title: Designing rehabilitation exergames for children with unilateral cerebral palsy using inertial sensors on the wrist for real time motion tracking
Creators: name: Mittag, Christina
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit::610 Medizin und Gesundheit
subject: inertial sensor
subject: rehabilitation exergame
subject: children with cerebral palsy
subject: arm therapy
subject: Inertialsensor
subject: Bewegungsspiel zur Rehabilitation
subject: Armtherapie
subject: Kinder mit Zerebralparese

description: Children with unilateral cerebral palsy (CP) have reduced body function of their affected side. Most children learn to walk, but hand and arm function remains behind. Patients benefit from intensive therapy to improve their participation in everyday life and reduce secondary impairments such as growth retardation. Children often perceive therapy as tiring or even boring due to yearlong treatment durations. In addition, a lack of specialised physiotherapists and geographical barriers limit therapy access. Novel technology-based therapy approaches provide engaging, motivating and intensive therapy for young patients. This dissertation aims to develop digital exergames for the upper limb using new technologies, methods and algorithms. The first step proposes a simple sensor setup consisting of two inertial sensors on each wrist. An application with a use concept, including a feedback option and a setting area, will complement the game setup. A new development approach, called \textit{Three-Pillar-Development-Procedure} (TPDP), is proposed for the subsequent stage. It considers the synergies of therapeutic requirements, motivating game design and technical realisation in the highly interdisciplinary environment. The continuous involvement of therapeutic experts and affected children forms the basis of the user-centred development approach. The sensor setup, use concept and development method foster user-friendliness and, thus, high acceptance of the technical system in the sensitive therapeutic environment of children with CP. In the further course of the work, four holistic virtual exergames are developed based on TPDP. The target groups are school children and teenagers. The novel movement algorithm translates the therapeutic relevant arm movements into innovative control parameters for the game mechanics and automatically adapts to the range of movement. Objective feedback from the sensor data is also made possible. The development considers the continuous involvement of therapists and children with cerebral palsy in the brainstorming, decision-making processes and final evaluation. In an user test in a therapeutic environment, seven affected children test three of the games. The proposed movement algorithm enables a positive gaming experience. The different themes meet personal preferences, and the adaptable game difficulty through individually adjustable motor and cognitive levels enables participants with varying degrees of severity to play. Validation with an optical marker-based measurement system proves the system's high accuracy in movement tracking. In summary, this thesis describes the development of a new therapy option for children with unilateral CP through exergames, which foster engaging arm training. The system comprises a simple sensor configuration and a game environment. Innovative movement algorithms, precise control parameters and objective feedback options promote technical reliability, acceptance of the system and individual therapy adjustments. Considering usability in the interdisciplinary field of digital rehabilitation exergames, the holistic game concepts are obtained based on the novel development method TPDP.
description: Kinder mit unilateraler Zerebralparese können die betroffene Körperseite nur eingeschränkt nutzen. Die meisten Betroffenen lernen laufen, jedoch bleibt die Hand- und Armfunktion eingeschränkt. Sie profitieren von einer intensiven Therapie, um die Teilhabe am Alltag zu verbessern und Folgeerkrankungen wie Wachstumsverzögerungen zu verringern. Die kindheitbegleitende Therapie wird aufgrund der langen Dauer häufig als ermüdend oder langweilig empfunden. Ressourcenknappheit von spezialisierten Physiotherapeuten oder geografische Hürden erschweren den Therapiezugang. Neuartige, technikbasierte Ansätze ermöglichen den jungen Patientinnen und Patienten eine ansprechende, motivierende und intensive Therapie. Die vorliegende Arbeit entwickelt mithilfe neuer Technologien, Methoden und Algorithmen digitale Bewegungsspiele für die obere Extremität. Im ersten Schritt wird ein simples Sensorkonzept bestehend aus zwei Inertialsensoren am Handgelenk präsentiert, komplementiert von einem Nutzungskonzept inklusive Feedback- und Einstellungsmöglichkeiten. Dabei wird eine neuartiger Entwicklungsprozess, \textit{Three-Pillar-Development-Procedure} (TPDP) genannt herausgearbeitet. Er berücksichtigt das Zusammenspiel von therapeutischen Anforderungen, motivierenden Spieldesign und technischer Realisierung in dem hoch interdisziplinären Umfeld. Die kontinuierliche Einbeziehung der therapeutischen Expertinnen und Experten sowie betroffener Kinder bilden die Grundlage des nutzergerechten Entwicklungsansatzes. Sensorsetup, Nuterkonzept und Entwicklungsmethode forcieren die Bedienfreundlichkeit und die damit verbundene Akzeptanz des technisches Systems im sensiblen Therapieumfeld von Kindern mit Zerebralparese. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden auf Grundlage von TPDP vier ganzheitliche Bewegungsspiele für Kinder im Alter von 6 bis 17 Jahren entwickelt. Hervorzuheben ist dabei der neuartige Bewegungsalgorithmus, welcher die therapeutisch relevanten Armbewegungen in innovative Steuerparameter für die Spielmechanik übersetzt und sich automatisiert an die Bewegungsweite anpasst. Weiterhin wird ein objektives Feedback aus den Sensordaten ermöglicht. Die Entwicklung erfolgt unter kontinuierlicher Einbeziehung der zukunftigen Nutzerinnen und Nutzer in der Ideenfindung, Entscheidungsprozessen und Evaluierung. In einem Nutzertest im therapeutischen Umfeld evaluieren sieben betroffene Kinder drei der Spiele. Die entwickelte Signalverarbeitungsmethode ermöglicht ein positives Spielerlebnis. Die unterschiedlichen Themen treffen die persönlichen Vorlieben und die adaptierbare Spielschwierigkeit durch individuell einstellbare motorische und kognitive Level ermöglicht den Patienten und Patientinnen unterschiedlicher Schweregrade das Spielen. %Anschließend bewerten Therapeutinnen und Therapeuten das objektive Feedback aus den Daten des Nutzertests hinsichtlicher der Nützlichkeit der Performanceparameter und intuitiven Darstellung. Eine Validierung mit einem optischen markerbasierten Messsystem weist der Methodik eine hohe Genauigkeit des Bewegungstrackings nach. Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit die Entwicklung einer neuen Therapieoption zum Armtraining für Kinder mit unilateraler Zerebralparese durch Bewegungsspiele. Das technische Rehabilitationssystem besteht aus einem simplen Sensorsetups und einer Spielumgebung. Innovative Bewegungsalgorithmen, präzise Steuerparametern und objektive Feedbackoptionen unterstützen die technische Zuverlässigkeit, Akzeptanz des Systems und individuelle Anpassung der Therapie. Unter Berücksichtigung der \textit{Usability} im interdisziplinären Bereich der digitalen Rehabilitations-Exergames werden die ganzheitlichen Spielkonzepte auf der Grundlage der neuartigen Entwicklungsmethode TPDP erstellt.