面向神经康复的可配置实体严肃游戏系统：基于事件驱动RGB目标检测的可行性研究

《Sensors》：Streptavidin-Displaying E. coli Scaffolds Enable Target-Mediated Gold Nanoparticle Assembly for Colorimetric Biosensing

　　

上肢神经康复需要适应性训练。本项先导可行性研究评估了一套可由治疗师配置的严肃游戏系统，该系统配备了一个装有RGB传感器、嵌入式处理单元和无线通信模块的手柄，可将对可重新配置的彩色目标的检测转换为17款游戏的控制事件。13名神经科患者在三周内开始了六次有监督的训练，同时接受常规护理；其中11人完成了全部训练（84.6%）。包括每位退出参与者完成的一次训练在内，共交付了68次训练（约34小时的计划时间）。从传感可操作性角度来看，没有任何一次训练因传感或其他技术故障而提前终止；有4次训练（5.9%）需要进行RGB重新校准。测量指标包括训练日志、系统可用性量表（System Usability Scale, SUS）、内在动机量表（Intrinsic Motivation Inventory, IMI）、游戏内体验问卷（In-Game Game Experience Questionnaire, iGEQ）、匹兹堡康复参与量表（Pittsburgh Rehabilitation Participation Scale, PRPS）、盒块测试（Box and Block Test, BBT）以及探索性运动分析。平均SUS得分为76.1 ± 12.6；IMI兴趣/愉悦感和感知胜任力得分分别为6.47/7和6.39/7；活动后探索性iGEQ积极情感得分为3.64/4；PRPS均值范围为4.64至5.45/6。在12个接受评估的受累肢体中，有11个肢体的BBT得分呈描述性增长。该系统作为有监督的辅助手段具有可行性和可接受性，但探索性研究结果尚不能确立临床疗效。

论文解读

一、研究背景与问题

神经系统疾病（如卒中、创伤性脑损伤、脑肿瘤和周围神经疾病）可导致运动、认知、言语和情感等多方面功能障碍，患者通常需要早期且持续的跨学科康复训练以减轻长期残疾。其中，卒中是上肢获得性残疾最常见且最具临床意义的病因之一，因此成为游戏化神经康复技术的重要应用领域。游戏化将游戏元素引入非游戏情境以提升治疗动机和依从性；严肃游戏（Serious Games, SGs）则进一步提供结构化的任务导向训练、即时反馈、进度监测和可调节的挑战，在神经康复中具有独特价值。然而，现有商业康复平台通常依赖专用硬件和相对封闭的软硬件生态系统，采购和维护成本较高，可扩展性受限；定制化非电动实体系统虽具有可及性和有形交互优势，但多数仅在特定交互形式或早期验证阶段被评估；电动和触觉机器人系统虽能提供主动辅助和连续运动追踪，但硬件复杂度高，超出部分临床场景的实际需求。因此，如何在降低硬件复杂度的同时保持治疗师驱动的可配置性和有形的物理交互，是当前神经康复技术面临的关键问题。本研究正是在这一背景下，评估一套基于事件驱动RGB目标检测的非电动可配置实体康复系统在临床神经康复环境中的可行性和可接受性。

二、研究目的与研究问题

本研究的主要目标是评估所提出系统在临床神经康复环境中反复有监督使用的可行性和可接受性，包括其基于事件的RGB目标传感机制在所评估的有监督临床条件下的运行可行性。次要目标包括描述患者反复使用过程中的动机和游戏体验、考察临床工作人员对系统融入常规康复的感知，以及探索功能和运动相关结局的个体内初步变化。研究围绕四个核心问题展开：RQ1，所提出系统在临床神经康复环境中反复有监督使用的可行性和可接受性程度如何；RQ2，短期游戏化训练后神经科患者出现哪些初步的个体内功能变化；RQ3，临床工作人员如何看待所提出的游戏化设备及其融入常规康复的潜力；RQ4，所提出系统在反复使用中产生的动机和愉悦感水平如何。

三、关键技术与方法

研究人员开展了一项前瞻性、非随机化的先导可行性研究，在西班牙科尔多瓦红十字医院神经科学研究所的临床神经康复环境中进行。研究采用便利抽样招募神经科患者，最终13名患者开始干预，11人完成全部六次计划训练（保留率84.6%）。系统核心技术包括：基于TCS34725 RGB传感器和ESP32微控制器的事件驱动目标检测架构，通过五步处理流程（采集滤波、归一化、欧氏距离计算、阈值分类、时间稳定化）实现离散颜色目标识别，并通过ESP-NOW无线通信传输至图形工作站；17款严肃游戏组成的训练目录，分为基础类、认知类和混合类（运动-认知）三类，游戏设计以自我决定理论和GameFlow模型为理论框架；治疗师可通过改变目标物的位置、大小、间距和顺序来调整运动方向、触及距离和任务复杂度，无需修改硬件或游戏内容。干预方案为每周两次、持续三周、每次约30分钟的有监督训练，与常规护理并行实施。评估工具包括系统可用性量表（SUS）、内在动机量表（IMI）、游戏内体验问卷（iGEQ）、匹兹堡康复参与量表（PRPS）、盒块测试（BBT）、Mini-Cog认知筛查和功能独立性量表（FIM）。所有分析均为描述性统计，未进行验证性假设检验。

四、研究结果

4.1 参与者流程与基线特征。 13名神经科患者开始临床方案，2人在首次训练后退出，1人因互动中观察到的认知障碍无法充分理解任务指令而退出，另1人因上肢局限导致的挫败感及偏好专注于下肢康复而退出。11名参与者完成全部六次计划训练，保留率为84.6%，构成主要分析样本。

4.2 运行可行性、传感可操作性与可用性。 完成干预的11名参与者全部出席了为其安排的66次训练，依从率达100%。两名退出者各完成一次训练，共交付68次干预训练，约34小时计划时间。没有任何一次训练因技术或检测故障而提前中断；68次训练中有4次（5.9%）因环境光照变化影响颜色检测而需要RGB传感器重新校准。11名完成干预的参与者平均SUS得分为76.1（SD=12.6），个体得分范围55至92.5，其中6人得分达到80或以上。

4.3 游戏体验、动机与参与度。 iGEQ在训练2和训练4后施测（非标准时机），两次评估中积极情感均值最高（3.64），其次为心流（3.48）、沉浸（3.45）和胜任感（3.32）；挑战均值为2.30，消极情感为0.16，紧张感两次均为0。IMI兴趣/愉悦感均值分别为6.38和6.56，感知胜任力均值分别为6.23和6.55，压力/紧张感得分从训练2的2.59降至训练4的1.50。PRPS六次训练均值范围为4.64至5.45。部分参与者的自发反馈表明游戏具有心理激励作用，个别参与者主动要求额外游戏或表达在家使用的意愿。

4.4 探索性功能结局。 BBT结果显示，12个接受评估的受累肢体中有11个在干预后得分呈描述性增长。Mini-Cog筛查中，初始评估时55%的参与者得分为0-2，干预后该比例降至18%，得分为3-5的参与者从45%升至82%。

4.5 探索性目标间运动分析。 对3名单侧残疾且BBT初始得分最低的参与者进行标准化比较，在训练3至6中，所有三名参与者在游戏化条件下的平均运动时间更短、平均速度更高，而视频估算的投影位移在两种条件下差异较小。未进行推断性比较。

4.6 临床工作人员反馈。 两名物理治疗师认为系统补充了康复室常规运动训练，对认知任务的融入和严肃游戏的多样性给予积极评价，并观察到患者参与度和动机提高；同时指出设置和游戏选择过程中需要持续或频繁监督是实施限制，还提出手柄底座衬垫、RGB传感器环境光防护和下肢体交互外设等改进建议。

4.7 患者对游戏元素的偏好。 完成干预的11名参与者在训练6结束时被询问偏好的游戏设计元素（最多可选5项），结果显示参与者对游戏元素的偏好存在个体差异。

五、讨论与结论

讨论部分指出，研究结果支持一个谨慎的结论：该系统在所评估的医院环境中，作为标准神经康复的补充进行反复有监督使用是可行且总体可接受的。这一结论基于参与者保留率和训练依从性、干预实施情况、技术可操作性、参与者报告的可用性以及临床工作人员视角的综合证据，而非基于探索性临床或运动相关结局。可行性边界同样明确：需要患者筛选、治疗师监督，以及提高RGB传感器对环境光照变化的鲁棒性。在技术定位方面，该系统最接近将有形物体或目标与数字任务相联系的实体交互方法，其传感贡献在于使用离散的RGB目标获取事件将游戏线索与朝向治疗师配置的物理目标的目标导向运动相连接，而非连续映射手柄位置。与电动机器人或连续追踪系统相比，该系统无法提供主动机械辅助、连续运动重建或阻抗控制，其权衡在于依赖治疗师配置和缺乏连续运动学数据。在动机设计方面，自我决定理论和GameFlow模型作为设计框架而非解释模型，有利的体验评分与这些原则一致，但不能验证所提出的机制。

研究结论为：在所评估的医院条件下，所提出的系统作为标准神经康复的补充进行反复有监督使用是可行且可接受的。其基于事件的RGB检测架构在所评估条件下运行可行，但仍需正式验证传感器性能并提高其对环境光照的鲁棒性。系统在易用性、动机和参与度方面总体获得良好评价，其可配置的物理和数字特性允许在有监督条件下适应不同的运动和认知能力。然而，可行性结论是描述性和情境特定的，不能确立其适用于独立使用、所有神经科患者或大规模实施。探索性临床和运动结局不能解释为临床疗效的证据。未来研究应预先设定进展标准，采用具有充分统计效能的对照设计、更同质的诊断组和更长的随访期；技术开发应优先简化配置、改善人体工程学和光学鲁棒性；未来传感器研究应在临床代表性光照条件下量化颜色分类准确性和延迟。