C’est bien le gérondif qui convient ici puisqu’il a une valeur adverbiale (c’est à dire qu’il complète le verbe « s’amuser ».
Le chat joue avec sa pelote, s’amuse même voyant sa maîtresse lever les bras : le participe présent exprimerait un état et pourrait être remplacé par une proposition relative ce qui n’est pas possible ici.

Et plus précisément :
On voit que c’est une subordonnée conjonctive  qu’on peut lui substituer, pas une relative, c’est à dire un complément du verbe. Or, le gérondif (comme l’adverbe) est complément du verbe, pas le participe présent.

Le chat joue avec sa pelote, s’amuse, même quand il l voit sa maîtresse lever les bras .

===> on écrit donc : Le chat joue avec sa pelote, s’amuse même en voyant sa maîtresse lever les bras