严肃游戏在上肢功能康复中的应用研究进展

付忠荣，张振香，郭亚雯，符 博，梅永霞，林蓓蕾

（郑州大学护理与健康学院，河南450001）

目前，上肢功能障碍高发，60%以上的脑卒中病人进入后遗症期时仍存留上肢或手功能障碍[1]，影响其生活自理能力[2]。上肢和手的功能复杂，具有运动范围大、运动形式复杂多样的特点，是目的性和工具性运动最重要的效应器官[3]。上肢功能的恢复已成为现代康复医疗的研究热点和难点[4]。传统的上肢康复疗法存在烦琐的动作练习、枯燥无味的训练过程以及昂贵的康复费用等缺点，导致许多病人参与康复训练的积极性较低，训练过程中常感到沮丧和疲劳，影响其康复效果[5]。严肃游戏（serious game，SG）将上肢康复动作融入虚拟游戏环境中，运用游戏的方法使病人产生一种沉浸感。因其增加了康复期间病人的动机、参与度、真实感，并具有良好的干预效果，被国外学者广泛应用到脑卒中病人上肢功能康复领域中[6-7]。目前，严肃游戏在国内上肢功能康复中的相关报告较少，对严肃游戏在上肢功能康复中的应用研究进展进行综述，以期为国内上肢功能康复提供参考。

1 严肃游戏概况

1.1 严肃游戏的基本概念 “严肃游戏”一词首次出现是在美国学者Abt[8]的Serious Games 书中，并对其给出了明确的定义，严肃游戏是指那些主要不是为了娱乐而是为了教育目的而深思熟虑设计的游戏。2005年，Zyda[9]将严肃游戏定义为：一种按照特定规则，使用计算机进行的智力竞赛，它利用娱乐来推进政府或企业培训、教育、卫生、公共政策和战略沟通目标。目前，严肃游戏在学术界并没有严格的定义，不同的研究和开发者对严肃游戏的理解和界定并不完全相同，目前比较公认的严肃游戏的本质特点是不以娱乐为目的的游戏。康复领域的严肃游戏在保留电子游戏特点的基础上，强调使用剧情、图形、色彩，利用叙事的方式潜移默化地指导病人完成康复锻炼任务[10]。严肃游戏中的“严肃”反映了游戏的目的和用途，与游戏本身的内容无关。

1.2 严肃游戏的应用发展 2002 年，Sawyer 提出严肃游戏倡议，使严肃游戏领域发展成为一个有组织的行业，旨在解决不同领域的问题[11]。回溯严肃游戏的应用，美国军队是世界上第一个成功应用严肃游戏并取得良好效果的组织[12]，从而赢得了公众对严肃游戏的全面关注。目前，严肃游戏在教育、军事训练、医疗保健、管理等方面广泛应用[13]。2005 年，Fulk[14]研究证实，在运动疗法中使用严肃游戏来改善平衡、姿势控制和精细运动的好处。2008 年，Ma 等[15]开发和测试了上肢康复严肃游戏，结果表明，严肃游戏能够改善上肢运动功能障碍病人的康复训练效果。目前，严肃游戏作为康复领域的一项新兴技术，其开发和使用正在日益增多，并且扮演着越来越重要的角色。

1.3 严肃游戏的设计原理 严肃游戏最主要的目标是将游戏中学到的知识或技能概化到日常生活中，改善人们的真实生活状况。严肃游戏设计的原则是培养能更持久学习的内在动机，一方面通过视频游戏设计原理针对特定技能学习有困难者来创建令人愉悦的沉浸式环境来实现上述目标；另一方面是基于社会认知理论、自我决定理论等[16]。

1.4 严肃游戏的应用优势 严肃游戏是游戏，因为其在设计问题方面与娱乐游戏一样有规则、模拟行为，接受玩家的输入，并在规则和行为的背景下提供反馈。然而，由于最初设计标准并不是“有趣”，严肃游戏也与娱乐游戏有很大的不同。在严肃游戏中，“乐趣”处于次要地位，训练过程或效果是最重要的。在此基础上，严肃游戏在康复训练过程中有以下应用优势。

1.4.1 激发病人参与康复训练的积极性 不同于传统康复器材及其他康复游戏，在严肃游戏的背景下，可以创建适合病人能力和兴趣的游戏界面，也可以提供模拟现实生活环境和活动的康复环境。严肃游戏的优势是可以生成具有不同故事情节但针对相同能力的游戏。在此过程中，部分病人不需要握住或佩戴任何可能对他们来说困难且受限的控件或设备，由此提高病人的参与积极性和依从性[17]。另外，严肃游戏中有趣的故事情节不仅可激发病人的康复训练积极性，而且可有效改善病人康复过程中的情绪。

1.4.2 提高康复评估的可靠性 参加严肃游戏干预时观察和量化病人的行为可能比传统效果评估所提供的信息更为客观、可靠，因为参与游戏任务的个体不太关注正在被“评估”的事实，从而减少病人紧张情绪对结果的影响[18]。

1.4.3 改善数据反馈的及时性 事后检查数字数据并将信息转换为图形以评估病人的表现。病人参与训练活动的录像带能提供更自然的效果评估，但往往很难将这些观测结果与其他数据联系起来。严肃游戏干预在活动后立即记录并实时测量病人表现，可为治疗师和护理人员提供有效、及时的反馈，有利于为病人制定下一步康复计划和措施。在严肃游戏的背景下这种实时反馈被认为是改善功能性活动的学习和康复的关键因素[19]。

1.4.4 利于病人独立练习和自我评估 严肃游戏简捷的界面，有趣的交互性以及高度的沉浸感，可以用于病人自我评估和基于家庭的技能练习，自主练习可以增强病人的自尊心。此外，以家庭为基础的独立训练将有助于减少公共医疗保健系统的负担。

2 严肃游戏在上肢功能康复中的应用现状

研究显示，神经功能障碍性疾病（如脑卒中、多发性硬化症以及脑瘫等）对上肢功能康复的需求较其他疾病急迫[20]，现对严肃游戏在脑卒中、多发性硬化症以及脑瘫3 种疾病所致的上肢功能障碍康复中的应用进行总结与思考。

2.1 国外应用现状

2.1.1 严肃游戏在脑卒中病人中的应用 上肢和手功能障碍是脑卒中病人常见的功能障碍之一，其中60%以上病人进入后遗症时仍存留上肢或手功能障碍[3,21]，给病人及家庭造成沉重负担。Ma 等[15]设计严肃游戏与虚拟现实相结合的运动疗法框架，对病人进行伸手、抓握、放置和腕部伸展训练，该框架采用头戴式显示器显示沉浸式虚拟环境和无线磁传感器跟踪病人的手、手臂以及上身的运动；观察组接受了常规功能训练和基于虚拟现实技术的打老鼠游戏干预，对照组仅接受常规功能训练干预。干预前后对病人上肢运动功能进行评价，结果表明严肃游戏干预对现实世界中的上肢动作恢复具有很好的效果。Bower 等[22]检验了由深度感应相机为基础开发的泡泡鱼游戏的干预效果，该游戏强调训练腕关节及肩膀的运动，脑卒中病人使用3D 深度传感器，与游戏环境进行交互；干预组8例病人除了接受标准的住院治疗或门诊治疗外，还在4 个星期内完成了8 个40 min 的疗程，对照组的8 例病人仅接受标准治疗，包括住院或门诊治疗；训练结束后，干预组病人上肢和手的运动功能明显优于对照组。Sadeghi 等[7]的研究亦得出相似结论。以上研究的实验设计干预组为在常规功能锻炼的基础上进行严肃游戏干预。因此，不能确定积极效果是否为干预组延长训练时间所产生，未来应针对该问题展开更进一步的研究进行验证。

2.1.2 严肃游戏在多发性硬化症病人中的应用 约80%的多发性硬化症病人报告了手功能问题，其中一半的病人不得不调整或减少上肢活动，从而导致其日常生活活动独立性降低[23-24]。研究者探讨了基于虚拟现实技术的严肃游戏对多发性硬化症病人双侧手臂的康复效果[25]，共进行12 次康复干预，每周3～5 次，每次持续45 min。严肃游戏干预后，参与者双侧手臂灵活性和手臂功能均得到了改善。参与者在干预过程中受到激励，愿意在家里继续进行严肃游戏康复训练，故可作为连续性护理的一部分。Jonsdottir 等[26]研究中，两组均接受常规康复服务，在此基础上，对照组接受普通的运动游戏干预，干预组接受严肃游戏干预，在虚拟空间中，有目的的手臂运动以及张开和闭合手以抓住虚拟物体。干预次数为12 次，每次40 min，持续干预4 周。研究结果表明，干预组病人手的细捏、抓握和释放动作速度提高情况优于对照组，表明严肃游戏有利于多发性硬化症病人的手臂功能恢复，运动游戏对手臂功能几乎没有影响。相反，在一项使用运动游戏Wii 进行手臂训练的脑卒中病人中，Paquin 等[27]发现经过8 周的训练，手部的总体功能有了显著改善，说明游戏干预时间和不同研究人群所产生的效果存在差异性。总之，以上研究为在多发性硬化症病人的护理计划中部署基于游戏的康复技术提供了初步支持。

2.1.3 严肃游戏在脑瘫病人中的应用 脑瘫是一种主要影响运动和姿势的永久性、非进行性疾病[28]，是造成儿童身体残疾的常见原因。研究显示，对患有脑瘫的儿童有效干预措施集中在手部运动功能的改善，最重要的是强调以情境为重点的治疗和目标导向的培训[29]，融入康复的严肃游戏训练有利于该目标的实现。Kassee 等[30]对严肃游戏与传统的阻力训练进行比较，是否存在改善上肢功能的潜力，干预组每天训练5 次，每次40 min，持续6 周，两组训练的次数相同，结果显示，干预组病人康复训练的依从性高于对照组。Preston 等[31]研究得出不同的结论，该研究是一项为期12 周的单盲随机对照试验，对照组接受常规治疗，干预组在接受常规治疗的基础上在家中接受严肃游戏康复训练，研究结果显示，无法观察到病人手臂功能的改善。研究者认为可能的原因为：病人对规定的训练方案的依从性低，特别是在游戏的持续时间方面，可能是游戏不足以让病人保持很高的兴趣水平。因此，部分研究者提出基于游戏的康复训练应被视为对传统康复训练的补充，不能替代常规的康复训练。

2.2 国内研究现状 目前，国内在上肢康复领域的严肃游戏干预性研究报道较少。大部分研究着重于严肃游戏的开发与设计阶段。丁伟利等[32]设计了基于虚拟现实技术以Kinect 为交互设备的上肢康复训练系统，进行为期2 周的脑卒中康复训练以及问卷调查，结果表明，该康复训练系统区别于传统康复方法，具有康复数据收集和分析能力，可以根据反馈数据制定阶段性康复方案，训练成本低、趣味性高，可有效提高病人训练的积极性，有助于病人的康复治疗。但是该系统的动作康复集中在腕部、肘部和肩部，缺少手指的康复运动，同时缺少实时反馈功能。吴佳佳等[10]致力于构建适合康复训练需求的人机交互设计，能够有效地提升严肃游戏用户的体验感，提出将康复训练过程融入交互式的游戏剧情中，通过建立社区场景和交互任务，对训练者的智力和肢体进行康复训练，在此过程中采用游戏引擎实现了严肃游戏原型系统。由于康复个体差异性较大，未来研究可以尝试将康复医学的评价量表融入游戏剧情中，以便更好地提升游戏的康复评估功能。

2.3 效果评价指标 目前，严肃游戏对上肢功能障碍病人康复效果的评价尚无统一标准，游戏本身未提供标准化评估系统。因此，需要游戏开发人员设计系统的评估模块，为治疗师和研究者提供科学的效果评价数据。对于上肢功能康复的效果评价主要包括上肢运动功能及灵活性两方面。Fugl-Meyer 上肢功能评定是评价脑卒中病人上肢运动功能最常用的工具，能够很好地评估病人手腕、肩、肘、前臂的运动功能及协调性[33-34]。九孔插棒测试（Nine Hole Peg Test，9HPT)以及积木盒障碍测试评估箱（Box & Blocks Test，BBT）是评价上肢灵活性常用的工具，在评价脑卒中、多发性硬化症等疾病上肢功能灵活性中均有相应应用[25,35]。

3 严肃游戏在上肢功能康复中的交互方式

交互方式描述的是病人如何在整个游戏过程中与严肃游戏之间进行互动，即用于游戏过程中收集数据的设备。从使用鼠标或键盘处理的传统方法到基于虚拟现实技术的方法，可能有所不同。利用虚拟现实技术，病人可以实时地与游戏中的虚拟对象进行交互，可用的设备包括头装显示器[19]、数据手套[36]、运动跟踪装置[17]等。阅读文献发现，上肢康复严肃游戏中目前使用的3 种交互方式主要为视觉系统、互补视觉系统和无视力系统。视觉系统仅使用一个基于摄像头的传感器来获取数据，Kinect 是该类别中使用最广泛的设备，用于控制严肃游戏或测量用户的位置，该类交互方式所涉及的研究大多数集中在肩膀、手臂和肘部的康复[6,37]，较少有研究关注手指和手腕的恢复[38]。互补视觉系统是指使用摄像机和其他传感器来获取数据的系统，与视觉系统类似，使用最广泛的设备也是Kinect，但是一般与其他系统一起使用，如Leap Motion[39]、Wii平衡控制器[40]等，一般应用于手腕康复相关研究中。无视力系统涉及使用与照相机不同的设备进行研究，以控制游戏或衡量用户的移动。此类设备有商业操纵杆[41]等，处理最多的部位是手臂[5]。对于视觉系统和互补视觉系统来说，环境条件可能会影响设备的性能，如照明条件和身体部位的遮挡[42-43]。对于无视力系统，主要局限在于人体运动角度的范围可能无法准确测量[44-45]。故在日后的研究当中应该着重克服以上系统缺点，发挥各系统优势，进一步提高其可用性和适用性。

4 存在的问题与建议

目前，研究者大部分注重游戏功能原型的开发，许多关于严肃游戏有效性的主张在很大程度上得到的是叙述性报告的支持，而不是定量证据的支持，其中大部分研究包括试点和案例研究以及小样本的随机试验。因此，未来应开展更多的大样本随机对照试验来验证其效果。与此同时，干预尚缺乏规范化指南，建议在日后的工作中借鉴并联合上肢康复指南设计适宜的严肃游戏训练干预方法，开展基于严肃游戏的康复训练对病人远期上肢肢体功能的影响及相关实证研究。严肃游戏的应用对于病人的运动及其认知能力有一定的要求，故在推广应用过程中，应该加强与其他学科、团队技术人员的交流与合作。充分利用社区医疗资源，培训严肃游戏应用专业团队为居家上肢功能康复病人提供训练指导，同时有效利用互联网平台，充分发挥医护人员远程专业化指导作用。构建居家严肃游戏锻炼服务体系将是未来研究和发展的一个重要方向。