Analysis, design and prototypical implementation of a serious game for balance rehabilitation providing personalized level generation based on machine learning techniques

Abstract

Eingeschränkte Balancefähigkeit zeigt sich besonders häufig in der älteren Bevölkerung, kann aber auch als Resultat eines Unfalls oder einer Krankheit auftreten. Wenn Balanceprobleme verherend genug werden und Einfluss auf das alltägliche Leben des Betroffenen haben müssen Rehabilitationsmaßnahmen gesetzt werden. Basierend auf dem Grad an Beeinträchtigung kann Rehabilitation mehrere Jahre in Anspruch nehmen, was Einfluss auf die Motiviation des Patienten haben kann. Serious Games (SG, Engl. für “Spiele mit ernsthaftem Ziel”) haben sich als wertvolle Ergänzung zur konventionellen BalanceRehabilitation herausgestellt indem sie Motivation und Engagement der Patienten, auf ihrem Weg zu einem unabhängigeren Lebensstil, verstärken.Diese Arbeit beschreibt die Analyse und Entwicklung eines neuen SG für BalanceRehabilitation. Zur Datensammlung und -auswertung der Gewichtsverlagerungsübungen während des Spiels wird das WBB verwendet, welches eine günstige Alternative für eine Kraftmessplatte darstellt. Der Prototyp wird auf Basis von Anforderungen entwickelt, die während einer umfangreichen Literaturrecherche und Interviews mit zwei Physiotherapeuten gesammelt wurden, um den aktuellen Stand der Technik bezüglich Designkriterien von SG für Balance-Rehabilitation, sowie die Anwendung des Prototypen im klinischen Umfeld zu eruieren.Im resultierenden Prototyp mit dem Namen Walk in the park (Engl. für “Spaziergang im Park”), absolvieren Spieler Levels, indem sie mittels Gewichtsverlagerungsübungen auf dem WBB einem Pfad entlang navigieren. Ein essentieller Aspekt beim Design für SGs ist die Anpassung der Spielschwierigkeit basierend auf den Einschränkungen der Patienten. Im aktuellen Stand der Technik wird Balancefähigkeit durch erreichte Spielerfolge angenähert, dementsprechend leitet sich die Spielschwierigkeit von diesen abstrakten, spielbezogenen Erfolgen ab. Walk in the park stellt einen neuen Ansatz zur Anpassung der Spielschwierigkeit vor, bei dem die Daten, aufgezeichet und gesendet vom WBB während des Spiels, genutzt werden um personalisierte Levels zu generieren, basierend auf einer datenzentrierten Balanceauswertung. Ein weiterer Anforderungskatalog, entsprungen aus dem Interviewprozess, umfasst notwendige Aspekte, um durch Levelgenerierung auf die Einschränkungen von Patienten einzugehen. Diese Anforderungen finden sich in der personalisierten Levelgenerierung des Prototypen wieder. Desweiteren wird in dieser Arbeit ein neuartiger Ansatz zur Quantifizierung von Balancefähigkeit, basierend auf WBB-Daten, beschrieben. Hierbei werden zunächst Daten von Menschen ohne Balanceeinschränkungen gesammelt, während diese Gewichtsverlagerungsübungen ausführen, um daraus ein Modell für Balancefähigkeit in gesunden Menschen abzuleiten. Anschließend wird mittels Distanzmetriken die Abweichung neuer Messungen zum zugrundeliegenden Modell gemessen, woraus eine Balanceauswertung gebildet werden kann.Walk in the park wurde in vier Rehabilitationssitzungen mit beeinträchtigten Patienten eingebunden unter strenger Beobachtung der teilnehmenden Physiotherapeuten. Die Evaluierungsergebnisse zeigen, dass Walk in the park ein motivierendes und spannendes Spielkonzept bietet. Desweiteren reflektieren die erreichen Balanceauswertungen die Einschränkungen der Patienten, was darauf hindeutet, dass der entwickelte Prototyp es ermöglicht generelle Balanceschwäche, sowie Schwächen in direktionalen Gewichtsverlagerungen zu erkennen.

Decreased ability in balance control often arises in the aging population, but can also be the result of an accident or disease. When balance impairments are severe enough to negatively affect people’s everyday life, balance rehabilitation must be considered. Based on the severity of impairments, rehabilitation can take several years, which might affect patient motivation. Serious Games (SG) have proven to be a valuable addition to balance rehabilitation, boosting patient motivation and engagement during their journey to a more independent lifestyle.This thesis describes the analysis and development of a new SG for balance rehabilitation. To gather and assess data on the performed weight-shifting exercises during gameplay, the WBB, a low-cost force plate, is utilized. The resulting prototype is developed based on requirements gathered from an extensive literature research and interviews with two physiotherapists, investigating design criteria for state-of-the-art SG in balance rehabilitation and requirements for applying it to clinical practice.In the resulting prototype, called Walk in the park, players complete levels by navigating along a path by performing weight-shifting exercises on the WBB. A vital part in SG design is to adjust game difficulty based on patient impairment. In current state-of-the-art work, balance ability is estimated by the achieved in-game objectives, thus difficulty is adjusted based on abstract achievements. Walk in the park introduces a novel approach for difficulty adjustment by leveraging the data stream emitted by the WBB during gameplay to generate personalized levels based on data-centric balance scores. Another set of requirements, gathered during the interview process, summarizes the necessary aspects for level generation to accommodate for patient impairments. These requirements are incorporated into personalized level generation. Furthermore, this thesis describes a novel approach for quantifying balance ability based on WBB data. In essence, data from individuals without balance deficits, performing directional weight shifts, is gathered to build a model that reflects healthy balance ability. A distance measure captures the deviation from a new measurement and the underlying model and assigns a balance score for each directional weight shift.Walk in the park was integrated into four balance rehabilitation sessions with balanceimpaired patients under close supervision of the participating physiotherapists. Evaluation results suggest that Walk in the park provides motivating and engaging game design and mechanics. Furthermore, achieved balance scores reflect patient balance impairments, which indicates that the developed prototype is capable of detecting overall balance impairment and weaknesses in directional weight shifts.