Cognitive assessment and training using mobile technologies

Abstract

In the face of the increasing prevalence of neurodegenerative disorders and the lack of effective treatment, there is growing interest in non-pharmacological approaches to counter cognitive decline. In this context, mobile health applications (mHealth apps) have emerged as a promising tool for detecting cognitive disorders and delivering focused patient training. Nevertheless, the accessibility of mHealth applications that seamlessly incorporate comprehensive cognitive training, evaluation, and monitoring spanning diverse cognitive domains for the adult demographic is notably scarce.To bridge this void, the mHealth RODI application was meticulously developed. In this doctoral thesis a thorough exploration of the implementation and functionality of the RODI application is provided. The dissertation commences with an in-depth review of the theoretical background and previous research that contributed to its conceptualization. Following this introduction, the mHealth app RODI is presented, highlighting its core objectives and offering a detailed elucidation of the integrated tasks, to ensure a comprehensive understanding of its operational aspects. After this examination, the thesis transitions to evaluating the app's ability to fulfil its objectives through a study spanning three distinct phases. The initial stage emphasizes the user-centred development of the RODI, with a focus on customization, usability, and its effectiveness as a cognitive intervention tool. The second phase scrutinizes RODI’s impact on cognitive performance within the app’s context and explores its potential as a monitoring tool. The third and final phase thoroughly assesses the mHealth app's competence in diagnosing cognitive impairments in accordance with the diagnostic criteria for Neurocognitive Disorders (NCDs).In the pilot study of the initial phase involving 24 adults, end users provided a favourable evaluation of the RODI app. The results revealed high ratings for usability (4.53/5.00), usefulness (4.63/5.00), viability (4.5/5.00), and efficacy (4.08/5.00), affirming the app's potential to enhance cognitive abilities in a user-friendly and familiar setting. Participants' feedback highlighted the app's attributes necessary for fulfilling its intended purpose effectively. Notably, elderly individuals adapted well to the app despite limited prior exposure to mobile devices. The RODI mHealth app effectively challenged participants' abilities and encouraged cognitive engagement, self-efficacy, and motivation. The study validated the initial hypothesis that the RODI app could extend its applicability beyond the specified user group to include adults with normal cognitive function. This broader demographic offers opportunities for early detection of cognitive disorders and assessment of cognitive reserve. Additionally, participants expressed a strong inclination to continue using similar applications in the future, emphasizing the significance of such tools in enhancing cognitive abilities among adults. In the subsequent phase, a comprehensive assessment was conducted to evaluate the impact of the RODI app on cognitive performance, serving as an intervention with dual objectives: cognitive enhancement and monitoring. The study involved 11 participants without diagnosed deficits, who self-administered the app twice a week over eight weeks. An analysis of participants' scores and practice duration times revealed a consistent enhancement in cognitive performance as they engaged with the app progressively over time. Notably, the rate of improvement appeared comparatively slower in the younger age group than in their older counterparts. The study also assessed the app's reliability using the intraclass correlation coefficient (ICC), confirming its consistent performance across repeated administrations. Additionally, the app's ability to monitor participants' cognitive status across various domains was investigated, showing controlled variations that indicate foreseeable outcomes within defined parameters. These findings underscore the substantial potential of the RODI app as an intervention tool for cognitive enhancement and monitoring. In the third and final phase of this comprehensive study involving 182 individuals with NCD and healthy participants. The RODI app was employed to assess its ability to evaluate cognitive impairments aligning with the diagnostic criteria NCDs. The study's outcomes substantiate the RODI app's potential as a screening tool for NCDs, effectively distinguishing between cognitively healthy adults and NCD patients. Key performance metrics, including Total Time, Total Score, specific task completion times, and correctness rates, emerged as crucial indicators for classification. Additionally, the investigation aimed to identify performance disparities between individuals with NCD and healthy participants, utilizing two analytical methods: Mann-Whitney U analysis and Random Forest feature importance analysis. Notably, visuospatial abilities, specifically visual working memory features, exhibited the highest importance scores, suggesting a focus for future research. Despite some methodological differences contributing to discrepancies, this comparative examination provides insights into task significance and importance for differentiation between cognitive healthy individuals and those with NCDs. These findings lay the foundation for further evaluation and refinement. This study concludes with an exploration of potential enhancements to the RODI application. Emphasis is placed on reinforcing pre-symptomatic screening and primary care, ultimately aiming to strengthen healthcare systems. Additionally, recommendations for future research are presented, and areas requiring further investigation are identified. Ultimately, this study contributes to the understanding of mHealth interventions targeting cognitive function improvement while concurrently advancing research in this rapidly evolving field.

Η αύξηση του ποσοστού των ατόμων που παρουσιάζουν νευροεκφυλιστικές διαταραχές και η έλλειψη αποτελεσματικής θεραπείας τους, έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη μη φαρμακολογικών προσεγγίσεων για την αντιμετώπιση της γνωσιακής έκπτωσης. Σε αυτό το πλαίσιο, οι εφαρμογές υγείας για κινητές συσκευές (mobile Health applications - mHealth apps) έχουν αναδειχθεί ως ένα πολλά υποσχόμενο εργαλείο για τον εντοπισμό γνωσιακών διαταραχών και την παροχή εστιασμένης εξάσκησης ασθενών. Ωστόσο, η προσβασιμότητα των εφαρμογών mHealth για ενήλικες, που ενσωματώνουν απρόσκοπτα ολοκληρωμένη γνωσιακή εξάσκηση, αξιολόγηση και παρακολούθηση, ενώ ταυτόχρονα εκτείνονται σε διάφορους γνωσιακούς τομείς, είναι ιδιαίτερα σπάνια.Για να γεφυρωθεί αυτό το κενό, αναπτύχθηκε η mHealth RODI. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται μια διεξοδική διερεύνηση της εφαρμογής και της λειτουργικότητας της. Αρχικά πραγματοποιείται μια εις βάθος ανασκόπηση του θεωρητικού υποβάθρου και των προηγούμενων ερευνών που συνέβαλαν στην εννοιολόγηση της εφαρμογής. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η εφαρμογή RODI, υπογραμμίζονται οι βασικοί στόχοι της και παρέχεται μια λεπτομερή αποσαφήνιση των ενσωματωμένων εργασιών, προκειμένου να διασφαλιστεί η ολοκληρωμένη κατανόηση των λειτουργικών πτυχών της.Ακολούθως, παρουσιάζεται η αξιολόγηση της δυνατότητας της εφαρμογής να εκπληρώσει τους στόχους της, η οποία πραγματοποιήθηκε σε τρεις διακριτές φάσεις. Κατά την αρχική φάση, δόθηκε έμφαση στην με επίκεντρο τον χρήστη ανάπτυξη της RODI, αξιολογώντας την προσαρμοστικότητα, χρηστικότητα και αποτελεσματικότητά της ως εργαλείο γνωσιακής παρέμβασης. Στη δεύτερη φάση της αξιολόγησης, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ενδελεχούς εξέτασης του αντίκτυπου της RODI στη γνωσιακή απόδοση, στο πλαίσιο της εφαρμογής καθώς και οι δυνατότητές της ως εργαλείο παρακολούθησης. Στην τελευταία φάση αξιολογήθηκε διεξοδικά η δυνατότητα της mHealth εφαρμογής να συνεισφέρει στη διάγνωση γνωσιακών διαταραχών σύμφωνα με τα διαγνωστικά κριτήρια για τις Νευρογνωσιακές Διαταραχές (Neurocognitive Disorders - NCDs). Στην πιλοτική μελέτη της αρχικής φάσης στην οποία συμμετείχαν 24 ενήλικες, η εφαρμογή RODI αξιολογήθηκε θετικά από τους τελικούς χρήστες. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν υψηλές βαθμολογίες ως προς την χρηστικότητα (4.53/5.00), την χρησιμότητα (4.63/5.00), τη βιωσιμότητα (4.5/5.00) και την αποτελεσματικότητα της (4.08/5.00), επιβεβαιώνοντας τη δυνατότητα της εφαρμογής να ενισχύσει τις γνωσιακές ικανότητες σε ένα φιλικό και οικείο περιβάλλον. Τα σχόλια των συμμετεχόντων υπογράμμισαν τα χαρακτηριστικά της εφαρμογής που είναι απαραίτητα για την αποτελεσματική εκπλήρωση του επιδιωκόμενου σκοπού της. Συγκεκριμένα, οι ηλικιωμένοι συμμετέχοντες προσαρμόστηκαν καλά στην εφαρμογή παρά την περιορισμένη προηγούμενη έκθεσή τους σε κινητές συσκευές. Η mHealth εφαρμογή RODI αποτέλεσε μια πρόκληση για τους συμμετέχοντες και ενίσχυσε τη γνωσιακή τους δέσμευση, την αυτό-αποτελεσματικότητα και τα κίνητρά τους. Η μελέτη επικύρωσε την αρχική υπόθεση ότι η εφαρμογή RODI θα μπορούσε να επεκτείνει τη δυνατότητα χρήσης της πέρα από την συγκεκριμένη ομάδα χρηστών για να συμπεριλάβει ενήλικες με φυσιολογική γνωσιακή λειτουργία. Αυτό το χαρακτηριστικό, ανέδειξε τις ευκαιρίες που προσφέρει η εφαρμογή για την έγκαιρη ανίχνευση γνωσιακών διαταραχών και την αξιολόγηση του γνωσιακού αποθέματος. Επιπλέον, οι συμμετέχοντες εξέφρασαν τη διάθεσή τους να συνεχίσουν να χρησιμοποιούν παρόμοιες εφαρμογές στο μέλλον, τονίζοντας τη σημασία αυτών των εργαλείων για την ενίσχυση των γνωσιακών ικανοτήτων των ενηλίκων. Στη δεύτερη φάση, διεξήχθη μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση για την εκτίμηση του αντίκτυπου της εφαρμογής RODI στη γνωσιακή απόδοση, και της χρησιμότητάς της ως παρέμβαση με διττό στόχο: την γνωσιακή ενίσχυση και παρακολούθηση. Στη μελέτη συμμετείχαν 11 συμμετέχοντες χωρίς διαγνωσμένα ελλείμματα, οι οποίοι χρησιμοποιούσαν την εφαρμογή δύο φορές την εβδομάδα, για διάστημα οκτώ εβδομάδων. Η ανάλυση των βαθμολογιών και της χρονικής διάρκειας εξάσκησης των συμμετεχόντων αποκάλυψε σταθερή βελτίωση στη γνωσιακή απόδοση, καθώς αλληλοεπιδρούσαν με την εφαρμογή, με την πάροδο του χρόνου. Αξιοσημείωτο είναι ότι ο ρυθμός βελτίωσης των νεότερων ηλικιακά συμμετεχόντων, εμφανίστηκε συγκριτικά πιο αργός από ό,τι στους μεγαλύτερους ομολόγους τους. Η μελέτη αξιολόγησε επίσης την αξιοπιστία της εφαρμογής χρησιμοποιώντας τον συντελεστή εσωτερικής συσχέτισης (Intraclass Correlation Coefficient - ICC), επιβεβαιώνοντας τη σταθερή απόδοσή της σε επαναλαμβανόμενες χρήσεις. Επιπλέον, διερευνήθηκε η δυνατότητα της εφαρμογής να παρακολουθεί τη γνωσιακή κατάσταση των συμμετεχόντων σε διάφορους τομείς. Τα αποτελέσματα παρουσιάζουν ελεγχόμενες μεταβολές οι οποίες υποδεικνύουν προβλέψιμα αποτελέσματα εντός καθορισμένων παραμέτρων. Αυτά τα ευρήματα υπογραμμίζουν τις σημαντικές δυνατότητες της εφαρμογής RODI ως εργαλείο παρέμβασης για τη γνωσιακή ενίσχυση και παρακολούθηση. Στην τρίτη και τελευταία φάση της μελέτης συμμετείχαν 182 άτομα με ή χωρίς NCD. Στους συμμετέχοντες δόθηκε η εφαρμογή RODI, με σκοπό να διερευνηθεί η δυνατότητά της να αξιολογεί γνωσιακές βλάβες που ευθυγραμμίζονται με τα διαγνωστικά κριτήρια για τις NCDs. Τα αποτελέσματα της μελέτης τεκμηριώνουν τη δυνατότητα της εφαρμογής RODI να λειτουργεί ως εργαλείο ελέγχου Νευρογνωσιακών Διαταραχών, διαχωρίζοντας αποτελεσματικά μεταξύ γνωσιακά υγιών ενηλίκων και ασθενών με NCDs. Βασικές μετρήσεις απόδοσης, συμπεριλαμβανομένου του συνολικού χρόνου, της συνολικής βαθμολογίας, των χρόνων ολοκλήρωσης εργασιών και των ποσοστών ορθών απαντήσεων, αναδείχθηκαν ως κρίσιμοι δείκτες για τον διαχωρισμό αυτό. Επιπλέον, η έρευνα στόχευε στον εντοπισμό διαφορών απόδοσης μεταξύ ατόμων με NCD και υγιών συμμετεχόντων, χρησιμοποιώντας δύο αναλυτικές μεθόδους: την ανάλυση Mann-Whitney U και την ανάλυση σπουδαιότητας χαρακτηριστικών Random Forest. Συγκεκριμένα, οι οπτικοχωρικές ικανότητες και ειδικότερα τα χαρακτηριστικά οπτικής μνήμης εργασίας, παρουσίασαν τις υψηλότερες βαθμολογίες σπουδαιότητας, αναδύοντας ένα πεδίο μελλοντικής έρευνας. Παρά την ύπαρξη μεθοδολογικών διαφορών που οδηγούν σε διαφοροποιήσεις, αυτή η συγκριτική εξέταση παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη σημασία και την υποκείμενη σημαντικότητα των εργασιών για την ταξινόμηση μεταξύ ατόμων με κανονική γνωσιακή λειτουργία και ασθενών με NCDs. Αυτές οι πληροφορίες αποτελούν βάση για περαιτέρω αξιολόγηση και βελτίωση. Η παρούσα μελέτη ολοκληρώνεται με τη διερεύνηση πιθανών βελτιώσεων στην εφαρμογή RODI. Έμφαση δίνεται στην ενίσχυση του προσυμπτωματικού ελέγχου και της πρωτοβάθμιας φροντίδας, με απώτερο στόχο την ενίσχυση των συστημάτων υγειονομικής περίθαλψης. Επιπλέον, παρουσιάζονται προτάσεις για μελλοντικές έρευνες και προσδιορίζονται πεδία που απαιτούν περαιτέρω διερεύνηση. Συνολικά, αυτή η μελέτη συμβάλει στην κατανόηση των παρεμβάσεων μέσω εφαρμογών mHealth, οι οποίες στοχεύουν στη βελτίωση της γνωσιακής λειτουργίας και ταυτόχρονα συνεισφέρει στην έρευνα σε αυτόν τον ταχέως εξελισσόμενο τομέα.