《Frontiers in Pediatrics》：Lessons learned from developing serious games for upper-limb rehabilitation in children
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摘要专业翻译
背景： 虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及严肃游戏在物理治疗、运动游戏（exergaming）及促进不同患者群体身体活动方面展现出日益增长的潜力。然而，治疗性游戏（尤其是面向儿童康复的治疗性游戏）的开发仍缺乏统一的指南和结构化的框架。
目的：
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背景： 虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及严肃游戏在物理治疗、运动游戏（exergaming）及促进不同患者群体身体活动方面展现出日益增长的潜力。然而，治疗性游戏（尤其是面向儿童康复的治疗性游戏）的开发仍缺乏统一的指南和结构化的框架。
目的： 本研究旨在记录与物理治疗师合作开发的两套儿童上肢康复游戏化系统的设计与开发过程，并据此提出初步的、由临床医生参与形成的设计建议。
方法： 研究人员采用与临床人员紧密合作的迭代式开发流程，收集并分析了治疗过程中的反馈与观察记录，并通过针对性的叙述性文献综述对这些发现进行情境化分析，以审视其与现有研究之间的关系。
结果： 对比分析产生了关于游戏机制、奖励结构、自适应难度及特征提取策略等方面的可操作性设计建议。主要发现强调了通过简化叙事、治疗性机制、一致的反馈及自适应难度来使游戏适配儿童能力的必要性。
结论： 研究结果凸显了为儿童治疗设计严肃游戏所面临的独特挑战与机遇。研究倡导制定初步的、由临床医生参与形成的设计原则，以支持开发兼具吸引力、可用性及临床基础的儿童康复游戏。
论文解读文章
一、研究背景与问题提出
严肃游戏在物理康复领域中的应用日益广泛，其通过电子与光学传感技术支持患者参与度提升，并实现身体表现的量化测量。基于惯性测量单元（IMU）和光学摄像头的动作捕捉系统，结合计算机游戏，已被应用于运动损伤、步态障碍、脑卒中、多发性硬化及痉挛等多种疾病的上肢与下肢康复。在儿童康复领域，手持设备如Wii Remote配合任天堂游戏已被用于脑瘫儿童的平衡康复训练。这类方法在儿童康复中可能尤为有价值，因为动机、适龄互动和持续参与是重要的考量因素。
然而，尽管这些技术的应用日益增多，严肃游戏在康复领域的开发仍缺乏具体且标准化的框架，尤其是在将临床与用户需求转化为实际设计决策方面。游戏设计涉及机制、动力学、美学和情感参与等相互关联的要素，这些要素影响动机和目标导向行为。在康复情境中，反馈尤为重要，因为它允许用户通过视觉、听觉或触觉线索理解自身进展，并支持动机和有意义互动。清晰视觉和听觉奖励对学习障碍用户也可能有益。
康复游戏还必须适应用户在身体和认知能力上的巨大差异。相关设计原则包括：将治疗性手势整合到虚拟环境中、根据用户运动能力校准游戏机制、监测和记录表现、渐进式调整挑战难度、提供适当的认知与感觉反馈，以及使用积极奖励支持参与。可定制的运动范围、速度和恢复时间设置，在康复情境中尤为重要，而有限的定制化和过度的视觉刺激可能降低康复技术对特定功能需求用户的适用性。
难度与节奏是额外挑战。过难的任务可能导致挫败感，而挑战不足则可能造成无聊和动机下降。时间压力可能对认知障碍用户产生负面影响。尽管自动化方法可根据表现调整难度，但治疗师控制的调整仍是根据个体治疗需求定制活动的实用方法。临床判断尤为重要，因为康复方案需要考虑治疗目标、个体能力、疲劳、不适及其他可能影响参与的因素。在儿童康复中，这些需求还伴随着考虑情感和身体需求以及与照护者互动的必要性。
数据收集和使用带来了进一步的设计考量。隐私和数据安全在康复技术中很重要，尤其是涉及儿童时；对摄像头和头戴设备等传感技术的担忧可能影响临床接受度。评估方法也必须适合目标用户。标准化的可用性工具如系统可用性量表（SUS）、系统可用性问卷（PSSUQ）和辅助技术满意度评估问卷（QUEST）常用于评估交互式健康技术，但其结构可能并不总是适合儿童或认知及沟通障碍用户。
除了主观反馈，康复游戏还可以捕获客观表现信息。常见报告指标包括任务持续时间、会话完成度、手势准确性和反应时间，而姿势控制、运动速度、协调性和平滑度等临床相关特征较少被评估。因此，确定哪些指标有意义，需要技术能力与治疗需求的对接。更广泛地说，临床医生、工程师和用户之间的多学科协作对于确保康复技术既满足治疗目标，又对目标人群保持可用性和适宜性至关重要。
尽管已有这些既定原则，但在儿童康复严肃游戏的开发和临床实施过程中，关于如何将这些原则转化为具体设计决策的实用指导仍然有限。有证据表明，本地开发的游戏可能更有利于考虑用户情境、技能和情感需求，但将利益相关者参与结构化和将临床需求转化为设计决策的正式方法仍然有限。因此，来自真实临床开发环境的基于经验的证据，需要补充现有的高层设计原则。
本研究正是针对这一空白，通过两个儿童上肢康复严肃游戏的迭代开发来填补：Hungry Hamster（配合指梯使用）和Treasure Hunter（配合肩轮使用）。这两套系统是在儿童康复环境中与临床利益相关者协作开发的，利益相关者的反馈指导了连续的原型修改。
二、研究设计与方法
本研究在墨西哥莫雷利亚的儿童康复与包容中心（CRIT）开展，采用迭代式、以用户为中心的设计流程。研究团队与多学科临床团队合作，共5名工作人员参与焦点小组讨论：2名康复医师、1名物理治疗师、1名信息学工程师和1名维护主管。参与情况依角色而定，2名康复医师和物理治疗师参加了全部3次焦点小组，信息学工程师参加第2和第3次，维护主管参加第3次。
共有14名儿童参与原型测试：5名使用Hungry Hamster（指梯），11名使用Treasure Hunter（肩轮），其中2名儿童同时使用了两套系统。根据CRIT的儿童安全和隐私要求，研究团队未获准访问参与者级别的临床记录或详细的人口统计和诊断信息。
开发过程围绕两个已有的康复设备展开：指梯和肩轮。Hungry Hamster将指梯游戏化，指梯由数控机床（CNC）制造，配备电容传感器连接ESP32微控制器，游戏中仓鼠攀爬虚拟树收集水果直至到达树屋。Treasure Hunter基于肩轮，玩家通过对齐两个屏幕上的球来引导船只收集宝藏，肩轮配备MPU6050惯性测量单元（IMU），通过I2C协议连接ESP32微控制器，传感器数据以600 Hz采样，使用互补滤波器融合加速度计和陀螺仪测量。游戏使用Android游戏开发工具包（AGDK）实现，在平板上运行。
研究共进行了三轮结构化焦点小组讨论，分别在初始原型开发后、首个功能原型实施后和精化原型安装到临床环境后进行。每轮讨论后，研究团队实施商定的修改。此外还采用了针对儿童设计的简化可用性问卷，使用五点李克特量表配合面部图标选项，包含11个问题，评估享受度、游戏机制理解、易用性、参与度、动机、情绪反应、再次游玩意愿以及对有无游戏进行康复锻炼的感知。
三、研究结果
3.1 迭代开发发现
迭代开发过程确定了多个使两套系统适应临床环境的需求。利益相关者反馈主要涉及适应个体运动能力、改善与康复设备的互动、支持安全的临床安装以及实现治疗相关表现数据的收集。这些需求导致了三个焦点小组阶段中对Hungry Hamster和Treasure Hunter的渐进式修改。初始原型审查后，修改侧重于使运动追踪与治疗要求对齐、引入面向临床医生的配置选项，以及适应不同运动能力的儿童。功能原型评估后，扩展了传感器覆盖和数据捕获，引入了可配置的时间和重复次数会话参数。最终临床安装阶段，进一步修改涉及物理安装与安全、数据存储与兼容性，以及听觉和视觉反馈的细化。
3.2 儿童参与者的可用性发现
由于研究的探索性质、样本量较小以及五点有序响应量表，儿童友好问卷结果仅进行了描述性分析，未进行推断性统计检验。Hungry Hamster的Q1–Q10回答总体偏向积极端，项目均值范围为3.8至4.6。对于Q11，无游戏的锻炼平均评分为2.6（中位数=3，范围=1–4），而有游戏的锻炼平均评分为4.4（中位数=5，范围=3–5）。Treasure Hunter的Q1–Q10项目均值范围为3.75至4.25。Q11中，无游戏的锻炼平均评分为2.875（中位数=3，范围=1–4），而有游戏的锻炼平均评分为4.25（中位数=4，范围=4–5）。总体而言，描述性问卷结果表明，有游戏陪伴的康复锻炼比无游戏时获得更积极的评价。
四、讨论与结论
讨论部分将文献中确定的设计原则与本研究迭代开发中出现的临床知情考量进行了比较。与文献一致的原则包括：治疗性手势整合（游戏动作应紧密反映物理康复锻炼）、内容多样性（视觉内容的变化有助于减少单调，但不应干扰治疗运动）、叙事简单性（简单、目标导向的叙事应为治疗活动提供情境，而不引入不必要的认知需求或失败机制），以及隐私与安全（通过本地数据存储和避免摄像头或麦克风交互来实现）。
在临床情境中扩展文献的原则包括：校准与配置（面向临床医生的配置应允许在每次会话前调整角度、重复次数和时间等治疗参数）、表现监测（客观数据捕获应聚焦于适用于各系统的治疗相关指标）、难度与会话配置（难度应由治疗师通过运动要求、重复次数和时间等参数配置，同时考虑疲劳、挫败感、参与度和儿童对活动的反应）、反馈与奖励（视觉和听觉奖励应提供清晰的成功运动积极反馈，同时避免不必要增加挫败感的反馈）、视觉设计（装饰元素应提供视觉趣味而不分散治疗任务注意力，非必要元素的运动应保持缓慢且不干扰），以及特征提取与数据捕获（应捕获适用于各系统的治疗相关指标，包括运动时间、运动范围、会话持续时间、重复次数和手臂使用情况）。
额外确定的考虑包括：个体参与差异（游戏配置应考虑儿童对竞争、挫败感、疲劳和参与度的个体反应差异，包括必要时需要休息期或较短会话）、治疗时间和重复次数（记录治疗持续时间和重复次数对临床监测很重要）、儿童可用性评估（应考虑儿童可及的评估方法，包括简化措辞和视觉响应量表），以及镜像活动（游戏元素应密切复制所执行的物理锻炼，以保持治疗完整性和有效性）。
在游戏故事方面，研究避免使用失败或死亡等概念，而是强调持续奖励以维持动机。Hungry Hamster中，临床协作者强调了简单叙事的效果——将水果放在虚拟树的横档上喂饥饿的仓鼠，使任务更具吸引力。Treasure Hunter则采用简单直观的规则，玩家在海上航行收集宝藏。
在图形元素方面，游戏避免可能分散参与者注意力的视觉杂乱，但包含装饰元素和声音以增强参与度。Treasure Hunter中云朵的缓慢移动被认为特别有效，因为它增加了动感而不分散儿童注意力。Hungry Hamster中，巫师在游戏开始时出现施法，增加初始动感而不干扰游戏进程。
在持续奖励方面，Hungry Hamster中，放置在树屋横档上的水果作为奖励，收集时触发听觉反馈（如咀嚼声）并视觉上使仓鼠变大。没有水果的横档产生踏步声，提供强化正确顺序运动的听觉线索。如果患者试图跳过横档更快到达树屋，角色保持静止，表明未遵循正确顺序。
在包容性方面，设计建议包括使用简单、叙事驱动的游戏、更响亮愉快的听觉反馈、减少分散注意力的视觉元素和较慢的游戏节奏。然而，临床医生也报告了年龄相关的参与差异：约12岁及以上的年长参与者倾向于认为叙事和视觉风格刺激性不足，而年幼儿童和认知障碍儿童则受益于简化互动和清晰目标。
在难度方面，临床参与者将儿童分为两组：竞争性倾向的儿童可以通过增加速度、重复次数或运动范围来增强治疗目标；容易产生挫败感的儿童需要更灵活的方法，尽量减少时间限制、重复目标或刚性目标设定。此外，儿童神经康复中还存在隐性疲劳现象，即儿童可能表现出保留的认知能力但耐力降低和对过度刺激的易感性增加。
在选项方面，研究中开发的游戏缺乏可选或可定制功能，可能导致长期使用中的患者脱离。可行解决方案包括纳入可选选项，如可互换的背景或角色，但不应损害治疗完整性。
在镜像活动方面，临床参与者建议在物理指梯上绘制与游戏中镜像的视觉元素，如在物理梯子上画树和水果，以促进对游戏与物理锻炼之间联系的理解，减少认知负荷。
在特征提取方面，临床参与者强调，传统康复工具严重依赖主观观察，使准确数据记录困难。客观计时数据为跟踪患者改善提供了更清晰的基础。医疗团队强调监测指梯的步间时间并通过四个不同步组的平均值进行分析，以提供运动流畅性的细粒度洞察，同时定位具体问题角度或范围。
在儿童友好可用性问卷方面，研究强调不仅应评估总体满意度，还应评估个体设计组件。传统可用性评估通常将系统作为整体评估，而不隔离特定元素（如背景视觉、音频设计或互动功能）的反馈。
研究结论指出，本研究通过迭代过程和结构化焦点小组，将领域特定反馈整合到机械设计和游戏机制中，强调包容性、治疗相关性和可用性。关键贡献包括识别和实施临床有意义的自动数据捕获特征，如运动范围、运动时间和重复次数追踪。研究还应用了包容性设计原则，如可调节硬件、简化叙事和自适应感觉反馈，以促进不同身体和认知状况儿童的可及性。通过与现有游戏化文献的比较，研究揭示了现有框架中的关键空白，特别是其适用于儿童康复方面的空白，为弥合理论游戏设计模型与实际临床实施之间的鸿沟做出了贡献。未来工作应侧重于将这些临床知情设计考虑正式化为结构化开发指南，以及在更大规模纵向研究中评估所提出工具的治疗效果。
