Die Konzeption und softwaretechnische Umsetzung eines digitalen Therapiesystems zur Sturzprophylaxe für Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Zusammenfassung

2 Einleitung

3 Technische Voraussetzungen zur Konzeption
3.1 Hardware
3.1.1 Bewegungssensitiver Controller
3.1.2 Kamera
3.1.3 Auswahl der Hardware
3.1.4 Kinect v2
3.1.5 Eignung der Kinect v2 für ein digitales Therapiesystem
3.1.6 Entwicklungscomputer
3.2 Software
3.2.1 Unity
3.2.2 Integration der Kinect in Unity
3.3 Entwicklungsumgebung

4 Konzeption – Theorie
4.1 Softwaretechnische Konzeption
4.2 Zielgruppenorientierte Konzeption

5 Konzeption Praxis
5.1 Praxistest
5.1.1 Auswertung Fragebögen
5.1.2 Beobachtungen
5.1.3 Testfazit
5.2 Konzeptentwicklung
5.2.1 Übungsauswahl und Umsetzung
5.2.2 Menü und Spielablauf
5.2.3 Datenspeicherung

6 Softwaretechnische Umsetzung
6.1 Unity-Verwendung
6.1.1 Unity-Klassen
6.1.2 Unity-Komponenten
6.2 Implementierung des Spielablaufs
6.2.1 Player-Klasse
6.2.2 Game-Klasse
6.2.3 GlobalControl
6.2.4 ScoreManager-Klasse
6.2.5 PlayerManager-Klasse
6.2.6 GameControlScript-Klasse
6.3 Kinect-Verwendung
6.3.1 Kinect Integration
6.3.2 Veränderung des Unity EventSystems
6.3.3 Grundprinzip der Spielesteuerung
6.4 Implementierung eines Spiels
6.5 Datenbank

7 Probleme

8 Verbesserungs- und Erweiterungsmöglichkeiten

9 Ausblick

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Zusammenfassung

Die Gesundheitspolitik steht vor vielfältigen Aufgaben. Insbesondere der demografische Wandel erfordert in Zukunft tiefgreifende präventive Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensqualität im Alter.

Eine solche Präventionsmaßnahme ist die Sturzprophylaxe für Menschen mit neurodegenerativen Erkrankungen. Diese wird in dieser Arbeit in Form eines digitalen Therapiesystems adressiert, das mit Hilfe der Kinect-Kamera von Microsoft umgesetzt wurde. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Exergame-Produkt „STAY-Fit“ zu entwickeln.

Dazu wurden zuerst Testläufe mit als Spielen implementierten Trainingsübungen in Altenheimen und Pflegeeinrichtungen durchgeführt. Nach der Evaluation dieser Testläufe wurde auf Basis der Erkenntnisse eine Konzeptionierung des digitalen Therapiesystems durchgeführt und diese softwaretechnisch umgesetzt. Nach einem erneuten Testlauf mit Evaluation wurde die Konzeption verfeinert.

Die Konzeptentwicklung wird ausführlich erläutert, sodass nachzuvollziehen ist, welche Gedankengänge das Konzept maßgeblich beeinflussen. Wie genau das Exergame mit der Kinect unter Verwendung von Unity softwaretechnisch umgesetzt wurde, wird anhand von Klassendiagrammen und Codebeispielen erklärt.

Ergebnis dieser Arbeit ist ein prototypisch umgesetztes digitales Therapieprogramm für Menschen mit neurodegenerativen Erkrankungen, das mit besonderem Augenmerk auf den Einsatz für eine Gruppe von Teilnehmern in Pflegeeinrichtungen und Altenheimen konzipiert wurde.

2 Einleitung

Der hohe Stellenwert der Gesundheit in der heutigen Gesellschaft stellt die Gesundheitspolitik vor vielfältige Aufgaben. Zu den beiden Megatrends, denen sich die Gesundheitspolitik in den nächsten Jahren insbesondere stellen müssen wird, gehören der demografische Wandel sowie die Digitalisierung [1][2]. Um eine bessere und effizientere Gesundheitsversorgung und Nutzung von Ressourcen zu ermöglichen, erfordert es neue Technologien, die trotz sichergestellter Qualität dennoch bezahlbar bleiben. Aus den genannten Megatrends erfordert vor allem der demografische Wandel sowie die damit einhergehende steigende Zahl chronischer Erkrankungen präventive Maßnahmen zum Beispiel zu allgemeinen Gesundheitseinschränkungen oder der Pflegebedürftigkeit im Alter. Derartige Prävention erzielt eine sogenannte Morbiditätskompression, das heißt, die Ausnutzung der individuellen Lebenserwartung bei hoher Lebensqualität [2].

Eine solche Gesundheitsförderung ist die Sturzprohphylaxe von Menschen mit neurodegenerativen Erkrankungen, die sowohl eine bis zu dreifache Sturzinzidenz gegenüber vergleichbaren, Personen ohne Demenz aufweisen, als auch dabei bis zu viermal so häufig schwer verletzt sind oder sterben. Mit gezieltem körperlichen Training kann eine signifikante Verbesserung der motorischen und funktionellen Leistungen erreicht werden, wodurch das Sturzrisiko erheblich minimiert wird [3]. Auch spezifische kognitive Funktionen, wie Gedächtnisleistung und die Aufmerksamkeit hängen mit der Motorik zusammen[4].

Aufgegriffen werden die beiden Megatrends in dem digitalen Therapiesystem, das mit dieser Arbeit entwickelt wird. Dieses sogenannte „Exergame“ wird prototypisch entwickelt, das heißt es wird noch nicht zur Marktreife optimiert, kann aber zur Sturzprophylaxe bereits eingesetzt werden.

Exergames sind eine Mischung aus Trainieren (engl. to exercise) und Spiel (engl. game), das heißt es sind Computerspiele, die sich durch Körperbewegungen oder Eingabegeräte mit integrierten Sensoren steuern lassen und so zu Bewegung animieren. Diese Spiele erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, so dass der gesundheitliche Mehrwert der Spiele in den Fokus rückt. Dieser Mehrwert wurde bereits für unterhaltungsorientierte Exergames nachgewiesen [5][6][7] ,aber auch speziell für ältere Menschen aufgezeigt [8].

Der Großteil der verfügbaren unterhaltungsorientierten Exergames (Wii Sports©, PlayStation®Move oder XBOX Kinect®) wird allerdings von einer jungen Zielgruppe genutzt, die gelegentlich und ohne spezielle sportliche Ziele damit Sport treibt. Das große Potential der Exergames zum Beispiel zur Rehabilitation, Sturzprophylaxe oder zur Motivation zu mehr Bewegung bei Menschen mit neurodegenerativen Erkrankungen bleibt jedoch weitestgehend ungenutzt [9].

Um diese Zielgruppen zu erreichen, muss ein Exergame dementsprechend adaptiert und personalisiert werden, damit ein optimaler Aktivierungsgrad der Spieler erreicht werden kann.

Die Arbeit ist Teil eines Projektes des Telemedizinzentrums Hamm, das von Prof. Dr. Gregor Hohenberg, Timo Brune, Julian Thiyagarajah, Erol Öztürk, Sebastian Vogt und Jens Zakobielski im Jahr 2015 gegründet wurde, um innovative und anwendungsorientierte Lösungen für Patienten zu entwickeln, die zum Beispiel bei der Therapie beziehungsweise Prophylaxe von Alzheimer-Erkrankungen eingesetzt werden können. Ziel des Projektes ist ein Exergame, im Folgenden STAY-Fit genannt, das im Bereich der Sturzprophylaxe für Menschen mit neurodegenerativen Erkrankungen eingesetzt werden soll.

Der positive Effekt eines solchen Exergames auf gelingendes Altern wurde unter anderem 2015 von Synofzik [10] nahegelegt und von van Diest et al. [8] belegt. Trotzdem existieren auf dem Markt keine Produkte, die auf Menschen mit Demenz oder kognitiven Einschränkungen zugeschnitten sind. Aus diesem Grund wurde das Projekt initiiert.

Das Projekt ist in drei Teile unterteilt. Der erste Teil von „Von der Theorie zum Produkt – digitale Therapiesysteme zur Sturzprophylaxe für Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen“ [11] von Julian Thiyagarajah erarbeitet einen übergreifenden wissenschaftlichen Hintergrund zur Sturzthematik bei neurodegenerativen Erkrankungen sowie den Effekt der Exergames und entwickelt unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse einen Übungsplan für STAY-Fit.

Diese Arbeit stellt den zweiten Teil dar. Hier wird letztendlich aus dem Übungsplan ein Exergame zugeschnitten auf Menschen mit neurodegenerativen Erkrankungen konzipiert und softwaretechnisch umgesetzt, sodass ein funktionsfähiger Prototyp zum Einsatz in der Praxis entsteht.

Der dritte Teil „Konzept zur Unternehmensgründung am Beispiel digitaler Therapiesysteme zur Sturzprophylaxe für Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen“ [12] von Erol Öztürk entwickelt Strategien zur Markeinführung von STAY-Fit und beleuchtet eine damit verbundene Unternehmensgründung.

3 Technische Voraussetzungen zur Konzeption

Zur Entwicklung eines digitalen Therapiesystems sollten sowohl die Hard- als auch die Software entsprechend den Anforderungen ausgewählt werden. Hinsichtlich dieser Auswahl müssen viele Parameter beachtet werden. Zum einen gilt es die richtige Hardware aus den verschiedenen Möglichkeiten auszuwählen, um eine gut umsetzbare und eventuell auch kostengünstige Lösung zu finden, die am besten zur Zielgruppe, Menschen mit neurodegenerativen Einschränkungen, passt. Zum anderen muss bei der softwaretechnischen Umsetzung selbstverständlich darauf geachtet werden, welche Programme eingesetzt werden und ob sie mit der Hardware kompatibel sind. Darüber hinaus sollten auch hier mit Hinblick auf eine mögliche Markteinführung des Produktes eventuell anfallende Lizenzgebühren beachtet werden.

3.1 Hardware

Als mögliche Hardware für bewegungsgesteuerte Spiele kommen grundsätzlich nur drei verschiedene Systeme in Frage, die sich in zwei unterschiedliche Ansätze aufteilen.

3.1.1 Bewegungssensitiver Controller

Der erste Ansatz funktioniert über einen Controller mit integrierten, sensiblen Bewegungssensoren und wurde zum ersten Mal im Dezember 2006 von Nintendo in Form der Wii vorgestellt (Abbildung 1). Im Jahr 2010 hat Sony mit einem ähnlichen System nachgezogen, der PlayStationÒ-Move (Abbildung 2). Dieses System wird ebenfalls mit einem Controller, der mit Sensoren ausgestattet ist, über Bewegungen gesteuert. Allerdings weitergehend mit einer Kamera, der Playstation Eye, zur Positionserfassung der Controller verfeinert. Genutzt werden kann diese Art der Steuerung an den von Sony angebotenen Konsolen PlayStation 3 und PlayStation 4.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 - Wii Konsole mit bewegungssensitivem Controller [13]

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Abbildung 2 - PlayStation Move Controller und PlayStation Eye Kamera[14]

3.1.2 Kamera

Der zweite Ansatz funktioniert ohne einen bewegungssensititven Controller lediglich mit Hilfe einer Kamera, die mehrere Sensoren hat. Vorgestellt wurde diese Technologie 2009 von Microsoft und wird seit November 2010 unter dem Namen Kinect verkauft. Kompatibel ist die Kinect mit der ebenfalls von Microsoft angebotenen Xbox 360. Ein leistungsstärkeres Update der Kinect, die Kinect v2 (Abbildung 1), wurde Ende 2013 zusammen mit der Xbox One herausgegeben. Seit Juni 2014 ist die Kinect v2 auch mit Windows kompatibel, das heißt sie kann nicht nur an die Spielekonsole, sondern auch an den Computer angeschlossen werden und als Steuerungsinstrument dienen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - Kinect v2 Kamera

3.1.3 Auswahl der Hardware

Da ein digitales Therapieprogramm zur Sturzprophylaxe als erstes die Zielgruppe betrachten sollte, um eine Entscheidung zur Auswahl der Hardware zu treffen, sollte lediglich der zweite Ansatz in Betracht gezogen werden. Hier entfällt der Controller als mittelndes Element zwischen Spiel und Spieler. Für die Generation der Zielgruppe ist ein derartiger Controller schwer bedienbar, weil wegen der fehlenden Erfahrung mit der Bedienung per Controller oftmals Koordinationsschwierigkeiten bei dieser auftreten. Erfahrungsberichte von Mitarbeitern aus Pflegeeinrichtungen, die bereits Testläufe mit herkömmlichen Exergames an der Wii mit ihren Patienten durchführten, zeigten dies deutlich auf. Eine Steuerung lediglich mittels Körperbewegungen, die nur von einer Kamera erfasst werden, stellte sich als wesentlich intuitiver für die Probanden heraus.

Aus diesem Grund fällt die Entscheidung auf die Kinect v2.

3.1.4 Kinect v2

Die Kinect v2 verfügt über eine RGB (Rot, Grün, Blau)- sowie eine IR (Infrarot)-Kamera, drei IR-Sender und ein Mikrofonarray (Abbildung 4).

Die RGB-Kamera nimmt Farbbilder mit einer Auflösung von 1920x1080 Pixeln auf, während die IR-Kamera im Zusammenspiel mit den IR-Sendern neben weiteren IR-Funktionen eine Echtzeiterfassung von Tiefenbildern mit einer Auflösung von 512x424 Pixeln ermöglicht. Beide Kameras operieren mit bis zu 30Hz (Hertz) Framerate bei einem Sichtbereich (engl. „field of view“) von 70° horizonztal und 60°[15]. Im Abstand zwischen 0,5m und 4,5m zur Kamera ist eine vollständige Skelettverfolgung von sechs Personen gleichzeitig mit je 25 Gelenken möglich (Abbildung 5).

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Abbildung 4 - Kinect v2 mit sensorischen Komponenten nach [16]

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Abbildung 5 - Lage, Verbindung und Beschriftung der mit Kinect erfassten Gelenke am „Vitruvianischen Mensch“ aus[17]

Auf der Microsoft Website sowie in Patenten von Canesta^[1] wird beschrieben, dass der Kinect v2 Sensor auf einem indirekten ToF-Verfahren (engl. „Indirect Time-of-Flight) basiert. Das Grundprinzip hierbei beruht auf der Messung der Zeit, die die von den IR-Sendern emittierten IR-Impulse benötigen, bis sie auf ihr Ziel treffen. Deshalb ist die zu messende Distanz proportional zu der gemessenen Zeit[18].

3.1.5 Eignung der Kinect v2 für ein digitales Therapiesystem

Um eine ergebnisorientierte Therapie gewährleisten zu können, muss die Kinect gewisse Anforderungen bezüglich der Präzision erfüllen, sonst kann eine korrekte Steuerung und vor allem spätere Analyse der gewonnenen Daten nicht gewährleistet werden.

Verglichen mit professionellen Marker-basierten 3D-Kamerasystemen (engl. Marker-Based Systems [MBS]) stellt die Kinect eine kostengünstige, mobile und leicht einsetzbare Alternative, die markerlos ist (engl. Markerless motion capture [MMC]), dar[19]. Eine Studie [19] vergleicht die Kinect v1 mit einem präzisen stereophotogrammetrischen MBS, dem Vicon 8-Kamerasystem. Das Resultat zeigt, dass die Kinect bei statischen Aufnahmen ähnlich präzise wie das Vicon-System ist. Obwohl sich bei Bewegungen Abweichungen der Präzision zeigen, wird die Kamera ausdrücklich für medizinische „serious games“, also Exergames mit medizinischer Ausrichtung, empfohlen. Ebenfalls empfohlen wird die Kinect von van Diest et al.[20], obwohl die Messgenauigkeit bei den Armen und Beinen nicht hoch ist, dafür aber der Rumpf sehr präzise von der Kinect im Vergleich mit dem Vicon-System gemessen wurde. Dies ermögliche eine Quantifizierung der Balancefähigkeit in einer Exergame-Umgebung.

Auch die Reproduzierbarkeit von Ergebnissen bei Messungen ist im Vergleich mit dem Vicon-System gegeben[21].Die Reproduzierbarkeit stellt den Grad der Übereinstimmung bei wiederholten Messungen der gleichen Sache dar. Sie ist unverzichtbar für neue Geräte, vor allem in medizinischen Belangen, bei denen eine verlässliche Messung gewährleistet sein muss. Es wurde gezeigt, dass die Kinect als kosteneffiziente, einfach zu benutzende und mobile MMC-Kamera die gleiche Reproduzierbarkeit wie ein teures, zeitaufwendiges und immobiles MBS aufweist[21].

Zusammenfassend wird beschrieben, dass die Kinect zwar eine sehr gute Präzision bei statischen Aufnahmen erreicht, aber bei Bewegungsaufnahmen verglichen mit einem Hochpräzisionssystem vor allem beim Tracking der Arme und Beine sowie Hände und Füße nicht präzise ist. Im Gegensatz dazu wird der Rumpf präzise erfasst. In Kombination mit der allerdings hervorragenden Reproduzierbarkeit der Präzision der Kinect wird eine Verwendbarkeit der Kinect für Heimanwendungen und zur Rehabilitation bescheinigt[19].

Dem Problem der Ungenauigkeit könnte entgegengesteuert werden, indem für sehr präzisionsabhängige Anwendungsgebiete eine Kalibrierung im Zusammenspiel mit einem MBS, zum Beispiel dem Vicon-System, durchgeführt wird, sodass Regressionsgleichungen zur Bestimmung des korrekten Resultats aufgestellt werden können. Dies ist aufgrund einer, dank der hervorragenden Reproduzierbarkeit festgestellten, Regression zwischen den Messwerten der Kinect und des Vicon-Systems möglich [19].

Alle aufgeführten Studien ziehen die Kinect v1 für ihre Messungen und Vergleiche heran. Ähnliche Studien, die die verbesserte Kinect, Kinect v2, mit einem MBS vergleichen, sind nicht verfügbar. Allerdings kann aufgrund der insgesamt hochauflösenderen und ausgereifteren Technik von einer Verbesserung beziehungsweise von keiner Verschlechterung der Präzision der Kinect ausgegangen werden. So ist zu erwarten, dass sich die Kinect v2 für ein digitales Therapiesystem in gleicher Weise oder besser eignet.

3.1.6 Entwicklungscomputer

Zur Entwicklung von Kinect Anwendungen auf einem Computer gibt Microsoft genaue Angaben zu den Systemanforderungen, die mindestens erfüllt werden müssen. Nur so kann eine problemfreie Entwicklung gewährleistet werden. In den Anforderungen sind als Betriebssystem Windows 8 oder neuer mit 64-Bit Architektur und dementsprechend auch ein 64-Bit Prozessor genannt. Darüber hinaus werden mindestens 4 GB (Gigabyte) Arbeitsspeicher sowie ein I7-Prozessor mit mindestens 3.1 GHz (Gigahertz) Prozessorleistung verlangt. Der PC sollte über einen integrierten USB (Universal Serial Bus) 3.0 Host Controller von Intel und über eine DX 11-fähige Grafikkarte verfügen[22].

3.2 Software

Um Anwendungen für die Kinect erstellen zu können und die Kinect softwareseitig leicht ansteuern sowie von vorhandenen Klassen und Methoden Gebrauch machen zu können, hat Microsoft das „Kinect für Windows SDK (Software Development Kit) 2.0“ bereitgestellt.

Für die softwaretechnische Umsetzung eines Videospiels beziehungsweise Exergames kann auf die Hilfe von Spieleentwicklungsumgebungen (engl. Game-Engines) zurückgegriffen werden, die die Kernfunktionen, die benötigt werden, bereitstellen. Eine Game-Engine ist ein Software-Framework zur Entwicklung von Videospielen, das es ermöglicht, ebendiese für verschiedene Endgeräte (Konsolen, Smartphones, Computer) zu entwickeln. Standardfunktionen, die eine Game-Engine bereitstellt, sind unter anderem Rendering von 2D- und 3D-Grafiken, Physik-Engine, Kollisionsdetektion, Sound, Animationen, Speichermanagement und Programmierung[23].

3.2.1 Unity

Die Wahl der Game-Engine ist auf Unity gefallen. Unity ist eine Spieleentwicklungsumgebung für Windows- und MacOS X-Systeme, die von der aus Dänemark stammenden Firma Unity Technologies entwickelt wird. Mithilfe von Unity können interaktive 3D- sowie 2D- Inhalte erstellt werden. So wird nicht nur die Entwicklung von Spielen, sondern auch das Erstellen von Anwendungen in anderen Bereichen wie zum Beispiel Architekturvisualisierungen oder digitaler Werbe- und Informationssysteme ermöglicht. Selbst im E-Learning-Bereich wird Unity eingesetzt[24].

Die Spieleentwicklungsumgebung ermöglicht Multiplattform-Publishing, das heißt, dass eine einmal entwickelte Anwendung auf mehrere Zielplattformen exportiert werden kann. Zurzeit werden Windows Desktopprogramme, Mac OS X, Linux, Windows Store Apps, iOS, Android, Windows Phone 8, Blackberry 10, Google Native Client und ein eigener Webplayer als Plattform unterstützt[24].

Mit Unity kann auch für die Konsolen XBox, Wii und PlayStation entwickelt werden, allerdings müssen hier teilweise gesonderte Lizenzen von den Konsolenherstellern erworben werden. Dies ist bei der Entwicklung für die XBox nicht der Fall.

Zur Funktionspalette von Unity gehören neben einer guten Physik-Engine auch Tools für Partikeleffekte, zur Landschaftsgestaltung und für Animationen. Als Entwicklungsumgebung wird MonoDevelop mit angeboten. In dieser kann die Programmierung umgesetzt und ein Debugging durchgeführt werden. Auch Microsoft Visual Studio kann in Unity als IDE (engl. Integrated Development Environment) für diese Zwecke verwendet werden. Außerdem werden 3D-Grundobjekte für kleinere Aufgaben von Unity selbst angeboten. Für umfangreichere Modellierungsaufgaben sollten allerdings Spezialtools wie 3ds Max oder Blender verwendet und die erstellten Objekte in Unity importiert werden [24].

Angeboten wird Unity mit unterschiedlichen Lizenzmodellen. Es gibt die kostenlose Ausführung „Unity Personal Edition“ oder die kostenpflichtigen Varianten „Unity Plus“ und „Unity Pro“, für die eine monatliche Gebühr anfällt. Alle Modelle unterstützen sowohl alle Engine-Funktionen sowie alle Plattformen und werden regelmäßig geupdated. Unterschiede gibt es zum Beispiel in der möglichen Multiplayer-Anzahl oder cloudbasierten Erstellung der Spiele[25].

Alle Lizenzmodelle erlauben eine kommerzielle Nutzung, unterscheiden sich aber im erlaubten Umsatz. So darf mit der, für diese Arbeit eingesetzten, „Unity Personal Edition“ ein Umsatz von 100.000 US-Dollar im Geschäftsjahr gemacht werden[26].

3.2.2 Integration der Kinect in Unity

Neben den genannten Vorteilen von Unity – Multiplattform-Publishing, kostenfreie Version mit allen Funktionen – gibt es zur Integration der Kinect ein Paket, das sich „KinectForWindows_UnityPro_2.0.1410“ [27] nennt und als sogenanntes Asset in Unity importiert werden kann (näheres dazu in 6.3.1). Diese Funktionalität wird ab Unity 5, seit März 2015 auch für die kostenlose Variante, angeboten und bietet zur Nutzung in dieser Arbeit optimale Voraussetzungen.

3.3 Entwicklungsumgebung

Alle Hardware- sowie Software-Parameter der Entwicklungsumgebung, die für die Entwicklung des digitalen Therapiesystems eingesetzt wurde, sind in folgender Tabelle zusammengefasst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1 - Leistungsparameter der Entwicklungsumgebung

4 Konzeption – Theorie

Hinsichtlich der konzeptionellen Erarbeitung eines möglichen Exergames gibt es unterschiedliche Möglichkeiten zu beachten. So muss selbstverständlich die Theorie hinter entsprechenden Spielen beachtet werden, genauso wie die Zielgruppe. Aber auch das Setting, in dem das Exergame durch die Zielgruppe ausgeführt werden soll, nimmt einen hohen Stellenwert bei der Konzeptionierung ein. In diesem Kapitel soll ein Überblick über die bereits bestehende Theorie gegeben werden.

4.1 Softwaretechnische Konzeption

Sinclair et al. beschreiben in ihrer Arbeit einen “Dual Flow Model” genannten Ansatz zur Konzeption eines Exergames, der eine Erweiterung der Flow-Theorie auf sowohl die mentale als auch die physische Ebene darstellt [28]. Nach Csikszentmihalyi ist Flow der Zustand der völligen Vertiefung in eine Aufgabe[29].Es wird gesagt, dass ein Exergame prinzipiell für Training und Unterhaltung zuständig wäre. Aus Trainingssicht ist der Game-Aspekt als bereichernde Maßnahme anzusehen und umgekehrt ist aus Spiele-Perspektive der Gesundheitsaspekt die bereichernde Maßnahme. Deshalb solle die Exergame-Entwicklung nicht nur aus einer dieser Perspektiven angegangen werden, weil so das Ergebnis nicht optimal werden könne. Stattdessen müsse ein Exergame so entwickelt werden, dass es sowohl attraktiv als auch effektiv ist. In diesem Zusammenhang ist die Attraktivität für die Motivation des Spielers zum regelmäßigen Spielen zuständig. Aus diesem Grund solle ein Exergame vor allem Spaß garantieren. Die Effektivität beleuchtet den durch das Exergame erzielten gesundheitlichen Fortschritt. Wenn dank der Attraktivität des Spiels regelmäßig gespielt wird, wird ohnehin ein Fortschritt erzielt. Es gelte aber, diesen zu maximieren.

Auf der Seite der Attraktivität (engl. Attractiveness) steht die „goldene Regel des Flows“ (nach [29]). Diese besagt, dass die (wahrgenommenen) Fähigkeiten (engl. skill) mit den (wahrgenommenen) Herausforderungen (engl. challenge) übereinstimmen müssen (Abbildung 6 links). Andererseits müssen, um den Flow-Zustand auch physiologisch zu erreichen, im Bereich der Effektivität (engl. effectiveness) Intensität (engl. intensity) und Fitness (engl. fitness) übereinstimmen (Abbildung 6 rechts). Die richtige Anwendung des Flow-Konzepts sei ein Weg, qualitativ gute Resultate per Exergaming zu erzielen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 - Dual Flow Modell für Exergames aus [28]

Sweetser und Wyeth schlagen ein „Game Flow“ genanntes Konzept für den Flow speziell in Videospielen vor [30] und haben dahingehend folgende Kriterien, die ein Videospiel erfüllen muss, vorgeschlagen:

- Konzentration: Spiele sollen Konzentration erfordern und dem Spieler soll es möglich sein, sich auf das Spiel zu konzentrieren
- Herausforderung: Spiele sollen hinreichend herausfordernd sein und mit den Fertigkeiten des Spielers übereinstimmen
- Fertigkeiten des Spielers: Spiele müssen die Fertigkeitsentwicklung des Spielers unterstützen
- Kontrolle: Spieler sollen das Gefühl der Kontrolle über ihre Aktionen im Spiel haben
- Klare Ziele: Spiele müssen dem Spieler klare Ziele zu angemessenen Zeitpunkten geben
- Feedback: Spieler müssen angemessenes Feedback zum angemessenen Zeitpunkt bekommen
- Immersion: Spieler sollen tiefe aber mühelose Involvierung in das Spiel erfahren
- Soziale Interaktion: Spiele sollen soziale Interaktion unterstützen und Möglichkeiten zu dieser schaffen

Diese Kriterien sollten nach Sinclair et al. in der Umsetzung des Dual-Flow-Modells beachtet werden. Für die Umsetzung wird darüber hinaus auch ein Framework vorgeschlagen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7 - Exergame Framework nach Sinclair [28]

In diesem Framework übernimmt das User Identification and Exercise Planning-Modul die Aufnahme der Merkmale des Nutzers, zum Beispiel Name, Alter beziehungsweise Geburtsdatum, Geschlecht und Fitnesszustand. Aus den eingegebenen Daten werden ein grundsätzlich angemessenes Intensitätslevel der Übungen sowie ein Trainingsplan bestimmt.

Das Modul der Game Play Engine stellt den Kern des Frameworks dar. Es stellt das Spiel, beziehungsweise die verschiedenen Spiele oder Level, mit verschiedenen Schwierigkeitsstufen und Intensitätsstufen bereit. Hier wird auch der komplizierteste Aspekt der Exergame-Entwicklung umgesetzt, der sich in der Erhöhung der Intensität des Trainings ohne eine große Beeinflussung der Schwierigkeit ausdrückt. Der Trainingszustand eines Spielers, der die Intensität bestimmt, sollte losgelöst vom Fertigkeitslevel des Spielers hinsichtlich der Videospiele, durch das die Schwierigkeit bestimmt wird, betrachtet werden.

Das Exergame Control Logic-Modul ist verantwortlich für die Anwendung des Dual-Flow-Modells, indem es verschiedene Algorithmen umsetzt. Das Ziel ist es, die Intensität und Schwierigkeit so zu verwalten, dass das Spiel gleichzeitig interessant bleibt und die gesetzten Trainingsziele erreicht werden können. Prinzipiell benötigen die genannten Algorithmen den im ersten Modul entwickelten Trainingsplan, den Belastungsgrad des Spielers und das aktuelle Spiele-Fertigkeitslevel, um zu bestimmen, ob sowohl die Intensität als auch die Schwierigkeit angemessen sind. So kann das Spiel in diesen beiden Parametern zur Laufzeit angepasst werden. In diesem Zusammenhang findet die Beobachtung des Belastungsgrades bestmöglich mit Hilfe der Herzfrequenzmessung statt.

Der letzte Part des Frameworks, der Exergame Control-Adapter stellt die Art der Interaktion des Spiels mit dem Spieler dar. Hier werden getätigte Eingaben sowie Bewegungen des Spielers registriert und es wird Feedback gegeben. Die Möglichkeiten des Feedbacks sind immer abhängig von der Art der Steuerung des Exergames, beispielsweise kann auf einem Ergometer sitzend der Widerstand erhöht werden.

4.2 Zielgruppenorientierte Konzeption

Ein weiterer Ansatz zur Konzeption wird von van Diest et al. in „Requirements and concept development of an exergame for balance training in older adults“ [31] beschrieben. Dieser bezieht sich direkt auf Balancetraining für ältere Menschen mit Hilfe eines Exergames und ist darüber hinaus nicht auf die Konzeption auf technischer Ebene, sondern überwiegend auf die zielgruppenorientierte Konzeption, ausgerichtet. Es wird erläutert, wie Anforderungen an das Spiel herausgearbeitet wurden und im Anschluss daran ein Konzept entwickelt und evaluiert wurde.

In einem ersten Schritt wurden die wichtigsten Anforderungen in Zusammenarbeit mit allen Stakeholdern herausgestellt. Zu den Stakeholdern gehörten unter anderem ein Vertreter der Zielgruppe, Wissenschaftler aus verschiedenen Bereichen (Biomedizintechnologie, Sportwissenschaft, Rehabilitationsmedizin, Elektrotechnik, künstliche Intelligenz und Computervisualisierung) und Firmen mit Erfahrung im Bereich Spieleentwicklung, Sensortechnologie, Nutzeranforderungen und Tele-Monitoring.

Die Gruppe der Stakeholder hat in verschiedenen Abstimmungen erarbeitet, welche Anforderungen sie als wichtig erachtet. Das Resultat zeigt, dass ein Exergame vor allem effektiv in der Balanceverbesserung und benutzerfreundlich sein soll. Darüber hinaus sollte es auch zum Verkauf als Produkt geeignet sein sowie auf aktueller Technologie beruhen. Weitere fachliche Diskussionen haben ergeben, dass das Exergame auch für den Heimgebrauch tauglich sein und den Status der Bewegungskontrolle des Nutzers quantifizieren können soll, sodass dieser objektiv aufgezeichnet werden und das Spiel daran angepasst werden kann.

Um die Nutzer näher kennenzulernen, einen Einblick in die Bedürfnisse und Wünsche dieser zu bekommen und sie am Entwicklungsprozess zu beteiligen, wurden im nächsten Schritt halbstrukturierte Interviews mit Zielgruppenvertretern durchgeführt. An diesen Interviews haben neun ältere Menschen teilgenommen, die mindestens 65 Jahre alt, unabhängig und physisch fit (fähig, 15 Minuten ohne Hilfe zu gehen) sein mussten. Für die Interviews wurden diese zuhause besucht und in Form eines möglichst natürlichen Gesprächs befragt, sodass auch weitergehende Ansichten der Teilnehmer erfahren werden konnten.

An erster Stelle für die Nutzung eines Exergames stehen die gesundheitlichen Aspekte, direkt darauf folgt der mögliche soziale Charakter der Spiele. Hier wird ganz deutlich, dass ältere Menschen es sehr schätzen, zusammen mit Freunden oder auch den Enkeln zu spielen. Zu den gestellten Anforderungen gehört, dass die Spielewelt realistisch aber ideenreich gestaltet sein soll. Oftmals wurde ein Bezug zu Spielen, Sport oder Abenteuern aus der Vergangenheit gewünscht. Es wurden sowohl Spiele mit Wettbewerbscharakter als auch mit Kooperationsmodus gewünscht.

Neben den Anforderungen wurde auch das generelle Interesse an Exergames zu drei Zeitpunkten ermittelt. Hier zeigte sich, dass die Befragten deutlich interessierter wurden, je mehr Informationen ihnen über Exergames zur Verfügung standen. Nachdem Werbefilme gezeigt wurden, ließ die anfängliche Skepsis nach. Das Testspielen eines Exergames erzeugte weiter erhöhtes Interesse, weil neben den aufgezeigten Möglichkeiten dieser Spiele auch der Ablauf und Nutzen klarer geworden sind.

Zusammengefasst werden können die Anforderungen der Älteren an ein Exergame folgendermaßen. Ein Exergame sollte:

- einen Mehrspielermodus haben, der Wettkampf aber auch Kooperation ermöglicht
- realistisch und ideenreich gestaltet sein
- die Einstellung der Schwierigkeit ermöglichen
- Spaß machen
- einen nachgewiesenen gesundheitlichen Nutzen haben
- soziale Elemente enthalten wie den Mehrspielermodus oder Ergebnislisten
- über eine einfach zu bedienende Nutzeroberfläche verfügen
- mindestens dreimal die Woche spielbar sein

[...]

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^[1] Canesta wurde 2010 von Microsoft gekauft, weil die Technik der Kinect v2 auf verschiedenen Canesta-Patenten beruht