Analysis, design and prototyping of a serious game for rehabilitation and prevention of ankle injuries

Abstract

Untersuchungsgegenstand dieser Diplomarbeit ist der Themenkomplex der Knöchelverletzungen sowie deren Rehabilitationsprozess und wie dieser erweitert werden kann. Zunächst werden die theoretischen und medizinischen Grundlagen der Verletzungsmechanismen, die Inzidenzen sowohl weltweit als auch im Bereich des Leistungssportes, sowie die gängigen Rehabilitationsmethoden und -Übungen vorgestellt. In einem zweiten Schritt, werden diese Aussagen durch Gespräche mit den beteiligten Akteuren und mit einer hierfür konzipierten Umfrage auf ihre Aussagekraft hin überprüft. Alle Beteiligten bestätigen die kritische Situation bei solchen Verletzungen: die kurz- und langfristigen Auswirkungen werden oft unterschätzt und Physiotherapie wird meistens nicht mit dem nötigen Ausmaß an Engagement betrieben. Der Belastungsdruck auf den Patienten und die subjektiven Betrachtungen der Situation führen oft zu einer erzwungenen und zu schnellen Rückkehr zum Sport. Um diesem Trend entgegenzuwirken, haben Experten im Bereich der Medizin und Physiotherapie versucht, sowohl standardisierte Rehabilitationsmethoden zu identifizieren als auch Evidenzen und Parameter zu ermitteln, die den tatsächlichen Zustand des Knöchels selbst sowie den Stand im Rehabilitationsprozess wirklich zeigen, dies jedoch mit mäßigem Erfolg. Die zuverlässigste Einschätzung ist nach wie vor die Bewertung des gesamten Prozesses aus den Augen eines Physiotherapeuten. Jedoch können effektive und objektive Instrumente, welche Physiotherapeuten und Patienten während des gesamten Prozesses begleiten, Transparenz und Klarheit für alle Beteiligten schaffen.Ein Beispiel hierfür ist die Anwendung von Serious Games. Ziel und Ansatz dieser Anwendungen ist es, die rehabilitativen Übung in einen unterhaltsamen und sogar angenehmen Vorgang zu verwandeln. Die Herausforderung besteht darin, positive Gefühle bei den Nutzern zu erreichen und auszulösen. Oftmals ohne, dass der Benutzer dies bemerkt, wird durch die Integration effizienter und nützlicher Übungen und die Darstellung einer vertrauten Situation eine Bindung zum Spiel hergestellt, welche automatisch die Bindung an die gesamte Therapie erhöht. Dies wird auch in dieser Diplomarbeit gezeigt, in der ein solches System prototypisch implementiert und evaluiert wird. Nach einer intensiven Untersuchung der Ausganslage und der Voraussetzungen wurden verschiedene Übungs- und Spielkonzepte idealisiert und in ein Serious Game integriert. Mit Hilfe von Mitgliedern aus einem professionellen Fußballverein wurde das System evaluiert und getestet. Die Ergebnisse zeigen deutlich die Wichtigkeit und die Steigerung des Engagements für die Übungen bei der Anwendung in einem spielähnlichen Szenario. Vor allem festzustellen ist eine Steigerung der Aktivierungszeit und das Erkenntnis, dass die Zeit, die theoretisch mit dem Spielen eines Videospiels verbracht wird, Zeit für Rehabilitationsübungen ist. Diese Diplomarbeit unterstreicht die wichtige Bedeutung von Serious Games, um die Adhärenz nicht nur für physiotherapeutische, sondern auch für Präventionsübungen zu erhöhen.

This diploma thesis explores the landscape regarding ankle injuries, their rehabilitation process and how this process can be enhanced. First, the theoretical and medical fundamentals of the injury mechanisms, the incidences worldwide and in the specific world of sport, and popular rehabilitation methods and exercises are elucidated. In a second moment, these findings are assessed of viridity by on-field observations, discussions with involved stakeholders and with the creation of a specifically designed survey. All the involved parties underline the critical situation with such injuries: the short- and long-term effects are often underestimated, physiotherapy is not done with the necessary dedication and different pressures, and subjective looks at the situation often lead to a forced and rushed return to activity or return to sports. To invert this negative trend, researchers in the fields of medicine and physiotherapy tried to identify standardized rehabilitation methods as well as evidence and parameters that show the actual state of the ankle itself and in the rehabilitation process. With moderate results. Because still, the best evaluation stems from the assessment of a physiotherapist of the whole process and no parameter or test result would succeed over the observation of the process. Nevertheless, effective and objective tools that accompany the physiotherapists and involved patients during this whole process will bring transparency and clearness to all the involved parties.This is the point where new technologies come to play, represented, for the sake of this diploma thesis, by the application of serious games. The goal and approach of these applications, in this case, is to transform rehabilitative exercises into an entertaining and joyful moment, where the user would not even perceive to perform an exercise. The challenge is to achieve and trigger these feelings from the users. Therefore, the application needs to be well designed and adapted to each situation. By maximizing the attachment and adherence from the user towards the game, and by integrating efficient and useful exercise inside the game, automatically also the adherence towards the therapy increases, often without that the user even feeling or knowing it. This is also shown within this diploma thesis, where such a system is prototypically implemented and evaluated. After an intense pre-requisite and requirement engineering, different exercise and game concepts were idealized and integrated into a serious game. With the inclusion of members from a professional soccer club, it was possible to test and evaluate the system. The results clearly underline the importance and also the increment of the dedication towards the exercises within a game-like scenario. Furthermore, what really stands out is the increment of the activation time and the oversight that the time spent while playing a video game, in theory, was time spent with rehabilitation exercises. This diploma thesis furthermore evidences the important factor that serious games can have in increasing the adherence not only towards physiotherapeutic but also towards prevention exercises.