Supporting physical training in healthy older adults through biocybernetic adaptation and exergaming

Physical inactivity in older adults is commonly associated with the development of chronic diseases, poor maintenance of functional status, possible cognitive declines and the loss of physical independence. With the aim of reducing the social and economic burdens generated by the high percentages of older adults in the population, active aging programs have been intensively promoted. These programs, however, suffer from low rates of adherence and a lack of exercise’s personalization that end up in demotivated older adults. Exercise videogames (Exergames) have been established as a fun and enjoyable method to promote physical activity, by using competition, timely feedback, and fun, they counteract the monotony of exercise routines. Although frequently attractive, the use of Exergames for exercise promotion in older adults still faces challenges in demonstrating effectiveness regarding functional fitness, cognitive functions, and game user experience. Moreover, the long-term effects of using Exergames as a structured exercise program in the older population have been rarely investigated. To tackle these limitations in Exergaming research, this thesis uses two different Human-Computer Interaction (HCI) techniques: humancentered design and physiological computing. The main objective is to maximize Exergaming effectiveness via: i) providing a more personalized, diversified and enjoyable game experience through custom-made Exergames and ii) optimizing the body responses while exercising with a physiologically intelligent software layer. First, a set of four Exergames that covers aerobic endurance, muscular strength and motor ability fitness domains were carefully designed via contextual design. Secondly, the biocybernetic loop construct from physiological computing is used to improve the cardiovascular performance of older adults through an Exergame that adapts its difficulty based on game performance and exertion levels, thus persuading players to exert in the desired and recommended levels. Two cross-sectional and two longitudinal controlled studies were completed in local senior gymnasiums with active older adults addressing multiple research questions to unveil the role of customized and adaptive Exergames in promoting physical activity. We demonstrated how attractiveness and effectiveness can be successfully combined in Exergaming design to deliver encouraging and motivating exercises that are equivalent (or sometimes better) to conventional training methods. Moreover, we illustrated the design of a set of physiological computing software tools that can be extensively used for biocybernetic adaptation in videogames, and physiological signal post-processing and interpretation.A inatividade física nos idosos está comumente associada ao desenvolvimento de doenças crónicas, fraca conservação do estado funcional, possíveis declínios cognitivos e a perda de independência. Com o objetivo de reduzir os fardos sociais e económicos gerados pelas altas percentagens de idosos na população, programas de envelhecimento ativo têm sido promovidos intensivamente. No entanto, estes programas sofrem de baixas taxas de aderência e uma falta de personalização do exercício que resulta em idosos desmotivados. Videojogos de exercício (Exergames) são reconhecidos como um método divertido e agradável de promoção da atividade física, através do uso da competição, feedback pertinente, e diversão estes contrariam a monotonia das rotinas de exercício convencional. Apesar de atraente, o uso de Exergames para a promoção de exercício nos idosos ainda se depara com obstáculos em demonstrar a sua eficácia em termos de melhorias de fitness funcional, funções cognitivas, e experiência do jogador. Ademais, o efeito a longo termo do uso de Exergames como programa estruturado de exercício para idosos raramente foi investigado. Para lidar com essas limitações na área de Exergames esta tese usa duas técnicas de Interação Humano-Computador (HCI) diferentes: design centrado no usuário e computação fisiológica. O principal objetivo é o de maximizar a eficácia da prática de Exergames através de: i) fornecimento de uma experiência de jogo mais personalizada, diversificada e agradável em Exergames feitos à medida e ii) otimização das respostas corporais durante o exercício em Exergames com uma camada de software fisiologicamente inteligente. Primeiro, um conjunto de quatro Exergames abrangentes dos domínios de resistência aeróbica, força muscular e capacidade motora foram cuidadosamente projetados por meio de design contextual. Em segundo lugar, o conceito de malha biocibernética fechada de computação fisiológica foi usada para melhorar o desempenho cardiovascular de idosos através de um Exergame que adapta a sua dificuldade com base no desempenho e níveis de esforço do jogador, persuadindo-os a exercerem os níveis desejados e recomendados. Dois estudos transversais e dois estudos longitudinais controlados foram concluídos em ginásios locais com idosos ativos, abordando várias questões de investigação para desvendar o papel de exergames customizados e adaptativos na promoção da atividade física. Demonstramos como a atratividade e a eficácia podem ser combinadas com sucesso no design de Exergames para fornecer exercícios encorajadores e motivadores que são equivalentes (ou por vezes melhores) aos métodos de treino convencionais. Além disso, apresentamos o design de um conjunto de ferramentas de software de computação fisiológica que podem ser amplamente utilizadas para adaptação biocibernética em videojogos e pós-processamento e interpretação de sinais fisiológicos