遠程康復設(shè)備梯度式運動功能自動評定系統(tǒng)在腦卒中患者中的應用

【作　者】劉洪紅，都天慧 ，王婷婷，范晶晶，屈云

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)學四川省重點實驗室，成都市，610041

4 康復醫(yī)學大數(shù)據(jù)實驗室，成都市，610041

0　引言

在全世界范圍內(nèi)，中風是永久性殘疾最常見的病因，常會造成患者不同程度的功能障礙[1]。多數(shù)患者由于經(jīng)濟原因在早期康復后選擇出院回家，而由于交通條件的限制、護理人員的短缺以及我國康復資源的缺乏，后續(xù)的康復治療往往也難以跟進[2]。有證據(jù)表明，卒中后數(shù)年內(nèi)患者的運動功能仍有改善的可能，因此患者使用諸如遠程康復等輔助技術(shù)在家庭環(huán)境中持續(xù)進行適當?shù)目祻陀柧毞浅Ｖ匾猍3-4]。近年來，互聯(lián)網(wǎng)的快速普及和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，促進了基于遠程設(shè)備的康復技術(shù)的發(fā)展，多項研究報告了它們的有效性[5-7]。

然而，在遠程康復設(shè)備中，運動功能評估平臺的標準尚不統(tǒng)一。這些差異主要包括評估時間的靈活性、測量部位以及評估項目三部分。首先，部分遠程康復的評價平臺高度依賴網(wǎng)絡(luò)，評估時間可彈性度不高。例如，Boissy P等[8]測試的移動機器人系統(tǒng)要求對評估過程進行實時監(jiān)督。從評估部位的選擇來說，目前的評估平臺都專注于不同的肢體評估。MIT-MANUS[9-10]的軟件只適用于評估上肢運動功能，而Cikajlo I 等[11]的評估系統(tǒng)則是只考慮到下肢。此外，目前遠程運動功能評定項目包括了關(guān)節(jié)活動度（Range of Motion, ROM）[6,12-14]，運動軌道[6,12-13]，速度[6,12]，精確度[6,12]，肌力[14]，痙攣狀態(tài)[14]，平衡功能[11,15-16]，身體控制[11]和步態(tài)[16]，均未能對患者整體運動功能狀態(tài)進行描述。上述實驗及其評定系統(tǒng)均未采用標準化量表，且均未提及人性化設(shè)計概念。

為了設(shè)計出適用于腦卒中人群的遠程康復梯度式運動功能自動評定系統(tǒng)，我們與四川旭康醫(yī)療電器有限公司合作，設(shè)計并驗證該系統(tǒng)在與腦血管疾病（Cerebrovascular Disease, CVD）患者中的可行性。我們的目標是開發(fā)一種便利性、整合性、標準化、人性化均較好的運動功能自評系統(tǒng)，為未來遠程康復標準化打下基礎(chǔ)。

1　遠程康復評估平臺的設(shè)計

1.1　設(shè)備及評估運作流程

評估硬件設(shè)備由用于運動捕捉的可穿戴式雙軸微傳感器和一個10 in平板共同組成。評估設(shè)備的軟件總共包含了148種評定動作，所有的評定由3D視頻和音頻指導完成（每秒幀數(shù)為16 Hz），詳見圖1。

圖1　遠程康復設(shè)備硬件及軟件Fig.1 Hardware and software of the tele-rehabilitation equipment

本運動功能評估平臺運行方式為一個閉環(huán)運作模式，總共包括醫(yī)生端、患者端、家屬端三個連接端口?；颊呤紫韧ㄟ^初次評定進入系統(tǒng)，醫(yī)生端在平臺下載初次評定結(jié)果并根據(jù)結(jié)果制定相應的訓練計劃，訓練計劃和評定項目上傳后，患者可以通過端口下載詳細計劃，執(zhí)行并上傳相應的訓練和評定后，此閉環(huán)運作模式可循環(huán)進行。在此過程中，再次評定的結(jié)果可及時有效地幫助醫(yī)生更新訓練計劃。與普通評估模式相比，本評估系統(tǒng)還納入了人性化設(shè)計概念。通過家屬端，患者家屬可及時查閱訓練結(jié)果，有效監(jiān)督患者按時執(zhí)行訓練計劃，同時此端口能編輯鼓勵信息發(fā)送至患者端，提高患者訓練積極性，并有效促進患者康復效果[17]。

1.2　運動功能自動評定系統(tǒng)的算法

本評估采用可穿戴式雙軸微傳感器對受限關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)活動度進行評定，運動捕捉采用自主研發(fā)的隱馬爾科夫模型(Hidden Markov Model, HMM)和卡爾曼濾波(Kalman Filter, KF)混合算法[18]。其中隱馬爾科夫模型能很好地區(qū)分運動狀態(tài)，卡爾曼濾波能有效評估關(guān)節(jié)角度，這兩種方式的結(jié)合能對關(guān)節(jié)運動狀態(tài)的評定進行有效地捕捉，并將其轉(zhuǎn)換為量化數(shù)據(jù)。該算法還能根據(jù)概率對實際動作和標準動作的差異進行比較，為控制異常運動模式提供基礎(chǔ)。其原理是通過對評定關(guān)節(jié)兩側(cè)的運動端和支撐端進行建模，計算測試關(guān)節(jié)的俯仰角、偏航角和滾動角，評估其與標準運動的軌跡、速度和角度差異。通過上述計算過程，我們可以給關(guān)節(jié)評定一個量化的結(jié)果，此方法已被證明有效，以髖關(guān)節(jié)角度測量為例，詳細計算方法如圖2所示。

圖2　隱馬爾科夫模型和卡爾曼濾波混合算法運行過程Fig.2 Work fl ow of the hybrid HMM/KF system

1.3　基于Brunnstrom分級的評定分級標準

本評估系統(tǒng)還納入了iK分期。在康復醫(yī)學領(lǐng)域中，Brunnstrom分期已廣泛用于評定腦卒中患者的運動功能，而iK分期則是基于Brunnstrom分期而設(shè)計的一種簡便的運動評定分期標準[19]。與微傳感器進行藍牙連接后，本評估平臺可根據(jù)16個基于Brunnstrom評定的默認動作來自動確定評定對象的iK分期。遠程醫(yī)療人員可根據(jù)實際情況編輯（添加或刪除）評定動作?；颊邎?zhí)行評定動作時，軟件會記錄每個動作的原始數(shù)據(jù)（關(guān)節(jié)活動度、軌跡和角速度），完成的最大角度以及每個動作的完成度。接著，系統(tǒng)會根據(jù)三個維度來確定測量關(guān)節(jié)的iK分期，三個維度分別為完成的角度（圖3）、偏差的方向和在限定時間內(nèi)的完成度。在醫(yī)生端，本階段評定結(jié)果會自動呈現(xiàn)，如果醫(yī)生想查看具體評估細節(jié)，可以點擊3D按鈕來看評定復原動畫。

2　臨床試驗

初步的臨床試驗在四川大學華西醫(yī)院康復醫(yī)學中心進行。試驗共納入20位腦卒中住院患者，所有患者均無明顯認知障礙（簡易精神狀態(tài)檢查量表，MMSE≥17分），視力障礙及心理障礙。在進入正式試驗前，20位患者均嘗試使用本評估系統(tǒng)進行一次初次評定，熟悉本運動功能自動評定系統(tǒng)后開始正式評估，分別在入組時與入組三周后對患者患側(cè)上下肢進行一次評定，評定內(nèi)容包括iK分期評定和Brunnstrom分期評定。本臨床試驗方案已經(jīng)由中國注冊臨床試驗倫理審查委員會批準，所有納入患者均已簽署知情同意書（倫理審查文號： ChiECRCT-20150035）。

圖3　梯度式運動功能自評系統(tǒng)的分級評定過程Fig.3 Assessing process of the gradient motor function self-evaluating system注：評定關(guān)節(jié)若無運動，iK分期=Ⅰ期；若有運動，iK分期=Ⅱ期

本試驗納入男性患者10例，女性患者10例；平均年齡為（50.90f12.20）歲；平均病程為（45.80f34.39）天。根據(jù)患者評定部位不同，分為患側(cè)上肢及患側(cè)下肢，分別進行iK分期評定及Brunnstrom分期評定，評定結(jié)果進行配對t檢驗分析。結(jié)果顯示：本梯度式運動功能自動評定系統(tǒng)評定部位與評定結(jié)果均值無統(tǒng)計學意義；在不考慮評定部位條件下，iK分期與Brunnstrom分期評定結(jié)果也無統(tǒng)計學差異，詳見表 1。

表1　不同評定部位的iK分級與Brunnstrom分級比較Tab.1 Comparison between the iK stage and Brunnstrom stage of diあerent limbs

為進一步分析本評估系統(tǒng)評估結(jié)果的可信度，將20例患者的iK分級與Brunnstrom分級結(jié)果做回歸分析，結(jié)果顯示二者存在直線回歸關(guān)系（圖 4）；同時對兩組評定結(jié)果做相關(guān)性分析，呈高度正相關(guān)（R=0.923, P＜0.01）。

3　討論

本試驗主要關(guān)注本梯度式運動功能自動評定系統(tǒng)的可行性和準確性。結(jié)果表明，在本實驗過程中整個系統(tǒng)運行流暢，未出現(xiàn)設(shè)備及操作故障，系統(tǒng)運作可行性高。試驗結(jié)果顯示本評定系統(tǒng)評定結(jié)果與標準化評定Brunnstrom分級評定結(jié)果無統(tǒng)計學差異，且呈高度正相關(guān)，評定結(jié)果具有較高的準確性。此外，本系統(tǒng)評定結(jié)果不受評定部位影響，對腦卒中患者上下肢運動功能評定均適用。

圖4　iK分級與Brunnstrom分級的回歸關(guān)系Fig.4 Regression between iK Stage and Brunnstrom Stage

本試驗已初步證明此梯度式運動功能自動評定系統(tǒng)具有良好的便利性、整合性、標準化設(shè)計、人性化設(shè)計。與普通人工評定相比，本評定系統(tǒng)在低網(wǎng)絡(luò)需求的基礎(chǔ)上具有更高的便利性，醫(yī)生不需要實時監(jiān)控患者的評估過程，只需在空余時間下載患者的評估結(jié)果即可，時間可彈性較大。相對于其他遠程評估方法，本評估對于上下肢運動功能評定均適用，具有良好的整合性。另外，與普通遠程運動功能評定相比，本評估系統(tǒng)不僅能詳細評定關(guān)節(jié)活動度、軌跡、速度等常見評定條目，還能用與Brunnstrom分級高度相關(guān)的iK分級對患者上下肢整體運動狀態(tài)進行分期，系統(tǒng)功能更加滿足標準化設(shè)計。更重要的是，本運動功能評估系統(tǒng)引入了人性化設(shè)計概念，充分考慮了患者及家屬的角色，這也是本評估系統(tǒng)設(shè)計中的創(chuàng)新性亮點。

除上述優(yōu)點以外，本運動功能評估系統(tǒng)在康復醫(yī)學中還比其他采用類似技術(shù)的非醫(yī)療性運動評估設(shè)備有更大的優(yōu)勢。XSens是國際上最知名的運動捕獲產(chǎn)品研發(fā)公司，它的3D運動捕捉技術(shù)已應用于專業(yè)運動分析、三維動畫、工業(yè)控制及穩(wěn)定領(lǐng)域，但目前還未應用于康復醫(yī)學領(lǐng)域。其他產(chǎn)品，如SONY的PS2提供了基于加速度傳感器和光學攝像頭的交互游戲界面，但這類產(chǎn)品不能提供人體肢體精確的方位，不能解決康復評估問題[20]。

4　結(jié)論

本文設(shè)計開發(fā)了一種梯度式運動功能自動評定系統(tǒng)，臨床試驗已初步證明了它的可行性和有效性。與普通人工評定和遠程評定相比具有良好的便利性、整合性、標準化設(shè)計、人性化設(shè)計，在采用同類技術(shù)的非醫(yī)療性運動評估設(shè)備中也有較大的競爭優(yōu)勢。

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