Digital Rehabilitation Environments after Traumatic Hand Injuries or Limb Amputations

Abstract

Die Rehabilitation nach traumatischen Verletzungen oder Amputationen von Gliedmaÿen ist oft ein langwieriger, repetitiver und schmerzhafter Prozess, der durch digitale Technologien bereits auf vielfältige Art und Weise unterstützt wird. Eine dieser Technologien sind digitalen Medien, welche das Erschaffen von vielfältigen multimedialen und interaktiven Umgebungen ermöglichen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden drei derartige Softwareanwendungen entwickelt und unter Zuhilfenahme wissenschaftlicher Methoden evaluiert. Die Anwendungen befassen sich mit den Themen Phantomglieder und Gamifizierung von Therapie und verfolgen den Zweck, Patienten in diesem Prozess zu unterstützen. Zusätzlich zu den spezifischen Anforderungen für die jeweilige Anwendung war unser Fokus darauf gerichtet, die Benutzerfreundlichkeit und Eignung für den täglichen Gebrauch in einem klinischen oder therapeutischen Umfeld zu maximieren. Bei der ersten Anwendung handelt es sich um CALA (Computer Assisted Limb Assessment), ein digitales Werkzeug zur Visualisierung und Dokumentation von Phantomgliedern und Phantomempfindungen. In der vorliegenden Publikation wurde ein Prototyp von CALA mit Therapeuten und Patienten evaluiert, um Einblicke in die Benutzerfreundlichkeit und den Funktionsumfang zu erlangen. Auÿerdem wurden weitere Anforderungen für ein derartiges Tool gesammelt. Nach Abschluss der Studie wurde auf diesem Wissen basierend die Vollversion von CALA entwickelt. Im Rahmen der zweiten Studie wurde StableHandVR entwickelt, ein "Serious Game" mit dem Zweck, Patienten bei der Wiedererlangung ihrer Hand- und Fingerbeweglichkeit nach einer traumatischen Verletzung zu unterstützen. Ziel der vorliegenden Studie war die iterative Entwicklung und Evaluierung des Spiels, beginnend mit einem Prototyp und resultierend in einer überarbeiteten Vollversion. Für die dritte Studie wurde PhantomAR entwickelt, eine Mixed-Reality-Anwendung zur Linderung von Phantomschmerzen. Während die traditionelle Spiegeltherapie Phantomschmerzen durch Spiegelung der intakten Gliedmaÿe lindert, wird bei PhantomAR eine virtuelle Gliedmaÿe auf den Stumpf des Patienten augmentiert. Dies ermöglicht ein freies Bewegen in der Umgebung sowie eine unabhängige beidhändige Interaktion mit virtuellen Objekten. Die vorliegende Studie untersuchte die klinische Wirksamkeit von PhantomAR sowie dessen Benutzerfreundlichkeit und Alltagstauglichkeit. Das Sammeln und Ausarbeiten der Anforderungen und deren anschließende Umsetzung für alle 3 Anwendungen brachte nicht nur viel Wissen um die jeweiligen Problemstellungen, sondern zeigte auch vorhandene Hürden für das Erreichen guter Benutzerfreundlichkeit auf. Durch Kombination der Kernkomponenten aus den drei resultierenden Anwendungen ist ein weiteres interessantes Anwendungsszenario denkbar: Durch individuell gestaltbare virtuelle Phantomglieder könnte digitale Spiegeltherapie für Patienten nutzbar gemacht werden, bei denen die Illusion der traditionellen Spiegeltherapie aufgrund eines als verzerrt empfundenen Phantoms nicht funktioniert.

Rehabilitation after traumatic injuries or limb amputations often is a tedious, repetitive, and painful process, which can be supported by digital technologies in numerous ways. One of these technologies is digital media, which can be used to create versatile and interactive environments. As part of this dissertation, 3 software applications were conceived and developed around the topics of phantom limbs and the gamification of therapy with the purpose of supporting patients in their rehabilitation process. In addition to the specific requirements for each scenario, we focused on maximizing the user experience and suitability for daily use in a clinical or therapeutic setting. The first application is CALA (Computer Assisted Limb Assessment), a digital tool for the visualization and documentation of phantom limbs and phantom sensations. In the present publication, a prototype of CALA was evaluated with therapists and patients regarding its usability and functional coverage and additional requirements for such a tool were collected. After the study was completed, a full version of CALA was developed based on the knowledge gained. In the second study, we developed StableHandVR, a serious game that was designed to support and motivate patients to perform exercises to regain hand and finger mobility after a traumatic injury. The aim of this study was the iterative development and evaluation of the game, which started with a prototype and ended with a revised full version. For the third study, PhantomAR was developed, a mixed reality application for the relief of phantom limb pain. While traditional mirror therapy alleviates phantom limb pain by mirroring the intact limb, PhantomAR augments a virtual limb onto the stump of the patient's residual limb. This enables the user to move around freely and to perform bimanual interactions with virtual objects. The present study in- vestigated the clinical effectiveness of PhantomAR and its usability and suitability for everyday use. The process of investigating, elaborating, and implementing the requirements did not only generate knowledge about the respective problems but also revealed hurdles for good usability. By combining the core components of the resulting applications, it is conceivable to cover a further application scenario: With customizable virtual phantom limbs, digital mirror therapy might become usable for patients for whom the illusion of traditional mirror therapy does not work due to a distorted phantom limb.