健康游戏在临床患者教育与行为干预中的应用进展

徐子涵 侯世伦

(北京体育大学 运动医学与康复学院,北京 100084)

1 前言

随着运动健康逐渐成为大众日益关注的热点话题，健康游戏[1](games for health，G4H)这一概念出现在人们的视野中。这种将医学中的部分临床治疗技术或行为干预手段改造为游戏玩法，并通过游玩体验改善患者行为和健康状态的游戏作品早在十多年前就已经被提出和实施，并且在国际上被广泛应用到慢性疾病[2]、运动功能障碍[3]、认知障碍[4]、精神疾病[5]以及健康教育[6]的实践之中。通过游戏的方式辅助疾病诊疗和运动锻炼，是一种非常积极且富有人文关怀的干预措施，G4H的真实疗效也正被临床研究加以证实[7]。

游戏是一种娱乐和再创造的过程，其本质是在独立于现实环境中遵循一定的规则所进行的交互，玩家在交互的过程中获得乐趣，并在交互的过程中实现自我行为的再创造[8]。因此，游戏的交互在赋予乐趣的同时也会对参与者的行为施加影响，游戏的交互过程一般以直观、深刻且易于理解的方式实现，因此具有积极意义的交互往往对参与者的行为有显著促进作用[9]。

严肃游戏是指一种在提供娱乐功能的同时，以教育、训练或行为干预作为主要方式，实现健康促进或临床治疗、知识或技能教育、军事或体育训练相关目的的游戏类型[10]。在严肃游戏的范畴中，以疾病和健康问题作为干预目的的游戏被称为G4H，它将临床上对患者进行行为干预的部分疗法转化成游戏玩法，以游戏交互的方式代替医生的书面或口头教育、辅助肢体训练以及心理治疗，通过更加有乐趣、直观且易于参与的游戏交互实现对患者行为的改变，从而达到治疗目的。本文将介绍G4H和现代电子游戏的关系，通过研究近年来国内外的相关文献，探讨G4H的设计思路，以及在医疗和教育领域的应用理念。

2 G4H的设计和分类

不同于一般的电子游戏设计，G4H的目标是改善用户的疾病或健康问题，其最终所达成的用户体验并不是单纯娱乐而是以健康相关的行为干预为主[11]。对于G4H而言，其和传统游戏一样由数个重要组件构成(见图1)[1]。

第一是游戏设计和玩法(Game Design And Game Play)：这里的游戏设计和传统游戏类似，将临床的治疗手段或干预措施通过各种方式和再设计，最终变成特有的游戏玩法。其次是行为的决定因素(Targeted Behavior Determinants)：对用户/患者的行为进行分析，对决定其行为的重要因素进行干预，例如社会认知理论中所定义的注意、记忆、生产力以及动机等。第三是行为的干预(Targeted Behavior)：需要进行干预的行为，例如缺乏运动、疾病所致的肢体功能障碍、吸烟、酗酒等。第四则是健康问题前置因素的干预(Targeted Health Precursors)：对健康问题前置因素的干预，例如为手术前的患者提供严肃游戏干预以降低其对于手术的焦虑，以间接地帮助手术进行，或者对于慢性疼痛的患者进行疼痛管理，降低其对于疼痛的恐惧等。最后则是实现的健康目标(Targeted Health Aspects)：进行行为干预最终所要实现的健康目标，例如减肥、降低肿瘤患病率、缩短手术后恢复时间、增强运动功能等。

G4H本身是依靠改变玩家行为的方式实现干预目的[12]，其改变玩家行为的方式，就是将传统的临床疗法转变成了游戏玩法。因此G4H的设计需要针对其所干预的健康问题类型进行考量：健康问题是什么？导致该问题的异常行为(病因)有哪些？如何改变这些异常行为(治疗病因)？改变异常行为的临床疗法有哪些？其中哪些疗法能被转化为游戏玩法？和为患者设计治疗方案一样，严肃游戏通过游戏玩法的设计尝试实现对患者行为的干预，并最终实现治疗效果。

总的来说，G4H对健康问题进行干预的方式主要有三个类型(见表1)：以教育的方式进行直接干预，将教育和知识灌输作为游戏玩法，以改变患者行为，从而影响患者的健康问题[13]；针对行为进行间接干预，将患者行为的决定因素作为游戏玩法，间接改变患者的行为，从而影响患者的健康问题[14]；针对行为进行直接干预，将需要干预的行为作为游戏玩法，直接改变患者的行为[15]。

表1 不同类型G4H的特点归纳[13-15]

2.1 以教育作为干预方式的G4H

教育类型的G4H是目前发展相对较为丰富和完善的种类，遵循相对固定的开发模式，基于基本的学习和教育理论，可将传统的学习过程转化为可供游玩的交互方式[16]。相比于传统的教育模式，严肃游戏有着如下优势[17]：以用户为中心的游戏体验、丰富的交互手段，重复且持续给予的反馈机制等，这些优势无疑对用户获取知识的过程有着很大帮助。

对于以教育作为主要干预方式的G4H来说，首先需要确定的是如何将实际的教育内容和方法变成游戏的玩法设计。例如，对疾病知识的科普、对疼痛形成的解释、对治疗技术的学习等内容可以直接变成游戏剧本，以可视化的物品和环境放在游戏中，而将其中具有操作性的部分作为交互元素设计，例如玩家扮演免疫细胞搜索病毒和细菌，或是化身痛觉的神经冲动在错综复杂的神经传导通路中寻找出路。这样一来就实现了将教育和知识灌输转变为游戏玩法，将知识获取这一外部动机转化为在游戏中交互游玩的内部动机，如图2[18]。

除此之外，G4H相比于其他教育模式的优越性体现在游戏设计对学习四大支柱的影响：注意力、主动学习、反馈以及巩固[19]。首先G4H的游戏内容必须简明易懂，还需要有足够吸引人的美术和音乐，以及合适的游戏难度来保持玩家的注意力；其次，一个足够有乐趣的交互模式能让玩家主动进行学习(例如以射击或竞速的玩法体现生理病理过程)，同时提供声光效果、虚拟奖励以及剧情推进的足量反馈；最后在游戏中设计难度和挑战进阶的关卡，帮助玩家巩固之前学习的效果并尝试更复杂的内容，实现学习的巩固。

2.2 间接干预行为的G4H

对行为进行间接干预的G4H在近年来受到了越来越多的重视，通过游戏的方式影响患者面对某种疾病和行为的态度，也是一种非常有效且富有针对性的方法。其适用情形一般包括如下情况：体力活动水平低下所导致的各类慢性疾病(如肥胖、高血压等)、作为疾病危险因素的各类不良生活习惯(如酗酒、吸烟等)、认知水平低下或不足所致的对自我或他人健康造成威胁的行为(酒后驾车、校园霸凌、种族歧视)、以及其他可以通过激励、告诫、规劝、提高认知水平等间接方式干预行为的健康问题。

G4H对行为进行间接干预的方法非常丰富，不过其实现干预效果的基本原理依旧是来源于经典的临床相关学说，也就是社会认知理论[12](social cognitive theory)。该理论认为，间接影响个人行为的决定因素有四个类型，分别是注意(attention)、记忆(retention)、创造力(production)以及动机(motivation)。因此对于间接干预行为的G4H而言，其对游戏内容的设计需要在这四个方面尝试对患者的行为产生影响。

首先，引起用户对需要干预行为的注意十分重要[20]，一个设计精良有趣的游戏系统本身是一切的开始。游戏的剧本要和所干预的行为形成联系，例如将体力活动水平联系到探险旅程，将醉酒驾驶的行为联系到令人战栗的交通事故。其次，游戏的玩法交互需要反应玩家采取不同的行为所造成的影响，例如在游戏中多进行锻炼就能够获得更高的角色能力、开车前饮酒则会增加玩家驾驶的难度等。其次，在游玩过程中所产生的情绪将会影响玩家对于某种行为的记忆[21]，较为积极的反馈(例如奖励或故事剧情推动)所联系的行为能够让玩家更深刻地保持印象，而那些与负面反馈(例如游戏角色受伤或是剧情惩罚)所联系的行为则更容易让玩家移开注意力并刻意忽略。对游戏剧情和反馈的设计将会进一步强化玩家认识并记忆那些需要干预的行为。

除此之外，玩家在游戏中所进行的交互过程会逐步增强玩家对G4H所要干预行为的了解程度[12]，而在此基础上游戏环境进行不断地调整也会间接地影响玩家对于行为干预的态度。最后，进行游玩的经历将最终为推动玩家在现实生活中执行所需要的行为提供内在动机[22,23]，最简单的将外部动机转化为内部动机的方法就是把游戏的奖励和收益系统同玩家的行为进行挂钩，例如打卡每天的运动可以获得虚拟金币和排行榜的提升等机制，这是促使玩家在现实中采取积极行为和行为改善的最简单和直接的途径。

2.3 直接干预行为的G4H

目前G4H已经可以实现的行为直接干预主要分为两个方面，一是认知功能的治疗和训练，二是运动功能的治疗和训练。这两种健康问题及其治疗方式依赖患者和治疗人员的主动交互，而电子游戏则能进一步完善相关治疗所需的交互类型，并且轻松容纳大量的治疗与练习方案供医务人员和患者进行选择。

G4H对于认知能力的干预有着天然的优势，单单依靠鼠标键盘的输入和屏幕的视觉反馈就能够实现对一大部分认知能力训练的要求。包括手眼协调[24]、空间视觉注意力[24]、视觉预测和搜索能力、视觉系统的感知能力[25]在内的各类认知功能，都可以被直接转化为游戏玩法并应用在G4H的设计之中。因此，在G4H的设计中，需要了解患者所需干预的认知能力类型[16]，并依照特定的认知能力为此设计针对性的训练与游玩方式。而在患者进行游戏体验过后，则需进一步评估G4H对认知功能具体的影响疗效[16]：通过对应的临床测试指标或量表系统分析患者在认知能力上的改善程度。

除了对认知功能进行直接训练的G4H之外，另一种应用更为广泛且为大众所熟知的便是针对运动能力进行直接干预的G4H类型。这类游戏往往以体感操控为最主要的交互方式[26]：其通过红外线成像镜头，VR或体感游戏设备(例如PS Move，HTC Vive，Xbox Kinetic)等动作捕捉设备。将肢体活动进行采集并应用于游戏交互中，这使得临床治疗所需要的运动类型、强度和时间都可直接设计为游戏内部的玩法要素[27]，例如通过体感动作操控虚拟战机进行卷轴射击，以练习患者神经肌肉动作控制的准确性；通过体感动作匹配游戏内人物的动作来帮助患者学习运动动作，并设置难度挑战；抑或是以游戏剧情的进展和角色能力的养成来帮助患者设定运动时间和频率目标。

对于运动功能的G4H开发，首先需要确定G4H干预的运动类型[28]，例如脑血管意外后的患者面临着单侧肢体的运动和感觉障碍，因此其需要恢复最基础的肢体活动能力并抵抗异常肌张力带来的困难；脑瘫患儿的运动康复则更加关注患者肢体运动的协调和平衡能力等。其次，开发者需要将干预运动的各种要素转为游戏玩法[28]，并对影响运动练习的各种要素也加入游戏设计以指导玩家进行合理的运动训练。例如参考运动处方(exercise prescription)来规定运动的类型、运动的强度、运动的时间以及运动的频率，将上述评价指标同游戏的挑战难度、评分方式与奖励机制联系在一起，引导患者进行正确的运动练习，并在患者获得足够进步的同时设置进阶挑战[28]。

3 G4H的应用与研究进展

3.1 在教育和认知领域的应用

G4H目前最为广泛的应用领域就是教育和认知训练，其中教育应用既包括对患者进行的健康相关教育，也有针对卫生从业人员自身进行专业教育的案例。Agudelo-Londono等[29]研究设计了一款名为CODIFICO的教育类型严肃游戏，其目的是帮助大学本科医学生学习ICD-10诊断标准的相关内容。研究招募的61名学生在进过一周的游戏学习之后，其针对诊断知识的掌握相比对照组获得了显著提升。Chee等[30]研究纳入了46名一线护士，实验组的护士首先学习一款针对吸入器操作设计的严肃游戏，并通过该游戏继续向患者进行培训，对照组则采用传统的临床一对一口头教学方式，研究结果显示实验组有效操作的比例明显高于于对照组，且实验组护士对教学所产生的自我效能评分也出现了明显提升。

在教育领域最著名的G4H项目之一就是CliniPup(见图3)，由Verschueren等[31]研发，这款游戏应用于肿瘤患儿的围手术期以降低其对疼痛和疾病的焦虑状态。该研究验证了CliniPup的实用效果，将参与各种日间手术的患儿分为使用G4H的实验组、使用普通游戏(无教育内容)的安慰剂组及只接受口头教育的对照组，结果发现，在术前1周进行G4H游玩的患者围手术期焦虑显著下降[31]。

除了直接教育之外，G4H对于行为和认知的干预案例也越来越多。Holzmann等[32]在德国巴伐利亚的两所中学通过G4H的方式尝试对青少年学生进行营养知识和预防肥胖的相关教育。试验设计了一款名为“健康-食物-乐趣”(Fit-Food-Fun)的小游戏，并邀请学生连续参与3天、每天15分钟的游戏环节，在进行G4H干预之后，实验组对营养知识和健康相关的认知水平出现了显著提升，且幅度远高于普通课堂教育的对照组[32]。

3.2 在动作学习与康复训练领域的应用

脑血管意外患者的康复训练是目前直接训练类G4H应用最为广泛的领域之一，通过体感手柄和VR眼镜所进行并指导的患者动作练习已成为各大医院作业治疗科室的主流项目之一。Kim等[33]对24名不同程度功能水平的脑卒中患者进行了VR游戏训练干预，其在12周的连续练习之后，实验组的患者通过G4H获得了ADL评分的显著提升。

对于神经肌肉功能失调类型的问题，如患有脑性瘫痪的患儿也是接受G4H训练的理想对象之一。Dehem等[34]发起了一项名为ROBiGAME的G4H项目，分析了G4H开发所需的游戏内交互特征(例如目标速度位置，训练设备所需提供的阻力或助力水平等)和脑瘫患儿相关生物力学特点(受累上肢活动范围，肌肉收缩模式以及肌力等)的相关性。该试验以患儿尝试完成一系列定点位置拿取和放置物品作为基本动作模式，通过安装有力学传感器和加速度计的上肢外骨骼机器人，对脑瘫患儿的上肢三轴向运动范围、肌肉等长/等速收缩力量等指标进行采集。试验结果发现，患儿上肢活动范围与等长收缩力量和临床相关评分呈高度相关，并建立了患儿完成定点物品拿放的三轴向运动及其相关的肌肉收缩类型的动作模型。研究者认为，未来针对脑瘫患儿所进行的运动训练G4H开发，可以参考其得出的运动学规律进行针对性的动作设计。

在临床干预以外，针对普通大众健康健身的需求所开发的运动训练类G4H也是具有良好的前景。Monedero等[35]研究对比了采用传统健身训练和使用运动型G4H之间，对普通人群达到锻炼效果的差异。试验将受试者分为自我选择锻炼强度组、中等强度训练组、娱乐主题体感游戏组以及健身主题体感游戏组，结果显示娱乐型游戏未能达到足够高的耗能水平，但是健身型G4H的生理反应和传统运动练习之间没有显著差异，并且G4H训练在心理愉悦程度的相关评分中占据了绝对优势。因此研究者认为，相比于进行艰难且重复性的传统训练，游玩合适强度的G4H作为锻炼是普通人群和年轻人的最佳选择。

4 G4H未来的发展方向

4.1 更多循证医学的证据支持

基于现有的临床诊疗方法作为游戏玩法的G4H，虽然在理论和逻辑上有着十分积极的治疗效果和预期，但是这些G4H对不同人群，不同疾病的患者以及不同的使用方式所带来的真正效果依旧需要大样本高质量的临床随机对照试验(randomized controlled trial，RCT)提供证据支持。只有某种类型的G4H疗效获得了足够的验证，那么其才有机会被广泛应用在这一类疾病或人群的行为干预和临床治疗之中。

Kharrazi等[36]一项针对G4H发展现状的系统综述中提出，现有的G4H对于部分疾病和健康问题的行为干预确实具有积极作用，但是目前的研究普遍受限于受试对象的数量相对不足，进行游戏干预和测试时间不够长，以及缺乏评价G4H干预效果和游戏质量的“金标准”，这些问题都是制约G4H获得高质量研究证据的关键。

Lopes等[37]于一项针对脑血管意外的系统综述中指出，在不同研究中G4H所带来的影响是多样性的，既包括对肢体运动功能以及体力活动的促进作用，也有着影响效果不够显著，疗效难以同传统治疗相匹敌的种种问题。研究者认为G4H对于中风患者的康复依旧具有积极意义，在改善中风患者的治疗意愿和信心方面有着一般家庭治疗所无法企及的优势。

虽然G4H应用的频率和范围正在逐年增加，但是其依旧主要作为传统临床治疗的补充疗法而很少独立进行[1,7,18]。尽管G4H对各种疾病和健康问题的干预效果得到了初步的肯定，但是依旧需要进一步的研究来获得足够的证据，让临床医生和患者接受G4H的治疗干预方式。

4.2 从临床的角度优化游戏设计

国际数字媒体和儿童发展研究所的G4H工作组(Institute of Digital Media and Child Development Working Group on Games for Health)强调，未来G4H的相关研究和开发应当考虑到对各种疾病和行为干预手段进行足够数量的RCT研究，以确立G4H在行为干预和疗效表现上的有效性，并帮助发掘和完善G4H如何影响患者行为的机制原理[1]。另外，Drummond等[18]指出，设计者需要考虑为不同年龄和发展阶段的患者设计针对性的G4H干预计划，例如面向儿童、青少年、成年人以及中老年人应当开发不同类型和难度的游戏内容。

除此之外，Kharrazi等[36]认为，G4H还应当为不同环境和文化背景下的患者进行针对性开发，例如学校环境、物理治疗诊所、医院病房或是健身中心，G4H的游戏玩法应当考虑和环境进行充分互动以增加治疗效果，同时在游戏设计中采用更加先进的技术以改进交互模式，例如使用体感设备和VR系统能够更加精确和方便地采集患者动作信息并依此进行游戏交互设计。同时，Fissler等[16]强调，后续研究应进一步关注G4H对患者神经系统的影响，了解不同程度的游戏元素和交互内容对患者的认知和运动能力产生了多大的影响，依此来确定对患者坚持进行游戏并获得成效的关键内容，而剔除对治疗结果影响不大的冗余内容，以降低游戏开发成本并缩小游戏体量。

5 小论

将电子游戏与医疗和教育实践相结合已经在国内外有着一定范围的开展和应用。以G4H为代表的严肃游戏已经向临床医生、患者以及社会展示出了较为显著的积极作用。但是目前G4H依旧面临技术水平相对有限、临床疗效和教育效果尚待进一步研究确认、潜在的游戏成瘾以及患者隐私泄露等问题。因此目前的G4H需要进一步优化游戏设计，将游戏玩法与教育和医疗实践结合的更加紧密，通过更加充分严谨的临床研究证实其在医疗和教育领域应用的效果。