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基于Leap Motion控制的电子游戏上肢康复治疗帕金森病患者可行性研究
PilarFernaacute;ndez-Gonzaacute;lez,Mariacute;aCarratalaacute;-Tejada,EstherMonge-Pereira ,SusanaCollado-Vaacute;zquez ,Patricia Saacute;nchez-Herrera Baeza , Alicia Cuesta-Goacute;mez , Edwin Daniel Ontilde;a-Simbantilde;a , Alberto Jardoacute;n-Huete ,Francisco Molina-Rueda , Carlos Balaguer-Bernaldo de Quiroacute;s , Juan Carlos Miangolarra-Page andRoberto Cano-de la Cuerda
【摘要】
背景：非沉浸式电子游戏目前正被用作帕金森病（PD）患者的技术康复工具。本可行性研究的目的是评估leap motion控制器（LMC）系统与为上肢（UL）设计的严肃游戏一起使用的有效性，以及疾病轻中度阶段患者的满意度和依从性水平。
方法：对非连续病例进行非概率抽样。23名处于Hoehnamp;Yahr量表的II-IV阶段的帕金森病患者，随机分为两组：接受由研究小组使用针对上肢（UL）的LMC系统设计的严肃游戏治疗的实验组（n=12）和接受对上肢（UL）特定干预的对照组（n=11）。对两组患者治疗前和治疗后的握力、协调性、运动速度、精细和大体的UL灵活性以及满意度和依从性进行评估。
结果：在实验组内，除了对受影响较轻的一侧进行Box和Blocks测试外，所有治疗后评估都有显著改善。对照组的所有评估均观察到临床改善。统计组间分析显示，实验组受影响较大的患者在协调性、运动速度和精细运动灵活性评分方面有显著改善。
结论：LMC系统和所设计的严肃游戏可能是提高帕金森患者协调性、运动速度和上肢精细灵活性的一种可行的康复工具。需要进一步的研究来证实这些初步发现。
【关键字】虚拟现实，非沉浸式电子游戏，leap motion控制器，帕金森，上肢，灵活性
1引言
继阿尔茨海默病之后，第二常见的神经退行性疾病是帕金森病，约1%的60岁或60岁以上的人患有该病。这种主要损害运动功能的疾病影响65-69岁的个体的1-5%和80岁以上的个体的1-3%。主要症状是：运动迟缓，部分由詹姆斯帕金森定义为“肌肉力量减弱”，表现为运动缓慢；僵硬，定义为肢体被动移动时肌肉张力增加，通常被视为感觉僵硬和不舒服；静息震颤，定义为任何肢体的重复来回运动，当身体的该部分没有主动移动时发生；以及姿势不稳定：指的是当平衡受到干扰时受损的反应。此外，帕金森患者通常患有广泛的运动和非运动问题。这些体征和症状会影响他们日常活动的表现，降低他们的独立性。目前，帕金森没有治愈性治疗方法，而是治疗重点是症状和预防疾病的进展。在帕金森的各个阶段，灵活性受损是最常报告的令人不安的症状之一，也是疾病负担的主要原因。灵活性缺陷会损害典型的日常生活活动，即使在帕金森的轻度至中度阶段也可能存在。帕金森患者变得依赖于护理人员，因为他们的运动和认知障碍会干扰他们进行日常活动的能力。迄今为止的科学证据支持帕金森患者康复治疗的益处。在神经康复领域，基于技术的康复系统，如虚拟现实（VR），很有前途，可能能够提供以客户为中心的任务导向康复。一些研究已经解决了VR系统作为神经康复补充疗法的积极作用。这些系统基于基于计算机的技术，允许用户与模拟环境交互并在实时场景中接收性能反馈，从而提供执行功能和重复活动的机会，促进运动学习和神经可塑性通过增加强度任务导向培训。基于VR技术的电子游戏正在成为神经系统疾病患者神经康复的有效工具，并且相对于传统疗法的低成本且易于接受的辅助手段。标准游戏，如Nintendo Wii，Playstation Move和Kinect plus XBOX 360已被用于帕金森康复。然而，这些通常对患者来说太困难或者游戏进展太快，无法提供以伤害为重点的培训或专门满足患者的需求。因此，有必要为帕金森病患者开发专门的严肃游戏。严肃游戏是指专为除单纯娱乐以外的主要目的而设计的游戏，它能促进帕金森病患者的学习和行为改变。在这种情况下，出现了新的低成本无标记设备，例如Leap Motion Controller（LMC）系统，它使用一种传感器，可以捕捉患者前臂和手的移动，而无需在身体上放置传感器或设备。这将在计算机屏幕上生成上肢的虚拟图像，并提示患者根据提出的功能任务执行动作。与其他运动捕捉系统相比，该系统具有端口能力强、易用性强、商用性好、成本低、无创等优点。然而，缺乏证据支持LMC在治疗帕金森上肢（UL）运动障碍有益。此外，据我们所知，没有为使用LMC系统的帕金森患者设计特定的严肃游戏。
因此，本研究的主要目的是评估LMC系统的有效性，该系统使用的是为提高上肢握力、协调性、运动速度以及精细和粗大的灵巧度而设计的严肃游戏。此外，我们还试图评估轻度至中度疾病患者的满意度和依从性水平。
2材料和方法
2.1参与者
所有患者均从阿尔科隆（西班牙马德里）帕金森病患者协会（Aparkan）招募。对非连续病例进行非概率抽样。pi
纳入标准为：符合英国脑库改良诊断标准的帕金森病患者；Hoehnamp;Yahr量表II、III和IV期患者；Schwabamp;England功能量表gt;60%的患者；药物治疗后运动反应稳定或轻微波动的患者，以及在研究时没有接受特定的上肢康复治疗的患者。
研究排除标准为：帕金森病以外的疾病或严重伤害的诊断；无法理解指导并积极配合在小型智力测验中得分ge;24分的任务；拒绝参与研究；Hoehnamp;Yahr量表的I或V阶段；以及不能用眼镜矫正的视力损害。
2.2程序
样本被随机分为两组：实验组，根据研究小组设计的严肃游戏，使用LMC系统接受上肢治疗；对照组，在常规物理治疗的基础上接受特定的上肢干预，（基于肩部、肘部、手腕和手指活动加强上肢伸肌，上肢屈肌伸展运动）和功能性任务练习尝试模仿为实验组设计的严肃游戏的动作（即使用日常生活的物体，如硬币、钥匙、球，杯子达到动作、灵巧性、抓握和钳夹式抓握动作）。
该协议由雷伊胡安卡洛斯大学当地伦理委员会批准。所有参与者均获得知情同意。
所有团体在2017年5月至7月期间在阿帕坎协会接受了干预。实验组和对照组在6周内每周接受两次30分钟的治疗（每组共12次）。整个过程中都有物理治疗师在场。实验组采用LMC系统，坐在中间躯干高度的桌子上，肘部弯曲90°。必要时，物理治疗师会在患者最易受影响的一侧提供手动帮助。
本研究中的严肃游戏旨在模拟传统康复中常见的运动和动作，如手掌抓握、手指屈伸或手内旋旋旋后（图1）。患者共进行了6个游戏：钢琴游戏（PI）、伸展游戏（RG）、顺序游戏（SG）、抓握游戏（GG）、夹点游戏（PG）和翻转游戏（FG）。每一场比赛都基于不同的康复目标。
2.3游戏介绍
一套电子游戏的开发，旨在上肢运动康复。使用跳跃式运动传感器来捕捉用户的手部运动，并使用Unity3D游戏引擎软件创建不同的虚拟环境。总共开发了六款电子游戏：PI、RG、SG、GG、PG和FG。根据帕金森病神经康复的临床专家建议的要求和指南，每一个游戏都侧重于不同的康复目的。比赛首先是单方（每只手分开）然后是双边（两只手同时）。用户界面允许治疗师和患者轻松浏览游戏。为此目的，通过文本和音频提示清楚而准确地给出了说明。据描述，帕金森病患者在其行为对环境刺激（即外源性诱发）作出反应时，可能比在其行为是自发的和自启动的（即内源性诱发）时移动得更快或更容易，因此使用这种任务转换范式，向患者提供视觉和听觉提示在每场比赛中刺激特定的动作。之前的研究对这些游戏进行了全面描述。然而，电子游戏的主要特点和程序如下：
PI：这个电子游戏的特点是一个虚拟钢琴键盘，有十个键，每个键对应于每只手上的一个手指（见图1b）。鼓励用户用相应的手指弹奏每个钢琴键。在游戏过程中，所需的按键会亮起。这些键首先按顺序点亮，从小指到拇指，然后按随机顺序点亮。正确按下的每一个键都会被记录下来并在分数上加一分。分数越高，比赛的表现越好。
RG：在这个游戏中，几个立方体被显示在不同的空间位置，放置在用户上肢的到达范围内（见图1c）。突出显示的多维数据集指示要触摸的目标。当用户到达立方体时，它会落到虚拟场景的地板上。要完成游戏，用户必须访问所有多维数据集。
SG:这个游戏使用与Reach游戏相同的设置。向用户呈现一个多维数据集序列，用户必须记住该序列，并通过按显示的相同顺序到达多维数据集来重复该序列。
GG：这个游戏鼓励用户进行手指弯曲和伸展动作，类似于抓取动作。图中显示了一系列立方体，包括屏幕中心的一个红色圆圈（见图1d）。当立方体突出显示时，用户必须抓住立方体并将其移动到红色圆圈，同时保持拳头紧闭。立方体只有在接触到红色圆圈时才能释放。
PG：这个游戏的目的是通过拇指和食指之间的捏击动作来训练双数字握拍。在前面解释的游戏中，向用户呈现一组空间分布的立方体（参见图1e）。当一个立方体突出显示时，用户必须将手放在目标立方体附近，并使用捏动移动使立方体变小，直到立方体消失。
FG：这个游戏训练前臂的旋前和旋后运动。使用者必须将手掌放在Leap Motion装置上，模仿服务员拿托盘的动作（图1f）。屏幕中央出现一个中间有一个立方体的小托盘。然后病人应该向下转动手掌。这样做后，立方体从托盘上分离并落到地面（图2）。
图二：帕金森患者练习基于立方体的电子游戏（FG）
游戏很容易根据玩家的需求和技能水平进行定制。这些设置可以由治疗师在训练课程开始时或在视频游戏执行期间定义。钢琴键盘的物理外观可以通过使用滑块控件进行调整，以便更好地适应每个患者的游戏。这些滑块用于修改键盘属性，例如键之间的距离（定义手指之间的分离程度）、每个键的宽度（允许较大或较小的接触区域）、按每个按钮所需的高度（用户必须按该键的深度）或键盘高度。后者是一个特别相关的功能，因为它允许治疗师首先确定用户满意的最佳手位置（手放在设备上方的空中），然后可以上下移动键盘，直到它与虚拟手接触。
总的来说，剩下的游戏（到达游戏、顺序游戏、抓取游戏、夹点游戏和翻转游戏）也可以根据性能和外观进行调整。设置选项包括：（1）立方体的数量，这与每个任务的重复次数有关；（2）立方体的大小，通过在小、中或大尺寸中进行选择；（3）供用户在序列游戏中记住的立方体的数量。
在每一次治疗中获得的信息可以自动存储在病人的记录中，以便于医务人员进行评估。通过这种方式，CSV文件可以轻松地匹配所需的规范，并且可以轻松地管理其内容。相反，可以访问每个患者的最新报告，允许医生重新远程监控患者的进展。每个病人的记录都由一个代码标识，以保证隐私。
因此，可以通过结合两个或多个侧重于特定病理学和患者群体的游戏来设计不同的干预措施。本研究中使用的协议如图3所示。随着患者的进步，难度和运动次数增加。休息时间是根据病人的需要而定的。
所有测量均在XX大学健康科学学院的运动分析实验室进行。进行了两项评价：治疗前和治疗后。干预和所有测试均在服用抗帕金森病药物后两小时内进行，在药物周期的“开”阶段，因为这是患者进行大部分日常活动的时期。
2.4结果测量
使用Jamarreg;液压测力仪测量握力。该测功机提供精确且可重复的握力读数，单位为磅和千克。所有患者进行三次握力运动，并记录平均值。受影响越来越小的一侧的数据以千克为单位记录。Jamarreg;液压手测功机是评估握力最常用的客观工具之一，被认为是一种具有卓越可靠性、灵敏度和易用性的设备。它是由美国手治疗师协会和巴西手治疗师协会推荐的。
顾客满意度问卷（CSQ-8）评价卫生服务使用者的满意度。这是一份自我管理的治疗后问卷，包括八个项目，评估患者对所接受的护理和服务质量的满意程度以及对所接受治疗的预期的实现程度。问卷总分为32分，数值越高表示对所接受治疗的满意度越高。
图三：实验方案。*PI:钢琴游戏；GG:抓握游戏；PG:捏捏游戏；RG:到达游戏；SG:顺序游戏；和FG:翻转游戏
采用盒块试验（BBT）测量影响较轻的和较重侧的的单侧手部总灵巧度。BBT包括在一分钟内将方块从一个盒子移动到另一个盒子的最大数量。BBT是一种快速、简单、可靠的手工灵巧度测量方法。其给药程序是标准的，其有效性已在老年上肢残疾患者中得到证实.
采用普度钉板试验（PPT）评定协调性、运动速度和精细运动能力。PPT的特点是有两个柱子的板，每个柱子有25个孔，在板的顶部有四个容器中放置特定数量的销、垫圈和套环。测试包括在三个不同的阶段插入尽可能多的销，每个阶段的时间限制为30秒。首先，用受影响较小的一侧进行试验，然后用受影响较大的一侧进行试验，然后同时用双手进行试验，最后，进行装配试验（60s）。随后记录插入销的数。PPT是评价帕金森患者手部灵活性的可靠指标。
此外，我们还记录了治疗疗程（依从性）的出勤率。
2.5统计分析
统计分析采用SPSS统计软件系统（SPSS公司，伊利诺伊州芝加哥；版本22.0）。Shapiro-Wilk检验和Kolmogorov-Smirnov检验用于筛选所有数据的正态分布。此外，相关样本的Wilcoxon检验和非相关样本的Mann-Whitney检验用于比较变量。以95%的置信度进行统计分析，有显著性差异（plt;0.05）。我们使用参数的平均值和标准差来计算使用Cohens d统计量进行比较的de-effect大小。0.2、0.5和0.8标准差的平
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