投影增强现实游戏"Painting Discovery"在肩部康复中的应用：一项针对技术人员、物理治疗师和患者的评估研究

《IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine》：Projected AR Serious Game “Painting Discovery” for Shoulder Rehabilitation: Assessment With Technicians, Physiotherapists, and Patients

本研究针对肩部康复中患者依从性差、训练枯燥等难题，开发了一款基于投影增强现实(AR)的严肃游戏(SG)"Painting Discovery"。研究通过Likert量表问卷和运动性能参数(完成时间、加速度、归一化急动度等)评估发现，该系统具有高参与度和人体工程学优势，能有效区分健康与病理人群的运动控制差异(p<0.05)，且病理组患者经过6周传统物理治疗后运动效率显著提升。该研究为肩部康复提供了新型数字化解决方案，具有重要临床转化价值。

　　

肩部疼痛和功能障碍是全球范围内导致关节疼痛和身体残疾的主要原因之一，其中慢性肩痛更是带来显著的社会经济负担。尽管物理治疗等康复手段在肩部疾病治疗中至关重要，但患者依从性低始终是康复过程中的一大挑战——数据显示慢性疾病患者中仅有50%能够坚持治疗方案。上肢康复的效果通常不如下肢康复，部分原因在于行走功能恢复的优先性，以及肩部康复特有的疼痛和半脱位等并发症。

面对这一困境，游戏化元素的应用逐渐被视为提升长期康复动机和依从性的有效策略。严肃游戏(SG)，特别是需要身体活动才能进行的运动游戏(exergame)，被证明能够有效解决传统物理治疗中参与度低的问题，并提供成本效益较高的解决方案。然而，现有的康复游戏界面往往需要患者佩戴或操作复杂设备(如传感器、控制器等)，这对于运动功能受限的患者而言存在使用障碍，且高昂的成本和专业技术要求也限制了其在专业康复中心以外的普及。

在此背景下，意大利比萨大学的研究团队开发了一款创新的投影增强现实(AR)严肃游戏"Painting Discovery"，并对其有效性进行了系统评估。该研究发表于《IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine》，旨在验证该系统在肩部康复中的可行性、参与度、人体工程学特性以及区分运动功能障碍的能力。

为了开展这项研究，研究人员采用了多项关键技术方法。研究采用前瞻性对照观察设计，招募了23名参与者(16名健康受试者和7名肩部病理受试者)。系统硬件核心包括Leap Motion Controller(LMC)手部追踪设备和Philips PicoPix便携式投影仪，通过Unity 3D游戏引擎开发软件平台。评估工具结合了标准化问卷(QuickDASH上肢残疾问卷、数字评分量表(NRS)和定制Likert量表)以及客观运动性能参数(完成时间、速度、加速度和归一化急动度)。病理组患者在为期6周的传统物理治疗前后分别进行评估，以检测系统对康复进展的敏感性。

研究结果

A. 问卷评估结果

参与度和人体工程学问卷显示，两组受试者对"Painting Discovery"系统均给予高度评价，中位数评分普遍为4-5分(1-5分制)。值得注意的是，无论受试者此前是否有电子游戏或AR经验，其评价均无显著差异(p>0.05)，表明系统具有广泛的适用性。满意度调查中，病理组患者认为游戏体验愉快(中位数4分)，并表达了对家庭使用的兴趣(中位数4分)，但对与传统物理治疗的比较持中立态度(中位数3分)。

疼痛评估方面，NRS评分在运动前后未发现显著差异(p>0.05)，表明系统不会引起疼痛加剧，这对于疼痛敏感的肩部患者尤为重要。QuickDASH评分显示，完成6周物理治疗后，两名初始残疾程度较高的患者(约50%)达到了最小临床重要差异(MCID)阈值(15.91分)，提示系统可能对严重功能障碍患者更为敏感。

B. 运动性能测量结果

健康与病理组对比分析显示，病理组完成时间显著更长(56.49±37.85s vs. 39.02±24.21s, p<0.001)，加速度更高(1.12±0.93 m/s² vs. 0.78±0.56 m/s², p<0.001)，归一化急动度(NJerk)显著更高(9.22×10⁶±2.51×10⁷ m/s³ vs. 6.68×10⁷±1.37×10⁸ m/s³, p=0.025)，这些指标共同表明病理组运动控制能力受损。速度参数则无组间差异。

治疗前后对比显示，经过6周物理治疗后，病理组完成时间从67.28±41.85秒减少至53.83±29.57秒(p=0.025)，归一化急动度从(5.62±10.58)×10⁷ m/s³显著降低至(1.57±3.71)×10⁷ m/s³(p=0.018)，表明运动效率和流畅性得到改善。加速度和速度参数则未见显著变化。

研究结论与讨论

本研究证实了"Painting Discovery"作为肩部康复工具的可行性和有效性。系统在参与度和人体工程学方面获得积极评价，且不受技术经验影响，具有良好的普适性。运动性能参数能够有效区分健康与病理状态，并对康复进展敏感，特别是完成时间和归一化急动度指标。

该系统的主要创新点在于结合了实时视听反馈、可定制化游戏玩法以及无标记手部追踪技术，提供了传统康复方法缺乏的互动性和激励性。与需要控制器的Wii Exergaming或缺乏实时反馈的TANGO:H系统相比，"Painting Discovery"更具包容性和可及性。

然而，研究也存在一定局限性。样本量较小(特别是病理组仅7人完成初评，4人完成全程)限制了结果的普适性。当前系统仅针对水平面运动(屈曲-伸展)，可能无法全面反映肩部功能需求。此外，SG性能改善与QuickDASH评分间缺乏显著相关性，提示功能评估工具与运动控制参数可能捕捉不同维度的康复效果。

未来研究方向包括扩大样本量、纳入垂直面运动训练、优化性能参数(如考虑使用对数无量纲急动度)以及开展更长周期的干预研究。总体而言，"Painting Discovery"展现了作为肩部康复辅助工具的显著潜力，为数字化康复提供了新思路。其低成本、便携式和高度可定制的特性，特别适合家庭环境使用，有望减轻医疗系统负担，提高康复效率。