腦癱康復(fù)機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的研發(fā)與臨床應(yīng)用

215500江蘇省常熟市第二人民醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科

小兒腦癱(Cerebral palsy)是指從出生前到出生后1個(gè)月內(nèi)大腦發(fā)育未成熟階段，由于非進(jìn)行性的大腦損傷或發(fā)育異常而導(dǎo)致的軀體各類(lèi)殘疾，目前隨著二孩政策的開(kāi)放，腦癱的比例逐漸增多[1]，全球腦癱發(fā)病率約1‰～5‰[2]，我國(guó)的腦癱發(fā)病率也大致相同。因此，控制腦癱發(fā)病率刻不容緩[3]。近年來(lái)，腦癱康復(fù)治療技術(shù)飛躍發(fā)展，語(yǔ)音交互模式技術(shù)的出現(xiàn)拓寬了我們的視野。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上用51單片機(jī)最小系統(tǒng)和LD3320語(yǔ)音芯片的配合，設(shè)計(jì)了腦癱康復(fù)訓(xùn)練的語(yǔ)言系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)的信息同步。在2017年初，我們?cè)O(shè)計(jì)成功了首臺(tái)腦癱語(yǔ)音識(shí)別康復(fù)機(jī)器人，為觀察腦癱康復(fù)機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的臨床應(yīng)用效果，2017年3月-2018年3月利用癱康復(fù)機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)治療腦癱患兒16例，對(duì)其進(jìn)行回顧性分析，現(xiàn)報(bào)告如下。

資料與方法

2017年3月-2018年3月利用腦癱康復(fù)機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)治療腦癱患兒16例，男7例，女9例；年齡5～13歲，平均(8.3±2.1)歲；坐位平衡均≥Ⅰ級(jí)。

方法：所有患兒均采用腦癱康復(fù)機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練。具體方法：患兒由康復(fù)治療師或者家長(zhǎng)輔助坐位，選擇51單片機(jī)STC12C5A60S2作最小的系統(tǒng)控制。將采集的聲音信號(hào)通過(guò)非特定型語(yǔ)音識(shí)別模塊的錄入和識(shí)別，根據(jù)內(nèi)部輸入的拼音庫(kù)轉(zhuǎn)化為庫(kù)里拼音，與已輸入的拼音進(jìn)行比較。當(dāng)每次將按鍵按下去時(shí)，所要識(shí)別的文字拼音將會(huì)在液晶屏顯示出來(lái)，相應(yīng)的圖片顯示在上位機(jī)界面。對(duì)著芯片患兒說(shuō)出“口令”，燈亮，然后對(duì)應(yīng)圖片說(shuō)出相應(yīng)的名稱(chēng)，便開(kāi)始進(jìn)行識(shí)別。最后對(duì)比圖片和患兒說(shuō)出的名稱(chēng)和是否吻合，評(píng)判系統(tǒng)對(duì)識(shí)別的時(shí)間和正確率。語(yǔ)音交互系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖，見(jiàn)圖1。

本研究對(duì)整個(gè)電路的驅(qū)動(dòng)和控制采用的是選擇STC12C5A60S2 51單片機(jī)模式。語(yǔ)音芯片的型號(hào)是LD3320。語(yǔ)音模塊的核心控制平臺(tái)是單片機(jī)，并控制著語(yǔ)音芯片來(lái)完成對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的采集和對(duì)比分析，同時(shí)以串口中斷的方式將對(duì)比得出的一個(gè)最優(yōu)結(jié)果傳回給上位機(jī)，使上位機(jī)窗口顯示對(duì)應(yīng)的圖片。從而讀取患兒識(shí)別圖片的正確率與時(shí)間的快慢。在本設(shè)計(jì)中語(yǔ)音識(shí)別列表是患兒對(duì)應(yīng)圖片說(shuō)出小貓、火車(chē)、鉛筆這3個(gè)詞語(yǔ)。語(yǔ)音識(shí)別過(guò)程，見(jiàn)圖2。

LD3320識(shí)別支持多達(dá)50個(gè)條目，每個(gè)條目是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的識(shí)別普通話拼音(小寫(xiě))，每個(gè)單詞(拼音)之間有一個(gè)間隔，每一個(gè)數(shù)字可以相同，但不可以是連續(xù)的，但數(shù)值要＜256(00H-FFH)[4]。當(dāng)編寫(xiě)一個(gè)列表識(shí)別時(shí)，每個(gè)待識(shí)別的語(yǔ)句需要一個(gè)編號(hào)，見(jiàn)表1。

圖1 語(yǔ)音交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖2 語(yǔ)音識(shí)別芯片識(shí)別過(guò)程

完成各初始化，將關(guān)鍵詞列表寫(xiě)入芯片以后，就可以等待語(yǔ)音指令的輸入。單片機(jī)程序，通常在編程的狀態(tài)組LD3320芯片開(kāi)始識(shí)別前用一個(gè)全局變量對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行控制[5]。在C5寄存器存入識(shí)別到的結(jié)果。如果麥克風(fēng)采集到聲音，不管它是否是正常的，其結(jié)果將產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，并根據(jù)寄存器分析結(jié)果的值中斷程序。將該結(jié)果所對(duì)應(yīng)的序號(hào)傳遞給單片機(jī)。此時(shí)該信號(hào)會(huì)經(jīng)模塊通過(guò)串口發(fā)送給主單片機(jī)出去。語(yǔ)音控制指令所對(duì)應(yīng)的返回，見(jiàn)表2。

結(jié) 果

患兒16例識(shí)圖正確率和耗時(shí)：患兒在第1次識(shí)圖平均耗時(shí)8.8 s，正確6個(gè)，正確率37.5%，第2次識(shí)圖平均耗時(shí)8 s，正確6個(gè)，正確率37.5%，第3次識(shí)圖平均耗時(shí)7.8 s，均正確，正確率100.0%，第4次識(shí)圖平均耗時(shí)7.7 s，均正確，正確率100.0%，第5次均正確，平均耗時(shí)7 s，隨著識(shí)圖次數(shù)的增加用時(shí)逐步減少，正確率也明顯提高，見(jiàn)表3。

討 論

言語(yǔ)訓(xùn)練主要包括呼吸訓(xùn)練、發(fā)音訓(xùn)練、發(fā)音器官訓(xùn)練、韻律訓(xùn)練、聽(tīng)力理解訓(xùn)練、閱讀理解訓(xùn)練、口語(yǔ)表達(dá)訓(xùn)練、書(shū)寫(xiě)訓(xùn)練、朗讀訓(xùn)練等。本文我們主要介紹了采用自主研發(fā)的腦癱康復(fù)機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)提高言語(yǔ)訓(xùn)練的臨床效果[6]。

人機(jī)交互訓(xùn)練模式能夠大大提高腦癱患兒的訓(xùn)練興趣，打破以往枯燥的紙片式訓(xùn)練方式。計(jì)算機(jī)輔助訓(xùn)練的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是可以根據(jù)患兒評(píng)估結(jié)果，任意添加設(shè)置圖片及語(yǔ)音識(shí)別內(nèi)容，幫助不同階段的兒童提高言語(yǔ)能力。圖片還可以不定期的更新，保持患者同等水平學(xué)習(xí)興趣。

近年來(lái)，腦癱康復(fù)治療技術(shù)飛速發(fā)展，語(yǔ)音交互模式技術(shù)的出現(xiàn)拓寬了我們的視野。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上用51單片機(jī)最小系統(tǒng)和LD3320語(yǔ)音芯片的配合，設(shè)計(jì)了腦癱康復(fù)訓(xùn)練的語(yǔ)言系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)的信息的同步。在2017年初，我們?cè)O(shè)計(jì)成功了首臺(tái)腦癱語(yǔ)音識(shí)別康復(fù)機(jī)器人。應(yīng)用結(jié)果顯示，腦癱康復(fù)機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)可以明顯提高患兒的正確識(shí)圖能力，提高腦癱患兒的治療效果。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們相信該語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)可以不斷提高和完善，適合更多的需要言語(yǔ)康復(fù)的人群。

表1 語(yǔ)音識(shí)別

表2 語(yǔ)音控制指令對(duì)應(yīng)的串口返回值