Assessment of exergames as treatment and prevention of dysgraphia

Dysgraphia, according to the American Psychiatric Association (1994), is characterized by writing skills that are substantially below those expected, given the person’s chronological age, measured intelligence, and age appropriate education. The 11% of students present an inadequate graph-motor development and this percentage is almost identical to that one recorded when the students are six years old, in spite of schooling due to age. Furthermore, the dysgraphic disorder is diagnosed only when children are already able to write, so usually it is recognized around the third year of elementary school. This means that any possible intervention is delayed. Traditionally assessment is carried out through The Concise Assessment Method for Children’s Handwriting (the BHK) on children who can already write. This test is based on the pioneering work of Ajuriaguerra and it evaluates 13 features of handwriting. More recently, training methods have been developed on Ajuriaguerra and Hamstra-Bletz considerations and it is relevantly the work of Venturelli, largely adopted in Italy. This method targets children in pre-school age and it is aimed to train the elementary strokes of handwriting (e.g. arches, wreaths, circles). Results have shown that such approach is indeed effective. However, the prescribed exercises do require the continuous assistance of a teacher and they become soon boring to children. Since the dysgraphic disorder is usually underestimate and belatedly diagnosed, the need of prevention and early intervention focusing on prewriting exercises emerged from the literature. So the aim of this thesis work was to explore the use of exergames to supply this need. The exergames wanted to be a way to provide an intensive prewriting training for kindergarteners in a funny way. The exergames were collected in a mobile application which has been designed to be used at home, at school or during specific therapy for children with disabilities. The exergames parameters have been left modifiable to set the exercise difficulty according to the child learning process. Since a standard assessment method to evaluate treatment efficacy, when children are too young to be able to write, still lacks, exergames were also explored to evaluate the graphometric abilities of children and an assessment module was developed. A preliminary test was performed with 16 children, 5-6 years aged. Several groups of exercises were identified, according to the literature, with a clinical team of therapists, psychologists and neurologists. Preliminary exercises were aimed at acquiring movement fluidity, by drawing with the finger very large continuous strokes like circles and “8” figures. The second step was to master progression of handwriting from left to right by drawing detached repetitions of the same symbol. Then symbols were joined and drawing became continuous. In the last step, an external rhythm was imposed by rhythmic sounds. Starting from this, a set of exergames, based on fantasy themes, were developed, in which the child had to move a cartoon character along a given pathway. Specific parameters, like line thickness and speed, were adapted to the child’s state. The exergames were used to develop a training module which consists of a mobile application on iPad. In the initial screen, the formal or informal caregiver chose the exercise and could customize it, modular definition of the game assets allowed the child to choose his personalized character (dragoon, fish or hedgehog) and environment (sea, forest or planet). The path to be followed was drawn through a spline curve of programmable width that matched the accuracy required. When external rhythm was added, check points were shown on the path and they changed colour when they were reached in due time. These check points were placed where a change in direction of stroke movement occurred. During the exercises a visible and auditory feedback was provided. When the finger was touching the screen a sound was produced, whose pitch changed according to the finger position. To provide feedback about the correctness of the movement, if the distance from the pattern line was greater than a threshold, the pitch of the sound became annoying. An animation tutorial was also developed and it could be shown before each exercise started. It was aimed at showing the right movement direction and the correct start point as suggested by Venturelli. A simplified suite of exergames was developed as an assessment module and it was preliminary tested to determinate the most interesting parameters to evaluate the graphical abilities. It was tested on 16 children 5-6 years aged, attending the last year of kindergarten school. Children were asked to draw a continuous shape (circle or “8”, large or small) as accurate as possible, in four exercises, and then they were asked to draw the same continuous shape following an imposed rhythm, in other six exercises. According to the exercise, five or ten repetitions were required. At the end of the test the participants had to answer a simple usability questionnaire inspired to Technology Acceptance Model (TAM). Questions regarded appreciation and perceived difficulty of the exercises proposed. Kindergarten teachers provided also qualitative evaluation of the children’s graph-motor abilities, classifying each pupil’s skills among the categories good, intermediate, poor. According to the literature, interesting parameters to evaluate quality of the graph-motor performance are movement accuracy and velocity of execution. Generally, a trade- off between accuracy and velocity of the performance is observed. As a subject learns the movement mechanism, he can increase movement velocity, loosing accuracy, or he can improve movement accuracy, reducing movement velocity. So quantitative measures have been defined to assess writing in terms of accuracy and timing. For each exercise, a 2D spline was fitted to the 2D points sampled at each symbol repetition (acquired at 50 Hz, with the time stamp of the iPad). The spline was then equally sampled to obtain the same number of points of the model path. To evaluate the accuracy, the root mean square error (RMSE) and the correlation (corr) between the model and the acquired path were computed. To evaluate the movement correctness, the number of times the symbol was drawn following the correct direction of the movement respect the total number of repetitions of the symbol was computed. Moreover, the analysis of the time the children required to perform the exercise or the single repetition of the exercise was implemented. Finally, the kinematic parameters were analysed. The results obtained from the analysis of each identified parameter were compared with the teachers’ judgment to evaluate the assessment module effectiveness in discriminating between subjects’ skills.
The difference in tracking accuracy between a child with “good” graphic abilities and one with “poor” graphic abilities was quite remarkable. However, some of the children classified as having “intermediate” graphic abilities did perform “good” in this accuracy test, being able to accurately reproduce the shapes and making difficult the discrimination between “good” and “intermediate” performance. The minimum time to produce each figure was around 2 s, with large variability among children, indeed some required even 12 s or more to complete one figure. 12 out of 14 of the children with “good” and “intermediate” skills have shown a decrease in time, highlighting fast improvements and learning processes. This trend was not observed in children classified as “poor” writers. A further interesting element was the number of times in which the child represented the “eight” symbol with the right movement over the whole trajectory (some children produced the eight as two separate circles, whilst other children, once arrived at the intersection point, instead of continuing straight, chose the other path thus performing the whole upper part of the eight followed by the lower part of it or vice versa). This parameter clearly discriminates between subjects with graphical abilities classified as “good” and all the others, showing a strong positive and significant Spearman’s correlation with the teachers’ judgment. Assigning to each answer of the usability questionnaire a numerical score, the feedback provided could range between a usability score of 7 and 21, where 21 indicates the maximum positive feedback and 7 the minimum assignable score. The average score obtained was 18.6, indeed, children evaluated very positively the exercise entertaining and have always completed the exercises without effort. The test provided suggestions to optimize the assessment and training modules and encourages the evaluation of the training module effectiveness.
Most of the children were not able to execute a stroke following a rhythm. Since the rhythmic component is an important element of handwriting, the test of the efficacy of the training module, which is aimed also at improving this ability, is suggested, while it seems clear that this kind of exercise is too complicated for the preliminary evaluation phase. The use of a digital device and exergames received very positive feedback from children. Although preliminary, quantitative results of some of the identified parameters showed a good agreement with teachers’ evaluation. More complete tests are required to evaluate which could be the determinants and the predictive factors associated to dysgraphia and to prove the training module effectiveness in preventing the disorder.

INTRODUZIONE La disgrafia, secondo l’Associazione Psichiatrica Americana (1994), è caratterizzata da abilità di scrittura che sono sostanzialmente al di sotto di quelle attese, data l’età cronologica, l’intelligenza e un’appropriata educazione per l’età della persona. L’11% degli studenti presentano uno sviluppo grafo-motorio inadeguato e questa percentuale è quasi identica a quella registrata quando gli studenti hanno sei anni di età, a dispetto dell’istruzione acquisita negli anni scolastici. Inoltre, il disturbo disgrafico viene diagnosticato soltanto quando i bambini sono già in grado di scrivere, quindi solitamente viene riconosciuto intorno al terzo anno di scuola elementare. Questo significa che ogni possibile intervento viene effettuato tardivamente rispetto al processo di apprendimento. Solitamente la valutazione viene effettuata attraverso la “Scala sintetica per la valutazione della scrittura in età evolutiva” (BHK) su bambini che sono già in grado di scrivere. Questo test è basato sul lavoro pionieristico di Ajuriaguerra e valuta 13 caratteristiche della scrittura manuale. Più recentemente, sono stati sviluppati metodi di intervento basati sulle considerazioni di Ajuriaguerra e Hamstra-Bletz e risulta in particolar modo rilevante il lavoro di Venturelli, largamente adottato in Italia. Questo metodo, di cui è stata provata l’efficacia, mira a bambini in età prescolare e ha come obbiettivo quello di allenare gesti e tratti elementari di scrittura manuale (ad esempio archi, ghirlande, cerchi). Tuttavia, gli esercizi previsti richiedono la continua assistenza di un insegnante e possono facilmente diventare noiosi per i bambini. Siccome il disturbo disgrafico è generalmente sottostimato e diagnosticato tardivamente, la necessità di prevenzione e interventi precoci focalizzati sulle attività di pregrafismo è emersa dalla letteratura. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato, infatti, esplorare l’utilizzo di exergames per soddisfare questa necessità. Gli exergames sono stati proposti come modalità per fornire un allenamento intensivo delle abilità di pregrafismo per bambini della scuola materna in modo divertente. Gli exergames sono stati raccolti in un’applicazione mobile che è stata progettata per essere usata a casa, a scuola o durante una terapia specifica per bambini con disabilità. I parametri degli exergames sono stati lasciati modificabili per impostare la difficoltà dell’esercizio a seconda del processo di apprendimento del bambino. Visto che ancora non è disponibile un metodo standard di valutazione per giudicare l’efficacia di un trattamento quando i bambini sono troppo giovani per saper scrivere, gli exergames sono stati esplorati anche come mezzo di valutazione delle abilità grafo-metriche dei bambini ed è stata sviluppata una seconda applicazione mobile come modulo di valutazione. Un test preliminare del modulo di valutazione e dell’usabilità dell’applicazione è stato condotto con 16 bambini di 5-6 anni. METODI Sono stati identificati diversi gruppi di esercizi, in accordo con la letteratura, con un team clinico di terapisti, psicologi e neurologi. Gli esercizi preliminari avevano lo scopo di acquisire la fluidità dei movimenti, disegnando con il dito tratti molto ampi e continui, come cerchi e figure di “8”. Il secondo tipo di esercizi prevedeva di padroneggiare la progressione della scrittura da sinistra a destra, disegnando ripetizioni distaccate dello stesso simbolo. Dopo di che i simboli sono stati collegati e il disegno è diventato continuo. Nell’ultimo tipo di esercizi è stato aggiunto un ritmo esterno sotto forma di suoni ritmici. A partire da questi esercizi, è stato sviluppato un insieme di exergames basati sulla fantasia, nei quali il bambino doveva muovere un personaggio lungo un dato percorso. Specifici parametri, come lo spessore della linea e la velocità, potevano essere adattati alle capacità e ai progressi del bambino. Gli exergames sono stati utilizzati per sviluppare un modulo di training che consiste in un’applicazione mobile per iPad. Nella schermata iniziale, l’educatore poteva scegliere l’esercizio e personalizzarlo, una definizione modulare dei giochi permetteva di scegliere personaggio (drago, pesce o riccio) e ambiente (mare, foresta o pianeta). Il percorso da seguire veniva disegnato attraverso una spline di spessore programmabile che rispecchiava l’accuratezza richiesta. Quando veniva aggiunto il ritmo esterno, lungo il percorso venivano mostrati dei punti di controllo che cambiavano colore quando venivano raggiunti agli istanti temporali corretti. I punti di controllo sono stati posizionati dove si verificava un cambio di direzione del tratto. Durante gli esercizi veniva fornito un feedback visivo e uditivo. La traiettoria tracciata dal dito veniva disegnata in tempo reale, mentre, quando il dito toccava lo schermo, veniva riprodotto un suono, il cui pitch cambiava a seconda della posizione del dito. Per fornire un feedback sulla correttezza del movimento, se la distanza del dito dalla linea del simbolo proposto era maggiore di una data soglia, il pitch del suono cambiava, diventando fastidioso. E’ stato sviluppato anche un tutorial animato, che poteva essere mostrato prima di ogni esercizio. Il suo scopo era quello di mostrare il corretto movimento da eseguire e il punto corretto da cui partire come suggerito da Venturelli. E’ stato poi sviluppato un insieme di exergames semplificati, utilizzato per creare un modulo di valutazione, ed è stato effettuato un test preliminare per determinare quali fossero i parametri più interessanti per il giudizio delle abilità grafiche. E’ stato testato con 16 bambini di 5-6 anni, frequentanti l’ultimo anno di scuola materna. Ai bambini veniva richiesto di disegnare una forma continua (cerchio o “8”, largo o piccolo) più accuratamente possibile, in 4 esercizi, e di disegnare la stessa forma continua seguendo un ritmo imposto in altri 6 esercizi. A seconda dell’esercizio, venivano richieste 5 o 10 ripetizioni. Alla fine del test i partecipanti hanno risposto a un semplice questionario di usabilità ispirato al Technology Acceptance Model (TAM). Le domande riguardavano l’apprezzamento e la difficoltà percepita degli esercizi proposti. Le insegnanti della scuola materna hanno fornito una valutazione qualitativa delle capacità grafo-motorie dei bambini, classificandole tra le categorie “buone”, “intermedie” e “scarse”. Secondo la letteratura, i parametri di interesse per valutare la qualità della performance grafo-motoria sono accuratezza del movimento e velocità di esecuzione. Generalmente, viene osservato un compromesso tra la velocità e l’accuratezza della performance. Man mano che un soggetto apprende il meccanismo del movimento, può incrementare la velocità di esecuzione, peggiorando nell’accuratezza, oppure può migliorare l’accuratezza del movimento, riducendo la velocità di esecuzione. Sono quindi state definite delle misure quantitative per valutare la scrittura in termini di accuratezza e tempo. Per ogni esercizio, i punti 2D campionati di ogni ripetizione (acquisiti a 50 Hz, assieme al relativo time stamp dell’iPad) sono stati interpolati con una spline 2D. La spline utilizzata per l’interpolazione è quindi stata campionata per ottenere lo stesso numero di punti del modello del simbolo. Per valutare l’accuratezza sono stati calcolati il root mean square error (RMSE) e la correlazione (corr) tra il modello del simbolo e il simbolo disegnato. Per valutare la correttezza del movimento, è stato calcolato il numero di volte che il simbolo è stato disegnato seguendo la direzione corretta del movimento rispetto al numero totale di ripetizioni del simbolo. Inoltre, è stato calcolato il tempo speso per ogni esercizio e per la singola ripetizione dell’esercizio e sono stati analizzati i parametri cinematici. RISULTATI I risultati ottenuti dall’analisi di ogni parametro sono stati confrontati con il giudizio delle insegnanti per valutare l’efficacia del modulo di valutazione nel discriminare le capacità dei bambini. La differenza nell’accuratezza ottenuta tracciando il simbolo, tra un bambino con “buone” abilità grafiche e un bambino con “scarse” abilità grafiche, era piuttosto evidente. Nonostante ciò, alcuni dei bambini con abilità grafiche classificate come “intermedie” hanno ottenuto risultati abbastanza buoni, sono infatti stati capaci di riprodurre accuratamente i simboli, rendendo quindi difficile la discriminazione tra performance “buone” ed “intermedie”. Il tempo minimo necessario per tracciare un simbolo era intorno a 2 s, con grande variabilità tra diversi bambini, infatti alcuni impiegavano addirittura 12 s o più per completare una figura. 12 di 14 bambini con abilità “buone” ed “intermedie” hanno mostrato una diminuzione del tempo impiegato per tracciare la figura, evidenziando rapidi miglioramenti e processi di apprendimento. Questo andamento non è stato osservato nei bambini con abilità classificate come “scarse”. Un ulteriore elemento interessante era il numero di volte che un bambino rappresentava il simbolo “otto” eseguendo il movimento nella direzione corretta (alcuni bambini hanno riprodotto l’otto come due cerchi, altri, una volta arrivati al punto di intersezione, invece di continuare nella stessa direzione, hanno scelto quella opposta eseguendo tuta la parte superiore dell’otto per poi eseguire quella inferiore o viceversa). Questo parametro discrimina chiaramente i soggetti con abilità grafiche classificate come “buone” da tutti gli altri mostrando una forte correlazione di Spearman, statisticamente significativa, con il giudizio delle insegnanti. Assegnando ad ogni risposta del questionario di usabilità un punteggio numerico, il feedback fornito poteva variare tra un punteggio di usabilità di 7 e 21, dove 21 indicava il massimo feedback positivo e 7 il minimo punteggio assegnabile. Il punteggio ottenuto in media era di 18.6, infatti, i bambini hanno valutato divertenti gli esercizi e li hanno sempre completati senza sforzo. DISCUSSIONI E CONCLUSIONI Il test effettuato ha fornito indicazioni utili per ottimizzare i moduli di training e valutazione. Negli esercizi con ritmo imposto, la maggior parte dei bambini non era in grado di eseguire un tratto seguendo un ritmo. Siccome la componente ritmica è un elemento importante della scrittura manuale, un test dell’efficacia del modulo di training destinato a migliorare anche questa abilità è consigliato, mentre sembra chiaro che questo tipo di esercizio sia troppo complicato per una fase di valutazione preliminare. L’uso di un dispositivo digitale e di exergames ha ricevuto un feedback molto positivo da parte dei bambini. I risultati quantitativi, sebbene preliminari, di alcuni dei parametri identificati hanno mostrato un buon riscontro con la valutazione qualitativa delle insegnanti. Sarebbero necessari test più completi per valutare quali possano essere i fattori determinanti e predittivi associati alla disgrafia e per provare l’efficacia del trattamento proposto, basato su exergames, nella prevenzione del disturbo. Questo lavoro offre possibilità per interessanti sviluppi futuri, tra cui l’ampliamento dei simboli utilizzati negli exergames con lettere vere e proprie, per fornire un training adatto anche ai bambini frequentanti la prima elementare, e l’ampliamento dei parametri utilizzati per la valutazione, tra cui per esempio la pressione, rilevabile tramite l’uso di una penna apposita. Infine, pone le basi per lo sviluppo di una piattaforma che consenta la gestione a distanza del trattamento di training, rendendo possibile al terapeuta o all’insegnante di controllare i progressi e modificare i parametri dal luogo di lavoro, mentre il bambino può esercitarsi da casa.