老龄帕金森病患者虚拟现实辅助康复训练游戏化研究

苏智 谢琪 江朝伟 张付峰

（1.长沙理工大学设计艺术学院，湖南 长沙 410114；2.中南大学湘雅医院，湖南 长沙 410008）

1 老龄帕金森的相关现实问题

1.1 帕金森病中静止性震颤症状对患者的影响

帕金森综合病症是一种中老年人群普遍存在的神经系统类的退行性病症。主要以黑质多巴胺能神经元进行性退变和路易小体形成的病理变化、纹状体区多巴胺递质降低、多巴胺与乙酰胆碱递质失平衡的生化改变、肌强直、动作迟缓、姿势平衡障碍的运动症状和睡眠障碍、嗅觉障碍、自主神经功能障碍、认知和精神障碍等非运动症状的临床表现为显著特征[1]973-975。

PD病中的基础性症状较多，PD病总体上治疗难度大，时间跨度长。早期治疗分为非药物治疗与药物治疗，后者虽然可以一定程度改善症状，但是长期药物刺激性会对身体产生副作用。其中，疾病进入中晚期阶段，运动症状会加剧，老龄病患行动迟缓与震颤更加严重，日常生活能力明显减低，出现姿态平衡障碍、冻结步态、容易跌倒、震颤与强直症状等。目前除药物治疗之外，物理疗法与运动训练是最多的两类治疗方式，已有大量流行病学证据显示，规律运动训练对大脑具有保护作用，自主运动可促进神经营养因子表达，增加脑源性生长因子，刺激神经细胞再生，保护黑质细胞，进而缓解帕金森病行为学改变[2]，从而可降低帕金森病神经系统变性疾病的发病率。

通过对老龄患者基础性活动症状分析，下肢行动迟缓可以借助轮椅与拐杖等产品辅助，但上肢行为静止性震颤却缺少辅助产品，是影响老龄患者日常生活的痛点。目前主要是通过辅助康复运动训练来配合医药治疗，因此，定位为辅助康复运动训练的代表研究，这还包含3点原因：第一，它是大多数老龄PD患者常见病，具有“典型性”，它是由于肢体的协同肌与拈抗肌连续发生节律性的收缩与松弛所致，即病人在安静状态或全身肌肉放松时出现，典型的表现是拇指与委曲的食指间呈“搓九样”震颤，震颤频率为4—6 Hz。手指表现为粗大的停止性震颤。第二，上肢功能是人的主要生活功能，改善上肢症状对老龄患者生活的影响具有“实用性”。在生活中往往老龄患者表现出肢体僵直、动作笨拙，姿势反应障碍，生活自理难，劳动力丧失。手部的震颤易造成老龄PD患者生活中产生各种危险。第三，上肢作为重要生活器官，它的治疗能产生“引导性”。PD的治疗是长期与综合的，需要通过肢体与大脑共同协调，患者可能在长期治疗过程中，治疗会使身体僵硬感加深，出现“僵、慢、抖”综合特征，还会出现一些负面的情绪，对家人表现出自责与愧疚，招致患者心灵闭锁，远离社会，甚至会出现一定的轻生念头。所以通过上肢震颤的运动治疗可以改善病症，也将会一定程度上影响病患心理疾病。基于上述原因，静止性震颤可以通过康复运动训练，达到对患者在运动与生活能力获益，在药物治疗基础上延缓病情恶化。因此，确定静止性震颤为游戏化设计的主要服务方向。

1.2 老龄康复运动训练治疗结合VR技术的必要性

虚拟现实技术（Virtual Reality）研究内容涉及到计算机图形学、心理学、多媒体技术、人工交互、智能控制等众多学科领域，是交叉学科知识、集成的产物。以其借助“3I”技术沉浸感（Immersion）、交互性（Interactive）、构想性（Imagination）成为具有广阔应用前景的仿真技术[3]。近年来，它在神经康复中的应用为帕金森病患者康复治疗提供了新的出路[4-5]。

法国哲学家梅洛·庞蒂（Merleau-Ponty）说：“身体是我们感知世界的媒介。”国外很多学者都把游戏中的虚拟化身当成人的假肢（prosthetic），是人在虚拟世界的延伸[6]。在帕金森病方面，孙志成等[7]认为可以利用虚拟现实技术创建或提供虚拟康复运动训练平台，用趣味性游戏体感形式与模拟关卡任务取向性康复作业的方式，对病人进行积极康复运动训练；其还可以详实记录训练数据，来帮助医生与治疗师远程监控其治疗进展，进而调整训练强度与计划，改进方案进度，对病人的功能状态进行量化评估。

在临床上，传统的长期康复训练对医师能力、患者经济能力、治疗场地、安全性要求较高，老龄帕金森患者很难坚持长期规律训练。随着病人数量的激增，如何摆脱传统的“一对一”医师与患者的方式以及丰富传统的训练模式，达到“一对多”节约医师资源惠及更多病患等。诸如此类问题，均需要外部康复训练新方法与新技术的介入，2020年最新中国帕金森病治疗指南（第四版）中增加了人工智能及移动技术辅助治疗，分别是：①远程治疗；②可穿戴装备；③智能手机APP应用；④虚拟现实技术，可用于康复训练[1]982。从中可以看出，新的治疗指南已经提出了多种治疗方法，虚拟现实技术也是重要的康复训练新手段。

2 虚拟现实游戏化在康复治疗中的意义

虚拟现实游戏化技术的产生，来源于3D影像技术的不断发展。早在1838年查理·惠斯通（Charles Wheatstone）完成了首批关于双眼立体视觉研究成果[8]。主要的技术原理是：立体视差（stereoscopic vision）指人的两只眼由于相距约有60 mm，所以会从不同角度观察物体，即观察立体视标的时候，这种在双眼视网膜结像出现微小的水平像位差。视差常用角度单位表示（1°=60′；1′=60″），视差是属于深度信息的客观物理现象，所产生的主要是水平视差，即是产生立体视觉的生理基础。常规上正常的眼睛瞳孔距离与注视角度不同，将会造成左右眼视网膜上的物象存在一定程度的水平差异[9]。依据这个原理人们可以利用头盔显示器达到虚拟世界并身临其境。随着20世纪80年代后期图形显示技术与液晶显示（LCD）技术发展的成熟，生产廉价头戴式头盔式显示器成为可能，该技术也开始介入近代医学，主要应用于虚拟内窥镜、计算机辅助手术治疗、手术的训练、医学教育等方面，特别是对各类帕金森运动障碍康复训练，有独特的帮助作用。

高中思想政治课程相比于其他学科而言，理论内容比较抽象，要让学生更好地理解理论知识，能够在实际生活中运用自如，就必须把生活中的实际内容与思想政治课程有机融合，通过实践教学能够让学生更容易理解抽象的理论，进而提高他们的能力。

游戏化是指借助电子游戏元素形式，让使用者（玩家变为用户）通过沉浸于定制的游戏流程设计，使用户主观地沉浸于此。利用人类心理上的倾向使人们参与到游戏中达到一定的预期结果。从游戏化的概念来说：游戏化是将游戏思维和机制运用到非游戏的环境中去[10]，主要分为3方面：游戏元素、游戏设计技术、非游戏情境。早在1984年，查尔斯·库然特（Charls Coonradt）出版了《不一样的工作》（The Game of word），用于研究游戏元素对工作实践的影响，即让枯燥的事情变得像游戏一样有趣。随后，盖布·兹彻曼（Gabe Zichermann）创建了游戏化公司（Gamication Co），专门致力于互动科学和富有意义的体验设计，开始兴起进入公众视野，直到2010年的TED大会上Jane Mc Gonigal在题为“Gaming can make a better World”的演讲中提出了相关概念。2011年，全球游戏开发者大会上“Gamification”（游戏化）[11]被大家所接受，并逐步成为了体验经济时代的重要媒介，辐射到了各个学科与产业。

如何鉴别虚拟现实游戏辅助手段可行，先必须清楚在治疗方法中的精准定位。医疗游戏化的设计是基于游戏化理论、针对特定病患人群创建的一种辅助服务治疗手段。游戏化在医学实践上要先明确对病理的产品的设计目标，再筛选合理的游戏化意向，创造出符合病患的虚拟世界，提供适合病人体验的场景，吸引他们产生好奇心、积极性以及重复游戏的乐趣，体会到挑战性、平衡性、体验性，使用户沉浸在虚拟康复世界中。同时，也要有“快乐与痛苦交织”[12]，意味着在虚拟环境中尝试到训练中的错误，这也是游戏的双重性质，并强化正确的训练与建立自信，用这种心理干预来产生患者的乐趣感与满足感。再通过量化训练来维系黏性，产生的游戏数据反馈与分析作为下一阶段治疗的参考和评估。逐步调整患者的进阶时间周期，并不断进行游戏化升级和调整。同样，也要把握好设计的机制与手段，防止康复运动训练介入过深，用户产生过度依赖，最终，游戏化需要患者在常规治疗的基础上，通过辅助体验游戏训练，达到康复生活状态的改善。

3 康复运动辅助VR游戏化在医学中的具体应用

基于上述游戏化的医疗游戏设计观点，在针对老龄帕金森的上肢震颤游戏化设计上，国内外研究学者不但有肢体的协调治疗，也有认知相关的尝试。下文梳理了相关的应用案例。

第一类：肢体功能障碍的运动康复训练。这一阶段的重要标志成果最早为1971年弗雷德里克·布鲁克斯(Frederick Phillips Brooks，Jr.)[13]研制了具有力反馈的原型系统Grope-Ⅱ，操作者通过一个实际的机械手来控制屏幕中的图形机械手去“抓取”一个立体图像表示的物体，而且人手能感觉到它的重量，从而成为了虚拟现实的早期肢体化的应用尝试。Fana等[14]将手臂伸展训练和认知训练相结合，将患者的手臂动作映射到VR环境中的虚拟手臂上，从而让患者通过手臂运动完成VR创景中的一系列认知训练。结果表明认知与运动相结合的VR康复训练更有优势。梁明等[15]联合中南大学湘雅三医院、华南理工大学与广州一康医疗设备有限公司三方研发的虚拟厨房训练系统，33位上肢功能障碍患者通过虚拟厨房空间，完成烧开水、摆餐具、盛水果等一系列的日常生活操作来训练偏瘫上肢的运动功能。结果显示比传统训练方法的康复效果更加明显。

第二类：认知功能障碍的运动康复训练。Finley等[16]洛杉矶分校生物运动机能学和物理治疗分部，结合本校电影艺术学院与计算机科学系，通过学科交叉进行了帕金森病患者虚拟现实移动训练游戏的实验，利用文字VR游戏来进行实验评估。虚拟现实训练应用程序Wordplay VR的开发和可用性评估，该评估基于游戏的地面行走中练习转弯、避障碍和解决文字游戏问题等技能。实验表明文字游戏对步态障碍用户都有运动激励和加强文字认知的体验。上海海事大学的杨文璐等[17]将体感交互技术应用到手臂功能障碍康复中，在矢量字库楷体GB 2312中汉字轮廓信息的基础上，提取汉字骨架信息，解析Kinect体感器获取的手臂运动信息，进行模式识别并与当前笔画的书写模式进行比对，从而在Unity 3D中实现书法临摹功能。实验结果表明，该系统结合虚拟现实技术，对手臂运动功能障碍的康复训练应用有积极的推动作用。以上两种方式均以文字元素作为PD患者的辅助训练方式，对于老龄PD患者来说，文字形态不但能够有语言认知刺激，而且对于老龄人群在国内自古有“练字养身，修心养性”传统，这种文字形式辅助运动训练方式改进后将更加容易被老龄患者接受。

综上所述，虚拟现实介入帕金森病患运动康复训练方式对肢体功能障碍与认知功能障碍两者均有一定益处。但老龄化患者的运动康复训练中，因精力与体力上的限度，在游戏化设计方案上需要一定的趣味性、亲和性、活态性等，应与常规运动康复训练方式有所区别。

4 老龄患者康复运动训练中的游戏化设计策略

如果要满足上肢震颤老龄患者人性化需求，那游戏化设计上就要做到科学化、严谨化、简约化的标准，在游戏玩法设定上做到简单明了，体验时间不宜过长，在游戏运动关卡设计中上肢体感设定应难易适度，避免过于惊险刺激的关卡，在场景及视听上有生活代入感，让熟悉的生活场景舒缓老龄病患的感官，才能让老龄PD上肢震颤患者在康复运动训练时感到游戏化乐趣，对此，采用以下3个设计策略。

4.1 以分量表再建化数据为设计支撑

帕金森上肢震颤病的康复运动训练有多种数据参考，基于老龄人无法鉴别过多信息与精益数据，设计了聚焦统一帕金森病评分 量（UPDRS）、HOEHN&YAHR分 级 以 及SCHWAB&ENGLAND日常活动能力量表3个评估表，进行评估数据的提取与再建。

数据是游戏化最关键元素，按照游戏化的三要素，先要提取游戏元素作为游戏设计技术、非游戏情境的基础，那就需要有上肢震颤康复运动训练的评估标准，这些标准是作为训练体验中的评估单元存在，是游戏化开发的主要立足点。介于设计时间与病患可接受的训练难度，实验测试数据获取分为两类：一类是在患者体验时身体的动作与姿态主观打分；另一类是手部通过手柄点击的反应的客观参数打分，最终对应再建表计算出数据与主观评定参数成绩，辅助医生的用药及其前后药效反应。帮助医患了解病理的数据变化，形成病患的上肢肌肉记忆，更精准地对应病患的上肢行动与运动机能，逐步改善病患的生活生理运动症状。依据所反馈的数据实时传送个人数据库，并建立病患的数据模型，再在量化康复运动训练的基础上，依据病患的训练参数不断升级与调整游戏化情景媒介内容。

初期采用统一帕金森病评分量表（UPDRS），利用其中的42个基础问题，提取10个主要上肢相关的议题分析，分别为42，4，3，23，24，28，30，31，20，21；Hoehn-Yahr分级为1—4级都可以作为试验对象。Schwab&England日常活动分级评分标准中的60%～100%。

4.2 以运动促进健康心理为设计延伸

传统上的康复运动训练治疗中，医护为主体病患为客体。在设计上力求转换两者角度关系，利用虚拟现实的游戏化让医护成为主要观察者，患者成为训练参与主导者。通常老年患者在认知能力衰弱的同时更加依赖以往的经验，解决电子类产品的使用问题，关键是将新问题包装成老问题，或者说是把复杂的问题简单化，以此来适用于老龄患者的媒介体验[18]，并通过进入游戏不同场景运动，来触动患者感受不同的虚拟环境，在游戏中自然产生训练主动性。比如可以自由选择在空间里面的观察视角，以此来判断病患对游戏空间的好感与探索性，来缓解精神与认知障碍的病情，减缓病患抑郁的程度。

首先，依据最新中国帕金森病治疗指南（第四版）中非运动症状的治疗，第四类精神及认知障碍的治疗中进行了VR可辅助康复训练行为的分类。主要分类见表1。

表1 VR可辅助康复训练行为分类表

通过数据与医学专家分类对比，排比出了3个可辅助类型，分别是a1、b1、c3，作为主要的患者对标群体，精神及认知障碍中的3个可辅助类型分别是抑郁、幻觉与刻板行为，前两者是精神及认知障碍的范畴，后者刻板行为是指一种重复、无目的、无意义的类似于强迫症的刻板运动行为。与长期从事的职业与爱好有关联，且常伴随严重异动症与睡眠障碍。团队依据患者的心理与生理特征，提供多种空间体验环境，设计不可预期事件，从而产生患者对康复运动训练游戏的趣味性，维系主动性重复训练与认知，提高帕金森病患者的生活质量，减少生活环境中可能产生危险的自我认知处理能力。同时，加强患者的主动性与趣味性，让病患不再把训练作为一个枯燥的事情，舒缓患者情绪，防止焦虑心情，满足患者幻想空间，促使刻板行为改善。

虚拟现实游戏在上肢震颤康复运动训练与辅助治疗运用体系构建如图1所示。

图1 虚拟现实游戏在上肢震颤康复运动训练与辅助治疗运用体系构建

从定位上来说，虚拟现实游戏形式既能辅助于药物治疗与手术治疗手段，又能对照料护理的长效护理机制共同产生相互影响，并与康复运动疗法、心理干预是交互平行关系。设计学科特有的交叉性与开放性[19]能让VR游戏设计作为依托视觉沉浸式优势，达到传统设计所不具备的“体验”优势。传统的设计大多是认知与外部“体感”形式，VR游戏的体验形式与场景内容设计多变，可以实际对接病患本体，用游戏的方式来量化辅助运动评估、康复及治疗等，使患者对医疗康复运动训练主动介入，从而达到辅助治疗、维系动机、量化训练、数据反馈4个主要辅助运动训练行为。

4.3 以地域文创特色结合体验为设计手段

为了在游戏化场景中体现出湖湘特色的生活气息，改变程式化的游戏场景，调动老龄手部静止震颤患者的积极性，游戏中加入地域特色的建筑与山水元素背景，还加入了地域特色食品元素作为关卡道具设定，并结合地方民歌主旋律的曲目做音乐背景，从视听结合的视角方式来加大老龄用户的体验共鸣，增加老龄用户的使用频率及用户使用黏性，主要体现在视觉、听觉、触觉3个方面。

第一，视觉特色。以往传统游戏玩家喜欢大的场景与长时间的游戏体验，老龄病患更多需要的是操作简捷、界面明晰、场景集中的环境体验。因此，设计中把桥梁作为训练中的主要通道，约束了空间环境大小、路径的长短、场地的高低，让老龄患者在场景中能尽快理解训练的路径，减少了探索时间，避免老龄患者过多的精力消耗。针对湖南本地病患加入了湖湘地域文创形象，如：场景采用了张家界的山体地貌、长沙的橘子洲头等。拉近病患的地域认同度，加大训练时的趣味性，减缓患者量化训练时的枯燥心理。第二，听觉特色。优化视觉画面结合听觉，背景音乐采用《浏阳河》《湖南印象》等地域特色的背景音乐，让患者在体会愉悦的室外田园风光时达到感应湖湘韵律共鸣点，有助于缓解其紧张情绪放松心情以及手部肌肉僵直状态，达到节奏听觉刺激的作用[20]。第三，触觉特色。基于老龄人对先进精密技术不具备普适性的特点，在表现形式上，设定了路径动画“独木桥+手柄”的简洁引导模式，在关卡的过关道具的设定中，用到了湖南人钟爱的臭豆腐、红辣椒、糖饺子与麻球团等地域食品形象；通过道具的掉落、滚动、飞跃等交互行为，测试患者手部控制的游戏角色躲闪反应与简单的手柄控制行为。患者在体验时，感受手柄控制的精度与场景中交互关卡的难度；在面对事件时，刺激患者全身与上肢躯体的反应，用熟悉的生活物品带给患者一种轻松的体验感。

为了方便不同患者，设计了屏幕模式与VR模式，以服务配戴VR眼镜眩晕的病患。初代1.0版本开发为单机训练与测试系统（图2），在后续开发将进行联机模式。同时，游戏运动训练时也应在场地周边设置保护措施，配备医护人员监控，防止体验行为过激摔倒，或者走出测试区域造成危险，医师可帮助训练时的主动姿态调整。医护人员可以主观观察患者体验时的主动性行为，记录与评定主观分数等。这种表现形式有利于控制病患的训练空间，防止过多的游戏元素影响患者思维以及过度复杂导致的挫败感，能更适度地激发体验者的兴趣。

图2 帕金森病患康复运动训练测试系统

5 结语

目前国内针对老龄帕金森患者的虚拟现实辅助训练较匮乏，特别是经济发展的不平衡更加大了其普及难度与研究进展。文中提出的研究方法只是一种实践尝试与建议方案，立足于配合药物治疗，聚焦痛点再建分量表，定位游戏化体验，加入地域文创形式，激发老龄患者主动接受辅助治疗的意愿，养成健康的生活习惯，通过打破传统的康复训练模式，释放康复护理人力资源，更好地发挥虚拟现实技术的功能。

研究的不足之处在于：要达到较为全面的游戏化开发与体验，仍需不断临床对照测试，为患者进行差异化的设计改进与视效升级，设计干预是动态的、发展的设计观[21]。在游戏化的具体实施中，最终仍需在辅助康复运动训练临床实践中满足大多数老龄患者，从一定程度上缓解未来老龄化医患比例不协调的状况。