嚴肅游戲在上肢功能康復中的應用研究進展

付忠榮，張振香，郭亞雯，符 博，梅永霞，林蓓蕾

（鄭州大學護理與健康學院，河南450001）

目前，上肢功能障礙高發，60%以上的腦卒中病人進入后遺癥期時仍存留上肢或手功能障礙[1]，影響其生活自理能力[2]。上肢和手的功能復雜，具有運動范圍大、運動形式復雜多樣的特點，是目的性和工具性運動最重要的效應器官[3]。上肢功能的恢復已成為現代康復醫療的研究熱點和難點[4]。傳統的上肢康復療法存在煩瑣的動作練習、枯燥無味的訓練過程以及昂貴的康復費用等缺點，導致許多病人參與康復訓練的積極性較低，訓練過程中常感到沮喪和疲勞，影響其康復效果[5]。嚴肅游戲（serious game，SG）將上肢康復動作融入虛擬游戲環境中，運用游戲的方法使病人產生一種沉浸感。因其增加了康復期間病人的動機、參與度、真實感，并具有良好的干預效果，被國外學者廣泛應用到腦卒中病人上肢功能康復領域中[6-7]。目前，嚴肅游戲在國內上肢功能康復中的相關報告較少，對嚴肅游戲在上肢功能康復中的應用研究進展進行綜述，以期為國內上肢功能康復提供參考。

1 嚴肅游戲概況

1.1 嚴肅游戲的基本概念 “嚴肅游戲”一詞首次出現是在美國學者Abt[8]的Serious Games 書中，并對其給出了明確的定義，嚴肅游戲是指那些主要不是為了娛樂而是為了教育目的而深思熟慮設計的游戲。2005年，Zyda[9]將嚴肅游戲定義為：一種按照特定規則，使用計算機進行的智力競賽，它利用娛樂來推進政府或企業培訓、教育、衛生、公共政策和戰略溝通目標。目前，嚴肅游戲在學術界并沒有嚴格的定義，不同的研究和開發者對嚴肅游戲的理解和界定并不完全相同，目前比較公認的嚴肅游戲的本質特點是不以娛樂為目的的游戲。康復領域的嚴肅游戲在保留電子游戲特點的基礎上，強調使用劇情、圖形、色彩，利用敘事的方式潛移默化地指導病人完成康復鍛煉任務[10]。嚴肅游戲中的“嚴肅”反映了游戲的目的和用途，與游戲本身的內容無關。

1.2 嚴肅游戲的應用發展 2002 年，Sawyer 提出嚴肅游戲倡議，使嚴肅游戲領域發展成為一個有組織的行業，旨在解決不同領域的問題[11]。回溯嚴肅游戲的應用，美國軍隊是世界上第一個成功應用嚴肅游戲并取得良好效果的組織[12]，從而贏得了公眾對嚴肅游戲的全面關注。目前，嚴肅游戲在教育、軍事訓練、醫療保健、管理等方面廣泛應用[13]。2005 年，Fulk[14]研究證實，在運動療法中使用嚴肅游戲來改善平衡、姿勢控制和精細運動的好處。2008 年，Ma 等[15]開發和測試了上肢康復嚴肅游戲，結果表明，嚴肅游戲能夠改善上肢運動功能障礙病人的康復訓練效果。目前，嚴肅游戲作為康復領域的一項新興技術，其開發和使用正在日益增多，并且扮演著越來越重要的角色。

1.3 嚴肅游戲的設計原理 嚴肅游戲最主要的目標是將游戲中學到的知識或技能概化到日常生活中，改善人們的真實生活狀況。嚴肅游戲設計的原則是培養能更持久學習的內在動機，一方面通過視頻游戲設計原理針對特定技能學習有困難者來創建令人愉悅的沉浸式環境來實現上述目標；另一方面是基于社會認知理論、自我決定理論等[16]。

1.4 嚴肅游戲的應用優勢 嚴肅游戲是游戲，因為其在設計問題方面與娛樂游戲一樣有規則、模擬行為，接受玩家的輸入，并在規則和行為的背景下提供反饋。然而，由于最初設計標準并不是“有趣”，嚴肅游戲也與娛樂游戲有很大的不同。在嚴肅游戲中，“樂趣”處于次要地位，訓練過程或效果是最重要的。在此基礎上，嚴肅游戲在康復訓練過程中有以下應用優勢。

1.4.1 激發病人參與康復訓練的積極性 不同于傳統康復器材及其他康復游戲，在嚴肅游戲的背景下，可以創建適合病人能力和興趣的游戲界面，也可以提供模擬現實生活環境和活動的康復環境。嚴肅游戲的優勢是可以生成具有不同故事情節但針對相同能力的游戲。在此過程中，部分病人不需要握住或佩戴任何可能對他們來說困難且受限的控件或設備，由此提高病人的參與積極性和依從性[17]。另外，嚴肅游戲中有趣的故事情節不僅可激發病人的康復訓練積極性，而且可有效改善病人康復過程中的情緒。

1.4.2 提高康復評估的可靠性 參加嚴肅游戲干預時觀察和量化病人的行為可能比傳統效果評估所提供的信息更為客觀、可靠，因為參與游戲任務的個體不太關注正在被“評估”的事實，從而減少病人緊張情緒對結果的影響[18]。

1.4.3 改善數據反饋的及時性 事后檢查數字數據并將信息轉換為圖形以評估病人的表現。病人參與訓練活動的錄像帶能提供更自然的效果評估，但往往很難將這些觀測結果與其他數據聯系起來。嚴肅游戲干預在活動后立即記錄并實時測量病人表現，可為治療師和護理人員提供有效、及時的反饋，有利于為病人制定下一步康復計劃和措施。在嚴肅游戲的背景下這種實時反饋被認為是改善功能性活動的學習和康復的關鍵因素[19]。

1.4.4 利于病人獨立練習和自我評估 嚴肅游戲簡捷的界面，有趣的交互性以及高度的沉浸感，可以用于病人自我評估和基于家庭的技能練習，自主練習可以增強病人的自尊心。此外，以家庭為基礎的獨立訓練將有助于減少公共醫療保健系統的負擔。

2 嚴肅游戲在上肢功能康復中的應用現狀

研究顯示，神經功能障礙性疾病（如腦卒中、多發性硬化癥以及腦癱等）對上肢功能康復的需求較其他疾病急迫[20]，現對嚴肅游戲在腦卒中、多發性硬化癥以及腦癱3 種疾病所致的上肢功能障礙康復中的應用進行總結與思考。

2.1 國外應用現狀

2.1.1 嚴肅游戲在腦卒中病人中的應用 上肢和手功能障礙是腦卒中病人常見的功能障礙之一，其中60%以上病人進入后遺癥時仍存留上肢或手功能障礙[3,21]，給病人及家庭造成沉重負擔。Ma 等[15]設計嚴肅游戲與虛擬現實相結合的運動療法框架，對病人進行伸手、抓握、放置和腕部伸展訓練，該框架采用頭戴式顯示器顯示沉浸式虛擬環境和無線磁傳感器跟蹤病人的手、手臂以及上身的運動；觀察組接受了常規功能訓練和基于虛擬現實技術的打老鼠游戲干預，對照組僅接受常規功能訓練干預。干預前后對病人上肢運動功能進行評價，結果表明嚴肅游戲干預對現實世界中的上肢動作恢復具有很好的效果。Bower 等[22]檢驗了由深度感應相機為基礎開發的泡泡魚游戲的干預效果，該游戲強調訓練腕關節及肩膀的運動，腦卒中病人使用3D 深度傳感器，與游戲環境進行交互；干預組8例病人除了接受標準的住院治療或門診治療外，還在4 個星期內完成了8 個40 min 的療程，對照組的8 例病人僅接受標準治療，包括住院或門診治療；訓練結束后，干預組病人上肢和手的運動功能明顯優于對照組。Sadeghi 等[7]的研究亦得出相似結論。以上研究的實驗設計干預組為在常規功能鍛煉的基礎上進行嚴肅游戲干預。因此，不能確定積極效果是否為干預組延長訓練時間所產生，未來應針對該問題展開更進一步的研究進行驗證。

2.1.2 嚴肅游戲在多發性硬化癥病人中的應用 約80%的多發性硬化癥病人報告了手功能問題，其中一半的病人不得不調整或減少上肢活動，從而導致其日常生活活動獨立性降低[23-24]。研究者探討了基于虛擬現實技術的嚴肅游戲對多發性硬化癥病人雙側手臂的康復效果[25]，共進行12 次康復干預，每周3～5 次，每次持續45 min。嚴肅游戲干預后，參與者雙側手臂靈活性和手臂功能均得到了改善。參與者在干預過程中受到激勵，愿意在家里繼續進行嚴肅游戲康復訓練，故可作為連續性護理的一部分。Jonsdottir 等[26]研究中，兩組均接受常規康復服務，在此基礎上，對照組接受普通的運動游戲干預，干預組接受嚴肅游戲干預，在虛擬空間中，有目的的手臂運動以及張開和閉合手以抓住虛擬物體。干預次數為12 次，每次40 min，持續干預4 周。研究結果表明，干預組病人手的細捏、抓握和釋放動作速度提高情況優于對照組，表明嚴肅游戲有利于多發性硬化癥病人的手臂功能恢復，運動游戲對手臂功能幾乎沒有影響。相反，在一項使用運動游戲Wii 進行手臂訓練的腦卒中病人中，Paquin 等[27]發現經過8 周的訓練，手部的總體功能有了顯著改善，說明游戲干預時間和不同研究人群所產生的效果存在差異性。總之，以上研究為在多發性硬化癥病人的護理計劃中部署基于游戲的康復技術提供了初步支持。

2.1.3 嚴肅游戲在腦癱病人中的應用 腦癱是一種主要影響運動和姿勢的永久性、非進行性疾病[28]，是造成兒童身體殘疾的常見原因。研究顯示，對患有腦癱的兒童有效干預措施集中在手部運動功能的改善，最重要的是強調以情境為重點的治療和目標導向的培訓[29]，融入康復的嚴肅游戲訓練有利于該目標的實現。Kassee 等[30]對嚴肅游戲與傳統的阻力訓練進行比較，是否存在改善上肢功能的潛力，干預組每天訓練5 次，每次40 min，持續6 周，兩組訓練的次數相同，結果顯示，干預組病人康復訓練的依從性高于對照組。Preston 等[31]研究得出不同的結論，該研究是一項為期12 周的單盲隨機對照試驗，對照組接受常規治療，干預組在接受常規治療的基礎上在家中接受嚴肅游戲康復訓練，研究結果顯示，無法觀察到病人手臂功能的改善。研究者認為可能的原因為：病人對規定的訓練方案的依從性低，特別是在游戲的持續時間方面，可能是游戲不足以讓病人保持很高的興趣水平。因此，部分研究者提出基于游戲的康復訓練應被視為對傳統康復訓練的補充，不能替代常規的康復訓練。

2.2 國內研究現狀 目前，國內在上肢康復領域的嚴肅游戲干預性研究報道較少。大部分研究著重于嚴肅游戲的開發與設計階段。丁偉利等[32]設計了基于虛擬現實技術以Kinect 為交互設備的上肢康復訓練系統，進行為期2 周的腦卒中康復訓練以及問卷調查，結果表明，該康復訓練系統區別于傳統康復方法，具有康復數據收集和分析能力，可以根據反饋數據制定階段性康復方案，訓練成本低、趣味性高，可有效提高病人訓練的積極性，有助于病人的康復治療。但是該系統的動作康復集中在腕部、肘部和肩部，缺少手指的康復運動，同時缺少實時反饋功能。吳佳佳等[10]致力于構建適合康復訓練需求的人機交互設計，能夠有效地提升嚴肅游戲用戶的體驗感，提出將康復訓練過程融入交互式的游戲劇情中，通過建立社區場景和交互任務，對訓練者的智力和肢體進行康復訓練，在此過程中采用游戲引擎實現了嚴肅游戲原型系統。由于康復個體差異性較大，未來研究可以嘗試將康復醫學的評價量表融入游戲劇情中，以便更好地提升游戲的康復評估功能。

2.3 效果評價指標 目前，嚴肅游戲對上肢功能障礙病人康復效果的評價尚無統一標準，游戲本身未提供標準化評估系統。因此，需要游戲開發人員設計系統的評估模塊，為治療師和研究者提供科學的效果評價數據。對于上肢功能康復的效果評價主要包括上肢運動功能及靈活性兩方面。Fugl-Meyer 上肢功能評定是評價腦卒中病人上肢運動功能最常用的工具，能夠很好地評估病人手腕、肩、肘、前臂的運動功能及協調性[33-34]。九孔插棒測試（Nine Hole Peg Test，9HPT)以及積木盒障礙測試評估箱（Box & Blocks Test，BBT）是評價上肢靈活性常用的工具，在評價腦卒中、多發性硬化癥等疾病上肢功能靈活性中均有相應應用[25,35]。

3 嚴肅游戲在上肢功能康復中的交互方式

交互方式描述的是病人如何在整個游戲過程中與嚴肅游戲之間進行互動，即用于游戲過程中收集數據的設備。從使用鼠標或鍵盤處理的傳統方法到基于虛擬現實技術的方法，可能有所不同。利用虛擬現實技術，病人可以實時地與游戲中的虛擬對象進行交互，可用的設備包括頭裝顯示器[19]、數據手套[36]、運動跟蹤裝置[17]等。閱讀文獻發現，上肢康復嚴肅游戲中目前使用的3 種交互方式主要為視覺系統、互補視覺系統和無視力系統。視覺系統僅使用一個基于攝像頭的傳感器來獲取數據，Kinect 是該類別中使用最廣泛的設備，用于控制嚴肅游戲或測量用戶的位置，該類交互方式所涉及的研究大多數集中在肩膀、手臂和肘部的康復[6,37]，較少有研究關注手指和手腕的恢復[38]。互補視覺系統是指使用攝像機和其他傳感器來獲取數據的系統，與視覺系統類似，使用最廣泛的設備也是Kinect，但是一般與其他系統一起使用，如Leap Motion[39]、Wii平衡控制器[40]等，一般應用于手腕康復相關研究中。無視力系統涉及使用與照相機不同的設備進行研究，以控制游戲或衡量用戶的移動。此類設備有商業操縱桿[41]等，處理最多的部位是手臂[5]。對于視覺系統和互補視覺系統來說，環境條件可能會影響設備的性能，如照明條件和身體部位的遮擋[42-43]。對于無視力系統，主要局限在于人體運動角度的范圍可能無法準確測量[44-45]。故在日后的研究當中應該著重克服以上系統缺點，發揮各系統優勢，進一步提高其可用性和適用性。

4 存在的問題與建議

目前，研究者大部分注重游戲功能原型的開發，許多關于嚴肅游戲有效性的主張在很大程度上得到的是敘述性報告的支持，而不是定量證據的支持，其中大部分研究包括試點和案例研究以及小樣本的隨機試驗。因此，未來應開展更多的大樣本隨機對照試驗來驗證其效果。與此同時，干預尚缺乏規范化指南，建議在日后的工作中借鑒并聯合上肢康復指南設計適宜的嚴肅游戲訓練干預方法，開展基于嚴肅游戲的康復訓練對病人遠期上肢肢體功能的影響及相關實證研究。嚴肅游戲的應用對于病人的運動及其認知能力有一定的要求，故在推廣應用過程中，應該加強與其他學科、團隊技術人員的交流與合作。充分利用社區醫療資源，培訓嚴肅游戲應用專業團隊為居家上肢功能康復病人提供訓練指導，同時有效利用互聯網平臺，充分發揮醫護人員遠程專業化指導作用。構建居家嚴肅游戲鍛煉服務體系將是未來研究和發展的一個重要方向。