Development and evaluation of technology assisted client-centred task-oriented training

Abstract

Neurological diseases are the third most prominent source of disability worldwide. They represent a broad spectrum of diseases and central nervous system diseases are one of them. The most common and known central nervous system diseases are stroke, multiple sclerosis, spinal cord injury and Parkinson’s disease. Persons with central nervous system diseases experience impairments on a function and activity level, according to the International Classification of Functioning, Disability and Health (ICF). Consequently, the performance of activities of daily life (ADL) can be compromised, which can also reduce the quality of life (QoL) and participation of persons with central nervous system diseases. Specialised interdisciplinary rehabilitation is important for persons with central nervous system diseases to improve their functional and occupational performance. Applying a client-centred task-oriented approach seems beneficial as it actively involves the client in the complete rehabilitation process and takes into account the complex interaction among the individual, the task and the environment. However, this approach is also a time-consuming and labour intensive process for therapists and therefore not widely used in clinical practice. Rehabilitation technology might provide an opportunity to relieve the burden on the therapists, while offering optimal treatment opportunities. At present, there are rehabilitation technologies that support a client-centred and/or task-oriented approach but with varying degrees of success. Full clientcentredness has not yet been accomplished as most rehabilitation technologies use standard (exer)games instead of client tailored (exer)games or activities. Most rehabilitation technologies provide the opportunity to adjust the level of difficulty or number of targets, but fail to provide a fully client-centred activity with multiple task-oriented training components. The main focus of the currently available rehabilitation technologies is on exercising on an analytical/function level. So it is not surprising that training with these rehabilitation technologies yields only improvements on function level. Although most rehabilitation technologies showed low effect sizes as compared to conventional (i.e. nontechnology-based) task-oriented training, suggestions are made that additional training with these technologies might be well-suited to provide repetitive, taskoriented practice in neurological rehabilitation. Besides facilitating a client-centred task-oriented training approach, it is important for rehabilitation technologies to be easy to use, easy to set up, be affordable for clinical practice but also profitable for the manufacturers. A rehabilitation technology that can be applied in several target groups would be favourable. A rehabilitation technology that involves all the above mentioned features, does not exist. Therefore the main scope of this PhD thesis was to develop and evaluate a technology-based system that supports a client-centred taskoriented training approach, taking into account the needs and wishes of therapists and clients, that can be used in different target groups. In this PhD we focused on three major topics: 1) the development of a technology-based system that provides client centred task oriented training, 2) to evaluate the feasibility of such a technology-based system in different target groups, and 3) to investigate the possible efficacy of training with the developed system regarding functional and occupational performance. Regarding the development of a rehabilitation technology that supports client-centred task-oriented training (Chapter I), we first looked into the literature and performed a systematic review (Study 1). We found that the Microsoft Kinect was the most frequently used markerless motion capture system in neurological rehabilitation and the main target group was persons with stroke. Our research did not find any studies including a technology-based system that used or supported a client-centred task-oriented approach. The next step was a qualitative study (Study 2) in which we interviewed clients and therapists. We found that the knowledge, experience, and use of technology in clients and therapists were linked with each other: when a person already used technology, the experience would be higher and this person would have more knowledge about this particular technology. Both clients and therapists had certain requirements regarding the rehabilitation technology, i.e. the presence of feedback on performance and feedback on results, the technology should be easy to use independently, with a simple background scene, clear human representation and affordable. There were also requirements for the future, when the technology would be used in a home setting: the technology should be user-friendly and able to follow up on clients’ progress. In the next study we described the development and first user tests of our system, i.e. intelligent Activity-based Client-centred Training (i-ACT) system (Study 3). We found that i-ACT enables therapists to record movements and activities, and set up individualised exercises with realtime feedback about the quality of movement. Furthermore, the therapists can program individual training programmes and training parameters in i-ACT for each client. The first prototype of i-ACT that was used in these user tests, was found useful by both clients and therapists, and clients strongly believe that i-ACT can successfully support them in their rehabilitation. Regarding feasibility of a technology-based system for client-centred taskoriented training (Chapter II), it was favourable that the developed rehabilitation technology, i-ACT, could be applied in different target groups. We performed a feasibility study in the rehabilitation setting with persons with low back pain, i.e. musculoskeletal rehabilitation, and persons with central nervous system diseases, i.e. neurological rehabilitation (Study 4). And we also performed a feasibility study in older adults (Study 5). Regarding the rehabilitation setting (Study 4), we can conclude that i-ACT is motivational for persons with chronic low back pain and central nervous system diseases. And clients from both groups think that i-ACT is usable for them and believe in the added value in their rehabilitation programme. But therapists who treated persons with chronic low back pain had reservations due to the fact that the Microsoft Kinect is not able to detect the different regional movements of the spine. So the results indicated that i-ACT is more suitable for use in the rehabilitation of persons with central nervous system diseases as opposed to rehabilitation of persons with chronic low back pain. In elderly (Study 5), the focus of the study was different as older adults are more likely to aim at quantity of movement towards successful aging rather than quality of movement. In our mixed-method study with elderly, older persons from nursing homes and day care facilities as well as healthcare professional participated. Although the study showed moderate to good results on motivation, usability, credibility and expectancy towards the use of i-ACT for stimulating physical activity, further adaptations to the i-ACT need to be made before implementation in clinical practice. When looking into the effects of a client-centred task-oriented therapy with a custom-made rehabilitation technology in neurorehabilitation (Chapter III), we looked into the longitudinal application of i-ACT in persons with central nervous system diseases. Our exploratory cohort study (Study 6) indicated that training with i-ACT for at least 6 weeks is feasible in this population, that participants were motivated, found i-ACT a usable system for additional training, participant believed in i-ACT as additional training tool, and were moderately convinced that i-ACT could be beneficial for them. Secondary we found a slight increase in fatigue but no indications were present that this influenced the participant’s motivation or performance: the scores on Intrinsic Motivation Inventory, Wolf Motor Function Test subscale functional ability, Canadian Occupational Performance Measure subscales performance and satisfaction, and Manual ability Measure-36 remained positive over time (i.e. between baseline and follow-up test moment 9 weeks after cessation of training). Finally we conducted a randomised controlled trial (Study 7) in persons with central nervous system diseases. Both the control group (only conventional therapy) and intervention group (conventional and i-ACT therapy) improved over time regarding functional arm-hand performance, perceived upper extremity performance and perceived occupational performance. Although no significant differences were found regarding functional performance and quality of life between the control group and the intervention group, there was a clear difference regarding the amount of trained personal goals. This suggests that the client-centred approach was established with i-ACT and using this rehabilitation technology leads to an even more tailored approach than conventional therapy. We can conclude that it is feasible to develop a rehabilitation technology that supports client-centred task-oriented training, and is affordable and usable in different target groups. Our results also show promising indications towards the use in the home environment. The concept of the developed i-ACT system must be preserved, but further development and research is necessary with new technology. A higher dosage of additional training within a widespread trial in a variety of target groups and long-term follow-up is recommended. Although the use of technology in clinical practice can no longer be ignored, it is important to recognise the importance of human-to-human interaction. So it is essential to acknowledge the contribution of rehabilitation technology as a tool for therapist and clients for enabling qualitative rehabilitation programmes, but it will never replace the knowledge and experience of a human therapist.

Neurologische aandoeningen worden wereldwijd beschouwd als de derde meest prominente bron van invaliditeit. Zij vertegenwoordigen een grote groep van aandoeningen waarvan onder andere aandoeningen van het centrale zenuwstelsel deel uitmaken. De meest voorkomende en gekende aandoeningen van het centrale zenuwstelsel zijn beroerte, multiple sclerose, dwarslaesie en de ziekte van Parkinson. Personen met een centraal neurologische aandoening ervaren beperkingen op niveau van lichaamsfuncties en activiteiten, volgens het International Classification of Functioning, Disability and Health (ICF). Bijgevolg is ook de uitvoering van activiteiten van het dagelijks leven aangetast, hetgeen de levenskwaliteit en participatie verminderd van personen met centraal neurologische aandoeningen. Gespecialiseerde interdisciplinaire revalidatie is belangrijk bij personen met centraal neurologische aandoeningen om hun functionele en betekenisvolle handelingen te verbeteren. Het toepassen van een cliënt- en taakgerichte aanpak lijkt voordelig te zijn omdat het de cliënt actief betrekt in het volledige revalidatieproces en het houdt rekening met de complexe interactie tussen het individu, de taak en de omgeving. Echter, deze aanpak is ook tijdrovend en een intensief werkproces voor therapeuten, waardoor het niet op grote schaal toegepast wordt in de klinische praktijk. Revalidatietechnologie kan hier een mogelijkheid creëren om therapeuten te ontlasten en tegelijk optimale behandelmogelijkheden aanbieden. Op dit moment bestaan er revalidatietechnologieën die een cliënt- en/of taakgerichte aanpak ondersteunen, maar met wisselend succes. Een volledige cliëntgerichte aanpak is nog niet verwezenlijkt omdat de meeste revalidatietechnologieën gebruik maken van gestandaardiseerde (exer)games in plaats van individueel aangepaste (exer)games of activiteiten. De meeste revalidatietechnologieën bieden de mogelijkheid om de moeilijkheidsgraad of het aantal doelen aan te passen, maar kunnen geen volledig cliëntgerichte activiteit met diverse taakgerichte trainingscomponenten aanbieden. De meeste aandacht van de huidige revalidatietechnologieën gaat naar oefenen op een analytisch/functieniveau. Het is dus niet verrassend dat training met deze revalidatietechnologieën alleen verbeteringen op functieniveau oplevert. Hoewel de meeste studies rond revalidatietechnologieën slechts lage effecten hebben aangetoond in vergelijking met conventionele (i.e. niet-technologisch gebaseerde) taakgerichte training, wordt geopperd dat bijkomende training met zulke technologieën geschikt zou kunnen zijn om repetitieve, taakgerichte therapie aan te bieden in de neurologische revalidatie. Naast het faciliteren van een cliënt- en taakgerichte trainingsaanpak, is het belangrijk dat revalidatietechnologieën gebruiksvriendelijk en eenvoudig in te stellen zijn, betaalbaar zijn voor de klinische praktijk, maar ook winstgevend zijn voor de fabrikanten. Een revalidatietechnologie die bij meerdere doelgroepen kan worden toegepast, zou eveneens gunstig zijn. Een revalidatietechnologie die alle bovengenoemde functies omvat, bestaat niet. Het hoofddoel van dit doctoraatsproefschrift was dan ook het ontwikkelen en evalueren van een op technologie gebaseerd systeem dat een cliënt- en taakgerichte trainingsaanpak ondersteunt rekening houdend met de behoeften en wensen van therapeuten en cliënten, en dat kan worden gebruikt bij verschillende doelgroepen. Binnen dit doctoraat werd gefocust op drie belangrijke onderwerpen: 1) de ontwikkeling van een op technologie gebaseerd systeem dat cliënt- en taakgerichte training aanbiedt, 2) het evalueren van de haalbaarheid van een dergelijk op technologie gebaseerd systeem bij verschillende doelgroepen, en 3) de mogelijke effectiviteit te onderzoeken van training met het ontwikkelde systeem met betrekking tot functionele en betekenisvolle handelingen. Met betrekking tot de ontwikkeling van een revalidatietechnologie die cliënt- en taakgerichte training ondersteunt (Hoofdstuk I), werd eerst de literatuur onderzocht en een systematische review uitgevoerd (Studie 1). De resultaten toonden aan dat de Microsoft Kinect het meest gebruikte bewegingsregistratiesysteem zonder markers was binnen neurologische revalidatie en dat personen met een beroerte de belangrijkste doelgroep waren. In ons onderzoek werden geen studies teruggevonden met een op technologie gebaseerd systeem waarbij een cliënt- en taakgerichte training gebruikt of ondersteund werd. De volgende stap was een kwalitatief onderzoek (Studie 2) waarin we cliënten en therapeuten interviewden. We ontdekten dat de kennis, ervaring en het gebruik van technologie bij cliënten en therapeuten met elkaar verband houden: wanneer iemand al technologie gebruikte, is de ervaring hoger zijn en heeft deze persoon meer kennis hebben over deze specifieke technologie. Zowel cliënten als therapeuten hadden bepaalde eisen met betrekking tot de revalidatietechnologie, zoals de aanwezigheid van feedback op uitvoering en feedback op resultaat, de technologie moest gemakkelijk zelfstandig te gebruiken zijn, met het gebruik van een eenvoudige achtergrond, met een avatar met duidelijk menselijke representatie en het moest betaalbaar zijn. Er waren ook eisen voor de toekomst, wanneer de technologie gebruikt zou worden in een thuissituatie: de technologie moest gebruiksvriendelijk zijn en de voortgang van de cliënt diende opgevolgd kunnen worden. In de daaropvolgende studie beschreven we de ontwikkeling en eerste gebruikerstesten van ons systeem, namelijk het intelligent Activity-based Client-centred Training (i-ACT) systeem (Studie 3). We vonden dat i-ACT therapeuten in staat stelt bewegingen en activiteiten op te nemen, en individuele oefeningen in te stellen met real-time feedback over de kwaliteit van beweging. Bovendien kunnen therapeuten voor elke cliënt een individueel trainingsprogramma en trainingsparameters op maat instellen in i-ACT. Het eerste prototype van i-ACT dat in deze gebruikerstesten werd gebruikt, werd door zowel de cliënten als therapeuten nuttig bevonden en cliënten zijn er sterk van overtuigd dat i-ACT hen met succes kan ondersteunen bij hun revalidatie. Wat betreft de haalbaarheid van een op technologie gebaseerd systeem voor cliënt- en taakgerichte training (Hoofdstuk II), was het gunstig dat de ontwikkelde revalidatietechnologie, i-ACT, bij verschillende groepen kon worden gebruikt. We hebben een haalbaarheidsstudie uitgevoerd in revalidatiecentra bij personen met lage rugpijn, i.e. musculoskeletale revalidatie, en bij personen met aandoeningen van het centrale zenuwstelsel, i.e. neurologische revalidatie (Studie 4). Daarnaast voerden we ook een haalbaarheidsonderzoek uit bij oudere volwassenen (Studie 5). Met betrekking tot de revalidatiesetting (Studie 4), kunnen we concluderen dat i-ACT motiverend werkt voor personen met chronische lage rugpijn en personen met aandoeningen aan het centrale zenuwstelsel. Cliënten uit beide groepen vinden i-ACT bruikbaar en geloven in de meerwaarde ervan voor hun revalidatieprogramma. Echter, therapeuten die personen met chronische lage rugpijn behandelden, hadden bedenkingen omdat de Microsoft Kinect de verschillende regionale bewegingen van de wervelkolom niet kan detecteren. De resultaten gaven vervolgens aan dat i-ACT meer geschikt is voor gebruik bij de revalidatie van personen met aandoeningen van het centrale zenuwstelsel dan bij de revalidatie van personen met chronische lage rugpijn. Bij ouderen (Studie 5) was de focus van het onderzoek anders aangezien oudere volwassenen eerder gericht zijn op kwantiteit van beweging dan op kwaliteit van beweging om succesvol ouder te worden. In onze mixed-method studie met ouderen namen zowel ouderen uit rust- en verzorgingshuizen en dagcentra deel als zorgprofessionals. Hoewel de studie matige tot goede resultaten liet zien op het gebied van motivatie, bruikbaarheid, geloofwaardigheid en verwachting ten aanzien van het gebruik van i-ACT voor het stimuleren van fysieke activiteit, moeten verdere aanpassingen aan de i-ACT worden gemaakt voordat het systeem in de klinische praktijk wordt geïmplementeerd. Bij het onderzoeken van de effecten van een cliënt- en taakgerichte therapie met een op maat gemaakte revalidatietechnologie bij neurorevalidatie (Hoofdstuk III), hebben we gekeken naar de longitudinale toepassing van i-ACT bij personen met aandoeningen van het centrale zenuwstelsel. Onze verkennende cohortstudie (Studie 6) gaf aan dat training met i-ACT gedurende ten minste 6 weken haalbaar is in deze populatie, dat deelnemers gemotiveerd waren, ze i-ACT een bruikbaar systeem vonden als aanvullende trainingstool, en waren de deelnemers er matig van overtuigd dat i-ACT voor hen nuttig kon zijn. Secundair vonden we een lichte toename van vermoeidheid, maar er waren geen aanwijzingen dat dit de motivatie of prestatie van de deelnemer beïnvloedde: de scores op de Intrinsic Motivation Inventory, Wolf Motor Function Test subschaal functioneren, Canadian Occupational Performance Measure, en de Manual Ability Measure-36, bleven positief over de gehele periode (i.e. tussen aanvang van de studie en 9 weken na stopzetting van de training). Ten slotte voerden we een gerandomiseerde gecontroleerde studie (Studie 7) uit bij personen met aandoeningen van het centrale zenuwstelsel. Zowel de controlegroep (enkel conventionele therapie) als interventiegroep (conventionele therapie en therapie met i-ACT) verbeterden in de loop van de tijd met betrekking tot functionele armhandprestaties, gepercipieerde prestaties van bovenste lidmaat en gepercipieerde betekenisvolle handelingen. Hoewel er geen significante verschillen werden gevonden met betrekking tot functionele handelingen en levenskwaliteit tussen de controlegroep en interventiegroep, was er een duidelijk verschil in het aantal getrainde persoonlijke doelen. Dit suggereert dat de cliëntgerichte benadering gefaciliteerd wordt door i-ACT en het gebruik van deze revalidatietechnologie leidt tot een nog meer op maat gemaakte benadering dan conventionele therapie. We kunnen concluderen dat het haalbaar is om een revalidatietechnologie te ontwikkelen die cliënt- en taakgerichte training ondersteunt, en betaalbaar en bruikbaar is voor verschillende doelgroepen. Onze resultaten laten ook veelbelovende aanwijzingen zien voor het gebruik in de thuisomgeving. Het concept van het ontwikkelde i-ACT systeem moet behouden blijven, maar met nieuwe technologie is verdere ontwikkeling en onderzoek nodig. Een hogere dosis aanvullende training binnen een grootschalige studie bij verschillende doelgroepen en langdurige opvolging wordt aanbevolen. Hoewel het gebruik van technologie in de klinische praktijk niet langer kan worden genegeerd, is het belangrijk om het belang van mens-naar-mens interactie te erkennen. Het is dus essentieel om de bijdrage van revalidatietechnologie te erkennen als een hulpmiddel voor therapeut en cliënten om kwalitatieve revalidatieprogramma’s mogelijk te maken, maar het zal nooit de kennis en ervaring vervangen van een menselijke therapeut.