ADHD遠(yuǎn)程反饋治療系統(tǒng)的研究

李 科

(電子科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 成都 610054)

面向家庭的遠(yuǎn)程醫(yī)療是一種醫(yī)療服務(wù)的新模式，通過配備合適的醫(yī)療設(shè)備，實現(xiàn)醫(yī)療進入家庭，病人可在家中實施監(jiān)護、診斷、治療、康復(fù)和保健，形成多位一體的新的遠(yuǎn)程醫(yī)療模式[1]。還可以利用家庭給一些特殊的心理和認(rèn)知疾病的患者創(chuàng)造更加平和舒適的環(huán)境，有利于監(jiān)測其相關(guān)生理指標(biāo)和對其治療。

Agent技術(shù)是一種軟件技術(shù)，模擬人類社會的組織形式、協(xié)作關(guān)系、進化機制以及認(rèn)知、思維和解決問題的方式。Agent具備感知能力、主動性和協(xié)作性，具有更強的問題求解能力和自治能力。多Agent系統(tǒng)是由多個可以相互交互的Agent所組成的系統(tǒng)，共同合作完成某個復(fù)雜任務(wù)[2]。疾病診斷和治療是一個復(fù)雜過程，有些病癥單靠一個生理參數(shù)或一位只具有某方面特長的醫(yī)學(xué)專家難以診治，需要結(jié)合多個醫(yī)療參數(shù)或多個專家的交互與協(xié)作，共同完成對復(fù)雜病癥的診斷和治療，因此，多Agent系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較適用于醫(yī)療協(xié)同診斷治療。

注意力缺陷障礙伴多動癥(attention deficit hyperactivity disorder，ADHD)是一種伴隨注意力不集中、多動和沖動的青少年認(rèn)知障礙疾病，不及早治療將出現(xiàn)學(xué)習(xí)障礙和多種行為問題。腦電圖(electroencephalogram，EEG)作為一種無創(chuàng)的、定量的客觀檢測手段，對ADHD提供了很好的診斷和評估手段，經(jīng)常被用作ADHD患者干預(yù)治療后療效的監(jiān)控和神經(jīng)生物反饋治療[3]。

本文設(shè)計一種面向遠(yuǎn)程醫(yī)療的多Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與協(xié)作模型，并用于ADHD的遠(yuǎn)程醫(yī)療評估和反饋治療系統(tǒng)。系統(tǒng)針對ADHD的評估和反饋治療要求，將層次分析法用于多Agent之間的協(xié)同醫(yī)療決策算法，其結(jié)果用于指導(dǎo)腦電反饋儀在家中治療ADHD患者，可實現(xiàn)患者在家中利用遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)有效地評估和反饋治療ADHD疾病的目標(biāo)。

本文介紹基于Multi-Agents的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計，包括系統(tǒng)框架、Agent的結(jié)構(gòu)和基于層次分析法的協(xié)同醫(yī)療行為的決策算法；介紹用于ADHD評估和反饋治療的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的實現(xiàn)。

1 遠(yuǎn)程反饋治療系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架

疾病診斷和評估必須依據(jù)疾病相關(guān)的多項檢查指標(biāo)進行，有時還必須結(jié)合多個醫(yī)生的會診結(jié)果，才能得到相應(yīng)的醫(yī)療決策。本文設(shè)計用于遠(yuǎn)程診療的多Agent系統(tǒng)時，需要與醫(yī)療診治相關(guān)的各個Agent之間相互協(xié)同和服務(wù)，共同完成單個Agent無法勝任的遠(yuǎn)程協(xié)同診療任務(wù)。

該多Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是基于任務(wù)分解和協(xié)同合作策略設(shè)計的[4]。通過分析系統(tǒng)中各任務(wù)的信息資源和角色定位的特點，對Agent進行任務(wù)分配，每個Agent都執(zhí)行一個特定任務(wù)，承擔(dān)一個固定的職責(zé)。特定任務(wù)是一個簡單任務(wù)，不需要承擔(dān)復(fù)雜的計算任務(wù)，但通過并行的多個Agent之間的任務(wù)合作，知識分享，多個Agent集合在一起就可完成疾病診斷或評估的復(fù)雜任務(wù)[5]。

圖1 基于Multi-Agent的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計的Multi-Agent遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)按照Agent的角色定位，Agent可分為患者、醫(yī)生、醫(yī)院、數(shù)據(jù)庫、檢索和監(jiān)控6種，如圖1所示。在整個家庭遠(yuǎn)程疾病監(jiān)控服務(wù)體系中，有社區(qū)醫(yī)學(xué)中心計算機系統(tǒng)，其中包括醫(yī)院Agent、電子病歷數(shù)據(jù)庫，同時還有為其服務(wù)的健康檔案檢索Agent?；颊呒彝ソK端、醫(yī)生終端和管理終端上都有一個Agent平臺，提供一個合適的Agent執(zhí)行環(huán)境。在Agent結(jié)構(gòu)中提供環(huán)境感知、智能推理和任務(wù)分解的技術(shù)，利用Agent的智能性和協(xié)同性，解決原遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)在參數(shù)協(xié)同和綜合決策方面的不足。

1.2 Agent多層結(jié)構(gòu)

Agent必須具備感知能力、主動性和協(xié)作性，具有更強的問題求解能力和自治能力。所以，每個Agent的功能結(jié)構(gòu)可分為控制層、推理層和領(lǐng)域?qū)?層，體系中還具有通訊、人機界面和環(huán)境感知能力[6]。Agent的智能行為通過對計劃選擇、任務(wù)分解和合作的功能完成，其反應(yīng)能力通過感知新數(shù)據(jù)、新環(huán)境、任務(wù)狀態(tài)及對新任務(wù)的理解完成，如圖2所示。

圖2 Agent功能結(jié)構(gòu)

在該Agent結(jié)構(gòu)中，Agent的領(lǐng)域?qū)又饕侵R庫，包括對特定領(lǐng)域的醫(yī)療行為的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。推理層主要通過對知識庫的信息、現(xiàn)有患者信息、既往疾病信息、既往系統(tǒng)反應(yīng)、新環(huán)境參數(shù)等的綜合，再根據(jù)一定的規(guī)則和算法進行計算，得到醫(yī)療決策，并將其分解為新的相關(guān)聯(lián)的任務(wù)和新的數(shù)據(jù)，從而在控制層根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動和事件驅(qū)動技術(shù)，控制系統(tǒng)的智能反應(yīng)和執(zhí)行。

環(huán)境感知模塊主要用于接收從相關(guān)人機交互接收來的原始數(shù)據(jù)，通過加工形成疾病診斷需要的參數(shù)。另外通過與其他Agent的通訊聯(lián)系，得到來自其他Agent收集的環(huán)境信息，特別是通過健康檔案檢索Agent，在社區(qū)醫(yī)院健康檔案數(shù)據(jù)庫中完成對患者既往病歷數(shù)據(jù)的收集，綜合產(chǎn)生用于任務(wù)決策的狀態(tài)信息。之后，再結(jié)合原來規(guī)劃的任務(wù)和承諾表，通過來自知識庫的的規(guī)則和決策算法，推理得到相應(yīng)的醫(yī)療決策，用以驅(qū)動系統(tǒng)行為。

1.3 基于層次分析法的協(xié)同決策算法

多個Agent完成醫(yī)療決策和評估是建立在對多個客觀參數(shù)指標(biāo)的感知基礎(chǔ)上，通過對多個參數(shù)綜合評價得出的。本文采用層次分析法(analytic hierarchy process)對于多參數(shù)多目標(biāo)的任務(wù)進行評估。文獻[7]提出的層次分析法是一種十分有效的定性分析與定量分析有機結(jié)合的方法，其基本思路是決策者通過將復(fù)雜問題分解為若干層次和若干要素在各要素間簡單地進行比較、判斷和計算，以獲得待選方案的權(quán)重，為選擇最優(yōu)方案提供決策依據(jù)。

該算法通過構(gòu)建層次分析模型和構(gòu)造成對比較矩陣完成，在模型中確定目標(biāo)層、指標(biāo)層和方案層，如圖3所示。構(gòu)造成對比較矩陣是通過對上下層間影響程度排序、比較和計算，得出相對重要程度建立判斷矩陣，最終得到方案層優(yōu)劣排序，從而智能化地為系統(tǒng)行為提供科學(xué)決策的依據(jù)。

2 ADHD遠(yuǎn)程評估和反饋治療系統(tǒng)

本文將以上設(shè)計的基于Multi-Agent的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)模型用于針對兒童注意力缺陷伴多動癥(ADHD)的評估和治療。

2.1 ADHD評估與腦電反饋治療

評估ADHD兒童時，最重要的3種方法為會談、量表評估和客觀指標(biāo)檢測。本文對3種醫(yī)學(xué)參數(shù)進行分析，即會談結(jié)論、量表評估結(jié)果和腦電信息進行分析成為針對ADHD評估的主要參數(shù)。

與醫(yī)師的會談一般在醫(yī)院進行，為了分辨兒童是否患有ADHD，需了解有關(guān)兒童的一般事項、學(xué)校生活，以及有關(guān)父母與家庭環(huán)境的內(nèi)容、父母子女間互動情形等多項資料，會談結(jié)論及醫(yī)學(xué)性評估結(jié)果將記錄在電子病歷數(shù)據(jù)庫中。

本文設(shè)計出通過網(wǎng)絡(luò)在家里對患者進行相關(guān)的量表及問卷調(diào)查的客觀的行為評估。使用兒童行為檢核表(child behavior checklist，CBCL)、柯能氏行為量表短版(conner’s parent rating scale-revised，Short Form)及美國簡化康奈爾兒童行為量表(簡稱康氏表)[8]。這些量表除了可協(xié)助診斷，也可作為治療效果的評估依據(jù)，這些工作在家庭熟悉的環(huán)境中完成，可減少外界因素對于評估結(jié)果的干擾。

另外，腦電圖(EEG)的波形、幅值、頻率的周期性和節(jié)律性以及空間域特殊定位等，為ADHD的生物反饋提供了豐富的信息。通過一個便攜式家用腦電采集設(shè)備，獲取實時的腦電信息，并作為ADHD程度評估的參數(shù)。

本文使用的與ADHD生物反饋相關(guān)的腦波是4～8 Hz的θ波和16～21 Hz的β波。通過增強β波，抑制θ波，觀察θ /β比值的變化來反饋調(diào)節(jié)患者注視屏幕動畫的變化；通過訓(xùn)練選擇性強化某一頻率的腦波達(dá)到預(yù)期的目的[8]；通過患者注視動畫的程度決定對其的獎罰，從而達(dá)到治療的目的。

2.2 ADHD評估與腦電反饋治療系統(tǒng)

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在患者家庭系統(tǒng)中增加了一個腦電反饋系統(tǒng)，包括一套腦電采集儀和控制軟件。在系統(tǒng)中還設(shè)計開發(fā)了針對ADHD反饋治療的兒童樂于接受的游戲，在游戲中設(shè)計的通關(guān)過程配合醫(yī)生制定的治療方案和療程安排，還在游戲中設(shè)計獎罰規(guī)則，患者在接受長時間治療訓(xùn)練時，容易保持注意力集中，因而效果也比其他方法好，從而達(dá)到訓(xùn)練集中注意力的目的。

訓(xùn)練過程中將腦電模式反饋與訓(xùn)練任務(wù)配合，可以通過一段時間訓(xùn)練中掌握的自身調(diào)節(jié)改變腦電波形，從而達(dá)到調(diào)節(jié)大腦狀態(tài)的目的。ADHD的評估使用CBCL量表評分、Conners量表評分、康氏表評分及腦電功率θ /β比值4個參數(shù)作為層次分析法中指標(biāo)層評估指標(biāo)，權(quán)重設(shè)計可根據(jù)人群和個體由醫(yī)生進行設(shè)置，如圖3所示。

圖3 用于ADHD評估的層次分析模型

治療方案分為4個療程進行，每周可進行5～7次，部分患兒每天2次，每次可進行30 min[9-10]。每個療程的場景、游戲進度和任務(wù)都不同，分別適合病情不同患者的狀態(tài)。而評估進入哪個療程是采用層次分析法，根據(jù)3個量表的評分結(jié)果和腦電功率θ /β比值4個關(guān)鍵指標(biāo)的綜合計算，對預(yù)選方案排序得到。每個療程內(nèi)，是在一個可變范圍內(nèi)根據(jù)腦電功率θ /β比值動態(tài)調(diào)節(jié)游戲內(nèi)主角的動作，實時產(chǎn)生獎勵和懲罰而運行的。

2.3 評估與治療中Agent之間協(xié)同過程

系統(tǒng)功能中，醫(yī)生可根據(jù)病人情況或人群年齡等，通過系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置個性化地設(shè)計患者個人治療計劃。

系統(tǒng)運行時，患者在家中啟動患者Agent中的登錄功能，系統(tǒng)同時通知醫(yī)生Agent、管理Agent及醫(yī)院Agent，管理Agent確認(rèn)登錄，醫(yī)生Agent確認(rèn)患者，醫(yī)院Agent通過健康檔案檢索Agent查找患者健康檔案信息并自動向醫(yī)生Agent、患者Agent及管理Agent傳輸存儲在社區(qū)醫(yī)院數(shù)據(jù)庫中的患者健康信息。醫(yī)生Agent向患者Agent發(fā)送量表及治療計劃?；颊呒凹议L完成相關(guān)量表，系統(tǒng)自動評分，并存儲在社區(qū)醫(yī)院中心數(shù)據(jù)庫?；颊逜gent申請反饋治療，醫(yī)生Agent根據(jù)患者評分情況和歷史健康記錄，查找知識庫中的推理規(guī)則，參照美國精神病學(xué)會出版的《精神病診斷統(tǒng)計手冊》第4版(DSM-Ⅳ)關(guān)于ADHD的診斷標(biāo)準(zhǔn)項目指標(biāo)，如對CBCL、Conner’s量表評分超過15分，康氏評分超過10分者[10-11]，再進行腦電分析，決定是否同意患者Agent啟動基于游戲的反饋系統(tǒng)，并開始實時采集腦電數(shù)據(jù)，計算腦電功率θ /β比值。量表評分結(jié)果和θ /β比值作為指標(biāo)層參數(shù)參與計算，通過層次分析法選擇療程，進入相應(yīng)的治療階段[12]。治療完成后，患者Agent將自動記錄整個行為過程，并通知醫(yī)生Agent、管理Agent和醫(yī)院Agent結(jié)束整個治療過程。

2.4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文選擇Java Agent Development Framework(JADE)作為Agent構(gòu)建和執(zhí)行的開發(fā)框架。JADE是一個軟件開發(fā)框架，用于開發(fā)多Agent系統(tǒng)和符合Foundation for Intelligent Physical Agent (FIPA)標(biāo)準(zhǔn)的智能Agent應(yīng)用程序。遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)內(nèi)不同Agent通信是由JADE支持的Internet inter-ORB Protocol(IIOP)協(xié)議完成的。系統(tǒng)的游戲和腦電采集儀均為自己開發(fā)完成。

3 結(jié) 論

本文研究基于Multi-Agents的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)模型和醫(yī)療協(xié)同決策算法，不同Agent承擔(dān)簡單任務(wù)，共同完成醫(yī)療決策的復(fù)雜任務(wù)。項目針對ADHD的要求，實現(xiàn)基于層次分析決策算法的ADHD的遠(yuǎn)程評估體系，并可指導(dǎo)基于游戲的遠(yuǎn)程腦電反饋治療系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)的進一步開發(fā)可根據(jù)ADHD評估的結(jié)果和患者的實際情況，加入相應(yīng)的醫(yī)學(xué)知識的教育功能，全面實現(xiàn)一體化家庭醫(yī)療的新模式。

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編 輯 黃 莘