A Serious Game to Self-Regulate Heart Rate - ProQuest

• 2023, 인용수 2회

🤔**개인적인 궁금함, 느낀점** - cardiac chest band 신기하다. 나도 해보고 싶다. - HRV를 조절하기 위해 여러 전략(호흡, 숨 참기,침 삼키기*) 등을 사용한 것이 신기했다. - 실험군의 결과에서 RR mean과 RMSSD 값이 Baseline보다 낮아진 이유가 완전히 설명되지 않았는데, 이 감소가 실제로 효과적인 조절을 나타내는 지표인지, 아니면 피로와 같은 외부 요인의 결과인지 더 명확한 연구가 필요하지 않을까?

빨간색 - 문제점, 의문을 가지는 거
노란색 - 중요한 거
파란색 - 활용할 수 있는 거.

→ 이번에는 연휴라 꼼꼼하게 읽어봤다…ㅎ

Abstract

Background:

Heart rate variability biofeedback (HRVB) is an established intervention for increasing heart rate variability (HRV) in the clinical context. Using this technique, participants become aware of their HRV through real-time feedback and can self-regulate it.

→ Heart rate variability biofeedback 기술을 이용하면 참가자는 real-time feedback을 통해 자신의 HRV를 인식하고 스스로 조절할 수 있다.

Objective:

1. to develop a serious game that applies the HRVB technique to teach participants to self-regulate HRV
2. to test the app with participants in a pilot study.

Methods:

HRVB를 조절하는 FitLab Game을 개발한다. 장애물을 피하면서 캐릭터를 위아래로 움직여야 하는데, 제어는 심박 변이로 한다. 16명의 참가자(평균 23, 표준편차 0.69)가 8명씩 집단간 실험을 통해 실험했다. 각 세션에서는 2 × 2 factorial design 을 사용하였다. 실험 조건에 참여한 참가자는 호흡 기술에 대한 훈련을 받았다.

Result:

significant changes in the average RR intervals and root mean square of differences between adjacent RR intervals (RMSSD) were found between the groups (P=.02 and P=.04, respectively).

→ 게임 플레이를 통해 자신이 HRV를 조절하는 능력이 나아졌다.

Conclusions:

• playing different levels leads to an improvement in the game’s final score by repeated training
  → 다른 레벨의 반복 트레이닝으로 게임의 점수가 향상됨
• learning simple, voluntary strategies through a serious game can aid the improvement of self-control and arousal management.
  → learning simple, voluntary strategies 자기 통제와 arousal 조절을 향상하는데 도움이 됨.
• The FitLab Game appears to be a promising serious game owing to its ease of use, high engagement, and enjoyability provided by the instantaneous feedback.
  → 사용하기 쉽고, 참여도가 높고, 즉각적인 피드백을 통해 즐거움을 얻을 수 있음.

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Introduction

Background

• Heart rate variability (HRV)는 연속적인 심박 사이의 시간적 변동(RR 간격)을 나타내며, 밀리초(ms) 단위로 측정됨.
  • 높은 HRV는 심혈관 질환 감소, 급성 스트레스 완화를 통한 부정적 감정 감소, 환경 변화에 대한 유연하고 적응적인 대응 능력 향상, 전반적인 신체 건강 개선에 도움이 됨.
• HRV biofeedback (HRVB)는 실시간 피드백으로 조절할 수 있게 도와주는 기술로 불안과 우울증 치료에 효과적
  • respiratory sinus arrhythmia에 효과적, 숨 쉴때 심박수 증가, 숨 내실때 심박수 감소 → 호흡 패턴이 중요한 영향을 미친다.
  • 몸과 마음을 연결, 학습과 자기 통제를 용이하게 한다.
• HRVB 쉽고, 비용 대비 효과가 좋음. → mobile health devices 접근성이 좋음. 게임의 형태, 학습의 전이와 동기부여에 효과적.

  • 게임을 활용하면 몰입을 통해 promoting a flow state함.

  • serious games은 학생을 능동적으로 바꿔줌.

    Serious game

    즐거움을 목표로 하지 않고, 특정 주제에 대한 훈련 및 정보 제공, health domains에 많이 사용

Objectives

(1) to develop a serious game that applies the HRVB technique to teach participants to self-regulate HRV

(2) to test the app with participants in a pilot study.

Methods

This study has two phases: (1) the development of a serious game biofeedback app called the FitLab Game and (2) the testing of the app with participants in a pilot study.

Phase 1: App Development

Visual Environment and Game Explanation

• definition of serious games by Djaouti et al에 따라 신체적 정신적 훈련을 위한 것이며, 대중을 대상으로 함.
• The overall goal of the game is to help the user self-regulate their HRV by providing biofeedback in an attempt to follow or mimic a preset iHR waveform.
• 게임의 아키텍처는 실제 iHR 곡선(RR)을 통합하여 모방하고 다양한 기존 시나리오 레벨에서 다양한 수준의 복잡성에 맞게 조정함
  • 다양화 게임화 기법을 설계에 사용하여 플레이어의 작업 참여도를 높였다.

Menus

• 게임의 메뉴는 가로 모드로 디자인됨. 스페인어로 표시됨

• 앱을 열 때 나타나는 첫 번째 화면은 사용자가 데이터를 입력하는데 사용되는 센서를 선택할 수 있음. (카메라 or HR 밴드)

• 사용자는 게임 옵션을 선택할 수 있음 1)순서대로 난이도 높아짐 2) 원하는대로
  
  Screens

• 3개의 세계가 있고 총 9 레벨, 각 세계에서 각 3개의 시나리오 레벨이 있음.

• To overcome a scenario, the user must move the main character up and down the screen to avoid colliding with obstacles that keep appearing.
  시나리오를 통과하려면 사용자는 계속 나타나는 장애물과 충돌하지 않도록 주인공을 화면 위아래로 움직여야 함.

• 장애물 터치 생명 사라지고, 모든 생명을 잃으면 게임 종료

• The movement of the main character reflects cardiac
  variability and can be controlled by different voluntary strategies such as breathing.
  주인공의 움직임은 HRV으로 조절은 호흡과 같은 자발적 전략으로 제어할 수 있음.

• 각 시나리오의 심박 범위와 장애물은 무작위가 아님. 이전에 기록된 RR 간격에 의해 결정된 특정 파형을 따름.
• 각 시나리오는 실제 RR 시리즈를 변환한 iHR 곡선을 시각화한 것으로, 시나리오별 난이도가 다름.
• 게임을 위해 개발된 알고리즘이 사용자 데이터를 grid로 표현 (가로 1초, 세로 1초 크기로 구성)
• 개인적으로 맞춤형된 사용자별 시나리오는 동기부여를 증가하도록 설계됨.

• 마지막 페이지 → 레벨의 끝에 도달 or 장애물을 건드려 생명을 잃는 경우
• 총 포인트, 모든 참가자의 평균 스트레스 지수와 평균 HR도 표시

App Architecture

Programing Language and Functionalities

• 앱의 아키텍처 1) 게임 2) 앱-디바이스 통신
• 게임은 CSS, JS, HTML로 구현됨.
• 컨테이너는 심박 데이터(iHR)를 입력 방식으로 활용하여 게임 플레이를 가능하게 하고, 모바일 크로스 플랫폼에서 실행할 수 있도록 설계됨.(Android, iOS)
• 가슴 밴드를 차고 iHR signals 을 Bluetooth로 통신함.
  

Phase 2: Pilot Study

Study Sample

A total of 16 participants (9 men and 7 women; mean age 23, 0.69 years) were divided into 2 groups: a control group (4 men and 4 women; mean age 23.25, SD 0.99 years) and an experimental group (5 men and 3 women; mean age 22.75, SD
1.01 years).

Material and Instruments

Control Measures Self-Report

• 세션 참석하기 전 약물(카페인, 정신 자극제), 알코올, 과식, 고강도 활동을 금하도록 권고받음

• 편한 옷

• 참가자 체중 키 입력 → BMI

  Questionnaire of Satisfaction With FitLab Game

(1) usefulness,
(2) ease,
(3) enjoyment of the game,
(4) personal ability,
(5) intention to use,
(6) clarity of the goal of the game,
(7) controllability of the game,
(8) strategic approach,
(9, 10, and 11) flow,
(12) feedback,
(13) educational aspect,
(14 and 15) motivation
(16) design aspects.

Procedure

• HRV 조절 기술이 게임 플레이와 HRV 관리에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해 설계
• 참가자 한 명당 1세션(약 35분)
  • 세션 하루 전에 HRV에 영향을 줄 수 있는 변수(운동, 카페인, 약물, 음식 등)를 통제하기 위한 권장 사항 제공
  • 세션 시작 시, H10 심박 밴드를 착용하고 Control Measures Self-report 설문지 작성
  • 게임 플레이(3)
    • 실험군에는 iHR 및 HRV 조절 기술 설명, 대조군에는 제공하지 않음
      • HRV 증가/ iHR 감소: 긴 호흡, 숨참기
      • HRV 감소/ iHR 증가: 가벼운 과호흡, 근육 운동, 침 삼키기
    1. Baseline Phase: 앱 사용법에 익숙해지기 위해 시간 제한 없이 2개의 레벨 플레이
    2. Practice Phase: 새로운 레벨에서 최대 6분 또는 3개 레벨까지 연습
    3. Test Phase: Baseline Phase와 동일한 2개의 레벨 플레이

Data Analysis

• 통계 분석:
  • 기술 통계: 평균(mean)과 표준편차(SD)로 보고
  • 분석 방법: 2×2 다변량 분산 분석(MANOVA) 및 일반 선형 모델(GLM)을 사용하여 베이스라인(part 1)과 테스트(part 3)의 차이 분석
• 데이터 처리:
  • 베이스라인: Part 1에서 플레이한 2게임의 평균값
  • 테스트: Part 3에서 플레이한 2게임의 평균값
• SPSS(버전 28.0; IBM)로 통계 분석 수행

Results

• 보너스와 플레이타임 표 → 유의미한 변화는 관찰되지 않음
• 두 그룹 모두 Baseline → Test 실험을 하며 보너스와 플레이타임이 증가하는 경향이 있음
  • 플레이타임이 증가 → 장애물을 효과적으로 피해 게임에서 더 오래 살아남았다.

• 설문지는 16 참자가 중 13명이 작성(81%) → 그래도 되나?
• 높은 만족도를 보임. total score of 3.87 (SD 0.42) for the control group and a total score of 4.30 (SD 0.50) for the intervention group.

Change in HRV Parameters

RR mean과 RMSSD에서 유의미한 차이(P=0.02, P=0.04) 발견
다른 변수(SDRR, pNN50, LF, HF)는 유의미하지 않음(P>0.05)

• RR mean : 평균 RR 간격(심박수 변동성의 주요 지표)

  • 실험군은 Baseline에서 높은 RR mean 값을 보였으며, Test 단계에서도 여전히 대조군보다 높음

  • 대조군의 RR mean은 상대적으로 낮고 큰 변화 없음

    ✅ **RR mean가 뭔데?**

  • RR 간격이 길다 → 심박수가 느림(박동 간의 간격이 길어짐)

  • RR 간격이 짧다 → 심박수가 빠름(박동 간의 간격이 짧아짐)

    ⇒ RR mean 값이 높다는 것은 심박수가 느리다는 것을 의미함

    심박수가 느릴수록 심장은 더 효율적으로 작동하며, 이는 부교감신경계(긴장 완화 및 안정 상태 담당)의 활성화를 나타냄 → it..works…

• RMSSD 변화 : 인접한 RR 간격 간 차이의 제곱 평균

  • 실험군은 Baseline에서 RMSSD 값이 더 높았고, Test 단계에서도 여전히 높은 수준 유지

  • 대조군은 RMSSD 변화가 거의 없음

    ✅ **RMSSD 뭔디?**

    Root Mean Square of Successive Differences

  • 연속된 RR 간격(심장 박동 간 시간)의 차이 제곱 평균값을 나타냄

  • HRV의 시간 영역 지표 중 하나로, 특히 부교감신경계의 활동을 반영

    ⇒ RMSSD가 높다는 건 ****부교감신경(긴장 완화 및 안정 상태 담당)이 활성화된 상태를 나타냄

근데 왜 Baseline 값이 더 높은 이유가 뭐지? Test값이 훈련이 더 할 상태일텐데 높아져야 되는 거 아닌가?

• discussion에서 설명할 줄 알았는데 아니였다.
  GPT를 때려본 결과 아래와 같이 설명했다.

1. 훈련 과정에서의 집중과 긴장 증가.

2. 짧은 시간 내 반복 훈련으로 인한 피로.

Discussion

Game and App Performance

• 모든 참가자는 repeated training or habituation을 통해 최종 점수가 개선됨.

• 게임을 반복적으로 하면 성과가 자연스럽게 향상될 수 있음.

• the results showed that the experimental group had a greater improvement in all indicators compared with the control group, even though the differences were not significant.
  → 실험군이 대조군에 비해 더 큰 향상을 보였지만, 통계적 유의미성은 부족
  - 보너스 점수: 실험군 Baseline 대비 평균 4.25점 증가, 대조군은 평균 1.31점 증가
  - 총 플레이 타임: 실험군이 대조군보다 평균 7.6초 더 오래 플레이

  > 실험군에서 적용된 HRV 조절 전략이 플레이 향상을 유도했을 가능성
  하지만 표본 크기 부족과 높은 표준편차로 인해 신중히 해석해야 함.
  > 

• 동기를 위한 gamification techniques

  • having a goal to aim toward, a set of rules to follow, a challenge to complete, and real-time feedback to tell the player how he is doing and how close he is to completing the goal.
  • Bonus points, increasing challenges, and performance graphs.
  • gamification principles relating to the motivation
    1. meaningful purpose, as the goal of the users participating in the study was to learn a technique to improve their health
    2. meaningful choice, as users could control how they achieved their goal of eating the apples on the screen
    3. supporting player archetypes, as in our game, the initial iHR level is individualized based on the user characteristics
    4. feedback, as the user’s actions to control the movement on the screen based on their own cardiac variability affect progress, and it is clearly communicated
    5. visibility, as the amount of progress made in each level (apples, points, and Bonuses achieved) is visible at all times.

• 다양한 상황에서 장기적인 사용 가능, 특정 목표나 상황에 맞는 시나리오에서 플레이 가능

• 반복연습과 학습 진행 추적 가능(보너스, 플레이 시간) → 효과적인 훈련, 동기부여 가능

Participants’ Satisfaction

• Participants expressed an overall positive satisfaction with the FitLab Game, with a greater total score in the intervention group (4.30 out of 5) than in the control group (3.87 out of 5).
• Both groups considered the game to be easy and fun (punctuations >4 for both groups).
• The goal and strategic approach to achieve Bonuses and continue playing
  were clear for both groups, with scores >4.

HRV Analysis and Biofeedback

• 실험군과 대조군 간의 심박 행동의 차이가 관찰됨. HRV 조절 전략을 통해 심박을 제어하고, 이는 성과 향상에 기여했을 가능성이 있음.

• 실험군에서 RR mean 및 RMSSD가 감소했으며, 이는 자율신경계 활동 조절을 통해 각성과 활성화의 조절 능력이 향상되었음을 시사함.

• HRV는 실험군이 배운 기술을 적용하며 reduced vagal activity and cardiac
  variability → 놀이 시 더 많은 주의가 필요했다. 실험군이 더 활동적이었으며, 가르친 내용을 적용하고 있다는 지표임

• 바이오피드백 기반 디지털 게임은 스트레스 감소, 감정 조절, 신체 재활 등에서 효과를 보였으며, 특히 젊은 세대에게 접근성과 매력도가 높음

  • 바이오피드백을 활용한 게임은 감정 조절 기술의 현실 적용과 건강 관련 동기부여 및 장기 참여를 촉진하는 데 강점을 가짐

• 기존 연구는 고정된 호흡속도(4.5~6.5회/분)을 사용하여 HRV의 증가와 이완을 유도함.
  하지만! 본 연구는 HRV의 방법을 가르치는 데 초점
  - 호흡 조절, 숨참기, 근육 운동, 침 삼키기 같은 다양한 기술을 사용

Limitations and Future Directions

1. 표본 크기가 작음

   results show significance in the mean iHR (proportional to the RR mean)
   and RMSSD, they should still be considered preliminary.

2. 참가자들은 게임 중에만 모니터링 되었다.(전, 후 x)

   휴식 상태에서는 측정되지 않았다. 휴식 상태에서는 부교감신경 활성화가 두드러지며, HRV의 자연 상태를 더 명확히 관찰 가능 → 게임 중(active state) 데이터만으로는 자율신경계 전체의 변화나 장기적인 효과를 평가하기 어려움

3. 대상이 healthy university students

   HRV 조절 기술은 건강하고 젊은 인구보다 임상 환자나 노인에서 더 큰 효과를 보이는 경향이 있음.

• In the future,
  • 더 큰 표본 크기를 포함하거나, 임상 인구를 대상으로 연구 진행
  • 새로운 HRV 조절 전략 개발 및 기존 기술 개선
  • 침 삼키기 전략을 포함한 특정 기술의 심화 연구 필요함

Conclusions

• This study developed a serious game, called the FitLab Game, that teaches the user to self-regulate the iHR using cardiac variability biofeedback.
  • ease of use, high engagement, and enjoyability provided by the instantaneous feedback.
• 실험군
  • 여러 전략을 이용하여 improved the self-control of cardiac variability and, in turn, may have enhanced performance.
  • RR mean, RMSSD 는 향상함 → the management of arousal or activation
• HRV 조절의 유용성
  • HRV는 건강 지표로 잘 알려져 있으며, 자기조절 및 이완 기술로 일반 및 임상 인구 모두에게 유용함
  • 충분한 훈련을 통해 이완 기술(일반인, 임상 인구) 또는 활성화 기술(운동선수)로 활용 가능함