应用游戏化原则和治疗性运动序列设计互动体育活动游戏:发展研究

简介

COVID-19大流行的不利影响严重影响了全球公众的身心健康[1，2］．封锁和限制措施导致缺乏体育活动和抑郁的人数增加[3.，4］．卫生保健提供者有责任解决这些问题。直到最近，运动一直是一种重要的非药物治疗方法，用于补充精神健康问题的药理学和额外的侵入性治疗。运动已被证明可有效改善精神健康问题，例如忧郁症[5，6]和痴呆症[7，8］．尽管运动作为一种改善心理健康问题症状的补充方法具有显著的效果，但对人们来说，保持参与并有动力继续锻炼是一项挑战。[9，10］．因此，为用户提供基于身体活动的沉浸式和有趣的干预来优化留存率是至关重要的。此外，大量研究表明，即使是身体活动的最低限度增加，也能显著改善一般人群的健康状况[11，12］．研究表明，体育活动的增加与健康相关的益处之间存在剂量反应关系。

游戏化是一个众所周知的过程，可以在活动中增加乐趣、动机、粘性和心流。它的原理已被应用于各个领域，以激发活动期间更多的沉浸式互动。游戏化是一种被证实的有助于增加身体活动的方法，许多移动应用程序和基于视频游戏的身体活动干预产品的有效性已被许多研究证实[13-16］．最近的研究对游戏化的类型进行了分类[17]将竞争与合作、自我目标、讲故事类型和正/负强化[18］．据报道，竞争为增加体育活动提供了激励，是最有效的方法，而支持或合作的游戏化因素并没有显著增加体育活动[16］．游戏化的另一个基本元素是美学，通过逼真的图像视觉和声音效果，通过创造令人愉悦的感官刺激环境，为用户提供更多乐趣。据报道，强化和奖励可以提高游戏用户的沉浸感水平，增加自愿参与动机，增加干预参与的频率和时间[19-22］．在电子游戏介入治疗中，高互动性和更好的视觉和听觉刺激已被报道可改善治疗效果[23］．此外，在应用游戏化的抑郁症相关软件中，有超过16个应用在临床研究中显示出了对抑郁症的直接治疗作用[24］．

为了开发我们的游戏，我们将动作序列设计为每个身体部位，特别是手臂、腿和躯干，包含各种不同的动作模式。我们开发的内容提供了一个结构，以刺激从基本运动到运动的进展，即一系列运动。当用户执行(体验)游戏时，会重复一个简单的动作来加强相关四肢周围的肌肉。太极拳相关研究[25]的研究表明，重复提升体重和等距运动(保持静态姿势)可以增强肌肉，提高心血管耐力。此外，由于exergames只使用体重，运动强度的水平类似于太极(练习者通过一系列姿势移动)。因此，我们期望在肌肉力量和心血管增强方面有类似的生理反应，仅在上肢和下肢进行非剧烈运动[24，26］．

此外，我们期望重复的运动模式，特别是在垂直平面上以开放和直立的姿势，可以帮助改善用户的情绪[27，28]，减轻疲劳，并有助于改善轻度至中度抑郁症患者的注意力[29］．每个关节的大范围运动(即开放或消耗空间的姿势)被定义为高力量或有力的姿势。这种开阔、开放的姿势(也称为“力量姿势”)是一种非语言交流的方法，不仅能改善心理状态，还能改善神经激素。30.-32］．用户的积极体验会强化参与的乐趣，并在他们的记忆中保留积极反馈。我们也期待经常使用这款exergame的积极效果，通过改善身体功能、心血管健康和肌肉力量来帮助提高用户的日常身体活动水平。

Exergames是一种利用技术刺激锻炼的创新，它表明游戏化可以帮助参与者更投入并享受锻炼。研究发现，运动游戏对肥胖的年轻人比老年痴呆症患者更有效。33］．在一项系统综述中，exexgames已被证明可以减轻抑郁症状，但其效果取决于抑郁严重程度、游戏次数和游戏类型(游戏性高和低)[24］．尽管运动游戏已被证明有助于增加运动的乐趣，但据我们所知，还没有针对抑郁症的治疗和管理而开发的运动游戏。因此，在这项研究中，我们的目标是解释我们如何使用游戏化原则，开发由Azure Kinect(微软公司)控制的exergame(交互式身体活动游戏)的内容，基于临床证明的抑郁症诊断标准。

方法

体育活动游戏设计框架

共选取了6项诊断标准(《精神疾病诊断与统计手册》第五版[DSM-5])和6项核心健康因素(抑郁症短形式流行病学研究中心10项[CES-D-10])(详细内容见图1)通过对DSM-5抑郁症诊断标准和CES-D-10的回顾。我们基于这6个核心健身因素(协调性、心血管耐力、平衡性、反应时间、肌肉耐力和敏捷性)开发了6种不同身体活动的锻炼游戏。

在为这6个核心因素开发游戏时，绘制它们的一般程序如下:首先，针对每个核心因素，推导出抑郁症患者日常生活的行为特征。抑郁症患者的具体行为(抑郁特征行为)是由这些核心因素衍生出来的，并通过文献综述和详细咨询神经学家和心理健康专家进行总结。然后，通过与精神科临床医生和体育活动专家的一系列咨询，将核心因素与健康因素联系起来(图2)．其次，研究人员设计了具体的运动模式，可以加强与抑郁行为相关的每个健康因素。

在本节中，解释了开发运动游戏的理论和原则。游戏开发的第一步是从DSM-5诊断标准和CES-10-D抑郁量表中提取相关的健康因素。然后，根据需要训练的健身因素开发特定的锻炼游戏。例如，游戏中要求参与者的上半身和下半身遵循正确的姿势进行协调训练。

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从CES-10-D中提取身体活动模式

第1项和第2项与不快乐和抑郁情绪有关，据报道，这些情绪会产生动作缓慢的症状，即脑电位缓慢的精神运动迟缓(反应时间较长)[34］．例如，各种研究表明，与悲伤和抑郁相关的步态模式的特征是行走速度较慢，手臂信号减少，头部垂直运动减少[35，36］．此外，抑郁和悲伤的人表现出更大的侧向摇摆和更下垂的姿势[35］．最近一项关于抑郁症和焦虑症等主要精神疾病患者的步态、平衡任务和姿势的综述也表明，评估和治疗方案应包括特定的身体运动特征，如平衡、步态模式和姿势[37］．

感觉沮丧也与不良的姿势有关，即以懒散的姿势坐着[29］．一项新颖的研究[29]调查了改变姿势是否可以减少轻度至中度抑郁症患者在承受压力任务时的负面影响和疲劳。研究发现，对于患有轻度到中度抑郁症的人来说，采用直立的姿势似乎可以增加积极的影响，减少疲劳，减少自我关注。此外，直立组的参与者明显比正常姿势组的参与者说了更多的话，使用更少的第一人称单数人称代词，但使用更多的悲伤词汇。研究还显示，坐姿对大学生回忆负面记忆的影响也有可比性，当他们驼背坐着时，比他们直立坐着时更容易回忆起负面记忆。38］．作者建议治疗师应该教他们的客户认识姿势，他们应该在日常生活中以直立的姿势坐起来，以增加积极的影响，减少抑郁症状[38］．Michalak等[39研究报告称，即使是相对较小的运动系统(姿势)的变化也会影响抑郁症的认知偏差，并建议训练患者有意识的身体意识，以促进对身体和情绪过程之间相互作用的理解。

第3项和第4项是与疲劳有关的问题，抑郁症与缺乏体育活动密切相关，特别是在晚年抑郁症中[40］．Mänty等[41的研究表明，老年人的等长肌肉力量(即膝关节伸展、身体伸展和握力)显著降低，这与步态速度高度相关。同样，Szlejf等人[42报道称，由于中老年人肌肉力量不足，抑郁症与肌肉减少症有关。此外，Song等人的研究[43]表明，太极拳等运动项目可以通过增加肌肉力量、灵活性和耐力等身体功能，以及抑郁症评分，对中老年女性产生积极影响。体育锻炼在治疗抑郁症方面的重要性，以及增强肌肉力量和减轻抑郁感觉之间的强烈相关性已经得到了强调。44］．

第5项与孤独感有关，据报道，体育活动有助于减少孤独感[45］．此外，在一项基于人群的观察队列研究中，使用2015年至2019年收集的可比年度数据来评估COVID-19对抑郁症的影响及其致病因素，体力活动减少被确定为心理健康恶化的风险因素。作者还建议了针对潜在可改变的风险因素的政策，如参加体育活动[46］．由于孤独可能是人们不愿参加体育活动的原因之一，因此有一种容易获得的方法让人们在日常生活中更积极地参加体育活动是很重要的[47］．

激动是一种与抑郁有关的容易观察到的现象[48]，并可使用Hurley等人开发的观测尺度来表征[49]，包括全身运动、上下运动、原地重复运动、向外运动、音调高或大声说话、重复发声和否定性词语。重复行为被证明与患有自闭症谱系障碍的年轻人的焦虑和抑郁有关[50］．

第六项是一种沉重的感觉，所以我们推荐轻快的动作来改善这种情绪。Michalak等[35]报道了悲伤和抑郁对运动/步态的负面影响，将抑郁步行者的步态描述为沉重，因为他们有更大的侧向摆动，以更明显的慢速、下肢摆动和更颓废的姿势走路。我们建议应该引入轻盈敏捷的动作来抵消沉重的感觉。文献中广泛报道了沉重的感觉与抑郁症有关，这表明生物和神经机制可以影响身体活动，这可以通过神经现象学研究和体现的活动维度来解释[51］．这些基于运动的具象冥想练习已被用于帮助缓解抑郁症状，使用正念冥想、瑜伽、太极、舞蹈和运动疗法进行干预[51］．最近，在一项调查舞蹈运动疗法作为抑郁症干预/治疗有效性的荟萃分析中，发现了中等效应大小，在所有病例中，抑郁评分都有所下降，甚至在治疗结束后仍持续数月[51］．此外，在芬兰的一项多中心随机对照试验中，在标准护理下，舞蹈运动疗法(每周进行2次，共10周)被证明是治疗抑郁症的有效方法，在3个月的随访时间中报告了中等效应[52］．

项目7侧重于通过鼓励大规模运动来帮助改善社会归属感，从而减少孤立感。日常体力活动的减少和久坐时间的增加与健康不良风险的增加有关;此外，在老年男女中，幸福感差与孤立有关[53］．在这项研究中，我们建议提供一个参与体育活动的机会，并鼓励大运动量的运动，可以帮助缓解孤独感。此外，参与定期休闲活动和体育活动的背景和社会效益被认为可以解释抑郁症症状的减轻[54］．最近一项对3052名美国成年人的研究显示，由于大流行而无法达到推荐的每日身体活动水平的人报告的抑郁、孤独、压力更严重，总体上积极的心理健康状况更差[55］．

对于第8项，由于平衡感差与抑郁症状相关，我们着重于开发使用者的平衡感和本体感觉神经肌肉系统。齐及同事[56]表明肌肉麻痹和平衡问题与抑郁症严重程度的增加显著相关(优势比分别为13.5和2.9)，并建议检测平衡和肌肉麻痹的变化可能是评估抑郁症严重程度的有用生物标志物，可以定期对重度抑郁症患者进行监测[56］．同样，“步态和大脑研究”表明，在感觉运动挑战中，抑郁症状可能会放大有轻度认知障碍的老年人的平衡问题[57］．此外，该研究还显示，抑郁症状较重的患者在睁眼和闭眼时，姿势摇摆的情况会增加[57］．同样，Casteran等人[58通过记录患有抑郁症的男性和女性老年参与者中更多的摇摆，将平衡与抑郁症联系起来。由于严重的抑郁症状可能会影响老年人的平衡能力，因此也可能增加跌倒的风险，这可能是致命的，并对患有或没有抑郁症的人产生重大影响，使其更难以进行体育活动和独立。

由于第9项关注的是参与者的自尊行为，我们假设尝试与虚拟角色协调动作可能有助于参与者感觉与人更亲近。运动、自尊和抑郁之间的关系在许多出版物中都得到了强调。59，60］．在肥胖儿童中，单独运动作为一种治疗方法被证明能有效地减少自卑感和改善抑郁症状[60］．此外，自尊在抑郁症中的作用是一个预测因素;换句话说，在认知行为小组治疗期间，自尊获得较高收益的患者抑郁症状有很强的线性下降[60］．在老年人群中，锻炼也被证明是有效的，可以增强自尊，减少抑郁症状，提高整体生活质量[61］．许多研究[51，52，并得出结论，舞蹈疗法的舒缓效果可以对情绪产生积极的影响。尽管大量研究强调了体育活动/锻炼对自尊和抑郁症状的积极作用，但其确切机制尚未得到很好的讨论[62，63］．因此，未来的研究应该关注特定类型的体育活动对各种生理机制的影响，这些机制可以增强自尊，从而减少抑郁症状。

第10项关注的是人们锻炼的动机。对于这种情况，我们建议采取一种干预措施，鼓励(几乎是强迫)参与者对某种刺激做出自然反应。因此，这种干预的内容应该触发一个快速反应运动，应该游戏化，以帮助参与者进入心流，忘记他们做任何身体活动的动机。研究表明，诱导某人开始一项运动可以帮助他们进行更多的体育锻炼。64］．身体活动的结果是，奖励系统(行为激活系统理论)被激活，参与者感到更轻松，情绪得到改善。65]，因为它能显著减少愤怒、困惑、疲劳、紧张和活力。此外，参加锻炼项目可以减少负面情绪。研究表明，以呼吸性窦性心律失常的频率(大约0.1 Hz)缓慢的有节奏的运动将帮助参与者感觉“处于最佳状态”，并与更有效的血液循环和心率增加有关。此外，这些动作被证明对自动神经系统有积极的影响。66］．虽然关于爆炸性快速反应动作的影响的研究不多，但我们假设，因为它与参与者习惯的相反，它应该有助于发起运动，并最终改善情绪。

抑郁症严重程度的评估，以定制用户的难度水平

用户的游戏级别是根据9项病人健康问卷(PHQ-9)得分定制的，如图所示表1而且图2．PHQ-9得分在22到27之间的抑郁症状最严重的用户，必须执行1-1组、1-2组、1-3组、2-3组，直到6-3组，总共8组。如果用户的PHQ-9分数在10到15之间，他们必须执行3-1,3-2,3-3到6-3组，总共6组。如果用户的PHQ-9得分在1到3之间，他们只需要进行6-1组(热身)、6-2组(慢慢增加强度)和6-3组(主要运动强度)，总共3组。根据游戏化原则，每组游戏持续大约5分钟，这被证明是人们在游戏中保持注意力的最佳时间。67］．

定制Exergames矩阵

基于体育活动训练方法的原则，互动游戏分为初级、中级、高级三个阶段(图3)．基础阶段允许参与者热身和伸展。中间阶段增加所需动作的移动范围和速度，使参与者逐渐进步。高级阶段是在基本阶段和中间阶段完全完成后才进行的，它需要高强度和相对速度的全方位上下身体运动。

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针对玩家心流的游戏化

游戏化已被用来激励用户每天练习游戏。设计这些游戏的主要动机是为了获得乐趣并激发流体验。它们的设计是为了刺激用户继续游戏，关键是关卡既不太难也不太容易;因此，我们根据用户的能力和之前的表现为每个级别分配了难度。每款游戏都有及格和不及格的标准，为用户提供成就感，帮助激励他们，这将使他们发挥最大的潜力，从而取得进步。此外，在每个阶段的尝试之后，用户将获得与游戏相关的反馈:分数、反应时间、移动速度和正确姿势的数量。游戏的视觉效果和音频刺激设计得很美观，易于理解，有助于保持沉浸感，使游戏更友好。

结果

游戏1:收集太空宝藏

在这个游戏中，玩家必须用手和腿收集所有向他们飞来的太空宝藏。根据由游戏设计师、心理健康从业者和用户界面/设计专家组成的专家组的建议，我们选择了各种形状和颜色，主要目的是帮助提高游戏的趣味性。随着水平的提高，形状的数量和类型以及它们接近的速度都会增加。此外，使用者的活动范围逐渐增加，从物体离身体较近，到不移动躯干就能够到身体，最后到移动双臂和躯干才能够到物体。每个关卡需要5分钟才能完成，基本关卡中会依次出现陨石、星星和飞碟。在中级水平上，有陨石、恒星、飞碟的混合外观，在高级水平上，有陨石、恒星、飞碟和颜色的混合外观。

在游戏开始时，用户选择适合他们角色服装的空间，然后选择他们的等级(图4)．基本层有149个目标对象，其中70个必须正确匹配才能成功完成。中间层有220个目标对象，其中110个必须正确匹配才能成功完成。高级关卡中有315个目标对象，其中150个必须正确匹配才能成功完成。

接下来，用户将阅读关于如何玩游戏的说明，并在指导下完成准备和开始的过程(图5)．目前，由于试验台位于韩国，使用说明是韩国语。

游戏开始时，一个外星人说:“让我们去匹配一些飞行物。”在匹配对象之后，如图所示图6，结果显示为任务成功或失败。在这里，人们可以通过使用双手并遵循一系列的动作(图6)．用户的反应时间应该得到改善，因为他们必须以特定的顺序匹配物体，并通过不断的运动来训练他们的心血管系统。

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游戏2:攀岩挑战

在这个游戏中，玩家必须保持攀岩姿势才能爬上墙(图7而且8)．在这个游戏中，肌肉耐力是必需的，因为用户必须保持一定的姿势，如用一条腿平衡和伸手。最初，这些姿势只用左手和右手;然而，随着水平的提高，胳膊和腿必须一起移动，以更有挑战性的姿势。随着游戏的进展，姿势的复杂性和所需的动作范围也会增加。这款游戏通过要求玩家保持一些姿势来帮助他们提高力量。此外，当进行拉长拉伸运动时，他们的关节活动范围会增加。

用户需要选择他们的角色和难度等级(图7)．在阅读游戏说明后，游戏开始(图8)．图8说明了玩家进行下一个所需姿势所需的动作顺序。用户必须朝着正确的方向移动手和脚，并在关卡中摆出正确的姿势，这时候便会出现移动噪音去表明顺序是正确的，并呈现出“很好”的视觉效果。

有3个关卡，每个关卡大约需要5分钟才能完成。基本的姿势有50个，每个姿势必须保持4秒;25个姿势必须正确匹配才能成功完成。中级水平有60个姿势，每个姿势必须保持3秒;30个姿势必须正确匹配才能成功完成。高级有75个姿势，每个姿势必须保持2秒;40个姿势必须正确匹配才能成功完成。

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游戏3:跟我来

在这个游戏中，用户必须跟随角色的移动，通过擦除绘画顶部的覆盖物来显示下面的原画(图9-11)．与之前的游戏一样，用户首先要从3个级别(基本、中级和高级)中选择角色(男性或女性)。游戏开始后，指示显示。这幅画被分成不同的块，允许用户擦掉封面，露出下面的原画。随着关卡的发展，更多的方块(3×3到5×5)覆盖在画作上，这需要用户更多的移动来擦除画作的覆盖。基本、中级和高级级别之间的主要区别在于，基本级别的用户仅按自己喜欢的顺序擦除底层艺术的覆盖层。然而，对于中级和高级级别，用户必须在单独的动作中删除覆盖层，这是删除几个覆盖层的组合。此外，擦除封面所需的动作需要更多的动作，用户需要逐步远离他们的站立位置，并达到上下不同的高度。通过反复使用这个游戏，用户的活动范围应该会增加，因为在多个方向上，下，左，右(表2)．

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游戏4:惊险冒险

在这个游戏中，用户必须通过分配的路径，移动在一个美丽的自然背景(图12)．与之前的游戏一样，用户首先要从3个级别(基本、中级和高级)中选择角色(男性或女性)。游戏开始后，指示显示(图13)．玩家首先要沿着一条简单的道路前进，然后慢慢地变得更具挑战性，因为他们需要通过狭窄的桥梁，摇摆的绳索桥，甚至跨越垫脚石(图14)．通过玩这款游戏，玩家的平衡性得到了提高，因为他们必须控制自己的步骤和方向。此外，用户必须避开各种障碍，并必须向左或向右移动。用户必须在基本、中级和高级级别分别有80/160、40/80和40/85个成功步骤。有背景噪音，如自然的声音，特殊的视觉效果，以及音频和视觉引导，使游戏更直观和用户友好，帮助沉浸和享受它。

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游戏五:秋秋让我们去旅行!

在这个游戏中，玩家必须在现场行走或慢跑，以控制火车的速度和运动(15的数据-17)．这款游戏加强了心血管系统，因为玩家必须在原地缓慢行走或慢跑。用户可以选择多种交通方式，如自行车、汽车或火车。关卡通过增加用户在众多自然背景(如海边、乡村或城市)中移动的速度来推进。基本阶段从慢走开始，然后是正常速度的步行，然后是缓慢的慢跑，要求用户在250秒内保持120秒以上的连续运动才能进入下一个阶段。在中级水平上，它以慢走、正常速度走、慢慢跑、然后正常速度慢跑进行，用户需要在240秒内连续保持180秒的运动。在高级训练中，以慢走(30秒)、轻跑(30秒)、快走(30秒)、跑(30秒)、慢走(30秒)、快走(30秒)、轻跑(30秒)，最后以跑(60秒)结束。移动速度由音频的节奏控制:慢走(慢板)为70 bpm，快走(快板)为118 bpm，轻跑(Vivace)为156 bpm，快跑(Presto)为168 bpm。每个动作之间有5-10秒的休息时间。通过最高阶段3的标准是，在270秒的时间里，至少保持200秒的运动。

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游戏6:Let 's Do It Together

在这款游戏中，用户必须保持姿势，这样他们的角色才能以特定的身体形状穿过前进的墙壁(图18而且19)．游戏开始时，用户选择自己的角色(男性或女性)，然后选择1、2或3级(图18)．一旦用户理解并选择下一个按钮开始游戏，就会出现关于如何玩的说明。在基本和中级水平，用户必须保持特定的姿势通过前进的墙壁，如图所示图19．在高级级别，用户必须根据屏幕上的指示移动。这个层次的运动不是特定的姿势;然而，他们必须在地面上左、右、前、后移动，并结合数字、箭头、形状和动物(图20而且21)．在游戏中，11个动作随机出现并重复。根据关卡，当一个移动保持80%的同步率时，它就被认为是成功的。在基础阶段，成功的标准是30个动作中15个动作正确。在中级阶段，成功的标准是43个动作中有22个动作正确，在高级阶段，成功的标准是114张图片中有57张匹配。

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讨论

主要研究结果

这篇文章提供了一个详细的框架，应用游戏化原则来开发基于临床证明的抑郁症诊断标准的抑郁症锻炼游戏的内容。我们选择的诊断标准是基于DSM-5抑郁症诊断标准和CES-D-10，为开发治疗抑郁症的系统方法提供一个结构。基于这些标准，我们提出了多种基于体育活动的干预措施，重点关注各种相关的健康因素，如心血管因素和力量。

我们目前正在寻求学院审查委员会的批准，以帮助确定内容和用户体验的可行性。在这个计划中的试点测试中，我们将获得每个游戏及其相关内容的使用反馈和视觉和音频反馈，这将为服务用户提供定性反馈，通过改进干预来帮助改进内容。在与相关利益攸关方完成一系列测试和再测试后，将进行随机对照试验，以检查治疗或干预的有效性及其相对于标准治疗和干预方法的成本效益。

数字解决方案的一个主要优势是技术的指数级可扩展性，可以接触到用户;然而，这需要用户具备使用内容的数字素养，并对硬件进行初始投资。一个主要的限制是用户需要与已开发内容兼容的硬件。目前，使用深度摄像机是一项挑战;然而，我们相信，由于它们是有用的，而且有越来越多的证据表明它们在该领域的广泛应用，它们将在未来继续得到开发，并更容易获得。

这项研究是有益的，因为它提供了一个结构化的框架，用于开发基于身体活动干预的数字内容，以解决各种心理健康问题。通过利用数字解决方案，我们希望能够降低心理健康问题治疗的总体成本，并且所建议的解决方案能够适用于需要管理心理健康的爆炸式人口，特别是在covid -19大流行后时代。

结论

本研究强调应用游戏化原则开发抑郁症干预游戏的互动体育活动内容。此外，我们还提供了一种结构化的方法来开发与凹陷运动特征(运动学)相关的内容。需要进一步的研究来确定exergame在一系列低到高严重程度的参与者中预防、管理和治疗抑郁症的有效性和用户体验。