HCPS 視角下上肢功能評估體感游戲設計研究

摘要：為了解決需要醫生參與的傳統上肢功能評估不利于居家康復且不具有生態效度，同時由于評估缺乏趣味性不易喚醒患者的覺醒水平與情緒狀態的問題。從人－信息－物理系統（Human-cyber-physical system，HCPS）的角度出發分析智能康復的發展過程和重要特征，并結合游戲化設計方法與心流理論構建上肢功能評估體感游戲的設計方法。得到深化心流結果的動態元素設計方法、打造心流條件的機制元素設計方法、保持連續心流體驗的組件元素設計方法，并進行了設計實踐。為上肢功能評估體感游戲設計提供了新思路，新方法，新形式。

關鍵詞：人－信息－物理系統；老年人；功能評定；心流理論；游戲化

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）15-0147-04

引言

腦卒中又稱中風，有著極高的發病率和致殘率，隨著人口老齡化，每年有1300 萬新的卒中患者，近75% 的患者患有不同程度的功能障礙[1]，其中50%—70% 的幸存者在卒中后仍然存在患側上肢功能的缺失，嚴重影響其日常生活能力和社會參與能力[2]。腦卒中會發生在任何年齡階段的人身上，但主要患者為老年人，55 歲后的每十年，男性和女性的中風率都會增加一倍[3]。上肢功能評估作為腦卒中患者在康復期間進行治療的前提，貫穿康復始終，沒有有效的評估結果便不能進行適當的康復訓練與治療。傳統的上肢功能評估需要在治療師的參與下于醫院或者康復所進行，該評估環境與實際生活環境不同，評估結果不具有生態效度，同時，傳統的上肢功能評估缺乏趣味性，不易喚醒患者的覺醒水平、情緒狀態，甚至對枯燥的評估內容失去興趣[4]。因此，從人－信息－物理系統的視角出發，將用戶空間、物理空間、信息空間相融合，充分考慮老年用戶的特征，提升評估體驗，使老年人積極主動地參與有效、有趣的上肢功能評估具有現實意義。

一、傳統康復向智能康復的演進

人－ 信息－ 物理系統（Human-cyber-physical system，HCPS）的概念一方面可以系統地解釋某個領域逐漸向智能化發展的原理，另一方面也強調了向信息化邁進過程中“以人為本”理念的重要性[5]。從HCPS 的視角出發，縱觀康復領域，也是一個從人－物理系統（Human-physical system，HPS）與信息－物理系統（Cyberphysicalsystem，CPS）向HCPS 發展的過程，具體的變化內容如圖1 所示。

隨著康復領域內用戶空間設計、物理空間設計、信息空間設計的水平不斷提高，融合能力不斷增強，傳統康復正逐漸向智能康復演進，過程中主要有以下特點：

1. 康復內容從標準化到個性化。傳統的康復內容往往使用標準、統一的物理康復設備或者康復動作，智能傳感技術、通信技術、神經網絡技術為患者的個性化康復提供了新選擇。

2. 康復內容從周期變化到動態變化。傳統的康復往往需要一個較長的周期后再行變化，在醫生的判斷下才可以對康復計劃進行調整，智能康復系統則可以通過對患者生理信號的實時獲取，動態調整康復內容。

3. 康復場景從面對面到遠程。傳統的康復評估過程大多需要患者來到醫院或者康復院，在專業醫生的幫助下使用昂貴的設備進行，智能康復系統可以通過便攜的可穿戴設備，價格適中的傳感設備進行功能評估，具備社區康復與家庭康復的基本條件。

4. 康復評估維度從一維到多維。傳統的評估主要依據醫生的主觀定性判斷，隨著物理系統與信息系統的不斷升級，評估維度不斷增加，實現數據驅動的多維評估。

5. 康復形式從單一變趣味。傳統康復過程單一、枯燥，智能康復系統在信息系統、物理系統的幫助下，可以發揮以用戶為中心、以人為本的設計理念，為康復領域提供了更多的載體，虛擬現實、體感交互、游戲化等技術方式與設計手段均被運用到康復系統中。

綜上所述，康復領域的HCPS 具有個性化、實時化、輕便化、多維化、趣味化的特點，對提高患者的康復效果與康復積極性均有重要意義。

二、游戲化設計與心流理論概述

（一）游戲化設計：游戲化，也被稱為游戲化技術，其概念不僅限于廣義上對游戲的定義，更多被定義為在非游戲環境中使用游戲設計元素，通過機制來激勵和吸引終端用戶的設計方法[6]。凱文·韋巴赫（Kevin Werbach）在他的著作《游戲化思維》中用金字塔圖形，以抽象程度為邏輯，將動力、機制、組件元素自上而下地進行了闡述，以利于游戲化設計的構建，被稱為DMC 金字塔模型，如圖2。動態元素是游戲化系統中最高級別的概念元素，以隱性的方式保障用戶使用流程的連貫。其次，機制元素是游戲化系統中驅動用戶產生行動的元素，例如，用戶想要實現的目標、帶來不確定結果的運氣、進展的實時反饋、可獲取的資源、某種行動后可獲得的獎勵。最后，組件元素是游戲化系統中最底層、最表面的元素，往往可以被用戶直接感知到，例如游戲化系統中常見的積分、徽章、等級、頭像、排行榜、戰斗回合、組隊等內容。

（ 二） 心流理論： 心流理論是積極心理學家MihalyCsikszentmihalyi 關注“人們在什么時候最幸福”這個問題時提出的，具體指用戶全身心投入到某項活動中，獲得一種深層沉浸體驗，進而獲得滿足感與掌握感的內心感受。用戶心流體驗時的精神狀態高度集中，不受其他因素干擾，僅對目標活動產生反應[7]。心流產生的過程中由條件、體驗、結果3 類因素組成，共9 個因素構成，具體包括：明確清晰的目標、任務挑戰與個人技能相匹配、有價值的即時反饋、行動與意識的融合、注意力的高度集中、潛在的控制感、失去自我意識、時間感的變化、發自內心的參與感[8]。

（三）游戲化設計在康復評估領域應用的意義：康復評估過程對患者來說，往往是漫長、痛苦、枯燥地重復執行評估動作，無法及時看到評估結果，所以患者很容易失去耐心，并在過程中產生疲憊感，對評估無法產生興趣[9]。游戲化設計作為一種增加價值的方式，更具有激勵性，可以幫助個人克服內部障礙，如焦慮、挫折的情緒，讓用戶參與到愉悅的、互動的情境中，以尋求改善患者的臨床狀態。

三、HCPS視角下基于心流理論的上肢功能評估體感游戲設計方法

從HCPS 的視角出發，根據心流體驗不同階段的特征因素，結合上肢功能障礙老年用戶群體的生理與心理特征，提出上肢功能評估體感交互游戲元素的設計策略，旨在為用戶提供標準可靠的評估結果與積極興奮的評估體驗，如圖3。在用戶空間內，可以完成DMC3 層金字塔模型中的動態元素設計與機制元素設計，在信息空間與物理空間內可以完成組件元素的設計。

（一）動態元素設計，延長深化的心流效果：游戲化設計中的動態元素可以促使用戶主動且深度地參與評估，并提高系統黏性，產生再次評估的動機，而非往復、枯燥地進行評估。良好的動態元素設計可以延長并深化心流的體驗，從而導致失去自我意識、時間感的喪失、內心參與感的產生。

1. 強調游戲使命感，提供有趣的游玩體驗。通過設定清晰的目標、有趣的背景，優化機制與玩法，可以激發用戶興趣與使命感。同時，增加可玩性、豐富內容、提高難度，使游戲更有趣且富有挑戰性。最終目標是創造令人興奮且有意義的游戲體驗，讓用戶享受并長期使用游戲進行上肢功能評估。

2. 注重游戲的過程，產生主動參與的動機。為了創造引人入勝的游戲體驗，用戶應將重心放在游戲過程而非評估目的。通過設計游戲約束、調動情緒、推進進展，激發用戶主動參與和探索的動機。同時，應處理好游戲節奏，避免用戶失去興趣。這樣才能創造一個玩家愿意投入時間和精力的游戲化評估系統。

（二）機制元素設計，打造定制的心流條件：游戲化設計中的機制元素通過游戲系統內容驅動用戶產生行動，一般以挑戰、隨機性、輸贏判斷、反饋形勢、資源分配、獎勵系統、交易系統、組隊系統等形式幫助用戶在游戲化系統中不斷探索，長久留存。機制元素的設計與心流體驗在事前階段的條件因素密切相關，可以實現為用戶提供明確清晰的目標、挑戰與能力相匹配、及時反饋的因素。

1. 簡單且容易犯錯，提供適當的失敗機會。老年人的認知能力下降，對電子游戲接受度較低，使用過程中容易出現理解困難、操作困難、反應不及時等問題。因此，在機制設計中應避免過于復雜的情節與操作形式，但游戲也不應過于簡單。應為用戶提供適當的失敗機會，促使其進行多次嘗試，并加以提示和引導，讓用戶逐步提高技能和能力，獲得成就感與樂趣。

2. 營造積極的氛圍，強化競爭與合作關系。老年人隨著年齡增長，社會關系易發生轉變，渴望得到關注。因此，在游戲機制設計中應增加對戰、團隊協作等方式，促進老年人之間的競爭與合作，創造良性競爭的氛圍。在合作與競爭的游戲過程中，營造積極的評估氛圍，創造輕松愉悅的評估條件，減小康復過程中反復評估帶來的壓力。

3. 設定多階段任務，具備清晰明確的目標。多階段任務可以幫助老年人逐步提高對游戲的理解程度，避免理解障礙和操作問題。任務目標應簡單明了，方便用戶理解和追求，讓用戶在系統中獲得樂趣和成就感。隨著使用時長的增加，用戶的參與度和理解度也會提高。

4. 動態地調節難度，滿足不同病情的條件。游戲難度應符合用戶能力，過于簡單容易讓用戶感到無趣，過于難則容易失去耐性。老年人的上肢功能病情和身體素質各不相同，需要通過數據獲取動態調節評估任務難度，實現能力與挑戰相適配。用戶可以根據自身身體狀況選擇適合自己的評估任務，提高上肢功能評估游戲在老年人群體中的可用性和可玩性。

5. 游戲的獎勵分級，長效喚醒參與積極性。獎勵分級系統的設計可以根據用戶的游戲表現，將游戲結果分為不同的等級并給予不同的獎勵，獎勵可以是虛擬獎勵或實物獎勵，例如游戲金幣、游戲道具、禮物等，具體應根據老年人的興趣和需求進行選擇。另外，獎勵的設計同時應該考慮到用戶長期參與的積極性，可以設置連續登錄、排行榜周期性刷新的機制。

6. 縮短反饋的時間，實現快速多感官反饋。有價值的及時反饋是心流狀態的一個重要條件，在上肢功能評估的過程中，老年用戶需要獲得多樣的反饋才能讓用戶了解自己在游戲中的表現，后續將如何改進自己的使用過程，提高自己的操作能力，反饋形式包括但不限于文字、聲音、圖片、視頻。

（三）組件元素設計，維持連續的心流體驗：游戲化設計中的組件元素設計一般以最淺顯、最表面、最底層的游戲元素展現在用戶面前。良好的組件元素設計可以幫助用戶維持連續的心流體驗，實現意識與行動融合、注意力完全集中、具有潛在的主控感受，因此，從細節入手，提高老年人的上肢功能評估體驗、評估效率，實現用戶體驗積少成多的增長。

1. 動態數據的記錄，提高評估的準確程度。通過物理空間的智能信號獲取硬件與信息空間的實時計算，實現對動態數據的記錄與分析，實現定性評估與半定量評估無法達到的準確程度。

2. 反饋與行為聯系，減少非用戶控制反饋。反饋來源主要包含游戲本身、游戲角色、用戶行為等，將游戲的反饋與用戶的行為緊密相連，可以減少非用戶控制的反饋，提高老年用戶對游戲反饋的認知和理解程度，提高其對游戲的滿意度。

3. 簡單的操作方式，多自由操作少做選擇。老年人大多數沒有接受過游戲訓練，對游戲的操作不熟悉，因此，游戲的交互方式應該簡單易懂，操作按鈕應該清晰明了，不應設置過多選項，避免老年人因為復雜的選項而感到迷茫與不適。自由的操作方式提高了系統的可玩性、趣味性、易用性，可以讓用戶快速熟悉游戲，自由探索游戲。

4. 合適的輸入技術，提高用戶的主控感受。游戲應讓老年用戶有強烈的自我掌握游戲的意識，防止用戶在游戲中失去方向和興趣。最好的方法是選擇合適的輸入技術，如觸摸屏、語音輸入和體感交互技術。觸摸屏技術可以通過觸摸和滑動手指進行操作，語音輸入技術可以通過簡單的語音口令控制游戲，而體感交互技術則可以通過深度相機、慣性傳感器等設備獲取用戶肢體信息進行操作。

5. 舒適合理的界面，優化用戶的視覺感受。游戲設計應吸引老年用戶，讓他們沉浸其中，忽略周圍環境。界面應簡潔清晰，避免復雜的設計和布局；按鈕應大、清晰、易讀；顏色搭配應合理，避免刺眼的顏色和配色方案；圖標應簡單明了；界面應具有互動性，增強用戶體驗和參與感。

6. 清晰的任務流程，快速地感知信息層級。為了提升游戲的可玩性和易用性，應該設計引導性的教程，以幫助老年用戶快速掌握規則；設置任務清單，以幫助用戶快速了解任務目標；展示進度條，以幫助用戶了解游戲的進度和完成情況；簡化游戲流程，盡可能減少用戶進行確認操作。

7. 小巧便攜的設備，滿足居家、社區康復。在醫療資源緊張的情況下，社區康復和居家康復的優勢日益凸顯。在選擇輸入和輸出設備時，應考慮它們是否小巧便攜，方便進行評估；是否具有多功能性，以滿足不同的評估需求；是否智能化，以適應老年人的不同狀況，提高評估準確性；是否舒適，以滿足老年人的生理特點，提供舒適的評估體驗。

四、上肢功能評估體感交互游戲設計實踐

根據上一節提出的設計方法，采用迭代式的敏捷開發模型進行上肢功能評估體感游戲設計實踐，游戲名為《貓捉老鼠》。

（一）產品定義及價值分析：首先運用“5W1H”分析法對產品進行定位——WHO：完成在醫院的緊急康復后需要出院居家康復的上肢功能障礙患者；WHAT：基于體感交互技術的上肢功能評估游戲；WHEN：居家康復期間需要評估階段性結果時；WHY：讓患者足不出戶在家進行上肢功能評估，同時通過游戲化的方式喚起患者的積極情緒主動參與；WHERE：家、社區；HOW：通過Azure Kinect 實現自然的體感交互，獲取患者在游戲過程中的骨骼數據，游戲結束后進一步計算評估結果并反饋給患者。

產品的核心價值是產品的必備型價值，在本次設計實踐中包括有效的上肢評估功能、系統可用性，若這一部分未得到滿足，用戶的滿意度會大幅度下降。實驗表明，本設計提出的評估指標在不同程度上與傳統上肢功能評估結果顯著相關，并且通過比較上肢功能障礙老年人與非上肢功能障礙老年人的游戲結果，存在顯著差異，滿足有效評估上肢功能的需求。此外，用戶完成實驗后，被要求填寫可用性量表。30 名用戶的評分均值為85.33，可用性評級為B，形容詞等級為優秀，在可接受范圍內，說明本設計可以使用戶正確理解功能，快速上手使用。

產品的次級價值是用戶期望產品所具備的價值，評估過程的有趣程度，評估過程的舒適感、滿足感等，這一部分與用戶滿意度呈線性相關。通過問卷與訪談調研發現60% 的老年用戶表示喜歡以貓捉老鼠的主題，此主題貼近生活、帶有緊張刺激感。在實驗后的問卷結果中也發現，游戲體驗量表的平均分為4.279，各項指標均值均大于3，且回收的量表中未出現低于3 的測試結果，因此本設計在提高趣味性與滿意度的方面有一定正向說服力。

產品的增值價值是產品的魅力型價值，如界面美觀程度、游戲的社交機制等，這一部分的需求如果被滿足，滿意度會大幅度提升。本游戲為用戶在社區范圍內提供了排名功能，增加了競爭機制，強化競爭關系，提高用戶進行康復評估的積極性。與此同時，通過提供明顯的指示與提示，大字體與高對比度的界面設計滿足老年人的魅力型需求。

（二）設計創新點與實踐細節：該設計的創新性在于充分考慮用戶空間的同時，將信息空間與物理空間的設計深度融合，進而提高患者進行上肢功能評估的用戶體驗，改善患者評估的內在動機。

從上肢功能評估體驗來講，本設計具有更高的可視化程度，通過清晰醒目的界面設計將采集到的信息及時反饋給患者，讓患者更加清晰地認識到自己的康復評估狀態；本設計具有更好的沉浸感與體驗感，通過軀體動作與物理設備進行交互，以輕松的狀態實現上肢功能評估；本設計具有趣味性與娛樂性，更容易讓患者沉浸其中，讓患者完成評估并建立康復目標，提供了多樣性的支持。從上肢功能評估效果來講，本設計更利于居家康復與社區康復，體感交互技術的使用保證了系統有效性與低成本的基礎上更具有可操作性與自由度；本設計相比于醫生與康復師的主觀評估，具有較少的主觀評價，評估結果更具有客觀性。

將從以下5 點闡述設計的創新性，并將HCPS 視角下基于心流理論的上肢功能評估體感游戲設計方法付諸實踐。

1. 目標清晰的游戲使命：游戲的背景是老年人用戶扮演一只優秀的看家貓，需要動手抓捕家中的老鼠，按要求抓住的老鼠越多，成績越好，簡單且貼合實際的游戲劇情，老年人用戶理解成本較低，不需要反復學習，可以極大范圍地適用于55 歲以上的老年群體。

2. 簡單易錯的游戲機制：游戲機制如圖4 所示，用戶需要控制角色，盡量沿著路徑行進，觸碰到老鼠后，需要在范圍內保持5 秒方可成功抓捕，游戲機制簡單，但是隨著關卡的增加，難度逐漸提升，具體體現在可用時間的減少與抓捕范圍的縮小，用戶在過程中易犯錯，可以促使其進行多次嘗試。在犯錯時通過多通道的快速反饋，使用戶能夠逐漸提高游戲技巧與上肢功能，在游戲中不斷獲得樂趣。

3. 自然交互的操作方式：在物理系統中選擇Azure Kinect 作為輸入設備，其具有100 萬像素的深度傳感器，同時具有精密的計算機視覺模型，可以用來跟蹤和監視運動動作與整體形態。游戲內的全部交互操作均不需要鼠標鍵盤，如圖5 所示，通過自然的體感交互方式，給予了用戶主觀控制游戲的感受，讓用戶快速熟悉游戲，自由探索游戲。

4. 喚醒情緒的獎勵分級：當用戶成功捕捉到路徑上的兩只老鼠并在規定時間內回到起點時，即視為游戲成功，并展示游戲成功的界面。如圖6 所示，在該界面中，會展示星級評分與漢語評價，其中三星代表十全十美，兩星代表超級棒，一星代表還不錯，沒有星代表再接再厲。當用戶未能在規定時間內完成游戲任務時，系統將跳轉至游戲失敗界面，以此來提醒用戶失敗的可能性，并傳遞失敗原因的相關信息，以便用戶在后續游戲過程中加以注意，同時提供再來一次的按鈕，讓用戶有犯錯的機會。

5. 清晰易用的界面設計：為確保界面切換流暢且操作路徑便捷以提高游戲的易用程度。首先，游戲全部主流程均可在首頁發現入口，用戶使用路徑窄且長，減少用戶在游戲過程中過多進行選擇，便于老年用戶的高效操作，具體游戲架構見圖7。此外，游戲的細節元素采用字體大、顏色少、色塊分明、指引高亮的設計方式進行處理，如圖8。設計過程中注意界面的一致性原則，強化視覺反饋與聽覺反饋，極大減少了老年人用戶進行評估過程中的認知成本、學習成本與操作成本。

結論

從HCPS 的視角分析智能康復領域的演進特點為上肢功能評估游戲的設計提供了新角度。將DMC 金字塔框架與心流理論相融合，在用戶空間內進行動態元素設計以延長心流效果，進行機制元素設計以打造心流條件；在物理與信息空間，進行組件元素設計，以維持連續的心流體驗。從3 種不同元素的設計出發，提出了15 條設計方法，不僅可以提升用戶在上肢功能評估過程中的積極性，同時也可以提高游戲評估的準確性。在老齡化、醫療資源緊張的時代背景下，從HCPS 視角出發，對上肢功能評估體感游戲進行設計研究具有重要的理論與實踐意義。

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