Der Controller des Herstellers Leap Motion, ein Eingabegerät zur Gestensteuerung eines Computers, ermöglicht die Nutzung sogenannter „Serious Games“ – also digitaler Spiele, die nicht vorrangig der Unterhaltung dienen, sondern eine therapeutische Funktion haben – als Methode zur Verbesserung der Funktion der oberen Extremitäten bei Kindern mit unilateraler Zerebralparese (CP). In diesem Artikel wird anhand der Ergebnisse einer explorativen Studie die generelle Durchführbarkeit und Evaluation von LMCBT in der Praxis diskutiert.
Einleitung
Die Sint Maartenskliniek im niederländischen Nimwegen ist auf Haltungs- und Bewegungsstörungen spezialisiert. In ihrem Rehabilitationszentrum werden jedes Jahr rund 4.000 Kinder und Erwachsene mit Bewegungsstörungen behandelt, darunter auch Unfall- und Amputationspatienten. Oberstes Ziel ist es, den Patienten eine optimale Teilhabe an der Gesellschaft zu ermöglichen, indem sie lernen, bestmöglich mit ihrer Störung umzugehen 1. Eine unilaterale CP wirkt sich auf den Muskeltonus und die Bewegungen einer Körperseite aus und führt auf diese Weise zu diversen Schwierigkeiten im Alltag. Die meisten Kinder mit dieser angeborenen Störung entwickeln einen sogenannten „Developmental Disregard“, das heißt, der betroffene Arm wird kaum beachtet und fast gar nicht genutzt. Um diesem Verhalten entgegenzusteuern, hat die Sint Maartenskliniek bereits 2006 die sogenannte Piraten-Gruppenintervention ins Leben gerufen. Dabei wird der nicht betroffene Arm der Patienten (die „Piraten“) in eine Schlinge gelegt, sodass der von der CP betroffene Arm genutzt werden muss. Zusammen mit Ergo- oder Physiotherapeuten spielen die Kinder dann „Serious Games“, also digitale Spiele, die nicht primär der Unterhaltung dienen, sondern als Übungen für Rehabilitationszwecke dienen und bestimmte Fähigkeiten fördern sollen. Auf diese Weise werden die Kinder ermutigt, herausfordernde Bewegungen mit der betroffenen Hand auszuführen. Die Piraten-Gruppenintervention erweist sich als effektive Trainingsmethode zur Verbesserung der Funktion der oberen Extremitäten bei Patienten mit unilateraler CP 2. Die Therapie ist allerdings auf die zwölfwöchige Rehabilitationsmaßnahme beschränkt. Eine Verlängerung oder die Teilnahme an aufeinanderfolgenden Interventionen ist aufgrund praktischer Schwierigkeiten wie ausgelastetem Pflegepersonal und Beförderungsproblemen (von zu Hause in die Klinik und wieder zurück) nicht einfach umsetzbar 3. Somit stellte sich das Problem, dass nach der Entlassung aus der Gruppe eine Fortsetzung des Trainings und die Aufrechterhaltung der erzielten Ergebnisse in der häuslichen Umgebung schwierig waren und es dazu kam, dass sich die Funktionen des betroffenen Arms wieder verschlechterten. Um dieser negativen Entwicklung entgegenzuwirken, entwickelte eine Gruppe von Therapeuten, Forschern und Softwaredesignern auf der Basis der Virtual- Reality-Technik einen Lösungsansatz: ein spielerisches Training mit einem sogenannten Handtracker (VR- 4‑REHAB-Projekt).
Training per Gestensensor
Mitte 2019 hat die Sint Maartenskliniek das VR-4-REHAB-Projekt zur Entwicklung von Reha-Hilfsmitteln auf Virtual-Reality-Basis ins Leben gerufen. Eine Projektgruppe namens „Hands Around the World“ widmete sich dabei den aktuellen Herausforderungen bei der Wiederherstellung der Funktion der oberen Extremitäten von Kindern mit unilateraler CP. Ziel der Entwicklung ist es, den betroffenen Kindern eine Therapie im häuslichen Umfeld zu ermöglichen, die die logistischen Beschränkungen aktueller Rehabilitationsmethoden umgeht und funktionelle Verschlechterungen nach Möglichkeit verhindert. Erreicht werden konnte dieses Ziel mittels eines berührungslosen Handgestensensors. Ein solcher Sensor ist durch zwei monochromatische Infrarotkameras in der Lage, Hand- und Fingerbewegungen sehr präzise zu erkennen (Abb. 1). Es handelt sich somit um einen Handtracker, der es ermöglicht, ohne Maus und Tastatur allein mit der Bewegung der Hände einen Computer zu bedienen. Der Kontakt zwischen Controller und Computer wird per USB hergestellt. Entwickelt wurde die Technologie von dem in San Francisco ansässigen Unternehmen Leap Motion, das die Technologie in Richtung einer Einbindung in Augmented- bzw. Virtual-Reality- Umgebungen weiterentwickelt. Auf diese Weise können die Benutzer berührungslos Software-Anwendungen steuern, aber auch rehabilitationsorientierte Computerspiele spielen. Da diese Form der Rehabilitation noch neu und wenig erforscht ist, wurde die Durchführbarkeit einer Rehabilitation per Handtracker in einer explorativen Studie an der Sint Maartenskliniek eingehender untersucht, um mögliche noch nicht bekannte Komplikationen aufzudecken und neue Lösungsansätze zu entwickeln. Hier setzt der Artikel an. Er vermittelt aus den bereits gesammelten Erfahrungen heraus Impulse, wie ein rehabilitatives Training zu Hause per Gestensteuerung am besten funktioniert bzw. an welchen Stellen Verbesserungspotenziale zu ermitteln sind. Dabei stehen folgende drei Aspekte im Fokus: – die Sichtweise der pflegenden Eltern (qualitative Erhebung per Interview) – die erwartete Qualität einer Rehabilitationsmaßnahme per Handtracker (quantitative Erhebung per Fragebogen) – die Wirksamkeit der Rehabilitation insgesamt sowie die motivierende Wirkung des Spieldesigns (Analyse in einer Testumgebung)
Methoden
Für die hier vorgestellte Studie beauftragte die Klinik das spanische Softwareunternehmen Eodyne mit der Entwicklung dreier rehabilitativer Spiele (siehe die Beschreibung im Kasten) für die Zielgruppe „Kinder im Alter zwischen drei und acht Jahren“. Das Unternehmen ist spezialisiert auf die Entwicklung von „Serious Games“ im Bereich Neurorehabilitation und auf Rehabilitationsspielsysteme. Die drei entwickelten Spiele weisen unterschiedliche Trainingsschwerpunkte bezüglich der Handfunktionen auf (s. die genauere Beschreibung im Kasten): 1. Training des Pinzettengriffs („Roboterspiel“) 2. Training des Zylindergriffs („Affenspiel“) 3. Training der Rotation des Handgelenks („Raumschiffspiel“) Insgesamt nahmen vier pflegende Elternteile an der Befragung und fünf Kinder im Alter zwischen drei und fünf Jahren an der Testung der Spiele zu Hause teil. Das Pflegepersonal der Sint Maartenskliniek füllte dabei einen Fragebogen mit geschlossenen Fragen zum Spieldesign aus, der auf dem validierten „MIU-GameFlow Model“ für motorisch eingeschränkte Benutzer beruht 4. Zur Bewertung des Erfolges der neuen Form der Rehabilitation wurde zudem die effektive Spieldauer der Kinder gemessen. Als effektive Spielzeit wurde die Zeit angesehen, in der der Gestensensor die Handbewegungen der Teilnehmer wahrnehmen konnte. Wenn der Sensor die Bewegung der Hand nicht einordnen konnte, wurde das Spiel „eingefroren“ und die Zeit der ineffektiven Spielzeit zugeordnet. Die effektive Spieldauer wurde sodann durch die gesamte Spieldauer des Spiels dividiert und mit 100 multipliziert, um den entsprechenden Prozentwert zu ermitteln.
Sichtweise der pflegenden Eltern
Da es um die Rehabilitation im häuslichen Umfeld geht, spielen die pflegenden Eltern insbesondere bei der Überwachung des Trainings eine wichtige Rolle. Daher ist die Einbindung der Eltern in die Rehabilitation von Kindern mit CP unter Nutzung eines Handtrackers bei der praktischen Umsetzung von entscheidender Bedeutung, so die Erfahrung der Verfasser. Grundsätzlich zeigten die Befragten eine positive Einstellung gegenüber der häuslichen Rehabilitation mit einem Gestencontroller. Die Befragungsergebnisse deuten zudem darauf hin, dass die Motivation und die kognitiven Fähigkeiten des Anwenders die wichtigsten Aspekte bei der Durchführung der Spiele und für den Erfolg der häuslichen Therapie sind. In diesem Zusammenhang äußerte beispielsweise ein Elternteil: „Unser Sohn hat einfach nicht immer Lust, bestimmte schwierige Handbewegungen durchzuführen. Und dies [das Training mit dem Handsensor] ist ein zusätzlicher Anreiz für ihn, dies zu tun.“ Andererseits kann es sich als schwierig erweisen zu erreichen, dass die Kinder beim Spiel auch tatsächlich durchweg die beeinträchtigte Hand nutzen: „Die Tatsache, dass es ein Computerspiel ist, mag er sehr. […] Aber […] wir müssen das Kind daran erinnern, mit seiner ‚Piratenhand‘ zu spielen. Er findet das einfach schwierig.“ Wenn zudem wie in einigen Fällen aufgetreten – die Spiele die Kinder nicht über einen längeren Zeitraum motivieren konnten, standen die jeweiligen Eltern dieser Form der Rehabilitation im häuslichen Umfeld eher ablehnend gegenüber. Deshalb ist es sehr wichtig, dass motivierende Aspekte standardmäßig in „Serious Games“ integriert werden. Das bedeutet: Sowohl die Patienten als auch die betreuenden Eltern benötigen in einem solchen neuen therapeutischen Rahmen Unterstützung 5. Umso wichtiger ist es, die Meinungen pflegender Eltern bei der Entscheidung über neue therapeutische Maßnahmen umfassend mit einzubeziehen 6. Die Ergebnisse der Befragung belegen jedenfalls schon zu diesem Zeitpunkt, dass eine handtrackergestützte Rehabilitation zu Hause umso erfolgreicher verläuft, je mehr die neue Technik von den Menschen, die die häusliche Therapie begleiten, akzeptiert wird.
Erwartete Qualität der Rehabilitationsmaßnahme
Der zweite kritische Bereich bei der Bewertung einer Rehabilitation mittels gestengesteuerter Computerspiele betrifft die Qualität der Rehabilitationsmaßnahme. Sie muss den Erwartungen und Bedürfnissen der Patienten ebenso wie denen der betreuenden Eltern gerecht werden 7. Ein wichtiger Aspekt ist dabei der Vergleich der Situation zu Hause ohne Anwesenheit eines Therapeuten mit der Situation in der Klinik. Um hierüber Aufschluss zu erhalten, wurde ein Fragebogen mit 26 Items entworfen, der die Erwartungen von Eltern und Therapeuten zu folgenden Aspekten auf einer 5‑teiligen Likert-Skala (von „stimme überhaupt nicht zu“ bis „stimme voll und ganz zu“) erhob: – Eignung der Methode für das Training der betroffenen Hand (Beispiel- Item: „Kinder mit einseitiger CP können Serious Games verwenden, um sich während einer Übungsstunde länger auf die Rehabilitation der Handfunktion zu konzentrieren.“) – Engagement und Empathie (Beispiel- Item: „Ohne direkten Kontakt mit dem Therapeuten haben Kinder Schwierigkeiten, bei der Reha motiviert zu bleiben“.) – Effektivität der Methode (Beispiel- Item: „Eine Heimtherapie mit dem Leap-Motion-Sensor sorgt letztendlich dafür, dass die täglichen Aktivitäten besser ausgeführt werden können [Butterbrote schmieren, sich anziehen und Schnürsenkel binden]“). – Zugänglichkeit der Methode (Beispiel- Item: „Der Kaufpreis des Leap- Motion-Sensors [etwa 80 Euro] ist kein Grund für Eltern/Erziehungsberechtigte, von dieser Trainingsmethode abzusehen.“) – Sicherheit der Methode (Beispiel- Item: „,Serious Gaming‘ kann zur Sucht führen.“) Die Auswertung der Fragebögen ergab, dass die erwartete Qualität der Versorgung mit einer Gesamtnote von 3,6 von 5 eher positiveingeschätzt wird. Eine statistische Analyse per Mann-Whitney-U-Test ergab zudem Erwartete Qualität der Rehabilitationsmaßnahme Der zweite kritische Bereich bei der Bewertung einer Rehabilitation mittels gestengesteuerter Computerspiele betrifft die Qualität der Rehabilitationsmaßnahme. Sie muss den Erwartungen und Bedürfnissen der Patienten ebenso wie denen der betreuenden Eltern gerecht werden 8. Ein wichtiger Aspekt ist dabei der Vergleich der Situation zu Hause ohne Anwesenheit eines Therapeuten mit der Situation in der Klinik. Um hierüber Aufschluss zu erhalten, wurde ein Fragebogen mit 26 Items entworfen, der die Erwartungen von Eltern und Therapeuten zu folgenden Aspekten auf einer 5‑teiligen Likert-Skala (von „stimme überhaupt nicht zu“ bis „stimme voll und ganz zu“) erhob:
- Eignung der Methode für das Training der betroffenen Hand (Beispiel- Item: „Kinder mit einseitiger CP können Serious Games verwenden, um sich während einer Übungsstunde länger auf die Rehabilitation der Handfunktion zu konzentrieren.“)
- Engagement und Empathie (Beispiel- Item: „Ohne direkten Kontakt mit dem Therapeuten haben Kinder Schwierigkeiten, bei der Reha motiviert zu bleiben“.)
- Effektivität der Methode (Beispiel- Item: „Eine Heimtherapie mit dem Leap-Motion-Sensor sorgt letztendlich dafür, dass die täglichen Aktivitäten besser ausgeführt werden können [Butterbrote schmieren, sich anziehen und Schnürsenkel binden]“).
- Zugänglichkeit der Methode (Beispiel- Item: „Der Kaufpreis des Leap- Motion-Sensors [etwa 80 Euro] ist kein Grund für Eltern/Erziehungsberechtigte, von dieser Trainingsmethode abzusehen.“)
- Sicherheit der Methode (Beispiel- Item: „,Serious Gaming‘ kann zur Sucht führen.“)
Die Auswertung der Fragebögen ergab, dass die erwartete Qualität der Versorgung mit einer Gesamtnote von 3,6 von 5 eher positiveingeschätzt wird. Eine statistische Analyse per Mann-Whitney-U-Test ergab zudem keine Unterschiede zwischen den Erwartungen der pflegenden Eltern und der Therapeuten auf einer Alpha-Ebene von 0,05 (Mdn = 3,773; U = 3,6; p = 0,251). Hier scheint demnach ein Konsens zwischen Therapeuten und Eltern hinsichtlich ihrer Erwartungen gegenüber Computerspielen mit rehabilitativer Funktion zu bestehen. Die Frage, ob die geäußerten Erwartungen sich auch tatsächlich empirisch bestätigen lassen, wird im Rahmen einer weiterführenden Studie untersucht, die 2020 publiziert werden soll.
Wirksamkeit der Rehabilitation und motivierende Wirkung des Spieldesigns
Es wurde festgestellt, dass 87,5 % der befragten Therapeuten es für „sehr wahrscheinlich“ halten, dass eine virtuelle Umgebung die motorische Rehabilitation der oberen Extremitäten unterstützen kann 9. Daher ließ sich die Hypothese aufstellen, dass eine Rehabilitationsmaßnahme per Handtracker die gleiche Intensität aufweist wie ein Einzeltraining mit einem Ergo- oder Physiotherapeuten und dass somit eine Rehabilitation im häuslichen Umfeld per Gestencontroller für junge Patienten mit unilateraler CP eine geeignete Methode zum Trainieren der Handfunktion ist. Um die tatsächliche Wirksamkeit dieser speziellen Form der Rehabilitation zu überprüfen, wurde die Trainingsintensität untersucht und mit der Intensität eines Einzeltrainings mit einem Physiotherapeuten in der Piraten-Gruppenintervention verglichen. Zur Messung der Intensität diente die Zahl der Wiederholungen des Spiels während einer fünfminütigen Rehabilitationseinheit. Eine Videoanalyse junger Patienten mit unilateraler CP, die die vorgestellten gestenbasierten Rehabilitationsspiele spielten (Abb. 2), zeitigte positive Ergebnisse: Zwei der drei Spiele erwiesen sich als ebenso wirksam wie die entsprechenden konventionellen Spiele. Ein Spiel war sogar deutlich wirksamer als das entsprechende konventionelle Spiel. Allerdings funktionierte nur eines der drei Spiele reibungslos, während zwei Spiele nur unzureichend abliefen: Der Sensor war nicht immer in der Lage, die Handbewegungen korrekt zu detektieren – dies verlängerte die ineffektiven Phasen der Spielzeit. Eine weitere wichtige Variable, die die Wirksamkeit beeinflusst, ist die Qualität des Spieldesigns. Wie oben beschrieben ist aus Sicht der pflegenden Eltern das Spieldesign ein Faktor, der Kinder bei der Rehabilitation in hohem Maße stimulieren und motivieren kann. Das Ergebnis des Tests der Spiele mit einem Durchschnittswert von 3,1 von 5 deutet allerdings darauf hin, dass die aktuellen Versionen der zu diesem Zweck entwickelten Spiele noch nicht das gewünschte Niveau aufweisen, um für junge Patienten mit CP über einen längeren Zeitraum attraktiv zu bleiben.
Fazit
Insgesamt ist eine Rehabilitation im häuslichen Umfeld per Gestensensor eine vielversprechende Methode zur Verbesserung der Funktion der oberen Extremitäten bei jungen Patienten mit unilateraler CP. In ihrem derzeitigen Zustand ist sie zwar noch nicht uneingeschränkt für den Einsatz im häuslichen Umfeld geeignet. Dennoch zeigten alle Akteure eine positive Einstellung gegenüber dem neuen therapeutischen Hilfsmittel. Die pflegenden Eltern gaben an, dem Einsatz rehabilitativer Spiele mit Handgestensteuerung im häuslichen Umfeld insbesondere dann positiv gegenüberzustehen, wenn dieser sich positiv auf die Motivation ihrer Kinder und auf die Einhaltung der jeweiligen Rehabilitationsmaßnahmen auswirkt. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Wirksamkeit der häuslichen Rehabilitationsmethode der der Spiele in der konventionellen Therapie weitgehend entspricht; eines der Spiele zeigte sogar eine höhere Wirksamkeit als das entsprechende konventionelle Spiel. Offensichtlich gibt es aber noch Verbesserungsmöglichkeiten, die vor einer allgemeinen Verbreitung der Therapiemethode erfüllt werden sollten. Insbesondere das Spieldesign entspricht noch nicht dem gewünschten Standard und muss verbessert werden, um Misserfolge bei der Einführung dieser neuen therapeutischen Methode zu vermeiden. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass eine Rehabilitation unter Einsatz eines Handgestencontrollers zwar auf dem besten Wege zu einem bedeutenden therapeutischen Instrument ist, dass für ihren Erfolg jedoch noch weitere Forschung und Entwicklung nötig sind.
Für die Autoren:
Dr. Pauline Aarts, Leiterin der Abteilung für Kinderrehabilitation Sint Maartenskliniek
Hengstdal 3
6574 NA Ubbergen (bij Nijmegen)
Niederlande
p.aarts@maartenskliniek.nl
Begutachteter Beitrag/reviewed paper
Jakobs K, Aarts P, van den Heuvel R, Beijer L. „Serious Gaming“ zur Verbesserung der Funktion der oberen Extremitäten von Kindern mit unilateraler Zerebralparese. Orthopädie Technik. 2020; 71 (1): 28–33
Bis dato wurden drei rehabilitationsorientierte Spiele als Prototypen entwickelt (s. Abbildungen A‑F):
| 1. Training des Pinzettengriffs („Roboterspiel“; Abb. A u. B) Das erste Spiel konzentriert sich auf das Zusammenführen und Auseinanderbewegen von Daumen und Zeigefinger („Pinzettengriff“). Ziel ist es hier, die Hindernisse vor der kleinen weißen Katze (jeweils unten links) zu zerstören, indem die elektrischen Gegenstände in der Luft gegriffen und anschließend mit dem Roboter auf die Hindernisse fallengelassen werden. Das Greifen wird durch Zusammenführen von Zeigefinger und Daumen erreicht (obere rechte Ecke von Abbildung A). Der Gegenstand kann durch Öffnen der Hand losgelassen werden (obere rechte Ecke von Abbildung B). Durch Zerstören der Objekte vor der Katze gelangt sie sicher durch die Wüste in Richtung Levelende. | 2. Training des Zylindergriffs („Affenspiel“; Abb. C u. D) Das zweite Spiel beschäftigt sich mit dem „Zylindergriff“: Wenn die Hand im richtigen Moment geschlossen wird, greift der links mittig zu sehende Affe einen Ast (untere rechte Ecke von Abbildung C). Wenn die Hand zum richtigen Zeitpunkt geöffnet wird, schwingt sich der Affe nach vorne von einem Ast zum anderen (untere rechte Ecke von Abbildung D). Die Hand muss geschlossen werden, damit der Affe nach einem neuen Ast greift. Um das Level erfolgreich abzuschließen, muss der Affe das Levelende erreichen. | 3. Training der Rotation des Handgelenks („Raumschiffspiel“; Abb. E u. F) Das dritte Spiel konzentriert sich auf die Rotation (Pronation und Supination) von Hand und Handgelenk. Ziel dieses Spiels ist es, ein Raumschiff durch im Weltraum schwebende Ringe zu lenken. Das Raumschiff wird durch Rotation von Hand und Handgelenk gesteuert. Dabei sorgt die Pronation der Hand für eine Bewegung nach links, während durch Supination eine Bewegung nach rechts erfolgt. In der unteren rechten Ecke von Abbildung E und F ist das jeweilige Ausmaß der Pronation bzw. Supination im Vergleich zur Neutralstellung der Hand zu sehen. |
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