上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人訓(xùn)練與康復(fù)評估系統(tǒng)設(shè)計

孫夢真+喻洪流+符方發(fā)

摘要摘要：傳統(tǒng)康復(fù)治療需要康復(fù)醫(yī)師與患者一對一訓(xùn)練，這種方式耗費大量人力資源，效率低、成本高。隨著機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)交互等技術(shù)的發(fā)展與成熟，智能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人應(yīng)運而生。在VC++集成環(huán)境下，結(jié)合MFC、MYSQL數(shù)據(jù)庫和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計了一個集用戶信息管理、康復(fù)評估、康復(fù)訓(xùn)練及生成康復(fù)報告等功能模塊為一體的可視化康復(fù)評估和訓(xùn)練系統(tǒng)，用圖形界面操作上肢康復(fù)機(jī)器人，提高康復(fù)訓(xùn)練的效率并維持患者訓(xùn)練積極性、趣味性。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：人機(jī)交互；康復(fù)評估；虛擬現(xiàn)實

DOIDOI：10.11907/rjdk.171048

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）005008303

0引言

腦卒中具有高發(fā)病率、高死亡率和高致殘率，偏癱是腦卒中患者最常見的后遺癥，僅有小部分人可以通過治療恢復(fù)原狀，行之有效的方法是在病情穩(wěn)定48小時后，根據(jù)功能障礙和康復(fù)評價情況，實施康復(fù)治療方案[1]。而在日常生活中上肢幫助人們完成近60%～70%的功能，包括抓握/移動物體、使用工具等，由此對上肢功能的恢復(fù)極為重要。

臨床上ROM評估多為人工測量，借助通用量角器、方盤量角器、電子量角器等測量工具，0°位是開始位，對于大多數(shù)運動，解剖位即為開始位。由于上肢康復(fù)機(jī)器人自身機(jī)械結(jié)構(gòu)特性，加上以往的量表評估方法和機(jī)器人訓(xùn)練參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，目前還沒有可信的公認(rèn)的結(jié)論可供參考，因此本系統(tǒng)針對上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計了一套機(jī)器適用的ROM評估方法，以便配合康復(fù)訓(xùn)練獲取更好的康復(fù)效果。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)就是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建逼真的三維視、聽、觸一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬世界自然交互，從而產(chǎn)生身臨其境般的感受和體驗[2]。在康復(fù)訓(xùn)練中，先對患者的自身情況進(jìn)行客觀康復(fù)評估，根據(jù)評估結(jié)果制定相應(yīng)強(qiáng)度的康復(fù)計劃，虛擬訓(xùn)練治療方法的互動性與沉浸感可以很好地激勵患者，國內(nèi)外已有研究證實虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠改善腦卒中患者偏癱上肢的運動功能[34]。此外，與傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練相比較，虛擬現(xiàn)實游戲具有更高的安全性、舒適性和運動準(zhǔn)確性，例如虛擬廚房操作避免了真實廚房操作時發(fā)生意外、被物體碰傷及被開水燙傷等危險[5] 。

1總體設(shè)計方案

根據(jù)需求分析，本系統(tǒng)總體分為康復(fù)評估、康復(fù)訓(xùn)練、生成康復(fù)報告3個部分，系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

康復(fù)醫(yī)師登錄后，顯示其名下的患者信息，如果非其名下的患者也可通過搜索獲取信息（同一醫(yī)院），同時包括患者基本信息的添加、刪除、修改操作。首次使用設(shè)備的患者需要進(jìn)行康復(fù)評估，康復(fù)評估由關(guān)節(jié)活動度（ROM）評估，主動肌力評估和認(rèn)知功能評估3個模塊組成，康復(fù)治療師根據(jù)評估結(jié)果為患者制定相應(yīng)的康復(fù)計劃，康復(fù)游戲按照功能可分為ROM功能恢復(fù)訓(xùn)練、認(rèn)知功能恢復(fù)訓(xùn)練、ADL恢復(fù)訓(xùn)練，實現(xiàn)整個手臂、肩、肘、腕的多部位康復(fù)訓(xùn)練。此外針對肌力較弱的患者，本系統(tǒng)設(shè)計了助力模式和被動訓(xùn)練模式。生成康復(fù)報告模塊對患者的康復(fù)評估和康復(fù)訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)并以圖表形式呈現(xiàn)，同時通過歷史記錄查詢可直觀顯示階段性康復(fù)結(jié)果。

本系統(tǒng)選用上海理工大學(xué)與上海電氣中央研究院合作研發(fā)的一款多自由度中央驅(qū)動式上肢康復(fù)機(jī)器人作為實驗樣機(jī)，該機(jī)器人擁有獨立的機(jī)械傳動系統(tǒng)和底層電氣控制系統(tǒng)，可以完成肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收、肩關(guān)節(jié)屈曲/伸展、肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展、前臂旋前/旋后、腕部橈偏/尺偏、腕部旋前/旋后6個機(jī)械自由度的康復(fù)訓(xùn)練，能夠?qū)崟r檢測患者患肢的肌力和運動范圍，實現(xiàn)被動、助力、主動等康復(fù)訓(xùn)練模式。

2系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信設(shè)計

2.1客戶端與上肢康復(fù)機(jī)器人的串口通信

本系統(tǒng)通過Modbus通信協(xié)議實現(xiàn)客戶端與上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人之間的通信，通過串口RS485轉(zhuǎn)USB實現(xiàn)Modbus 協(xié)議的串行鏈路通信。Modbus幀格式由地址、功能碼、數(shù)據(jù)段、校驗碼組成，數(shù)據(jù)段內(nèi)容根據(jù)主-從或從-主關(guān)系可包括寄存器起始地址、寄存器數(shù)數(shù)據(jù)位等。

本系統(tǒng)中主機(jī)向從機(jī)發(fā)送的請求幀格式（主—從）如圖2所示。從機(jī)得到請求后向主機(jī)發(fā)送的響應(yīng)幀格式（從—主）如圖3所示。

客戶端的編碼實現(xiàn)，首先設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗打開串口，客戶端作為Modbus的主站需要處理的事件有：發(fā)送請求幀、等待應(yīng)答、處理應(yīng)答、處理差錯和等待轉(zhuǎn)換延遲，對應(yīng)程序中的實現(xiàn)需要對命令進(jìn)行數(shù)據(jù)組包和發(fā)送，對接收的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)解包。以讀指令組包為例：

下位機(jī)收到讀指令將返回一條數(shù)據(jù)包，接收到數(shù)據(jù)解包后為原始編碼器值，通過進(jìn)一步解析轉(zhuǎn)換得到所需要的值，即上肢康復(fù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度值、扭矩值、電機(jī)電流值等?？蛻舳嗽谑盏较挛粰C(jī)返回的數(shù)據(jù)時會再次發(fā)送讀指令，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。本系統(tǒng)在自定義的Analysis類中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解包和轉(zhuǎn)換。

2.2客戶端與虛擬現(xiàn)實游戲的數(shù)據(jù)通信

客戶端通過基于（TCP）面向連接的套接字（Socket）方式與游戲進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，Socket是支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元，包含連接使用的協(xié)議、本地主機(jī)的IP地址、本地進(jìn)程的協(xié)議端口、遠(yuǎn)地主機(jī)的IP地址和遠(yuǎn)地進(jìn)程的協(xié)議端口的信息。代碼實現(xiàn)將Socket的創(chuàng)建、綁定、監(jiān)聽、連接、接收、讀寫、關(guān)閉等流程封裝在自定義的ServerSocketHandler類中，便于調(diào)用和功能實現(xiàn)。

本系統(tǒng)中客戶端和游戲是兩個不同的進(jìn)程，客戶端作為Socket server，游戲作為Socket client，通過自定義的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟l(fā)服務(wù)，使用的數(shù)據(jù)幀的基本格式為如圖4所示。

當(dāng)客戶端調(diào)用游戲時開啟Socket Server，游戲打開自動連接服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信。代碼實現(xiàn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟僮鞣庋b在自定義的GamePackageAnalyzer類中，包含指令的解析、組包和發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容的設(shè)置。

3康復(fù)評估模塊設(shè)計

不同于臨床診斷，功能檢查和評估對康復(fù)治療的影響是貫穿始終的，根據(jù)功能評估制定合理的康復(fù)治療方案，針對患者功能障礙的變化情況進(jìn)行調(diào)整和修訂，再治療，才能實現(xiàn)功能最大限度恢復(fù)，幫助患者提高日常生活能力。本系統(tǒng)從3個角度對患者進(jìn)行全方位的評估，分別是關(guān)節(jié)活動度評估、主動肌力評估和認(rèn)知評估。

認(rèn)知功能篩查系統(tǒng)錄入了簡易精神狀態(tài)檢查量表（MMSE），MMSE因其簡易快速、可操作性強(qiáng)和易被患者接受等突出特點在臨床得到廣泛應(yīng)用，我國目前臨床使用率最高達(dá)82.1%[7]。

關(guān)節(jié)活動度評估包括主動關(guān)節(jié)活動度（AROM）評估和被動關(guān)節(jié)活動度（PROM）評估，AROM可由患者自主完成，PROM必須由治療師幫助完成，評估結(jié)束之后會生成報告通過柱狀圖顯示各關(guān)節(jié)活動度數(shù)值，通過量化的指標(biāo)，方便訓(xùn)練者進(jìn)行前后對比，評估康復(fù)效果。由評估得到的關(guān)節(jié)活動度范圍將作為康復(fù)訓(xùn)練游戲的極限范圍，這樣對于活動能力較差的患者不會造成心理落差。ROM評估結(jié)果如圖5所示。

主動肌力評估在評估前分別測得機(jī)器空載自重、訓(xùn)練側(cè)上肢自重、矢狀面肩肘關(guān)節(jié)屈伸時的主動肌力，以此確定患者自主訓(xùn)練的肌力大小，對于肌力較弱的患者，在后面的康復(fù)治療計劃中可以選擇助力模式，適當(dāng)增加輔助，以便充分發(fā)揮患者殘存的功能，增加患者對于康復(fù)治療的信心。

4虛擬現(xiàn)實游戲訓(xùn)練模塊設(shè)計

康復(fù)訓(xùn)練游戲結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)視覺、聽覺、觸覺結(jié)合，為患者設(shè)計了不同難度等級的康復(fù)訓(xùn)練虛擬場景。根據(jù)患者的肌力和關(guān)節(jié)活動度評估結(jié)果分為單關(guān)節(jié)單自由度、單關(guān)節(jié)多自由度、多關(guān)節(jié)多自由度康復(fù)訓(xùn)練。根據(jù)治療目標(biāo)可分為ADL和生活質(zhì)量的康復(fù)訓(xùn)練、認(rèn)知和情緒障礙的康復(fù)訓(xùn)練、運動機(jī)能平衡障礙的康復(fù)訓(xùn)練，在滿足患者感官的同時能夠增強(qiáng)訓(xùn)練配合度和興趣度激勵患者持續(xù)訓(xùn)練。虛擬訓(xùn)練游戲設(shè)計分類如表1所示。

將虛擬現(xiàn)實游戲引入上肢功能康復(fù)訓(xùn)練[89]的重要一點是要為患者提供生動有趣的虛擬現(xiàn)實游戲項目。經(jīng)過在上海市第一康復(fù)醫(yī)院臨床實踐調(diào)研，患者以老年人為主，不宜劇烈運動，以免造成二次損傷，此外游戲的設(shè)計要考慮到老年人的心智和對游戲場景的接受程度?；颊吒信d趣的虛擬現(xiàn)實游戲通常具有如下特點：一是內(nèi)容，游戲場景要完整豐富，使患者覺得生動有趣；二是任務(wù)明確，獎懲得當(dāng)。本系統(tǒng)針對以上患者需求設(shè)計幾款游戲場景，每款游戲?qū)?yīng)Level1-level5不同任務(wù)量和場景復(fù)雜度。

圖6為患者指定的康復(fù)訓(xùn)練計劃，圖7為接水果游戲圖，測試人員穿戴外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人，水平移動手臂即可實現(xiàn)籃子左右移動。

5結(jié)語

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，通過康復(fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練以其高效率、高安全性將成為臨床應(yīng)用的一大趨勢。本系統(tǒng)是為上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計一個軟件系統(tǒng)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過趣味性的訓(xùn)練增加患者治療的積極性，將評估和康復(fù)訓(xùn)練結(jié)果實時保存，并自動生成量化訓(xùn)練報告，方便前后對比，不僅提高了康復(fù)醫(yī)師的工作效率，也為患者提供了一個更高效的康復(fù)治療模式。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）