Design and Implementation of Serious Games for Dementia Prevention and Brain Training

치매 예방과 두뇌 훈련을 위한 기능성 게임 설계 및 구현

Abstract

As the world's population ages, the incidence of dementia is increasing, and the psychological and economic burden on patients and their families is becoming a major social issue. As a result, various solutions are being sought to prevent dementia. In this study, we designed and implemented a serious game consisting of three types of mini-games aimed at effective dementia prevention, and improved the limitations of existing dementia prevention serious games as follows. Firstly, by implementing the game in a 3D environment, we were able to provide users with an enhanced play environment and experience. Secondly, by implementing three different mini-games to choose from, we were able to provide users with a variety of fun and experiences, as well as a variety of brain training. Third, by providing game content that can train not only spatial or visual cognitive abilities, but also visual and auditory cognitive abilities in combination, we have improved the efficacy of improving users' cognitive ability and memory. Fourth, we made it more accessible to users by supporting cross-platform play on PC or mobile devices.

전 세계적으로 인구 고령화가 가속됨에 따라 치매 발병율 증가로 인해 치매로 인한 환자 및 가족의 심리적, 경제적 부담 등이 사회적 이슈로 대두되고 있다. 이에 따라 치매 예방을 위한 다양한 해결 방안이 요구되고 있다. 본 연구에서는 효과적인 치매 예방을 목표로 세 가지 유형의 미니 게임들로 구성된 기능성 게임을 설계, 구현함으로써 기존 치매 예방 기능성 게임의 한계를 다음과 같이 개선하였다. 첫째, 3D 환경의 게임을 구현함으로써 사용자에게 한 차원 확장된 플레이 환경과 경험을 제공하였다. 둘째, 3종의 미니 게임들을 선택하여 플레이할 수 있도록 구현함으로써 사용자에게 다채로운 재미와 경험을 제공함과 동시에 다양한 두뇌 훈련이 가능하도록 하였다. 셋째, 공간이나 시각적 인지 능력 훈련 뿐만 아니라, 시각적, 청각적 인지 능력을 복합적으로 훈련할 수 있는 게임 컨텐츠를 제공함으로써 사용자의 인지 능력 및 기억력 증진을 위한 효능성을 향상시켰다. 넷째, PC나 모바일 기기에서 플레이 가능한 크로스 플랫폼을 지원함으로써 사용자의 접근성을 향상시켰다.

Ⅰ. 서론

전 세계적으로 인구 고령화가 가속화되고 있으며, 우리나라도 노인 인구가 급격히 증가하면서 이미 고령 사회에 접어들었다. 국제연합(UN)에서는 전체 인구에서 65세 이상 노인 인구가 차지하는 비율이 20% 이상이면 초고령 사회로 보고 있으며^[1], 우리나라는 2025년 노인 인구 비율이 20.6%에 달하는 초고령 사회로 진입할 것으로 예상된다^[2]. 이에 따라 치매 환자의 규모 또한 급증하고 있는 추세이다. 우리나라 치매 환자는 2021년 기준 65세 이상 노인인구 대비 10.4%이고,전국 65세 이상 추정 치매 환자 수는 약 88만 명, 추정 치매 유병률은 10.33%에 이른다^[3]. 또한, 노인성 치매 발병 연령보다 젊은 나이, 즉 65세 미만에 발병하는 치매를 초로기 치매(YOD)라 하며^[4], 이 역시 환자 수가 급증하고 있다. 치매 발병율이 급증함에 따라 치매로 인한 환자 및 가족의 심리적, 경제적 부담과 정부 및 지역사회의 비용 증가가 사회적 이슈로 대두되고 있다^[5],[6]. 이에 따라 치매 예방을 위한 다양한 해결 방안이 요구되고 있다.

치매 예방 프로그램에는 색채놀이 프로그램^[7], 인지행동 프로그램^[8], 신체활동 프로그램^[9], 음악치료 프로그램^[10] 등이 있다. 그러나, 현재 이러한 치매 예방 프로그램들을 융복합적으로 활용하여 구현한 기능성 게임은 부족한 실정이며, 주로 한 종류의 게임 컨텐츠만 제공하고 있어 게임의 효능성이나 다양성에 있어 한계점이 존재한다.

본 연구에서는 효과적인 치매 예방을 위해 기존 치매 예방 기능성 게임과 차별화하여 다양한 유형의 미니 게임들로 구성된 치매 예방 및 두뇌 훈련을 위한 기능성 게임을 설계하여 구현하는 것을 목적으로 한다. 특히, 시각과 청각 등을 복합적으로 자극하여 두뇌 기능 중 기억력과 인지력 향상에 중점을 두어 게임을 개발하는 것을 목표로 한다. 제안한 기능성 게임을 통해 지속적으로 두뇌 건강을 유지할 수 있게 함으로써 치매 예방 및 두뇌 기능 향상에 도움이 되고자 한다.

Ⅱ. 관련 연구

1. 인지 능력과 게임의 연관성

노화에 의해 인간의 인지 기능이 점차 저하됨에 따라 치매 발병률이 높아지고 있다. 이에 따라 치매에 대한 가장 대표적인 예방이나 조기 치료법으로 인지 능력 훈련법이 대두되고 있으며, 비디오 게임을 이용한 인지 능력 훈련이 점차 활성화되고 있다^[11].

라프 코스터(2014)에 의하면, 혼돈 속에서 패턴을 발견하는 것을 즐기고, 새로운 패턴을 풀고 재미를 느끼는 인간의 두뇌 메커니즘 덕분에 진화 과정에서 인간이 복잡한 문제를 해결할 수 있는 인지 능력을 습득하게 되었다고 한다^[12]. 특히, 게임은 우리 두뇌가 풀기 좋아하는 패턴을 제공하는 데 최적화되어 있어 게임에서 느끼는 재미는 두뇌의 인지 능력과 깊은 연관성을 갖고 있다^[13].

미국 의사협회 저널 JAMA Network Open에 게재된 연구 논문에 따르면, 하루 3시간 이상 비디오 게임을 한 어린이들이 비디오 게임을 한 번도 해본 적 없는 어린이들에 비해 충돌 조절과 작업 기억과 관련된 인지 능력 테스트에서 더 나은 성과가 나타났다고 보고하였다^[14].

2. 기능성 게임(Serious Game)

기능성 게임은 재미 요소를 활용하여 특정 목표를 달성할 수 있도록 설계된 게임을 말하며, 교육 장려, 건강 관리, 사회 문제 해결 등에 활용되고 있다^[15]. Zyda(2005)는 기능성 게임 응용 분야로서 공공 정책, 국방 및 훈련, 의료 및 건강 관리, 교육 분야 등으로 구분하여 제시하였다^[16]. 한편, Michael and Chen(2006)은 기능성 게임을 군사용, 정부용, 교육용, 기업용, 의료용, 예술용 게임 등의 목적으로 유형화하였다^[17]. 광의의 개념에서 기능성 게임은 “기능적인” 측면과 “게임성”을 강조하나, 협의의 개념에서는 정신적 측면에서 인식의 전환을 통해 행동 변화를 도모하기 위한 “목적성”이 핵심이 되어야 할 것이다^[18].

국내외 기능성 게임 사례로 닌텐도의 “매일매일 Nintendo Switch 두뇌 트레이닝”과 오즈랩의 “두더지” 등을 손꼽을 수 있다. 일본 닌텐도에서 개발한 “매일매일 Nintendo Switch 두뇌 트레이닝”은 다양한 훈련을 통해 뇌를 단련하고, 처리 속도, 단리 기억력, 억제력을 평가하여 종합적인 뇌 연령을 체크하는 게임이다^[19]. 국내 오즈랩에서 개발한 “두더지”는 치매 체크와 예방을 목적으로 하는 기능성 게임으로, TYM(Test of Your Memory)을 통해 사용자의 치매 정도를 확인해 볼 수 있는 것이 특징이다^[20].

기능성 게임을 활용한 치매 예방 콘텐츠 설계에는 일반적인 디지털 콘텐츠 설계 요소에 더해 이용자 특성을 잘 반영해야 한다. 기능성 게임으로 훈련하고자 하는 인지 능력을 자극하는 것이 기본이 되어야 하지만, 직관적이고 단순한 구성, 화면의 대비와 가독성, 육체적 노력의 최소화 등이 더욱 중요하게 고려되어야 한다^[21]. 특히, 손안에 들어오는 스마트폰보다 더 큰 디바이스의 경우 터치 영역 설계 및 인식 또한 고려해야 할 요소이다^[22].

그림 1. 국내외 기능성 게임 사례

Fig. 1. Examples of Serious Games at Home and Abroad

3. 칠교놀이(Tangram Puzzle)

칠교놀이는 그림 2와 같이 정사각형 보드를 다양한 크기의 조각(삼각형 5개, 마름모꼴 1개, 평행사변형 1개)으로 잘라 만든 중국식 퍼즐로서, 7개의 조각을 조합하여 다양한 도형을 만들 수 있다^[23].

그림 2. 일곱 조각 칠교놀이

Fig. 2. Tangram Consisting of 7 Pieces

김상윤(2006)의 연구에서 칠교놀이는 노인들의 흥미를 유발하여 집중력을 요구하는 조작기구로서 손의 감각을 통해 인지적 활동을 익히는 과정을 통해 결과적으로 도형에 관련된 지각력, 기억력, 추리력을 길러 그들의 종합적인 인지 양식을 개발하는 데 효과적임을 제시하였다^[24].

Ⅲ. 기능성 게임 설계

1. 씬(Scene) 구성

본 연구에서 제안한 기능성 게임은 다양한 두뇌 훈련과 사용자 경험을 제공하기 위해 3종의 미니 게임으로 구성된 컨텐츠를 설계하였다. 이를 위해 타이틀 씬 1개, 경로추적 게임은 난도별로 3개의 씬, 블록조합 게임 난도별로 2개의 씬, 그리고 악기퀴즈 게임은 1개의 씬으로 하여 총 7개의 씬을 각각 디자인하여 통합하였다. 최초 실행되는 타이틀 씬에서는 각각의 미니 게임에 해당하는 경로추적, 블록조합, 악기퀴즈 게임을 사용자가 선택하여 플레이할 수 있도록 메뉴를 구성하였다. 또한, 경로추적이나 블록조합 게임의 경우, 스테이지 선택 화면을 활성화하여 사용자가 원하는 난도를 선택하여 플레이할 수 있도록 구현하였다.

게임 실행 초반 흐름 개요를 순서도로 나타내면, 그림 3과 같다.

그림 3. 게임 실행 초반 흐름도

Fig. 3. Early Game Flowchart

2. 게임 규칙

가. 경로추적 게임

그림 4. 경로추적 게임의 출제 방식

Fig. 4. How to Present a Question in the Pathfinding Game

임의의 경로로 이동하여 목적지에 도착하는 반려견의 움직임을 사용자에게 보여줌으로써 문제를 낸다. 목적지에 도착한 반려견은 게임 화면에서 사라지므로, 사용자는 반려견의 이동 경로를 잘 기억해두어야 한다. 이후 사용자는 플레이어 캐릭터를 직접 조작하여 반려견의 이동경로를 회상하여 동일한 경로를 따라 최종 목적지에 도착해야 성공한다.

나. 블록조합 게임

사용자는 다양한 모양의 주어진 3D 블록들을 선택, 조작하여 3분이라는 제한 시간 내에 오목한 사각 형태의 보드 내부에 모든 블록들을 끼워 넣어 꽉 채워야 성공한다.

그림 5. 블록조합 게임의 플레이 방식

Fig. 5. How to Play the Block Combination Game

다. 악기퀴즈 게임

사용자는 랜덤한 순서대로 재생되는 악기 연주음을 듣고, 그 음향에 맞는 악기를 순차적으로 하나씩 선택하여 연주 순서를 맞춰야 성공한다. 총 5개의 난도가 존재하며, 난도가 올라갈 때마다 문제로 재생되는 악기 연주음의 수가 하나씩 증가하게 된다.

3. 레벨 디자인(Level Design)

첫째, 경로추적 게임은 지남력(指南力) 장애로 인해 치매 환자가 주변 환경이나 방향을 인지하는 능력을 상실하여 길을 잃어버릴 우려가 있다는 점을 고려하여 숲을 배경으로 여러 갈림길로 구성된 맵을 디자인하였다.

둘째, 블록조합 게임은 도형에 대한 지각력, 기억력, 추리력을 키움과 동시에 도형을 조작하는 인지적 활동과정을 통해 사용자의 인지 기능을 활성화하는 데 효과적인 칠교놀이를 모티브로 디자인 컨셉을 설정하였다. 블록을 끼워 넣을 수 있는 오목한 사각 형태의 보드(board)를 테이블의 중앙에 배치함으로써 심플하고 직관적인 디자인을 적용하였다.

셋째, 악기퀴즈 게임은 클래식한 분위기의 연주실을 배경으로 피아노, 드럼, 기타, 바이올린, 하프에 해당하는 5개의 3D 모델들을 배치함으로써 현장감과 현실감에 비중을 두어 디자인하였다.

미니 게임별 레벨 디자인 예시는 표 1과 같다.

표 1. 미니 게임별 레벨 디자인 예시

Table 1. Level Design Examples for Each Mini-game

4. 조작 방식 설계

본 연구에서 제안한 기능성 게임은 PC뿐만 아니라, 모바일 기기에서도 플레이할 수 있도록 유니티 게임 엔진이 가진 장점을 활용하여 크로스 플랫폼으로 구현하였다^[25]. 이에 따라 모바일 기기 조작의 편의성을 고려하여 간편한 조작이 가능하도록 설계하였다. 경로추적이나 악기퀴즈 게임의 경우, PC에서는 마우스 클릭, 모바일 기기에서는 손가락 탭(tap)을 통해 캐릭터를 이동시키거나 악기를 선택할 수 있다. 한편, 블록조합 게임에서는 블록 이동이나 회전과 같은 조작이 필요하기 때문에 표 2와 같은 조작 방식을 적용하였다.

표 2. 블록조합 게임의 블록 조작 방식

Table 2. Block Control Method in the Block Combination Game

Ⅳ. 기능성 게임 구현

본 연구에서 제안한 치매 예방 및 두뇌 훈련 기능성 게임은 Window 11이 탑재된 데스크톱 플랫폼에서 유니티 에디터 2023.1.14f1 버전을 이용하여 구현하였다.

1. 3D 모델 구현

경로추적과 악기퀴즈 게임에 사용되는 3D 모델은 유니티 에셋 스토어(asset store)에서 다운로드 받아 임포팅(importing)하여 표 3에 제시한 주요 게임 오브젝트를 구현하는 데 활용하였다.

표 3. 악기퀴즈 게임에 사용된 3D 모델들

Table 3. 3D Models Used in the Instrument Quiz Game

블록조합 게임에서 사용되는 다양한 모양의 3D 블록들은 유니티에서 제공하는 기본 오브젝트인 큐브(cube)를 조합하여 그림 6과 같이 다섯 가지 종류의 3D 블록 조각을 구현하였다.

그림 6. 다양한 모양의 3D 블록 조각

Fig. 6. 3D Block Pieces of Various Shapes

2. UI(User Interface) 구현

게임을 실행했을 때, 최초로 로딩되는 타이틀 화면 UI는 그림 7과 같이 구현하였다. 미니 게임별 버튼을 눌러 게임을 시작할 수 있고, 종료하기 버튼을 눌러 게임을 종료할 수 있도록 버튼 기능을 구현하였다.

그림 7. 타이틀 화면 UI

Fig. 7. UI on the Title Screen

블록조합 게임 화면 UI는 그림 8과 같으며, 화면 우측 상단에 타이머를 배치하였다. 이를 통해 사용자가 현재 남아있는 제한 시간을 확인할 수 있다. 타이머 우측에는 톱니바퀴 모양의 설정 버튼을 배치하였다. 사용자가 설정 버튼을 누르면, 그림 8의 중앙에 표시된 3개의 버튼들이 화면에 활성화되며, 각 버튼을 통해 이어하기, 재시작, 나가기 중 하나를 선택할 수 있도록 구현하였다. 또한, 모바일 사용자 편의를 위해 블록 뒤집기, 우회전, 좌회전 버튼을 화면 좌측에 추가하여 사용자가 오른손으로 블록을 드래그하는 중에도 왼손으로는 버튼 탭 조작을 통해 블록을 자유롭게 회전할 수 있도록 구현하였다.

그림 8. 블록조합 게임 화면 UI

Fig. 8. UI on the Block Combination Game Screen

3. 스크립트 구현

악기퀴즈 게임은 다음 스테이지로 넘어감에 따라 난도를 올리기 위해 각 스테이지에서는 해당 스테이지 넘버와 동일한 수의 악기 연주음을 재생하여 문제를 내도록 구현하였다. 또한, 사용자에게 문제를 낼 때에는 게임의 효능성을 고려하여 피아노, 드럼, 기타, 바이올린, 하프 중 랜덤하게 악기를 선택하여 연주음을 재생하도록 구현하였다. 사용자는 출제 시 연주음이 재생된 순서대로 해당 악기를 하나씩 선택하여 모두 맞히면 성공하고, 그렇지 않으면 실패하게 된다.

표 4. 게임 난도별 랜덤 악기 연주음 재생 알고리즘

Table 4. Algorithm for Playing Random Instrumental Sounds Based on Game Difficulty

Ⅴ. 결론

우리 사회가 점차 고령화 됨에 따라 치매 발병률이 급증하면서 치매 문제가 사회적 이슈로 부각되고 있다. 본 연구는 치매 예방 프로젝트 수행 성과물로 치매 예방 및 두뇌 훈련 기능성 게임을 기획하여 구현한 것이다.

본 연구를 통해 구현한 치매 예방 두뇌 훈련 기능성 게임은 다음과 같은 차별화된 요소를 두어 기존 기능성 게임의 한계를 개선하였다. 첫째, 기존에 주류를 이루고 있는 2D가 아닌 3D로 게임을 구현함으로써 사용자에게 한 차원 확장된 플레이 환경을 제공하였다. 둘째, 한 가지 게임에 국한되지 않고 세 종류로 구성된 색다른 미니 게임들을 선택하여 플레이할 수 있도록 구현함으로써 사용자에게 다채로운 재미와 체험을 제공함과 동시에 다양한 두뇌 훈련이 가능하도록 하였다. 셋째, 공간이나 시각적 인지 능력 훈련뿐만 아니라, 시각적, 청각적 인지 능력을 복합적으로 훈련할 수 있는 게임 컨텐츠를 제공함으로써 사용자의 인지 기능 및 기억력 증진을 위한 효능성을 향상시켰다. 넷째, PC나 모바일 기기에서 모두 플레이 가능한 크로스 플랫폼을 지원함으로써 사용자의 접근성을 향상시켰다.

향후 연구개발 계획으로는 사용자의 게임 플레이 결과 데이터를 바탕으로 치매 위험도를 진단할 수 있는 도구를 개발하여 치매 위험도 진단 기능을 추가하는 것이 될 것이다.