Development and design of software-based methods to promote motivation of patients in cognitive rehabilitation

Abstract

Softwarebasierte kognitive Trainings werden effektiv bei Patienten mit erworbenen Hirnschädigungen in der kognitiven Rehabilitation eingesetzt. Jedoch können besonders in der selbstständigen Nutzung zuhause sowohl Motivationsprobleme als auch eine ungenügende Durchführung des Trainings auftreten. Die Motivation und Durchführung kann durch Ansätze wie Gamification oder unterschiedliche Nutzungs- und Erinnerungsmechanismen angesprochen werden. Für eine nutzerorientierte Umsetzung im spezifischen Kontext der kognitiven Rehabilitation werden detaillierte Kenntnisse zu Design, Entwicklung und Effekten benötigt. Dafür werden in dieser Arbeit zur Erweiterung bestehender softwarebasierter kognitiver Trainings drei Schritte unterteilt: 1. Zuerst wird die Art betrachtet, wie Gamification Elemente für Patienten motivierend ausgewählt, entworfen und entwickelt werden können. 2. Als zweites wird betrachtet, welche Effekte sich bei der Implementierung von (angepasster) Gamification auf die Motivation in Wahrnehmung und Emotionen, sowie der Trainingsdauer ergeben. 3. Abschließend werden Möglichkeiten zur externen Ergänzung des Trainings am Computer betrachtet. In der Art der Implementierung zeigen die Ergebnisse anhand von Interactive Storytelling und Quest initial die potentielle Eignung der Implementierung von Gamification und das Interesse der Patienten an der Nutzung ohne zusätzlich zu erschöpfen. Es zeigt sich in der Machbarkeit, dass die ergänzende Gamification unabhängig von der kognitiven Trainingsaufgabe entwickelt und umgesetzt werden kann ohne diese zu verändern. Vertiefend wird eine Orientierung für die Umsetzung eines Nicht-Spieler Charakters zur Begleitung von Patienten in softwarebasierten kognitiven Trainings präsentiert. Übergreifend wird die Nachfrage von Patienten nach verschiedenen Gamification Elementen in Verbindung mit dem Charaktertyp basierend auf Marczewski’s Player and User Types Hexad analysiert. Dabei zeigen sich von allen Typen gefragte oder abgelehnte und individuell je nach Typ gemischt betrachtete Elemente. Besonders gefragt ist die Kategorien Progression, aber auch die Assistance, welche für Patienten relevanter als für gesunde Spieler ist. Das gefragteste Element ist ‘Meaning/Purpose’. Am wenigstens gefragt ist die Kategorie Socialisation. Zur Unterstützung für die Auswahl von Gamification und Umsetzung in der Praxis werden folgende Ansätze vorgestellt: • Eine visuelle Aufbereitung der Verbindung in der Nachfrage zwischen Charaktertyp der Nutzer und Elementen. • Ein Tool-Prototyp für einen interaktiven ‘Gamification Guide’, der die Auswahl angepasster Elemente entsprechend einer individuell definierten Zielgruppe ermöglicht und einen Wissenstransfer zwischen Forschung und Praxis unterstützen kann. • Die Anwendung einer Methode zur Zusammenfassung von Nutzereigenschaften im Mittel zur Zuweisung zu bestehenden Gamification Umsetzungen oder Auswahl von geeigneten Elementen. Als Effekt von (angepasster) Gamification ergibt sich in der Arbeit in der Gesamtbetrachtung in der Trainingsdauer kein signifikanter Unterschied zwischen gamifizierten und nicht gamifizierten Trainings. Jedoch zeigten sich Hinweise auf die Hypothese, dass in den mittleren Trainingszeiten angepasste Gamification zu einer höheren Trainingsdauer führen könnte. Zudem zeigen sich in der vertiefenden Betrachtung teilweise signifikante Unterschiede je nach (nicht) primären Charaktereigenschaften der Nutzer. In der Wahrnehmung weisen die Ergebnisse in der Nutzung von browserbasierten gamifizierten Trainings auf unterschiedliche mögliche Effekte hin, wie: Teilweise höherer Spaß oder höhere Kompetenz in Abhängigkeit des einzelnen Nutzertypen oder einen höheren Glauben an den Effekt von Trainings am Computer und Smartphones. In der externen Software-Ergänzung wird die Ergänzung des (gamifizierten) Trainings am Computer durch eine Serious Game Smartphone App und die Weiterentwicklung eines Smart Home Reminder-Feedbackobjekts betrachtet. Es zeigt sich durch die hohe Varianz der Nutzungsbedürfnisse die Relevanz des Angebots angepasster Nutzungsvariationen. Nach der Anbindung des Feedbackobjekts an den Trainingsserver zur selbstständigen Nutzung werden Möglichkeiten zur Anpassung an den Charaktertyp vorgestellt, die das durch Nutzer als primär relevant beschriebene Feedback unterstützen sollen. Basierend auf den Ergebnissen der Arbeit wird für zukünftige Methoden zur Betrachtung vorgeschlagen, als Basis generell gefragte Elemente einzusetzen und darauf aufbauend gezielt Elemente auf Effekt und Typ ausgerichtet zu ergänzen. Dadurch soll ein Kompromiss zwischen Entwicklungsaufwand in der Praxis und der Höhe des Effekts angestrebt werden. Die Arbeit trägt Methoden und Vertiefung des Wissens zur Unterstützung von Design und Entwicklung zur Anwendung softwarebasierter motivationsfördernder Elemente in kognitiven Trainings bei. Sie bietet, erweitert und vertieft dabei die Möglichkeiten zur gezielten Auswahl in der Entwicklung zur Unterstützung der Motivation, Emotionen und Adhärenz der Nutzer.

Software-based cognitive training is used effectively for patients with acquired brain damage in cognitive rehabilitation. However, especially in the independent use at home, both motivation problems as well as an insufficient conduct of the training can occur. Motivation and conduct can be addressed by methods such as gamification or different usage and reminder mechanisms. For a user-centered implementation in the specific context of cognitive rehabilitation, detailed knowledge about design, development and effects is needed. For this purpose, three steps are presented in this work to complement existing softwarebased cognitive training: 1. First, the way gamification elements can be selected, designed and developed in a motivating way for patients will be considered. 2. Secondly, the effects of the implementation of (tailored) gamification on the motivation in perception and emotions, as well as on the training duration will be considered. 3. Finally, ways to externally complement training on the computer are considered. In regards to implementation, the results using Interactive Storytelling and Quest initially show the potential suitability of implementing gamification and patient interest in using it without additional exhaustion. Regarding feasibility, it is shown that complementary gamification can be developed and implemented independently from the cognitive training task without changing it. In depth, an orientation for the implementation of a Non-Player Character to accompany patients in software-based cognitive training is presented. Comprehensively, the request of patients for different gamification elements is analyzed in connection with the character type based on Marczewski‘s Player and User Types Hexad. This shows elements requested or rejected by all types, or considered mixed, depending on the type. Particularly requested are categories Progression, but also Assistance, which is more relevant for patients than for healthy players. The most requested element is ‘Meaning/Purpose‘. The least requested category is Socialization. To support the selection of gamification and implementation in practice, the following methods are presented: • A visual presentation of the connection in request between user type and elements. • A tool prototype for an interactive ‘Gamification Guide‘ that allows the selection of tailored elements according to an individually defined target group and can support a knowledge transfer between research and industry. • The application of a method to group user characteristics in the mean for the assignment to existing gamification implementations or selection of appropriate elements. In regards to the effect of (tailored) gamification, there is no significant difference between gamified and non-gamified trainings in the overall training duration. However, there were indications for the hypothesis that in the middle training durations, grouped tailored gamification might lead to a higher training duration. In addition, a more in-depth analysis revealed significant differences depending on the (non-)primary characteristics of the users. In regards to the perception, the results in the use of browser-based gamified training indicate different possible effects, such as: Partially higher fun or higher competence depending on the individual user type, or a higher belief in the effect of trainings on computers and smartphones. In regards to the external software complement, the addition of a serious game smartphone app to the (gamified) training on the coputer and the further development of a smart home reminder feedback object are considered. The high variance of usage needs shows the relevance of offering tailored usage variations. After connecting the feedback object to the training server for independent use, possibilities for tailoring to the user type are presented to support the feedback, which is described by users as primarily relevant. Based on the results of this work, future methods should consider using generally requested elements as a basis, and expanding additional elements targeted to effect and user type. This is intended to achieve a compromise between development effort in practice and the level of effect. The work contributes methods and deepening knowledge to support design and development for the application of software-based motivation-enhancing elements in cognitive training. Thereby, it provides, broadens and deepens possibilities for targeted selection in development to support users‘ motivation, emotions and adherence.