Video-games based framework designed for the cognitive rehabilitation of children with Down Syndrome

Conference Paper (PDF Available) · May 2016with12 Reads
DOI: 10.1109/SIU.2016.7496116
Conference: 2016 24th Signal Processing and Communication Application Conference (SIU)
Down Sendromlu Çocukların Bilişsel
Rehabilitasyonu İçin Tasarlanmış Video Oyunları
Tabanlı Platform
Video-Games Based Framework Designed for the
Cognitive Rehabilitation of Children with Down
Syndrome
Elif Sürer1
1Enformatik Enstitüsü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara, Türkiye
{elifs}@metu.edu.tr
Özetçe— Down Sendromu (DS) olan çocukların bilişsel
gelişimlerinde eksiklikler bulunmakta, bu eksikliklerin
giderilmesi için çocuklara özel eğitim ve rehabilitasyon
verilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, DS’li çocukların bu
rehabilitasyonu evlerinde de devam ettirebilmelerine olanak
sağlayacak, video oyunlarından oluşan bir rehabilitasyon
platformu geliştirmek hedeflenmektedir. Bu amaçla, dikkat,
hafıza, soyutlama ve bağlantı kurma gibi bilişsel yetileri
güçlendirecek egzersizleri temel alan video oyunları
tasarlanmakta ve geliştirilmektedir. Bu bilişsel oyunlarda
beyin dalgaları ve elektrodermal aktivitelerinin ölçümleri
yapılmakta; ölçümler neticesinde çocuğun eksiklikleri tespit
edilerek ona özgü bir rehabilitasyon programı hazırlanması
amaçlanmaktadır.
Anahtar Kelimeler — Down Sendromu; video oyunları;
rehabilitasyon; bilişsel.
Abstract— Children with Down Syndrome have
difficulties in solving cognitive tasks and there are special
learning and rehabilitation programs to help them overcome
these difficulties. In this study, a video-games based
rehabilitation platform is developed so that children with
Down Syndrome can continue their rehabilitation
autonomously at home. For this purpose, a set of video games
which aim to address cognitive tasks such as attention,
memory, abstraction and finding relations are being designed
and implemented. During the gameplay, measurements
regarding brain activity and electro dermal activity are done
and afterwards, a user-specific rehabilitation program is
designed.
Keywords — Down Syndrome; video games; rehabilitation;
cognitive.
I. GİRİŞ
Down Sendromu (DS), genetik bir farklılık sonucu, 21.
kromozom çiftinde bir fazla kromozomun bulunması
sonucunda ortaya çıkmaktadır ve DS’li bireylerde 47
kromozom bulunmaktadır [1]. Bu nedenle DS bir hastalık
olarak değil, genetik farklılık olarak sınıflandırılır. Bu
genetik farklılığa yaklaşık olarak 1000 doğumda bir
rastlanmaktadır [2] ve annenin yaşının büyük olması bu
genetik farklılığın ortaya çıkmasında en önemli etmendir.
DS’li çocuklarda bilişsel gelişim eksiklikleri bulunmaktadır
ve onların bu eksikliklerini gidermek, bağımsız yetişkinler
olmalarını sağlamak ve onları topluma kazandırmak
amacıyla özel eğitim ve rehabilitasyon programları
uygulanmaktadır. DS’li çocukların karakteristik olarak
yaşadıkları güçlüklükler dil, dilbilgisi ve konuşma netliği,
aritmetik becerisi, kısa süreli hafıza alanlarındadır. DS’li
çocukta dilbilgisi, cümle yapıları ve net/anlaşılır konuşma
yapmakta zorluklar bulunmakta, bunlar da çocuğun kendini
ifade etmesinde sıkıntılar yaşamasına neden olmaktadır.
Çocukların anlama ve kendilerini ifade etmelerindeki bu
güçlük bazen davranışsal problemler geliştirmelerine neden
olabilir. Dil konusundaki gecikmeler ayrıca bilişsel
alanlardaki düşünme, hafıza ve organizasyon eksikliklerini
de tetikleyebilir. Pek çok DS’li çocuk temel sayı ve
aritmetik konularında zorlanmaktadır ve aritmetik
yetenekleri, okuma yeteneklerinin genellikle 2 yıl
gerisindedir. DS’li çocukların kısa süreli hafızaları, görsel
hafızaları kadar gelişmemiştir. Kelime hafızasındaki
problemler çocukların yeni kelimeler öğrenmesini, cümleler
kurmasını zorlaştırmakta ve konuşmada güçlükler
yaşamalarına neden olmaktadır. Yine çalışmalar
göstermiştir ki, kısa süreli hafızayı geliştirmek için resimler
ve işaretler gibi görsel materyaller kullanmak kısa süreli
hafıza gelişiminde önemli rol oynamaktadır [3].
978-1-5090-1679-2/16/$31.00 ©2016 IEEE
DS’li çocukların güçlü oldukları alanlar ise sosyal gelişme,
görseller eşliğinde öğrenme ve okuma kabiliyetleridir. DS’li
bireylerin sosyal yönleri, diğer gelişim alanlarına göre daha
az etkilenmiştir. DS’li çocuklar iletişim kurmaktan keyif
almakta ve sosyal durumlarda jestler kullanarak kendilerini
rahat ifade edebilmektedirler. Konuşma ve dil gelişiminde
problem olan bireyler de genellikle iyi sosyal ilişkiler
geliştirebilmektedir. Araştırmalar, DS’li çocukların görsel
yollarla daha iyi öğrendiklerini kanıtlamaktadır. Bu bilgi, dil
öğrenimi, motor aktivitelerinin çalıştırılması ve okuma
yazma öğrenme alanlarında sıklıkla kullanılmıştır.
Resimler, jestler ve cisimler vasıtasıyla yapılan öğretim
tekniklerinin etkin olduğu kanıtlanmıştır. DS’li çocukların
okuma kabiliyetlerinin bilişsel ve dil öğrenme
seviyelerinden bağımsız olarak güçlü olduğu görülmüştür.
Kelime ve dil öğrenme eksiklikleri okuma yardımıyla
çözülmeye çalışılmaktadır [4-8].
Bu çalışmada, DS’li çocukların görsel yollarla öğrenme
yeteneklerini göz önünde bulundurarak onların video
oyunları ile bilişsel eksikliklerini gidermeyi amaçlayan bir
rehabilitasyon platformu oluşturmak hedeflenmektedir.
DS’li çocukların bu rehabilitasyonu kendi başlarına ve
evlerinde de devam ettirebilecekleri ve bu süreci motive
olarak, eğlenerek geçirebilecekleri bir araç üretilmesi en
temel hedeftir. Teknoloji, sanal gerçeklik alanlarındaki
gelişmeler ve video oyunlarının rehabilitasyon sürecine olan
olumlu etkilerinin kanıtlanması pek çok farklı
rehabilitasyon ihtiyacını (felç, serebral palsi, ihmal
sendromu vb.) hedefleyen video oyunlarının
geliştirilmesine olanak sağlamışsa da, DS’li çocukların
bilişsel gelişimlerini hedefleyen bir video oyunu platformu
bulunmamaktadır. Bu nedenle, tamamen DS’li çocukların
bilişsel gereksinimlerini göz önünde bulunduran, onların
rehabilitasyonunu ekonomik cihazlar eşliğinde evlerinde de
devam ettirebilecekleri ek bir rehabilitasyon platformuna
ihtiyaç duyulmaktadır.
II. TASARIM
METOTLAR
VE
PROSEDÜRLER
Bu bölümde, platformun ana bileşenleri açıklanmıştır.
İlk olarak, oyunlarda kullanılmakta olan biyo-geribildirim
mekanizmasııklanmakta, ardından da oyun tasarımında
kullanılan yazılım ve oyun seti hakkında bilgi verilmektedir.
Son olarak, geliştirilmekte olan oyunlardan örnekler
sunulmuştur.
A. Biyo-Geribildirim
Oyunların oynanması sırasında çocuğun bilişsel
gereksinimlerini daha iyi anlamak ve oyun zorluğunu
biyolojik tepkilere göre çeşitlendirmek amacıyla
BiosignalsPlux Professional Kit cihazındaki aşağıdaki
sensörler kullanılmaktadır:
Biosignals Plux ElektroDermal Aktivite (EDA)
sensörleri: Bilişsel oyunların oynanması sırasında çocuğun
elektrodermal deri aktivitesi ölçülmekte, böylelikle hangi
oyunlarda daha çok zorlandığı, ek bilişsel yük olan
oyunlarda nasıl tepkiler verdiği ölçülmektedir. Bu da bize,
çocuğa kişisel bir oyun seti hazırlama konusunda yardımcı
olacak ve rehabilitasyon programının kişiye özel
şekillendirilmesine olanak verecektir.
Biosignals Plux Elektroensefalografi (EEG)
sensörleri: Bilişsel oyunların oynanması sırasında çocuğun
nöroaktiviteleri incelenmekte ve hangi oyunlarda daha
yoğun bir düşünsel yapı geliştirdiği, hangi beyin dalgalarını
daha çok kullandığı ölçülmektedir. Böylelikle, çocuğun
hangi bilişsel aktivitelerde daha çok problem yaşadığı,
geliştirilmesi gereken unsurları ölçülmüş olacaktır.
Böylelikle rehabilitasyonun ilerleyen aşamalarında oyun
seti gerekli alanlar üzerinde daha çok yoğunlaşacak şekilde
geliştirilecek, egzersizlerin sıklık ve zorluk dereceleri bu
sonuçlar eşliğinde güncellenebilecektir.
B. Oyun Tasarımı
Bilişsel egzersizleri içeren oyunlar Unity3D oyun
motoru kullanılarak geliştirilmektedir. Unity3D, farklı
platformlarda (Windows, Apple, Android) oyun
geliştirmeyi sağlayan, oyun tasarımı, oyun fiziği ve arayüzü
gibi temel bileşenleri kolayca bir araya getirmeyi sağlayan,
gelişmiş kod editörü ile geliştiriciye oyunları
kişiselleştirme, sağlanan altyapının üzerine kısa zamanda
geliştirme imkanı sağlayan bir oyun motorudur. Modelleme
için gerekli farklı yazılımları destekler (Adobe Photoshop,
Blender, 3ds Max) ve geliştirilen modellerin, yazılan
scriptler ile oyuna dahil edilmesini sağlar. Unity3D’nin bu
çalışmada tercih edilmesinin en önemli sebebi, oyun
optimizasyonu, platform desteği, görsel ve işitsel efektlerin
çeşitliliğini sağlamasıdır. Bu platform, online destek
grupları ile sürekli güncellenmekte ve gelişmektedir.
Oyun setinde bilişsel rehabilitasyon için 4 farklı oyun
geliştirilmektedir. Oyunlar 1) Hafıza 2) Dikkat 3) Soyut
şünme ve 4) İlişkilendirme ve Sınıflandırma
egzersizlerini içermektedir.
Geliştirilmekte olan oyunların amacı, oyun
mekanizmaları ve çalışma prensipleri aşağıdaki bölümde
ayrıntılı olarak ele alınmıştır.
C. Oyunlar
İlişki Kurma (Sınıflandırma ve İlişki Kurma): Bu
oyunda ekranın üst kısmında 4 tane resim bulunmakta,
bunlardan biri farklı bir sınıfa ait olmaktadır. Ekranda yeni
bir resim belirmekte ve bu resim o 4 resimden farklı olan
sınıfa ait olmaktadır ve amaçlanan, kullanıcının farklı olan
sınıfı bulmaya çalışmasıdır.
Zorluk seviyesine göre resimlerin karmaşıklığı
artmakta, sınıflandırma yapmak daha da zorlaşmaktadır. Bu
ilişkinin daha hızlı bir şekilde bulunması beklenmekte, süre
dolduğunda resimler yeniden dağıtılmakta ve kullanıcı puan
kaybetmektedir.
Şekil 1. İlişki Kurma Oyunu’ndan sınıflandırma örneği. Zorluk seviyesi
arttıkça resimlerin ait olduğu kategoriler de çeşitlenmektedir.
Lego Oyunu (Dikkat, Hafıza ve Soyut Düşünme):
Oyunun başında kullanıcının legosunu inşa edeceği bir
resim seçmesi beklenmektedir. Seçilen resim, üç boyutlu
olarak modellenmekte, renkleri olmadan, transparan bloklar
halinde görülmektedir. Ekranda farklı renklerdeki lego
parçaları bulunmakta ve resimde görülen modelin aynısını
legolardan oluşturmak amaçlanmaktadır. Böylelikle hangi
rengin nerede olduğuna, lego parçasının şekline dikkat
etmek gerekmektedir. Resim, oyun sırasında kaybolmakta
ve çocuğun hatırladığı kadarıyla ekran üzerindeki parçalarla
legoyu yapmaya devam etmesi beklenmektedir. Rastgele
zamanlarda resim tekrar görünür olmaktadır.
Oyunun zorluk seviyesine göre modelin görülmeısı
değişmektedir. İlk seviyelerde model resimle aynı yönde
dururken, zorluk seviyelerine göre modelleme kamera açısı
değişmekte, böylelikle kullanıcının 2 boyutlu resimden 3
boyutlu modele geçiş yapması, resmin parçalarını 3 boyutlu
bloklara çevirmesi amaçlanmaktadır. Bu da, hem soyut
şünme hem de dikkat konusunda önemli bir egzersiz
görevi görmektedir. Kullanıcının yanlış renkli ya da yanlış
şekilli parçaları modele eklemeye çalışması durumunda
kullanıcı puan kaybetmektedir.
Kelime Tetrisi (Dikkat): Tetris oyununda olduğu gibi
farklı biçimlerde parçalar ekran üzerinde kaymaya
başlamaktadır. Bu parçaların üzerinde harfler bulunmakta,
yanda beliren kelimeyi çocuğun oluşturmaya çalışması
hedeflenmektedir.
Oyunun zorluk seviyesine göre kelimelerin harf sayısı
artmakta, parçaların yönlerinin değiştirilmesi gerekmekte
ve parçalar daha hızlı şekilde aşağıya doğru kaymaktadır.
Bu oyunla amaçlanan, kullanıcının dikkat egzersizleri
yapmasını sağlamak ve kelime dağarcığını geliştirmektir.
Şekil 2. Kelime Tetrisi Oyunu’nun çalışma mekanizması.
Puzzle (Dikkat ve Hafıza): Bu oyun, geleneksel puzzle
oyununun bir uyarlamasıdır. Kullanıcı, verilen resim
setinden bir resim seçmekte ve onun puzzle’ını
tamamlamaya çalışmaktadır. Seçilen resim, oyun sırasında
ara ara kaybolmakta, böylelikle kullanıcının seçtiği resmi
hafızasında tutması sağlanmaktadır.
Zorluk seviyesine göre parçaların sayısı, resmin
karmaşıklığı artmaktadır. Ayrıca, kolay seviyelerde resmin
kendisi görülmekteyken, diğer seviyelerde sadece
parçaların silüeti, ya da beyaz bir resim alanı görülmektedir.
Oyunun en zor seviyesinde ise, parçaları yerlerine
koymadan önce 90’ar derece döndürmek gerekmektedir.
III. SONUÇ
Bu çalışmadaki oyunlar sağlıklı kullanıcılar tarafından
yoğun olarak test edilmeye başlanmıştır. Oyunları
oynayanlar oyunların eğlenceli ve kolay anlaşılır olduğu
değerlendirmesinde bulunmuşlardır. Oyunların halihazırda
BiosignalsPlux sensörlerine entegre edilmesi üzerinde
çalışılmakta, oyunlara gerekli geribildirim mekanizmaları
eklenmektedir.
Veri toplama işlemi Orta Doğu Teknik Üniversitesi
(ODTÜ) Enformatik Enstitüsü Oyun Teknolojileri
Programı’nı da bünyesinde bulunan Modelleme ve
Simülasyon Ana Bilim Dalı’nda gerçekleştirilecektir. Veri
toplama için gerekli etik izinlerin alınması
tamamlanmıştır.
Her bir çocuk için 4 tane oyun 5’er dakika oynanacak
ve sensörlerin hazırlanması, çocuğun oyun hakkında
bilgilendirilmesi ile birlikte rehabilitasyon seansının 30
dakika sürmesi beklenmektir. Her bir çocuk, 2 ay boyunca
rehabilitasyon görecektir. İlk aşamada planlanan, 10 tane
DS’li çocuğun çalışmaya katılmasıdır.
Çalışmaya katılacak olan çocukların profili, yaş aralığı
7-17 arasında olan otonom DS’li çocuklar olarak
belirlenmiştir. Sistemin DS’li çocuklar üzerindeki pilot
çalışmaları Haziran 2016’da başlayacaktır.
IV. TEŞEKKÜR
Bu bildiride anlatılan çalışma TÜBİTAK 2232-Yurda
Dönüş Araştırma Burs Programı kapsamında TÜBİTAK
tarafından desteklenmekte olan 115C088 no.lu ve “Video
Oyunları Kullanarak Down Sendromlu Çocukların Bilişsel
ve Fiziksel Rehabilitasyonu” başlıklı proje kapsamında
yürütülmektedir.
KAYNAKÇA
[1] Korenberg, Julie R., et al.,
``Down syndrome phenotypes: the
consequences of chromosomal imbalance'',
Proceedings of the
National Academy of Sciences, 91.11 (1994): 4997-5001, 1994.
[2] Weijerman, M. E., & De Winter, J. P.,
``Clinical
practice'',
European Journal of Pediatrics, 169(12), 1445-1452,
2010.
[3] Chapman, R.S. ``Language development in children and adolescents
with Down Syndrome'', Mental Retardation and Developmental
Disabilities Research Reviews, 3(4), 307-312, 1997.
[4] Cronck, C., et al.. ``Growth charts for children with Down
Syndrome: 1 month to 18 years of age'', Pediatrics, 81(1), 102-110,
1988.
[5] Chapman, R. S., and Hesketh, L. J., "Behavioral phenotype of
individuals with Down Syndrome", Mental Retardation and
Developmental Disabilities Research Reviews, 6(2), 84-95, 2000.
[6] Heimberg, R. G., and Juster, H. R., ``Cognitive-behavioral
treatments. Social phobia: Diagnosis, assessment, and treatment'',
Behaviour research and therapy,
741-756, 1995.
[7] Marcell, M. M., Harvey, C. F., and Cothran, L. P., ``An attempt to
improve auditory short-term memory in Down's syndrome
individuals through reducing distractions'', Research in
Developmental Disabilities, 9(4), 405-417, 1988.
[8] Broadley, I., & MacDonald, J., ``Teaching short term memory skills
to children with Down syndrome'', Down Syndrome Research and
Practice, 1(2), 56-62, 1993.
  • Article · Jan 2000
  • [Show abstract] [Hide abstract] ABSTRACT: This review of recent work on language development in children and adolescents with Down syndrome focuses on sentence structure, grammatical words, and vocabulary. Evidence is summarized for a specific expressive language impairment, over and above the cognitive delay associated with the syndrome. A profile of strengths (lexical comprehension) and deficits (lexical and sentence production) is identified. Acquisition of productive syntax is shown to be ongoing in adolescence, without evidence of limits to learning at the onset of adolescence or the advent of complex syntax. Additional difficulties in verb and grammatical morpheme acquisition are identified. Predictors of individual variation in performance and competing explanations of language deficit are discussed briefly. Interventions shown to increase communicative effectiveness are summarized. MRDD Research Reviews 1997;3:307–312. © 1997 Wiley-Liss, Inc.
    Article · Jan 1997
  • [Show abstract] [Hide abstract] ABSTRACT: Down's syndrome (DS) individuals, relative to nonretarded individuals, have greater difficulty remembering brief sequences of verbal information presented auditorily. Previous research suggests at least two possible attentional explanations of their difficulty: They are especially susceptible to both auditory distraction and off-task glancing during laboratory tasks. DS, non-DS mentally retarded and nonretarded persons listened to, looked at, and attempted to remember sequences of digits. Although the three groups did not differ in their recall of visually-presented stimuli, DS subjects showed significantly poorer recall of auditorially-presented stimuli than the other two groups (which did not differ). Furthermore, the poor auditory memory of DS subjects did not improve under testing conditions designed to minimize auditory and visual distractions. It was suggested that poor auditory short-term memory for verbal information is tied more closely to Down's syndrome than to low intelligence and does not seem to be caused by a special susceptibility of Down's syndrome individuals to attentional distractors.
    Article · Feb 1988
  • [Show abstract] [Hide abstract] ABSTRACT: Down syndrome (DS) is a major cause of mental retardation and congenital heart disease. Besides a characteristic set of facial and physical features, DS is associated with congenital anomalies of the gastrointestinal tract, an increased risk of leukemia, immune system defects, and an Alzheimer-like dementia. Moreover, DS is a model for the study of human aneuploidy. Although usually caused by the presence of an extra chromosome 21, subsets of the phenotypic features of DS may be caused by the duplication of small regions of the chromosome. The physical map of chromosome 21 allows the molecular definition of the regions duplicated in these rare cases of partial trisomy. As a first step in identifying the genes responsible for individual DS features and their pathophysiology, a panel of cell lines derived from 16 such individuals has been established and the molecular break points have been determined using fluorescence in situ hybridization and Southern blot dosage analysis of 32 markers unique to human chromosome 21. Combining this information with detailed clinical evaluations of these patients, we have now constructed a "phenotypic map" that includes 25 features and assigns regions of 2-20 megabases as likely to contain the genes responsible. This study provides evidence for a significant contribution of genes outside the D21S55 region to the DS phenotypes, including the facies, microcephaly, short stature, hypotonia, abnormal dermatoglyphics, and mental retardation. This strongly suggests DS is a contiguous gene syndrome and augurs against a single DS chromosomal region responsible for most of the DS phenotypic features.
    Article · Jun 1994
  • Growth charts for children with Down Syndrome: 1 month to 18 years of age. C Cronck. 1988.102-110.
  • M E Weijerman, J P De Winter. 2010.1445-1452.
Show more