基于安全性和用戶體驗的遠程康復系統(tǒng)設計

基于安全性和用戶體驗的遠程康復系統(tǒng)設計

【作 者】都天慧1,2,3，袁夢瑋1,2,3，屈云1,2,3

1 四川大學華西醫(yī)院康復醫(yī)學中心，成都市， 610041

2 四川大學華西臨床醫(yī)學院康復醫(yī)學系，成都市， 610041 3康復醫(yī)學四川省重點實驗，成都市，610041

該文設計了一種基于手持移動APP、運動傳感器及藍牙傳輸的遠程康復系統(tǒng)，通過智能化的監(jiān)督指導程序改善患者的運動功能。從臨床應用的角度出發(fā)，系統(tǒng)的設計重點在于保障訓練的安全性，提升患者及醫(yī)生的用戶體驗感。臨床試驗顯示，該系統(tǒng)可安全、便捷地提供康復訓練。

遠程康復系統(tǒng)；安全性；用戶體驗

【 Writers 】DU Tianhui1,2,3, YUAN Mengwei1,2,3, QU Yun1,2,3

1 Rehabilitation Medicine Center, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu, 610041

2 Department of Rehabilitation Medicine, School of West China Clinical Medicine, Sichuan University, Chengdu, 610041

3 Key Laboratory of Rehabilitation Medicine of Sichuan Province, Chengdu, 610041

【 Abstract 】In the present study, we designed a telerehabilitation system based on handheld mobile application, motion sensor and bluetooth, which was used to improve motor function by intelligent supervision and guidance program. From the point of clinical application, the system design focused on ensuring the safety of training and enhancing the user experience of patients and doctors. The clinical trials showed that the system can provide rehabilitation training safely and conveniently.

0 引言

康復是降低致殘率最有效的方法[1]，但是由于時間、經濟、交通、康復資源等多重原因，患者無法在醫(yī)院長期進行康復治療，他們希望足不出戶在家中就能接受規(guī)范的康復訓練，然而以我國目前的康復人員數量，上門為患者進行一對一訓練難以實現。隨著互聯(lián)網及計算機多媒體技術的迅速發(fā)展，遠程康復提供了一種新的康復治療思路，或許可以滿足患者足不出戶也能獲取優(yōu)質的康復醫(yī)療服務這一需求。

“互聯(lián)網+”技術是當今科技與醫(yī)學結合的熱點[2]，遠程康復正是以上新技術在臨床中運用的創(chuàng)新實踐。遠程康復是指通過信息通訊技術遠距離傳送康復服務[3]，患者與醫(yī)生經由電話、電子郵件、在線視頻、網絡留言、錄像傳送等方式進行多種渠道的交流。遠程康復可以為需要長期接受康復治療、行動不方便及住處偏遠的患者提供便利，具有彌補當前康復資源短缺及分布不均衡的問題。然而，遠程康復能否為患者提供安全有效的康復服務，以及怎樣提升用戶的體驗感，是遠程康復在臨床推廣前的首要難關。故本遠程康復系統(tǒng)的設計重點在于防止遠程康復訓練中出現繼發(fā)性的功能損害，消除患者參與遠程康復的顧慮。本設計通過基于運動傳感器及藍牙無線通訊技術的智能化監(jiān)督指導程序，以便攜式的平板電腦及個人手機應用程序（APP）的方式提升用戶體驗感。

1 遠程康復系統(tǒng)的組成

1.1 系統(tǒng)總體設計

遠程康復系統(tǒng)的使用者為醫(yī)生和患者。醫(yī)生在個人手機上安裝遠程醫(yī)生端APP?；颊呤褂眠h程康復設備的平板電腦患者端APP。遠程康復系統(tǒng)以云服務為橋梁，溝通患者端與醫(yī)生端，如圖1所示。數據中心部署在企業(yè)維護的私有云服務器上，包括大型數據庫、數據管理軟件、備份數據庫等。

1.2 硬件部分

硬件部分主要包括患者終端和傳感器?；颊呓K端是一臺具有聯(lián)網功能的10英寸（1 in=25.4 mm）安卓平板電腦。系統(tǒng)有兩個大小不等的傳感器，傳感器之間用數據線連接，患者借助綁帶把傳感器綁在肢體上。由傳感器采集患者運動的速度、角速度和運動軌跡等參數信息。系統(tǒng)通過藍牙為患者終端與可穿戴式的傳感器之間提供連接，并無線傳輸數據信息。

圖1 遠程康復系統(tǒng)架構Fig.1 Telerehabilitation system diagram

1.3 軟件部分

軟件部分主要包括患者運動訓練APP及遠程醫(yī)生端APP?；颊哌\動訓練APP及傳感器相關配置程序安裝在患者終端上，解析醫(yī)生發(fā)布的訓練計劃，告知患者標準動作的體位要求及動作要點，以動畫、圖示、語音等多媒體方式引導患者完成訓練流程。當訓練完成后，患者終端通過無線保真（WiFi）或移動網絡向數據中心傳送訓練結果。遠程醫(yī)生端APP安裝在醫(yī)生的個人手機上，醫(yī)生運行該軟件后可以了解患者的診斷信息、病情描述、評估結果、訓練結果、使用反饋等內容，還可以查看患者評估動作的三維重建動畫。通過以上信息，為患者制定及調整訓練方案，實現對居家患者的遠程運動康復管理。

2 遠程康復系統(tǒng)的安全性設計

無醫(yī)務人員介入時，患者可能因為不活動或活動不足而出現廢用性肌萎縮、關節(jié)攣縮僵硬、心肺功能減退等表現[4]。當無專業(yè)人員監(jiān)督指導時，患者可能因為錯誤的自我訓練方法導致運動性損傷，如肌肉韌帶拉傷、關節(jié)扭傷、關節(jié)軟骨損傷、骨折、皮膚擦傷、疼痛等[5]。如果運動過度還會使血壓急劇升高，甚至發(fā)生猝死[6]。故要按照科學化運動的原則才能預防運動損傷，科學化運動的原則包括適宜的訓練環(huán)境、合適的訓練時間、充分的準備活動、合理的訓練方法、適量的運動、運動后放松、勞逸結合、循序漸進、個體化等[7]。按照運動醫(yī)學原理，合理的運動應涵蓋訓練前準備、熱身運動、主體運動、放松訓練四個階段[8]。按照以上原理，本系統(tǒng)設計中包含以下關鍵點。

2.1 訓練前準備設計

患者終端上有使用說明的視頻，便于患者及家屬觀看學習，視頻中鼓勵家屬發(fā)揮督促及協(xié)助治療的作用。在訓練前，運動訓練APP上會顯示溫馨提示，提醒患者穿合適的服裝，選擇安全的訓練環(huán)境，避免在運動中碰撞到周圍的物品，運動前不喝太多水，飯后半小時再進行運動，以免影響消化和吸收。

2.2 熱身運動設計

在訓練開始前，運動訓練APP會引導患者對傳感器進行校準，做簡易的熱身運動，使機體從相對靜止狀態(tài)過渡到活動狀態(tài)。熱身運動可以提高中樞神經系統(tǒng)的興奮性，增加肌肉的供氧量，提高肌肉及韌帶的彈性，使肌肉、關節(jié)、心肺功能適應運動，也為正式訓練做好心理準備。

2.3 主體運動設計

2.3.1 清晰的運動處方

運動訓練APP上呈現醫(yī)生制定的運動處方，如每次訓練哪些內容，每項訓練的重復次數，使患者對運動方案有清晰的了解，可以有計劃地規(guī)律地鍛煉，并循序漸進地增加訓練強度。

2.3.2 個體化的設計方案

患者訓練體位靈活，軟件中提供臥位、坐位、站立位三種訓練體位。坐位為最常見的上肢訓練體位[9]，若患者無法在坐位下保持平衡，則可以在仰臥位下進行訓練，若患者站立平衡功能良好，則可以選擇在站立位下進行上肢及下肢訓練。醫(yī)生根據患者的功能水平，選擇適宜的訓練體位及具有針對性的個性化的訓練動作。

2.3.3 智能化的運動監(jiān)控

訓練時患者佩戴傳感器，當出現錯誤運動時，傳感器有自動感應功能使設備發(fā)出語音提醒和文字警示，引起患者注意并及時糾正動作，以避免形成錯誤的運動模式，起到代替醫(yī)務人員在旁監(jiān)督的作用。

2.3.4 勞逸結合的訓練過程

軟件中有預設置的中途休息時間，患者也可以單擊屏幕隨時暫停訓練，以便讓患者間隔放松，減輕疲勞。

2.3.5 等級遞增的訓練難度

最簡單級別的動作頻率由患者掌控，患者主要做等長運動，在運動末端要維持2 s的等長收縮，否則系統(tǒng)認定本次動作無效，以避免運動速度過快、用力過猛誘發(fā)血壓升高[10]，較難級別的動作還要考察患者的反應能力及運動控制能力，這樣符合訓練難度的循序漸進原則。

2.4 放松訓練設計

訓練結束后，運動訓練APP會引導患者進行牽伸及整理運動，以增加肌肉韌帶的延展性，使血液快速回流到心臟，避免心臟缺血及大腦供血不足。此外，該軟件會提醒患者運動后注意事項，如不要立刻沖澡，以免影響血液循環(huán)，增加心臟負擔。

3 以用戶為中心的設計

患者希望在出院后能夠繼續(xù)接受專業(yè)的康復服務，院內的康復設備往往笨重巨大、操作繁瑣，需要有專業(yè)知識和實踐經驗的治療人員操作使用，不適合患者居家自用[11]。既往研究者們多采用固定的臺式計算機及攝像機進行遠程康復訓練[12-13]，該系統(tǒng)為國內外首次將手持移動APP運用到偏癱患者運動康復中，以用戶為中心的設計為患者及醫(yī)生提供最大程度的便利。

3.1 以患者為中心的設計

3.1.1 設備的便攜性

平板電腦的屏幕大小為10 in(1 in=25.4 mm)，重量為900 g，兩個傳感器的重量僅有60 g?；颊咧恍枰獢y帶平板電腦及兩個小巧的傳感器，就可以隨時隨地進行康復訓練，保障了患者對訓練產品的移動需求。

3.1.2 設備的易用性

患者終端具有一體化的特點，電源續(xù)航能力好，若僅在訓練時使用平板電腦2～3 d充一次電，低功耗的藍牙傳感器4 d充一次電即可?；颊呓K端界面設計友好、對比度高，后方有支架，便于觀看及操作，還可以連接電視機，這樣患者面對大尺寸的電視屏幕進行訓練會更舒適，即使視力下降者也能參與訓練。此外，軟件的操作程序簡單明了，要點擊的目標處于醒目位置，患者通過單擊和滑動的手勢就可以完成所有訓練流程?；颊卟槐赜涀∶刻煸撟鍪裁?，軟件模塊會告知患者今天該做哪些訓練，已完成了哪些訓練，以及醫(yī)生是否下達了新的訓練計劃等。

3.1.3 設備的用戶黏性

訓練中主要運用動畫演示的方式進行指導，將枯燥的文字指導方式改為直觀的動畫人物肢體演示，可以增加與患者的親和度?；颊哂柧殨r，設備會通過音樂、語音、畫面、文字等聽覺及視覺的形式給予鼓勵，并進行實時反饋，與患者形成人機交互的過程，替代醫(yī)務人員在旁提醒。虛擬情景游戲化的方式可以增添訓練的趣味性，有助于提高患者的積極性?；颊呖梢钥吹结t(yī)生發(fā)送給他的消息，并查看歷史訓練成績和評定結果，直觀地看到自己的訓練表現，以增添訓練信心。

3.2 以醫(yī)生為中心的設計

3.2.1 APP評估的直觀性

醫(yī)生通過APP下達評估內容，患者執(zhí)行后，系統(tǒng)能將傳感器收集到的患者運動信息還原成三維運動圖像反饋給醫(yī)生，使醫(yī)生有面對面評估的真實感，能夠直觀掌握患者的功能水平。

3.2.2 APP指導的便利性

醫(yī)生無需時刻對患者的訓練及反饋作出響應，指導時間具有彈性，只需利用碎片時間通過賬號及密碼登錄個人手機APP即可。軟件中預置了豐富的通用動作庫和游戲庫，醫(yī)生根據患者的評估結果及訓練狀況，從中選擇適宜的訓練項目并規(guī)定運動強度及頻率，患者終端就會呈現醫(yī)生制定的運動處方。醫(yī)生可以在APP上監(jiān)督患者的訓練執(zhí)行情況，以及發(fā)布留言對患者進行督促與詢問。與一名醫(yī)生在辦公室兩臺電腦前同時監(jiān)督及指導兩名患者相比[14]，更能提高康復治療的管理效率，減輕醫(yī)生的臨床負擔。

4 臨床驗證

為了驗證該系統(tǒng)的安全性及了解用戶體驗感，在四川大學華西醫(yī)院康復醫(yī)學中心進行了初步的臨床試驗。試驗中選取了22名腦卒中后住院的偏癱患者，其中包括13名男性，9名女性，左側肢體運動障礙12名，右側肢體運動障礙10名，年齡(28～78)歲，病程(9～180) d，所有患者均無明顯認知障礙。試驗方案得到中國注冊臨床試驗倫理審查委員會批準，在試驗前征得了患者的知情同意?；颊呓邮苓B續(xù)3周，每天(30～45) min的遠程運動訓練。

記錄患者入組時及治療3周后靜息狀態(tài)下的血壓、心率和呼吸幾項生命體征，如表1所示。另記錄不良事件發(fā)生數目用于評估訓練的安全性。有1名患者身體狀況及運動功能較好，住院16 d后就出院了，采用該患者出院前的生命體征進行結轉。本試驗納入的22例患者中7例有高血壓病史，在干預期間降壓藥物未進行過調整。經過3周的訓練患者收縮壓明顯下降，心率也有下降的趨勢，表明我們的訓練是安全的，有助于控制血壓，促進心腦血管健康。此外，患者在干預期間未出現腦血管意外、死亡、癲癇、跌倒、疼痛加重等不良事件。

表1 患者治療前后生命體征比較Tab.1 Pre- and post-intervention comparison of life signs

通過調查患者訓練的依從性，可以直觀反映患者對遠程康復設備使用的體驗感。研究發(fā)現，患者的依從性良好，能夠按時、按量完成康復訓練醫(yī)囑，患者樂于接受以人機交互體感游戲的方式進行訓練，參與的積極性好。100%的患者對設備色彩風格、聲音、操作流程及訓練的趣味性感到滿意。全部受試者都對該訓練方式表示出濃厚興趣，其中54.5%（12/22）主動表示有意愿立即購買。此外，患者表示傳感器穿戴簡易，綁帶舒適，在運動中無不適感。參與遠程康復的醫(yī)生認為以登錄手機APP的方式管理患者很便利，尤其可以真切直觀地看到患者運動的三維重建動畫。

5 結論

遠程康復是在非醫(yī)務人員現場指導下的程序化智能治療方式，需要優(yōu)先考慮遠程康復的安全性和便利性。該系統(tǒng)為國內外首次將手持移動APP運用到偏癱患者遠程運動康復中，經由醫(yī)生端APP及患者端APP、運動傳感器等傳遞及實施康復訓練。通過臨床試驗驗證了遠程訓練的安全性，并且患者及醫(yī)生的用戶體驗良好。目前該系統(tǒng)處于試用階段，有些方面還可以進一步完善，如無線抗干擾設計，添加醫(yī)生與患者的直接交流，豐富游戲化的訓練內容，增添在運動中可以采集心率、血壓、血氧飽和度及血糖等生理信號的生物傳感器等。隨著傳感技術、無線通訊技術、移動互聯(lián)網、大數據的不斷發(fā)展與融合，遠程康復將發(fā)揮重要作用。

致謝

感謝四川旭康醫(yī)療電器有限公司提供硬件及技術支持！

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Design of Telerehabilitation System Based on Safety and User Experience

telerehabilitation system, safety, user experience

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A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.02.009

1671-7104(2017)02-0110-04

2016-07-04

康復數字化運動處方的研究（H1212128）作者簡介：都天慧，E-mail: lv312@sina.com

屈云，E-mail: dr_yunqu@163.com