運(yùn)動(dòng)反饋虛擬現(xiàn)實(shí)四肢康復(fù)系統(tǒng)評(píng)估模塊設(shè)計(jì)

王曉春，王俊華

1.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第五臨床醫(yī)學(xué)院，廣東廣州市510405；2.廣東省第二中醫(yī)院，廣東廣州市510095

腦卒中、腦外傷是常見病、多發(fā)病，發(fā)病后多伴有嚴(yán)重肢體癱瘓，影響患者身心健康和生活質(zhì)量，給家庭和社會(huì)帶來沉重負(fù)擔(dān)[1-2]。約80%腦卒中急性期患者出現(xiàn)上肢功能障礙[3]，僅不到20%腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能完全恢復(fù)，而日常生活中60%～70%的功能動(dòng)作需要上肢幫助完成[4-5]。對(duì)患者進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練和評(píng)估十分重要。

目前上肢康復(fù)評(píng)估基本采用一對(duì)一量表評(píng)估，效率低，不能實(shí)時(shí)記錄康復(fù)訓(xùn)練表現(xiàn)，也不能實(shí)時(shí)反饋[6-7]。瑞士Hocoma公司研發(fā)的上肢康復(fù)設(shè)備Armeo-Power，其評(píng)估系統(tǒng)簡單記錄諸如關(guān)節(jié)活動(dòng)度等基礎(chǔ)信息，沒有綜合評(píng)估患者上肢康復(fù)訓(xùn)練的表現(xiàn)，也不能自動(dòng)分析康復(fù)數(shù)據(jù)[8-10]。本研究設(shè)計(jì)一種基于運(yùn)動(dòng)反饋虛擬現(xiàn)實(shí)四肢康復(fù)系統(tǒng)的智能評(píng)估方法。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

1.1 總體構(gòu)架

運(yùn)動(dòng)反饋虛擬現(xiàn)實(shí)四肢康復(fù)系統(tǒng)主要由上肢訓(xùn)練平臺(tái)、下肢操作裝置、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、康復(fù)評(píng)估系統(tǒng)、座椅裝置和底座組成(圖1)。上肢訓(xùn)練平臺(tái)可以幫助患者主動(dòng)完成上肢水平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、垂直上下擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以及立體綜合運(yùn)動(dòng)(擺動(dòng)同時(shí)水平面旋轉(zhuǎn))。下肢操作裝置幫助患者完成下肢腳踝協(xié)調(diào)配合訓(xùn)練。這些康復(fù)訓(xùn)練在沉浸性、交互性較強(qiáng)的虛擬環(huán)境中完成，且具有良好的運(yùn)動(dòng)反饋。

1.2 系統(tǒng)模塊

該系統(tǒng)由康復(fù)評(píng)估、康復(fù)訓(xùn)練、康復(fù)報(bào)告等3個(gè)模塊組成。其工作流程如圖2。

1.3 軟件系統(tǒng)

圖1 運(yùn)動(dòng)反饋虛擬現(xiàn)實(shí)四肢康復(fù)系統(tǒng)

圖2 系統(tǒng)模塊工作流程圖

采用Visual Studio 2013集成開發(fā)環(huán)境[11]，利用SQL SERVER 2005建立數(shù)據(jù)庫[12]，利用Unity開發(fā)所需模塊[13]。C#作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，實(shí)時(shí)接收肢體康復(fù)訓(xùn)練時(shí)傳感器的數(shù)據(jù)，并接收控制屏指令[14]。

工作流程見圖3。

2 智能康復(fù)評(píng)估模塊

圖3 軟件系統(tǒng)工作流程圖

這種單轉(zhuǎn)型絕對(duì)編碼器將碼盤的一周分成若干測量步，對(duì)應(yīng)每一步都有唯一確定的碼值，這些碼值周期重復(fù)，因而單轉(zhuǎn)型絕對(duì)編碼器多用于旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)量不超過360°的角度測量，可直接讀取所對(duì)應(yīng)的角度值；數(shù)據(jù)輸出采用RS485通信方式，即輸出的是A和B兩路差分信號(hào)；上位機(jī)系統(tǒng)通過工業(yè)級(jí)USB轉(zhuǎn)RS485接口，直接讀取光電編碼器的角度數(shù)據(jù)[16]。

2.1 訓(xùn)練前關(guān)節(jié)活動(dòng)度評(píng)估

患者訓(xùn)練前操作該系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收角度傳感器數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成訓(xùn)練前關(guān)節(jié)活動(dòng)度評(píng)估，并以柱狀圖的形式顯示評(píng)估結(jié)果。評(píng)估結(jié)果還可用于設(shè)置患者康復(fù)訓(xùn)練時(shí)操作設(shè)備的運(yùn)動(dòng)極限范圍，體現(xiàn)個(gè)性化訓(xùn)練原則。

2.2 訓(xùn)練中的智能康復(fù)評(píng)估

通過傳感器、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)監(jiān)測患者訓(xùn)練時(shí)的表現(xiàn)，并給予即時(shí)反饋。

2.2.1 關(guān)節(jié)活動(dòng)度實(shí)時(shí)曲線圖

采用單轉(zhuǎn)型絕對(duì)編碼器，配合串口通訊方式，將該系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精確角度數(shù)據(jù)的采集。計(jì)算機(jī)讀取編碼器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)換算成角度后制成曲線圖，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)?；颊呖赏ㄟ^實(shí)時(shí)曲線圖了解自己動(dòng)作完成情況，治療師也可通過實(shí)時(shí)曲線圖及時(shí)給予動(dòng)作指導(dǎo)。

2.2.2 運(yùn)動(dòng)監(jiān)測和反饋

依據(jù)康復(fù)訓(xùn)練要求，預(yù)先設(shè)置訓(xùn)練游戲目標(biāo)的數(shù)量和擺放位置，由虛擬現(xiàn)實(shí)程序根據(jù)角度數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)康復(fù)游戲中的物體左右或上下運(yùn)動(dòng)，以獲得或規(guī)避游戲目標(biāo)。若患者在游戲中未獲得預(yù)定次數(shù)以上的游戲目標(biāo)，則向患者發(fā)出加強(qiáng)獲取游戲目標(biāo)的提示；若患者目標(biāo)完成情況符合預(yù)設(shè)條件，則向患者發(fā)出正面激勵(lì)提示。

2.3 訓(xùn)練后數(shù)據(jù)分析與呈現(xiàn)

2.3.1 數(shù)據(jù)評(píng)估模型的建立和訓(xùn)練表現(xiàn)評(píng)估

從以上例子中可以看出，前兩個(gè)報(bào)道均通過引用第三者的看法來間接表達(dá)自己的態(tài)度，支持自己的觀點(diǎn)，第三個(gè)報(bào)道注明消息的來源，這就使話語顯得更客觀，提高了報(bào)道的可信度和可接受性，使報(bào)道易于被受眾所接受。

2.3.1.1 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)層次評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層次分析法(analytic network process,ANP)的基本原理[17-19]和系統(tǒng)的訓(xùn)練方案，我們建立網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)(圖4)。

圖4 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

采用決策軟件Super Decisions(SD)(美國Expert Choice公司)實(shí)施矩陣求解[20-21]。

①基于網(wǎng)絡(luò)層次模型中各元素的關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用“九標(biāo)度法”，將各元素進(jìn)行兩兩比較，獲得判斷矩陣Wij，并對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

②對(duì)判斷矩陣Wij的排序向量進(jìn)行組合，構(gòu)建第二層次因素下的的超矩陣W。

③將超矩陣W歸一化得到加權(quán)-矩---陣，加權(quán)矩陣和未加權(quán)矩陣相乘，得到極限超矩陣W∞。

④計(jì)算局部權(quán)重和全局權(quán)重?；诨颊呖祻?fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層次評(píng)價(jià)指標(biāo)模型及相應(yīng)的計(jì)算原理，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)中各因素的局部權(quán)重即為超矩陣的計(jì)算結(jié)果，各因素的全局權(quán)重即為加權(quán)超矩陣的計(jì)算結(jié)果。將康復(fù)訓(xùn)練綜合評(píng)價(jià)各因素及各因素構(gòu)成的判斷矩陣的優(yōu)勢(shì)度對(duì)比數(shù)據(jù)導(dǎo)入Super Decisions(SD)軟件，生成相應(yīng)的超矩陣、加權(quán)超矩陣和極限超矩陣，計(jì)算出康復(fù)訓(xùn)練綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的局部權(quán)重和全局權(quán)重。見表1。

表1 患者訓(xùn)練情況影響指標(biāo)權(quán)重

2.3.1.3 訓(xùn)練表現(xiàn)百分制評(píng)估

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層次分析法構(gòu)建百分比智能算法，將患者的訓(xùn)練表現(xiàn)以百分制呈現(xiàn)，計(jì)算公式如下：

綜合評(píng)分=0.05A11+0.02A12+0.02B11+0.01B12+0.09B13+0.07C11+0.62C12+0.12C13

2.3.2 失分原因分析

在虛擬場景中，目標(biāo)物分為左右排列，當(dāng)虛擬駕駛工具錯(cuò)失左側(cè)目標(biāo)物，代表患者上肢左旋運(yùn)動(dòng)控制不佳；錯(cuò)失右側(cè)目標(biāo)物，代表患者上肢右旋運(yùn)動(dòng)控制不佳[22]。分別統(tǒng)計(jì)左右側(cè)目標(biāo)物的錯(cuò)失率E：

N錯(cuò)失是錯(cuò)失的左/右側(cè)目標(biāo)物數(shù)量，N總是系統(tǒng)生成的左/右側(cè)目標(biāo)物總數(shù)。若E左＞E右，說明左旋動(dòng)作控制較差，是此次失分的主要原因。反之亦然。

2.3.3 自動(dòng)生成康復(fù)評(píng)估報(bào)告

系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)相關(guān)康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析比較，智能生成本次訓(xùn)練的最終報(bào)告和前后兩次訓(xùn)練的對(duì)比報(bào)告，并用圖表形式可視地呈現(xiàn)給患者(圖 5)。

圖5 評(píng)測訓(xùn)練報(bào)告界面

3 討論

針對(duì)日常生活中肢體活動(dòng)的特點(diǎn)，完善肢體運(yùn)動(dòng)能力的定量評(píng)價(jià)，依然是肢體功能康復(fù)評(píng)估研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前對(duì)肢體的康復(fù)評(píng)估，主要包括關(guān)節(jié)活動(dòng)度測量，肌力、肌張力評(píng)估和Fugl-Meyer評(píng)定量表[23]，以上評(píng)估只能在訓(xùn)練前后“靜態(tài)”完成，不能實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練時(shí)“動(dòng)態(tài)”評(píng)估。

隨著智能技術(shù)的逐步發(fā)展，特別是傳感器技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使肢體運(yùn)動(dòng)功能的智能評(píng)估，特別是依據(jù)患者訓(xùn)練表現(xiàn)的智能評(píng)估成為可能[24]。本研究融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、傳感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練中對(duì)患者的訓(xùn)練表現(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測和即時(shí)反饋，訓(xùn)練后對(duì)訓(xùn)練表現(xiàn)進(jìn)行百分制評(píng)估并自動(dòng)分析功能障礙情況?？删唧w實(shí)現(xiàn)：①訓(xùn)練中上肢綜合關(guān)節(jié)活動(dòng)度即時(shí)呈現(xiàn)；②訓(xùn)練中自動(dòng)監(jiān)測表現(xiàn)和即時(shí)反饋；③訓(xùn)練后對(duì)本次訓(xùn)練表現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)行百分制評(píng)估；④訓(xùn)練表現(xiàn)失分原因的自動(dòng)分析與報(bào)告。

我們采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法將患者訓(xùn)練表現(xiàn)分解成多個(gè)因素，判斷各因素的重要程度，利用決策軟件計(jì)算各因素在不同準(zhǔn)則的權(quán)重，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能算法[25]。網(wǎng)絡(luò)層次分析法把患者訓(xùn)練表現(xiàn)作為一個(gè)系統(tǒng)，按照分解、比較、判斷和綜合的思維方式進(jìn)行分析，從而幫助實(shí)現(xiàn)康復(fù)評(píng)估的智能化，評(píng)估結(jié)果簡單、明了、形象、科學(xué)。該智能康復(fù)評(píng)估方法的應(yīng)用，使得康復(fù)評(píng)估不再單一化。未來可通過進(jìn)一步臨床應(yīng)用，進(jìn)行信效度研究，不斷地改進(jìn)和完善。