Exploring the use of serious videogames in a robotic walker to improve ataxic gait

Abstract

Ataxia is a neurological sign indicative of dysfunction in the cerebellum, a part of the brain that coordinates movement. The typical symptoms include lack of balance when walking or standing, loss of limb coordination, change in speech, and difficulty with fine motor tasks, strongly affecting the person’s daily activities. Cerebellar ataxia can be inherited or caused by other disorders such as stroke, multiple sclerosis, or cerebral palsy. While there is no known cure for inherited ataxia, the symptoms can be managed through intensive and personalised rehabilitation, including physical, speech, and occupational therapy. Physical therapy, also known as conventional therapy, is a standard practice in the rehabilitation of patients with ataxia. It focuses on performing different physical exercises repeatedly, where a therapist monitors the session and regulates the intensity. Although effective, the repetitiveness of conventional therapy can become monotonous, besides being a very time-consuming process, which can be cumbersome for the therapist. Without any additional stimulation and decreasing motivation, patients may experience stagnation or even drop out of therapy. Robot-assisted Gait Training (RAGT) is being introduced in the rehabilitation of persons with motor disabilities. This technology allows personalised and intensity-adapted training, which could benefit the patient’s recovery. However, this therapy can also become monotonous, so there is a need for more interactive and appealing strategies. A possible solution to this problem is the development of exergames (serious games) and their inclusion in robotic-assisted therapy. This can become advantageous since the robotic devices integrate several sensors that read the patient’s movement and can be used as controllers in the game, allowing a more immersive experience. Considering this, this dissertation proposes two serious videogames, which were integrated into a robotic walker, the WALKit Smart Walker, intended for gait ataxia rehabilitation. The first game is cognitive, whose goal is to react to a certain shape or sound as quickly as possible. With this game, it is intended to study the influence of dual tasking on motor rehabilitation. The second game is a dynamic one whose goal is to incite the patient’s balance control. This game uses an algorithm for torso orientation estimation to control an avatar holding two buckets full of water. The main goal is to give patients biofeedback regarding their postural balance and to exercise their balance with specific events, or minigames, that encourage them to lean in a way that causes weight transfer. Both games were validated with healthy volunteers, in terms of functionality and usability. The results allowed to conclude that both were fun to play and showed potential to aid rehabilitation. Moreover, the results emphasised the relevance of customisation, replayability, and aesthetics in serious games. Future work includes the thorough validation of both serious games with patients with cerebellar ataxia, to assess their effectiveness in rehabilitation along with WALKit Smart Walker.

A ataxia é um sinal neurológico indicativo de disfunção no cerebelo, uma parte do cérebro que coordena o movimento. Os sintomas típicos incluem a falta de equilíbrio ao caminhar ou ficar de pé, perda de coordenação dos membros, alteração na fala e dificuldade em tarefas motoras finas, gravemente afetando as atividades diárias da pessoa. A ataxia cerebelar pode ser herdada ou causada por outros distúrbios, como acidentes vasculares cerebrais, esclerose múltipla ou paralisia cerebral. Embora não haja cura conhecida para a ataxia hereditária, os sintomas podem ser controlados através de reabilitação intensiva e personalizada, incluindo fisioterapia, terapia da fala e terapia ocupacional. A fisioterapia, também conhecida como terapia convencional, é a norma na reabilitação de pacientes atáxicos. Foca-se em fazer diferentes exercícios físicos de forma repetida, juntamente com um terapeuta que regula a intensidade. Embora eficaz, a repetitividade da terapia convencional pode tornar-se monótona. Sem estímulo adicional e motivação decrescente, os pacientes podem sentir estagnação ou até mesmo abandar a terapia. O treino de marcha assistida por robô está a ser introduzido na reabilitação de pessoas com deficiência motora. Esta tecnologia permite treino repetitivo e adaptado, o que pode beneficiar a recuperação do paciente. No entanto, esta terapia também se pode tornar monótona, pelo que são necessárias estratégias mais interativas e apelativas. Uma possível solução é o desenvolvimento de exergames (jogos sérios) e sua inclusão na terapia assistida por robôs. Pode ser vantajoso uma vez que os dispositivos robóticos integram vários sensores que leem o movimento do paciente e podem assim ser usados como controladores no jogo, permitindo uma experiência mais imersiva. Esta dissertação propõe dois videojogos sérios, que foram integrados num andarilho robótico, o WALKit Smart Walker, criado para a reabilitação da ataxia de marcha. O primeiro jogo sério é um jogo cognitivo, cujo objetivo é reagir a uma determinada imagem ou som o mais rápido possível. Este jogo pretende estudar a influência do dual tasking na reabilitação motora. O segundo jogo é um jogo dinâmico, cujo objetivo é estimular o controlo do equilíbrio do paciente. Este jogo usa um algoritmo para estimar a orientação do tronco, para controlar um avatar que segura dois baldes cheios de água. O principal objetivo é caminhar sem entornar os baldes e, desta forma, dar aos pacientes biofeedback sobre seu equilíbrio postural e exercitar seu equilíbrio com eventos específicos, ou minijogos, que os estimulem a se inclinar de forma a causar transferência de peso. Ambos os jogos foram validados com participantes saudáveis, em termos de funcionalidade e usabilidade. Os resultados permitiram concluir que ambos foram divertidos de jogar e mostraram potencial para ajudar na reabilitação. Os resultados enfatizaram a importância da personalização, replay value e estética em jogos sérios. O trabalho futuro inclui a validação exaustiva dos dois jogos sérios com pacientes com ataxia, de forma a avaliar a sua eficácia na reabilitação juntamente com o andarilho WALKit Smart Walker.