Towards semantic interoperability for behavior change driven serious games and gamified mobile applications – platform engineering for prevention of NCDs

Abstract

Each of us is responsible for our health and physical and mental well-being. Whether making healthier food choices, quitting smoking, moderating alcohol consumption, staying active, or prioritizing mental health, our daily decisions are the building blocks of our health. While long-term behavior change can be challenging, it is not impossible. Even if significant changes are made, they often do not last. Non-communicable diseases (NCDs) are not transmitted through infection or other people but emerge due to unhealthy behaviors and are on the rise. The most prevalent examples include cardiovascular diseases, cancers, diabetes, and chronic respiratory diseases. These diseases account for an estimated 41 million deaths annually, a staggering 74% of all global deaths. Major risk factors such as high blood pressure, lack of physical activity, tobacco use, high cholesterol, overweight/obesity, alcohol consumption, and high blood sugar are at the core of this issue. A significant opportunity for individuals to reduce the abovementioned risk factors is to change their lifestyle permanently. Serious games, which are games that not only entertain but serve additional goals; gamification, which can be understood as using game elements in non-gaming contexts; and behavior change techniques (BCTs), can be used to overcome the problems described above. Therefore, this thesis describes and discusses the construction of tangible, serious games and gamified mobile apps aimed at combating NCDs. A total of six concepts were designed and prototypically implemented: three serious games and three gamified mobile applications. "Food Pyramid Escape", "NutriMine" and "Nutrition Garden" focus on nutrition, while "BreathIn" addresses smoking cessation, and "recoverApp" and "MoodBooster"pertain to mental health as their respective NCD risk factors. This work furthermore presents a comparative analysis of these games and apps, alongside two additional applications from the author’s research group, constructing a tangible framework that highlights best practices in the following key areas: organizational interoperability, design and development best practices, the serious games ecosystem, usability, and quality and technical aspects. It also emphasizes the semantic interoperability of health-related data generated by these apps to ensure sustainable benefits from behavior change-driven games and gamified apps for patients, clinicians, and scientists.

Jeder von uns ist für seine Gesundheit und sein körperliches und geistiges Wohlbefinden verantwortlich. Ob wir uns für gesunde Lebensmittel entscheiden, mit dem Rauchen aufhören, unseren Alkoholkonsum einschränken, aktiv bleiben oder uns um unser psychisches Wohlbefinden kümmern – unsere täglichen Entscheidungen sind die Bausteine unserer Gesundheit. Eine langfristige Verhaltensänderung kann zwar eine Herausforderung darstellen, ist aber nicht unmöglich. Selbst wenn wesentliche Änderungen im Verhalten vorgenommen werden, sind diese aber oft nicht von Dauer. Nicht übertragbare Krankheiten (NCDs) werden nicht durch Infektionen oder andere Menschen übertragen, sondern entstehen durch ungesunde Verhaltensweisen und sind auf dem Vormarsch. Zu den häufigsten Beispielen gehören Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Krebs, Diabetes und chronische Atemwegserkrankungen. Diese Krankheiten sind für schätzungsweise 41 Millionen Todesfälle pro Jahr verantwortlich, was Erstaunlichen 74% aller weltweiten Todesfälle entspricht. Hauptursachen für diese Problematik sind Risikofaktoren wie Bluthochdruck, Bewegungsmangel, Tabakkonsum, hoher Cholesterinspiegel, Übergewicht/Adipositas, Alkoholkonsum und ein hoher Blutzuckerspiegel. Eine wichtige Möglichkeit für eine einzelne Person, die oben genannten Risikofaktoren zu reduzieren, besteht darin, ihren Lebensstil dauerhaft zu ändern. Sogenannte Serious Games, also Spiele, die nicht nur unterhalten, sondern auch zusätzliche Ziele verfolgen; Gamification, also die Verwendung von Spielelementen in spielfremden Kontexten; und Techniken zur Verhaltensänderung (BCTs) können eingesetzt werden, um die oben beschriebenen Probleme zu überwinden.Daher beschreibt und diskutiert diese Dissertation die Entwicklung konkreter Serious Games und gamifizierter mobiler Apps zur Bekämpfung nichtübertragbarer Krankheiten. Insgesamt wurden sechs Applikationen entworfen und prototypisch umgesetzt, davon drei Serious Games und drei gamifizierte mobile Anwendungen. "Food Pyramid Escape", "NutriMine" und "Nutrition Garden" konzentrieren sich auf Ernährung, während ''BreathIn'' die Rauchentwöhnung thematisiert und "recoverApp" und "MoodBooster" sich auf die psychische Gesundheit als jeweilige Risikofaktoren für nicht übertragbare Krankheiten beziehen. Diese Arbeit präsentiert ebenfalls eine vergleichende Analyse dieser Spiele und Apps und bezieht dabei zwei weitere Anwendungen aus der Forschungsgruppe des Autors ein und erstellt darauf aufbauend ein Framework, welches Best Practices in den folgenden Schlüsselbereichen beleuchtet: Organisatorische Interoperabilität, Best Practices für Design und Entwicklung, das Ökosystem der Serious Games, Benutzerfreundlichkeit sowie Qualitäts- und technische Aspekte. Außerdem wird die semantische Interoperabilität, der von diesen Apps generierten, gesundheitsbezogenen Daten hervorgehoben, um nachhaltigen Nutzen von verhaltensändernden Spielen und gamifizierten Apps für Patienten, Kliniker und die Wissenschaft ziehen zu können.