze e alla riduzione degli errori sia per i medici che per gli studenti di medicina. Inoltre, la VR consente la visualizzazione di complessi modelli tridimensionali di dati biomedici, promuovendo progressi nella ricerca e nello sviluppo all'interno del settore sanitario. L'intersezione tra la tecnologia VR e l'emozione umana apre nuove vie innovative, specialmente quando supportata dalle misurazioni dei parametri fisiologici. L'obiettivo di questa ricerca è esplorare se scenari immersivi di VR possano con successo suscitare specifiche esperienze emotive, rilevabili attraverso cambiamenti fisiologici quantitativi. Sono stati sviluppati cinque scenari interattivi virtuali utilizzando il software Unity: quattro progettati per evocare un'emozione tra paura, disgusto, felicità e tristezza, e uno neutro come baseline. Per valutare la percezione delle emozioni nella VR, 61 partecipanti (34 M, 26 F, 1 O) sono stati sottoposti ad una valutazione di 7 minuti per scenario, con una pausa di 2 minuti tra gli scenari emozionali. La pressione sanguigna, la frequenza cardiaca e la risposta galvanica della pelle sono stati continuamente acquisiti tramite i dispositivi medici FinaPres ed EmbracePlus. Alla fine dell'esperimento, i partecipanti hanno compilato un questionario sull'esperienza complessiva. L'analisi statistica di Wilcoxon dei dati raccolti ha mirato a identificare variazioni fisiologiche in risposta alle emozioni potenzialmente sperimentate. Una fase successiva approfondisce la correlazione tra le tendenze fisiologiche e i sondaggi validati nel contesto VR. L'analisi ha rivelato una tendenza generalmente crescente nei parametri fisiologici all'interno degli scenari emozionali rispetto ai valori di baseline. Infatti, è stata osservata significatività per le emozioni di cui era atteso un aumento fisiologico (p_value paura, HR = 4,104e-09). Investigando la relazione tra gli scenari emozionali, i dati hanno identificato lo scenario della 'Paura' come il più influente (p_value paura - tristezza, GSR = 0,017). Allo stesso modo, l'analisi del questionario ha rivelato livelli elevati di immersione e coinvolgimento tra i partecipanti. L'analisi della correlazione ha rivelato alcune significatività tra la valutazione assegnata alle emozioni nel sondaggio e le corrispondenti tendenze fisiologiche (corr_Spearman disgusto, MAP = -0,3440). I risultati sottolineano l'efficacia degli scenari VR nel suscitare risposte emotive, supportati sia dalle tendenze fisiologiche che dall'analisi del sondaggio, seppur suggeriscano un impatto simile sui cambiamenti fisiologici da diverse emozioni. Gli scenari immersivi di VR sviluppati hanno dimostrato la loro efficacia come ambiente controllato, consentendo la provocazione prevedibile di risposte fisiologiche.