多动症儿童虚拟现实干预训练游戏设计研究
论文分类:
方浩1钟楚淇1廖伟希1袁宇峰2甘锋3刘艳4,5
(1.中国地质大学,武汉4300742.江西省儿童医院,南昌3300063.东南大学,南京2141354.江苏省卫生健康发展研究中心,南京2100365.国家卫生健康委计划生育药具不良反应监测中心,南京210000)
【摘要】:目的 探讨注意力障碍(ADHD)儿童的认知行为模式,设计和开发一种VR干预训练游戏,为ADHD儿童提供虚拟现实环境下的行为训练场景。方法 采用Unity3D为主要开发引擎,基于Stroop、Simon、停止信号、Go/Nogo、抑制冲突任务范式的游戏机制,实现趁机式人机交互,将抑制控制认知干预和运动干预在虚拟现实平台结合,形成综合训练系统,选取7名ADHD儿童和3名正常儿童进行游戏软件可用性测试。结果 (1)可用性测试显示,所有参与游戏的被试都能理解游戏规则并且游戏的平均成功率达到80%上,证实了干预游戏的可用性。(2)运动量测试结果显示,所有儿童在完成任务时的平均心率均能达到中等运动水平,满足训练要求。结论 虚拟现实环境下干预训练游戏对ADHD儿童多动症能起到较好干预效果,用户体验达到满意度评级。
【关键词】:人机交互产品设计可用性ADHD抑制控制认知干预VR游戏用户体验
中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1006-8309(2023)02-0001-07
基金:国家卫生健康委计划生育药具不良反应监测中心/江苏省卫生健康发展研究中心开放课题(立项号:JSHD2021042)中国地质大学(武汉)中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(立项号:CUGDCJJ202224)
作者简介:方浩(1975—),男,河南许昌人,博士,教授,研究方向:数字媒体与交互设计
刘艳(1978—),女,辽宁抚顺人,硕士,副研究员,研究方向:妇幼健康促进
注意缺陷多动障碍(Attention Deficit Hyperactivity Disorder, ADHD,简称多动症)是一种常见的儿童精神障碍[1],也是中国儿童和青少年群体中最普遍的精神类疾病[2]。主要表现为注意力障碍、多动冲动。患者如果没得到及时治疗,会影响至终身,并对他们的家庭、学业、职业和社会生活等方面都带来消极影响[3]。虚拟现实技术(VirtualReality, VR)在20世纪80年代由JaronLanier首次提出,指通过计算机生成出一种虚拟环境,结合传感器、多媒体、人机交互等技术模拟出现实中的视、听、触等多种感知觉,让使用者产生身临其境的感觉[4]。
2.1 ADHD治疗现状
儿童多动症的临床治疗手段大致可分为药物治疗和康复训练[6]。现有研究中多数ADHD儿童仍以药物治疗为主,但药物使用往往存在严重的副作用。治疗儿童多动症的主要药物为利他林,托莫西汀等,常见的副作用为食欲下降、睡眠质量下降、头痛,再严重者会出现焦虑、急躁不安等表现,且可能诱发或加重伴抽动症患者的抽动症状,长期使用还存在药物滥用的风险[7]。当前对ADHD儿童的非药物的干预手段以及成为学术界以及临床医学探讨的重要方向。
除上述药物治疗方式以外,许多学者认为结合针对ADHD的心理行为治疗并制定个体化治疗计划,可以获得更佳的治疗效果[8]。ADHD儿童的核心缺陷是执行功能中的抑制控制能力受损,因此从恢复患者受损的抑制控制能力入手,对ADHD儿童的干预治疗具有重要意义[9]。抑制控制的非药物干预手段可分为心理和生理的途径。心理途径主要指基于认知理论的康复训练;生理途径主要通过运动改善生理因素,从而改善抑制控制能力。此外,心理与生理结合的形式也是重要的综合训练方式[10]。目前针对多动症的康复训练方法为综合调理,包括认知行为康复训练、沙盘游戏、家庭治疗、团体辅导、书法绘画治疗、音乐治疗、感觉统合训练、健身运动治疗、计算机训练、虚拟现实系统训练、生物反馈治疗和神经反馈治疗等[11]。
2.2 VR注意力训练游戏的研究进展
ADHD患者具有较为特殊的行为表现,如执行功能低下、注意力涣散、行为冲动和情绪波动大,以及由此带来的社交障碍等[12]。VR技术可以有效结合认知训练与运动训练,并且沉浸式的用户体验可以有效解决ADHD儿童在传统训练中注意力不集中的问题[13]。Rebecca等人利用虚拟现实技术模拟现实中的教室环境,并在虚拟教室中设计任务,来探究ADHD儿童的持续性注意任务(continuous performance task, CPT)完成情况。将16名8~14岁的ADHD儿童与同等年龄的正常儿童对比后发现,相较于正常儿童,ADHD儿童更容易被虚拟教室干扰[14]。在此研究基础上发展而来的VR-CPT任务被认为能够简单检测儿童的认知障碍与ADHD情况。Bioulac等人选择了36名7~10岁的ADHD患者和正常儿童在虚拟课堂中完成VR-CPT任务后同样发现,相较于正常组,ADHD组的任务完成度更低[15]。
采用Unity3D为主要开发引擎,实现沉浸式人机交互,摆脱传统认知训练的媒介屏障,使ADHD儿童在VR环境中完成认知+运动的综合干预训练。最后选取7名确诊为ADHD的儿童被试和3名正常被试进行产品的可用性测试。本次可用性测试的主要指标包含了定性和定量的内容。定性指标包括:a.了解玩家第一次接触本游戏遇到的可用性问题;b.游戏过程中的玩家反馈;c.记录玩家游戏前后在抑制控制测试中的表现情况;定量指标包括:a.记录玩家运动量、游戏得分与游戏时长;b.调研玩家满意度。完成可用性测试后,根据测试结果对设计方案进行改造。
4.1 认知训练任务的设计
(1)基于Stroop范式和Simon范式的游戏机制
左右手柄所对应的触发器模型在除颜色以外完全一致,仅保留颜色差异是因为需要用颜色作为干扰条件,从而达到类似Stroop范式和Simon范式的干扰效果。当玩家判断该出哪只手时,应当以“左”和“右”作为判断依据,而非颜色和方位。当玩家正确触发目标时,获得分数,反之则不得分。该机制训练玩家的干扰反应抑制能力,需要高频率触发,预设每分钟完成25-30次。
(2)基于停止信号任务的游戏机制
在游戏进行过程中,设置“停止行动”的时间段,这个时间段的出现由一个特殊的“停止信号”告知,可以是视觉、听觉或者综合形式的信号。当这个信号出现时,玩家需要停止当前行为,否则会受到减分处理。停止信号消失表示玩家可以继续行动。该机制训练玩家的持续反应抑制能力,预设每30秒出现一次。
(3)基于GO/NOGO范式的游戏机制
在游戏元素中设置一般对象为“go”信号,这类信号是可以触发的,而对应设置的“nogo”信号,是需要玩家避免接触的,当玩家接触“nogo”对象时会适当获得减分处理。该机制训练玩家的优势反应抑制能力,可与第一项任务形成混合训练机制,预设每分钟完成25-30次。
(4)基于抑制冲突任务的游戏机制
玩家在进行一段时间段练习后,系统将颠倒第一项机制的判定模式,例如交换左右手的判定逻辑,将左右手对应正确的触发条件互换(如图1),也就是说玩家需要打破之前练习时形成的认知习惯才能正确完成游戏。该机制训练玩家的优势反应抑制能力。
图1 认知行为范式及其对应行为目标
4.2 游戏动作设计
本研究在运动干预方面的主要任务是在VR环境中进行中等强度有氧运动。以美国运动医学会针对健康儿童的有氧运动强度的分级标准为基础[16],结合国内以儿童为研究对象的相关研究结果,确立参加实验儿童有氧运动强度的标准:短时中等强度有氧运动( acute moderate aerobic exercise),是指持续时间为10-60 min、强度为60%-70%最大摄氧量(VO2max)、以增加体内氧气的吸入、输送及利用为主要目的运动[17]。每次被试体验完成后及时采用指夹式脉搏血氧仪YX306测量心率,主要关测量被试运动15分钟和30分钟时的心率[18]。根据上文描述可知,需要被试的心率达到中等运动强度时的心率为最大心率的60%-70%,最大心率为220-年龄。如果心率测量结果与期望值相差较大,则调整游戏参数,包括:发球频率和发射角度范围。经过测试并调整数值,发现当发球间隔在2.5-3秒时,被试的心率几乎都能达到预期值。
由于VR游戏需要通过手柄实现人机交互,定义交互姿态为:步伐移动+挥动手柄接触虚拟物体,玩家在此系统中需要有节奏的挥击触发对应元素,并需要配合小范围跑跳以及身体协调运动。为达到目标,玩家需要不断调整自身位置和姿势(如图2)。
图2 游戏内使用者动作图解
依据国内外以小学生为研究对象的相关研究结果,确立小学生有氧运动强度的标准。为达到运动干预中有氧运动的目的,需要至少训练30分钟。运动强度的标准对于5-12岁左右的儿童来说,中等强度有氧运动的心率范围大约是:130-140次/min。
4.3 行为交互设计
根据上述研究介绍,将认知训练与运动训练结合起来形成综合训练游戏。游戏形式大致模拟VR小型球类游戏,具体游戏规则(如图3)介绍如下:
(1)游戏开始后,玩家前方会有4个点位随机发射一个动态对象,动态对象包括三种元素,即元素A、元素B、元素C。发射角度会随机变动欧拉角,因此发射对象的落点位置会随机分布于玩家最大活动范围内,玩家通过挥动手中的手柄模型击打飞来的对象完成交互,并且由于发射口角度变化,玩家需要移动步伐来接触从各个位置飞来的对象。
(2)元素A和元素B分别都有两种颜色(蓝色、黄色);玩家左右手柄模型外形一致,也分别有两种颜色(蓝色、黄色)。根据前文认知训练内容介绍,玩家需要避免颜色和发射位置的干扰,判断出当前飞来的对象应该用左手或者右手去击打。规定左手击打元素A,右手击打元素B,当正确击打时,游戏得分加十分,击错或未击中则不得分。当飞来的对象时元素C时,玩家不能击打该对象,任意一只手击中,则游戏得分减十分。
(3)游戏进程中每隔30秒会出现一次“停止信号”,即元素D。当元素D出现时,玩家可在游戏界面内看到,并且伴随特殊声音,此时玩家应该停止当前所有行动,直到元素D消失可正常继续游戏。
(4)游戏进行每15分钟,玩家需要交换左右手手柄继续游戏,此时玩家需要改变之前习惯的游戏模式,重新集中注意力完成每次出手。
图3 游戏逻辑与交互姿态示意图
4.4 游戏界面与设计要素
游戏是幼儿喜爱的活动,也是教育幼儿常用的、有效的手段,然而由于幼儿年龄小,自控力差、应急反应慢、因此常在游戏中产生注意不集中,难以理解游戏规则等现象。而体育游戏具有竞争、竞技和趣味性强的特点,有一定的激烈程度和完成难度,儿童参与的欲望一般都比较强烈,这就使得他们在参与地过程中比较容易忘乎所以,会不同程度的产生一些激动的情绪,在加上有允许自由发挥来完成活动的余地,每个儿童的活动过程都不可能相同,所以难以完全预料活动过程中会发生什么事情,因此为了引儿童注意力,需要在主题上选择符合儿童兴趣偏好的内容。
基于此,结合上述医学专家意见,在游戏主题方面选择积极向上的,且目标用户为5-12岁儿童,因此本研究游戏主题设定为《丛林大冒险》,包括色彩明亮的大自然环境和动植物为主要元素(如图4)。
图4 游戏场景示意图
结合儿童色彩心理认知我们了解到,低龄儿童对于黄色、蓝色等饱和度高且较为鲜艳的颜色好感度更高,而对于黑色、红色等暗色系的颜色好感度更低[19]。游戏人物设计中保留了这一偏好设计。具体表现如图5。图5 游戏内动物模型设计示意图
4.5 VR游戏内容设计框架
游戏整体分为关卡选择、初始界面、游戏内容、结束界面四个部分。在关卡选择中,被试可根据自己喜好与需求选择对应的训练游戏内容,并进行规则阅读。在开始训练游戏后进入初始界面。初始界面中首先会出现对应关卡的规则提示,并且设计有公告栏,对被试得分情况与时间进行记录。确认熟悉游戏环境后由玩家自主选择是否开始。开始后进入游戏内容中,按照规则要求开始进行游戏训练。游戏中对于被试每一次任务的完成都会有对应的画面和音效提示。结束训练游戏后自动进入结束界面,在结束界面中对被试得分情况进行汇总。
4.6 VR游戏开发框架设计
(1)Unity3D和C#语言。Unity3D是目前应用最广泛的游戏3D引擎之一。Unity3D也称 Unity, 是一个能够轻松开发如3D游戏、实时三维动画、物体可视化等内容的综合性开发工具,由英国Unity Technologies公司研发。和其它3D引擎相比,Unity3D以易上手、跨平台、成本低等优势而深受开发人员的喜爱。Unity3D 如今的市场地位很大程度上要归功于它的跨平台。开发者只需要一次编码,就可以运行在 Windows、MacOS、Android和iOS等平台,为项目的开发节省了很多时间,也减少了不兼容带来的很多麻烦。此外,Unity3D拥有高效而直接的开发流程和优秀的功能支持集。完善的图形化界面、高效优良的渲染系统和广泛的插件支持等都使开发工作事半功倍。因此,Unity3D也得到了很多虚拟现实开发者的青睐。目前,该引擎已经大量应用于游戏、动漫、电影和虚拟现实相结合的领域。
C#是由微软开发的,属于所谓的面向对象编程语言。即使Unity已经为许多标准任务提供了现成的组件,但实际的、独立的游戏逻辑仍然必须由开发者自己编写。在Unity中,这是通过脚本完成的,独立的文本文件被程序(称为编译器)翻译成命令,当游戏被创造时计算机便能够理解这些命令。脚本的行为通常类似于Unity中的组件,并相应地附加到游戏对象中。
(2)SteamVR与VRTK。VR开发和传统的开发在流程方面大同小异,传统的应用只要稍作调整,就很容易修改出一款VR应用。但是这个修改不是简单地将传统应用分屏输出就完了,还是需要重新设计。两者的主要区别在以下几个方面:首先是观察方式不同。传统应用都是屏幕应用,应用的内容呈现在一个固定大小的屏幕上,用户被动地接受摄像机所拍到并且呈现出来的内容。在VR应用里,用户是主动地用自己的双眼去探索世界,摄像机的地位已经没那么重要了。其次是操作方式不同。传统的操作方式可以看到输入设备,或者留有输入的区域,VR环境下,用户是无法看到输入的设备。除此之外,对硬件性能的要求不同。大部分VR应用至少要达到90Hz的刷新率,否则会出现明显的画面卡顿,引起用户的晕眩,可能导致糟糕的体验。VR开发和传统的开发相比,需要添加新的VR接口和插件来适应上述新的要求。本系统是连接HTC VIVE Cosmos设备的,故需要增加与之兼容的SteamVR和VRTK插件工具包。
SteamVR是Value公司旗下的VR应用的平台。在VR应用开发过程中,需要提前下载SteamVR插件。这个插件可以在 Unity3D中的Asset Store里免费下载,包含了一些已经写好的场景、脚本、shader、预制体、材质等,帮助开发者实现诸如管理所有设备的输入控制,控制眼图像的渲染,屏幕渐变功能,渲染手柄模型等功能。图6 VRTK改装CameraRig
VRTK插件是一款高效精简的VR开发工具包,封装了VR交互的众多模块。利用它,开发人员可以便捷快速地开发VR应用。同样可以在 Unity3D中的AssetStore里免费下载此插件。工具包主要包含预设、脚本和案例等,可以实现诸如用户传送机制,用控制抓取或者握住对象,通过控制器和对象交互等功能(见图6)。
(1)可用性分析。本次可用性测试结果较为理想,所有参与者在初次体验本游戏时,都能完整完成整个游戏过程,其中大部分参与儿童对游戏形式、主题以及玩法理解无误。因此,参与本次测试的10名儿童的体验数据都纳入到可用性结果分析。
为达到认知训练目的,首先需要用户理解游戏的4个主要规则(见图7)。10名儿童在经过一开始的游戏教学环节后都基本理解游戏规则,在实际进行游戏环节中,10名儿童表现具有差异。对于3名正常儿童而言,4种游戏机制基本都能完成80%以上的成功率;对于达到多动症标准和具有多动症倾向的儿童来说,在规则1上的成功率低于50%,说明其在Stroop/Simon变式任务上表现较差;在规则2、3上成功率基本在80%以上,说明其在Go/Nogo任务和停止信号任务上表现较好,仅有1名达到多动症标准儿童始终无法在停止信号任务上抑制冲动。在规则4上,几乎所有用户在适应一段时间后表现稳定。
对比参与者游戏成功率我们发现,正常儿童与ADHD儿童的成功率存在显著差异。这证明了该训练游戏能够反应出ADHD儿童特定的行为缺陷,在后续的实际运用中能够帮助医护人员对ADHD儿童制定出更具针对性的治疗方案。图7 可用性测试流程
(2)运动量分析。为达到运动训练目的,需要用户在规定的30分钟游戏时间内达到目标运动量,即中等强度有氧运动。经过对10名儿童在游戏15分钟、30分钟的两次心率测试,发现个别儿童未能达到目标运动量,在经过调试游戏数值(主要是发射频率时间和发射角度范围)控制用户在游戏中的运动强度。最终发现当发射间隔在2.5-3秒、发射角度范围在正负6度以内时,基本都能达到中等运动强度的心率区间(70%-80%)(见表1)。但是对于个体而言还是存在差异,例如运动基础好的儿童在游戏中的表现较为稳定,而运动基础或者身体条件较弱的儿童在游戏后半段表现较吃力。表1 调整前后测试者心率区间对比。角度与频率ADHD儿童正常儿童3-4s/±5°66%60%2.5-3s/±6°78%75%
本研究是以探索多动症儿童的VR运动游戏设计为目的,以抑制控制相关理论范式为指导,对多动症儿童康复训练进行了文献调查和市场调研,阐述了多动症儿童发展及治疗手段现状,特别对多动症的认知训练、运动康复训练等进行深入探讨。同时,基于抑制控制的三类范式的定义及应用进行详细综述,结合多动症儿童特点与交互设计再就进行虚拟现实游戏设计的研究概述。研究基于需求分析和专家访谈,探索出一套适合VR抑制控制运动游戏的设计策略,从而制定游戏机制、游戏方案和游戏主题。利用HTC VIVE、Unity3D、SteamVR等相关软硬件实现游戏的设计与开发,通过可用性测试、访谈等方式提取需求点进行迭代与完善。本研究通过筛选具有多动症倾向的儿童参与体验,总结了几点游戏设计结论:首先,卡通风格森林主题游戏对参与测试的儿童具有足够的吸引力,但是30分钟不变换场景对于部分用户来说会比较无聊,应该适当拓展游戏场景以及其他丰富类型的游戏元素。其次,游戏难度应该随用户得分情况上调或下调,可以通过游戏算法实现。当发射间隔在2.5秒左右时,大部分参与测试的儿童能达到中等强度运动,但运动量与儿童本身的身体条件(如:身高体重、运动基础等)有关,因此还需要对游戏进行难度细分。基于VR的抑制控制运动游戏具有沉浸性、趣味性、有效性的明显优势,既可以从触觉功能、视觉功能和听觉功能实现多动症儿童抑制控制能力的提升,又可以帮助多动症儿童得到趣味性的运动锻炼,为国内多动症儿童虚拟现实运动康复的发展助力。
在多动症干预实践方面,本研究通过设计创新丰富ADHD康复训练手段,设计具有沉浸式体验、多感知性、交互性、自主性并且视觉内容丰富有趣的游戏训练系统,为多动症儿童提供高度沉浸感的游戏环境,吸引接受训练的儿童发挥其主动性和参与积极性,从而可提升康复训练效率。新颖有趣的的训练系统可以改善当前传统计算机训练系统枯燥无趣的现状,能有效解决传统多动症康复训练,主要是针对注意缺陷、多动与冲动行为的直接训练,操作难度大,患儿难以配合,训练效果有限等问题,有助于医疗专家和家长对多动症儿童开展长期训练工作。
在游戏设计方面,研究一种提升ADHD抑制控制能力的综合训练系统,为当今市面上的游戏设计者提供新的思路,纯娱乐化的游戏应该向有意义的游戏过度,如益智游戏、严肃游戏、运动健身游戏等。若本研究方案可行,对于注意力训练游戏来说,未来可以迁移到更广的群体。
限于各种主客观因素,本研究尚存在以下不足,仍须进一步探讨研究:(1)设备方面,如需将虚拟现实技术在ADHD康复训练中的应用进行产业化发展,则需要便捷、新型的设备。另外,本研究仅适用便携心率仪测量儿童运动量,今后任务设计可以结合无线的体感检测仪器或脑电检测仪器,多动症儿童可以在体感摄像类仪器前通过肢体动作完成训练任务,通过便携的脑电检测仪器集中注意来完成训练任务。(2)被试方面,在可用性测试方面只选取了10名儿童,样本的覆盖面不够广泛,在今后的研究中需要进一步扩大样本量对不同多动症水平的儿童进行验证。(3)训练时间方面。对儿童的测试次数较少,只进行了2-3次测试。在今后的研究中,可以适当延长训练时间,增加训练的次数,考察三种反应抑制训练研究方案长期训练的效果。此外,在此基础上,康复训练可能使儿童因为反复练习而失去兴趣,可以通过调整训练的内容和形式维持儿童的注意力和参与动机,实现进一步完善。
国内学者认为,当前临床ADHD的诊断过于依赖医生的主观经验[20],未来依托虚拟现实技术,结合VR眼动与脑电相关数据,搭建ADHD诊断干预一体化平台。本文通过对多动症儿童的发病原因及训练方法的研究,设计了虚拟现实抑制控制运动游戏设计方案,相比目前市面上的药物治疗及康复训练产品,具有更为丰富的内容和更明显的治疗效果,也提供了新的康复思路。虚拟现实运动游戏康复作为ADHD儿童康复治疗的一部分具有巨大前景,运动、游戏、科技不再作为一个单独的类别而独立存在,跨学科的设计研究是未来社会发展的主旋律。
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