居家腦卒中病人智能康復(fù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及啟示

林蓓蕾，梅永霞，潘 攀，佟 瑤，張振香*，張樂蕓，張 艷，陳 剛

（1.鄭州大學(xué)護(hù)理與健康學(xué)院，河南450001；2.鄭州大學(xué)）

腦卒中是全球第三大致死和第二大致殘病因[1]。據(jù)全球疾病負(fù)擔(dān)數(shù)據(jù)顯示，腦卒中患病人數(shù)仍呈明顯上升趨勢(shì)[2]；而我國城市與農(nóng)村地區(qū)腦卒中的死亡率、致殘率均居高不下，傷殘調(diào)整生命年自2005 年的1 016.10 增長至2016 年的1 186.22[1]，明顯高于歐美等發(fā)達(dá)國家，且尤以農(nóng)村上升更為明顯，給個(gè)人、家庭及國家均帶來沉重而長久的負(fù)擔(dān)。據(jù)悉，不同國家腦卒中病人住院日為3～28 d[3?5]，我國約為13 d[6]，出院后病人及家庭均進(jìn)入長期而痛苦的慢性康復(fù)過程。盡管部分腦卒中病人可至康復(fù)機(jī)構(gòu)接受一定時(shí)間的專業(yè)指導(dǎo)，但受經(jīng)濟(jì)、時(shí)間、照顧者等多重因素的影響，腦卒中居家康復(fù)成為必然需求和發(fā)展趨勢(shì)。因此，居家康復(fù)技術(shù)的發(fā)展對(duì)腦卒中病人功能恢復(fù)、日常自理生活和回歸社會(huì)意義重大[7]。近年來，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能康復(fù)工程技術(shù)得到了較為快速的進(jìn)步與發(fā)展，包括機(jī)器人輔助康復(fù)、康復(fù)游戲設(shè)計(jì)及虛擬場景的開發(fā)等，這對(duì)提高腦卒中病人康復(fù)參與率以及功能恢復(fù)具有重要意義，但因應(yīng)用環(huán)境和康復(fù)需求的復(fù)雜性，諸多瓶頸問題仍需專業(yè)技術(shù)人員深入探索與研究。本研究擬對(duì)智能康復(fù)工程技術(shù)在居家腦卒中病人中的應(yīng)用情況進(jìn)行綜述，分析其優(yōu)勢(shì)及局限，為進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展居家康復(fù)工程技術(shù)、提升居家腦卒中病人生活質(zhì)量等提供借鑒和參考。

1 國外居家腦卒中病人智能康復(fù)技術(shù)

1.1 康復(fù)游戲 有研究已證實(shí)，基于游戲開展康復(fù)指導(dǎo)可促進(jìn)腦卒中病人積極參與。國外不少學(xué)者對(duì)居家康復(fù)過程中應(yīng)用游戲設(shè)備的效果進(jìn)行了探討，其中涉及的游戲主要分為兩類：一類是商業(yè)模式運(yùn)行的康復(fù)游戲，優(yōu)勢(shì)是價(jià)格較為低廉、接受度高，缺點(diǎn)是專業(yè)化和個(gè)體化程度有待提高；另一類是專業(yè)機(jī)構(gòu)開發(fā)的康復(fù)游戲，可用于腦卒中病人軀體康復(fù)或認(rèn)知康復(fù)[8?11]，如英國Standen 等[12]將手部的運(yùn)動(dòng)鍛煉整合到游戲中，利用手套上安裝的Nintendo Wiimotes 二極管追蹤記錄手指的動(dòng)作，進(jìn)一步在虛擬游戲場景中進(jìn)行移動(dòng)和完成任務(wù)；而Sony PlayStation 2 則是一款商業(yè)公司開發(fā)的居家游戲康復(fù)系統(tǒng)，相對(duì)缺乏專業(yè)性，康復(fù)指導(dǎo)、康復(fù)評(píng)定以及肢體、手腕及手指在康復(fù)過程中的精細(xì)移動(dòng)、位置等設(shè)計(jì)沒有充分考慮康復(fù)機(jī)制和治療目的，且安全性和有效性亦有待探討，只是價(jià)格比較容易接受[13]。另 外，Palmcrantz 等[14]開 發(fā)DISKO 解 決 遠(yuǎn) 距 離交互問題，涉及針對(duì)性的腦卒中康復(fù)游戲，提供個(gè)體化和精準(zhǔn)化的鍛煉項(xiàng)目，并進(jìn)行了小樣本的施測(cè)，盡管其安全性和可接受性均較為理想，但其開發(fā)過程并未充分考慮到不同康復(fù)階段腦卒中病人的需求。因此，康復(fù)游戲的開發(fā)首先應(yīng)考慮其專業(yè)性，其次是病人體驗(yàn)，其中軟硬件系統(tǒng)，游戲的多樣性、趣味性和交互性，操作簡便性和是否易于掌握等均是設(shè)計(jì)開發(fā)過程中需要考慮的問題[15]。

1.2 遠(yuǎn)程康復(fù) 遠(yuǎn)程康復(fù)又被稱為遠(yuǎn)程治療或遠(yuǎn)程卒中（tele?stroke），指借助電話、視頻會(huì)議等信息通信技術(shù)，幫助病人從專業(yè)醫(yī)護(hù)人員處獲取醫(yī)療指導(dǎo)信息[16]。一般情況下是由專業(yè)治療師以視頻會(huì)議的形式，觀察和評(píng)估病人在完成康復(fù)鍛煉任務(wù)時(shí)的動(dòng)作執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)過程，研究證實(shí)遠(yuǎn)程康復(fù)可縮短腦卒中病人住院時(shí)間，進(jìn)而降低經(jīng)濟(jì)支出[17]，尤其是對(duì)于缺乏醫(yī)療保險(xiǎn)、交通不便利、獨(dú)立出行困難、對(duì)照顧者依賴性較強(qiáng)或是居住地缺乏康復(fù)資源的腦卒中病人，居家遠(yuǎn)程康復(fù)指導(dǎo)非常有益。但有研究也顯示，遠(yuǎn)程康復(fù)在居家腦卒中病人功能恢復(fù)方面也存在諸多局限，如鍛煉過程中無法實(shí)現(xiàn)病人與康復(fù)醫(yī)師之間的肢體互動(dòng)；居家物理環(huán)境是否能夠保障康復(fù)的安全性，以及康復(fù)環(huán)境、設(shè)備的購置費(fèi)用增加，病人生活環(huán)境的隱私無法得到保障，或者系統(tǒng)的安全性以及康復(fù)過程中發(fā)生問題的責(zé)任歸屬等均需要解決[18?19]。

1.3 機(jī)器人 近年來，機(jī)器人輔助康復(fù)技術(shù)在腦卒中病人康復(fù)過程中發(fā)揮了重要作用[20?21]，康復(fù)機(jī)器人可幫助腦卒中病人運(yùn)動(dòng)上肢、手腕和手指，以提高其運(yùn)動(dòng)幅度和范圍。機(jī)器人輔助康復(fù)技術(shù)是基于人體解剖學(xué)和運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)機(jī)制設(shè)計(jì)和研發(fā)，可為腦卒中病人提供類似康復(fù)技師的手法，甚至是在某些精細(xì)動(dòng)作鍛煉和指導(dǎo)方面優(yōu)于康復(fù)技師。Bruni 等[22]對(duì)13 項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜述，顯示康復(fù)機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練效果優(yōu)于常規(guī)康復(fù)；但Lo 等[23]綜述卻發(fā)現(xiàn)機(jī)器人輔助康復(fù)在上肢、下肢及日常生活活動(dòng)能力恢復(fù)方面的效果和常規(guī)康復(fù)無明顯差異。盡管機(jī)器人在居家康復(fù)中的應(yīng)用效果并無一致性報(bào)道，但仍有大量的機(jī)器人設(shè)備嘗試性地應(yīng)用到居家康復(fù)中，如機(jī)器人手套[24]、機(jī)器人手臂[25?26]、機(jī)器人下肢[20]等。機(jī)器人康復(fù)主要優(yōu)勢(shì)在于根據(jù)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)自動(dòng)化生成一系列治療動(dòng)作，規(guī)律有序地帶動(dòng)腦卒中病人相應(yīng)部位肢體鍛煉；此外，動(dòng)作的頻次、時(shí)間、力度和范圍均是優(yōu)化后設(shè)計(jì)，可實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄，有助于明確計(jì)算劑量?效果關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化康復(fù)提供依據(jù)。盡管機(jī)器人康復(fù)有諸多上述優(yōu)點(diǎn)，但因其應(yīng)用時(shí)需要較大的物理空間[27]，需要特殊的桌子和椅子設(shè)備等，對(duì)諸多家庭來講是一個(gè)比較大的挑戰(zhàn)；此外，有時(shí)機(jī)器人會(huì)產(chǎn)生較大力度，給病人居家康復(fù)帶來一定風(fēng)險(xiǎn)，這些均為未來居家康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中考慮的問題。

1.4 虛擬場景技術(shù) 虛擬場景技術(shù)是指利用電子通信技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬的環(huán)境，刺激機(jī)體在虛擬環(huán)境中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通常是設(shè)計(jì)一些交互游戲或虛擬鍛煉項(xiàng)目[12,28]。Standen 等[28]設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在虛擬游戲中設(shè)計(jì)了手和手指的運(yùn)動(dòng)路徑，用以提高病人居家康復(fù)依從性；Piron 等[18]設(shè)計(jì)的虛擬系統(tǒng)將治療任務(wù)轉(zhuǎn)化為一些虛擬鍛煉項(xiàng)目（如使用錘子反復(fù)敲擊水桶），病人則需要根據(jù)已經(jīng)設(shè)定好的虛擬物品的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)真實(shí)的物品進(jìn)行移動(dòng)；再如Wittmann 等[29]設(shè)計(jì)自動(dòng)引導(dǎo)上肢訓(xùn)練項(xiàng)目，鼓勵(lì)病人在虛擬場景中完成任務(wù)，用以鍛煉上肢功能。而Triandafilou 等[30]則進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立多用戶交互的虛擬鍛煉環(huán)境，多例腦卒中病人可在虛擬場景內(nèi)與康復(fù)醫(yī)師、治療師或同伴病人進(jìn)行互動(dòng)，訪談結(jié)果顯示85%以上的體驗(yàn)者對(duì)系統(tǒng)較為滿意，可以接受每周2 d 或3 d 的訓(xùn)練?？傊?，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在居家環(huán)境中應(yīng)用，可讓病人多次練習(xí)，反復(fù)刺激神經(jīng)反饋，促進(jìn)功能恢復(fù)，且過程安全、可控，不必?fù)?dān)心出錯(cuò)，對(duì)提高其康復(fù)鍛煉自我效能具有積極作用，并為協(xié)助病人進(jìn)一步將動(dòng)作應(yīng)用到真實(shí)生活情景中奠定基礎(chǔ)。然而，目前針對(duì)虛擬技術(shù)在居家腦卒中病人康復(fù)中的應(yīng)用，專業(yè)性仍有待提高，如感覺功能反饋、大腦功能恢復(fù)甚至是神經(jīng)元重塑，均應(yīng)在虛擬場景和任務(wù)設(shè)計(jì)過程中充分考慮，以確保虛擬場景康復(fù)價(jià)值和意義的最大化。

1.5 傳感器設(shè)備 居家康復(fù)過程中傳感器主要發(fā)揮測(cè)評(píng)、監(jiān)測(cè)動(dòng)作和實(shí)時(shí)反饋的功能[24,29]。瑞士學(xué)者Wittmann 等[29]設(shè) 計(jì)的ArmoSensor 系 統(tǒng)內(nèi) 置3 類 傳 感器，分別從3 個(gè)維度測(cè)量手臂運(yùn)動(dòng)的加速度、角度速度和活動(dòng)范圍，利用無線裝置將參數(shù)傳遞至電腦端進(jìn)行綜合分析和反饋評(píng)估；SCRIPT 項(xiàng)目中設(shè)計(jì)多個(gè)傳感器評(píng)估手指的屈曲活動(dòng)度、手腕的活動(dòng)范圍及整個(gè)手的速度和運(yùn)動(dòng)方向[24]。而Balaam 等[31]基于行為動(dòng)機(jī)理論開發(fā)4 個(gè)子系統(tǒng)，其中Rehab Reader 系統(tǒng)內(nèi)嵌傳感器幫助病人閱讀過程中練習(xí)擠壓動(dòng)作，Chess 系統(tǒng)使病人移動(dòng)西洋棋時(shí)練習(xí)擠壓動(dòng)作，通過動(dòng)作反饋提高病人參與動(dòng)機(jī)。除專業(yè)康復(fù)設(shè)備內(nèi)嵌傳感器外，也有學(xué)者嘗試改造生活用品，如Bobin 等[32]設(shè)計(jì)智能水杯，其中水杯設(shè)計(jì)思路是基于醫(yī)師和病人的真實(shí)需求，內(nèi)置各種傳感器可用來收集有關(guān)其方位、液面與參考目標(biāo)的位置和震動(dòng)有關(guān)的信息；且可以實(shí)現(xiàn)音視頻顯示，為病人提供動(dòng)作反饋，適用于腦卒中病人居家或者醫(yī)院康復(fù)過程中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（8/9）的腦卒中病人認(rèn)為產(chǎn)品的實(shí)用性和可接受性較好。因此，腦卒中病人居家康復(fù)中，傳感器的應(yīng)用非常必要，尤其是沒有專業(yè)人員在場時(shí)，通過傳感器即時(shí)測(cè)量和記錄鍛煉過程中的生理指標(biāo)變化，無論是對(duì)病人還是對(duì)專業(yè)人員都非常有益，傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄的結(jié)果可用來觀察鍛煉效果、調(diào)整鍛煉任務(wù)，為醫(yī)患之間的溝通提供資料。但如何克服或者最小化測(cè)量誤差，提高居家鍛煉過程中的精準(zhǔn)性，以及傳感器缺點(diǎn)需要接觸式測(cè)量，與無線式相比不便捷等均有待深入研究和探討。

1.6 可觸摸式平板設(shè)備 平板設(shè)備主要包括平板電腦 或iPads[31,33?34]，如 在iPads 內(nèi)整合敲鼓音樂APP，促使病人通過敲打數(shù)字鼓來鍛煉手的協(xié)調(diào)性和力量[34]。Balaam 等[31]團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Rehab Reader 系統(tǒng)內(nèi)，一個(gè)平板電腦被應(yīng)用于幫助病人在閱讀小說時(shí)鍛煉肢體；Ball Funnel 系統(tǒng)則利用平板電腦為病人展示和反饋鍛煉項(xiàng)目，多數(shù)情況下平板電腦和傳感器是組合應(yīng)用。但對(duì)于感覺功能減退、單側(cè)空間忽略以及視野缺損或運(yùn)動(dòng)功能障礙的病人，平板設(shè)備輔助康復(fù)應(yīng)用受限，因此類病人無法和平板內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行有效的交互和互動(dòng)[34]。

2 國內(nèi)居家腦卒中病人智能康復(fù)技術(shù)

國內(nèi)不少學(xué)者研究了居家康復(fù)可穿戴式的智能終端設(shè)備、居家康復(fù)數(shù)字化檢測(cè)平臺(tái)與系統(tǒng)、可穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人、居家上肢康復(fù)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、上肢康復(fù)及仿真系統(tǒng)等在腦卒中居家環(huán)境中的應(yīng)用效果[35?39]。其中南京航空航天大學(xué)的宋曉鋒、龐古山團(tuán)隊(duì)開發(fā)的上肢康復(fù)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)[37]，利用傳感器采集前臂和上臂的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并通過無線裝置將采集到的康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，由遠(yuǎn)程康復(fù)醫(yī)師進(jìn)行研究分析。浙江地區(qū)顧旭東等[38]在腦卒中居家康復(fù)過程中利用軀體傳感網(wǎng)可明顯改善病人的上肢功能和提高日常生活能力水平。此外，也有學(xué)者通過系統(tǒng)評(píng)價(jià)比較傳統(tǒng)康復(fù)模式與遠(yuǎn)程康復(fù)模式效果[7]，盡管兩種模式在病人滿意度、自我效能和自我照顧能力方面差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但遠(yuǎn)程康復(fù)干預(yù)模式的成本明顯低于傳統(tǒng)康復(fù)模式。且采用虛擬場景設(shè)計(jì)游戲，確實(shí)可在低成本基礎(chǔ)上增加康復(fù)鍛煉的趣味性，如東南大學(xué)的何有源[40]基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)多款情景交互式康復(fù)訓(xùn)練游戲，使居家康復(fù)訓(xùn)練活動(dòng)變得生動(dòng)有趣，并兼具遠(yuǎn)程控制、音視頻交互功能；東華大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出腦卒中手部遠(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)服務(wù)模式和家用手部康復(fù)產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路[41]。綜上所述，國內(nèi)學(xué)者在居家腦卒中智能康復(fù)工程技術(shù)方面也較為成熟，但多為設(shè)計(jì)思路和小樣本施測(cè)，并未見廣泛推廣應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。

3 居家智能康復(fù)設(shè)備的應(yīng)用啟示

3.1 基于行為動(dòng)力、益處發(fā)現(xiàn)等相關(guān)理論改進(jìn)設(shè)計(jì)居家康復(fù)的益處已被病人和專業(yè)人員認(rèn)可，但畢竟居家環(huán)境與醫(yī)療環(huán)境區(qū)別較大，康復(fù)機(jī)構(gòu)內(nèi)有專業(yè)人員監(jiān)督，同時(shí)有其他病友共同參與鍛煉的環(huán)境，這些對(duì)確保病人參與具有重要意義。因此，居家環(huán)境病人的參與積極性和依從性是開發(fā)智能居家康復(fù)設(shè)備過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮的影響因素之一。而行為產(chǎn)生的動(dòng)力包括外驅(qū)動(dòng)力和內(nèi)驅(qū)動(dòng)力[42]，針對(duì)腦卒中病人長期居家康復(fù)的特點(diǎn)，開發(fā)居家智能康復(fù)設(shè)備時(shí)，一方面應(yīng)充分考慮到游戲和趣味性的階段性變化，以適應(yīng)不同時(shí)期的康復(fù)需求，或亦可根據(jù)病人鍛煉記錄數(shù)據(jù)定時(shí)更新系統(tǒng)、豐富鍛煉項(xiàng)目內(nèi)容等。再者，腦卒中病人的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力對(duì)促使病人堅(jiān)持鍛煉具有重要作用[43]，提高和確保內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力持續(xù)的重要因素之一是自信心，可在智能康復(fù)設(shè)備系統(tǒng)中自動(dòng)設(shè)計(jì)關(guān)卡、任務(wù)獎(jiǎng)勵(lì)或者提高任務(wù)的難度等，讓病人體驗(yàn)到進(jìn)步或者發(fā)現(xiàn)益處，甚至是開發(fā)基于每個(gè)病人的自動(dòng)化、個(gè)體化及自適應(yīng)的任務(wù)調(diào)整，以便提高病人參與的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。

3.2 基于環(huán)境理論改進(jìn)居家康復(fù)環(huán)境 確保居家康復(fù)效果的關(guān)鍵因素之一即腦卒中病人的依從程度，而居家環(huán)境直接影響依從行為。腦卒中病人參與居家康復(fù)的物理環(huán)境、人文環(huán)境、支持環(huán)境等均會(huì)影響到其參與的積極性。首先，應(yīng)提高家庭成員的可參與性，如美國喬治亞大學(xué)的Cherry 等[27]研究發(fā)現(xiàn)家庭成員積極參與也會(huì)提高腦卒中病人的依從性，同時(shí)降低其孤獨(dú)感，對(duì)改善家庭關(guān)系、促進(jìn)病人心理健康具有積極作用；再者，關(guān)于時(shí)間和空間的設(shè)計(jì)，為腦卒中病人設(shè)計(jì)智能康復(fù)設(shè)備時(shí)或開發(fā)相關(guān)系統(tǒng)時(shí)，一定要考慮到腦卒中病人易疲勞的特點(diǎn)，科學(xué)設(shè)計(jì)康復(fù)鍛煉的頻次、時(shí)長及任務(wù)的強(qiáng)度等因素；此外，室內(nèi)空間大小、燈光亮度、溫度等也是居家康復(fù)時(shí)應(yīng)該考慮的因素。最后，關(guān)于操作技術(shù)層面的問題，居家康復(fù)要求病人或家屬熟練掌握技術(shù)的使用方法和注意事項(xiàng)，在設(shè)計(jì)設(shè)備或者開發(fā)系統(tǒng)時(shí)，一定要考慮到操作的簡便性和界面的友好性，使病人和家屬可以簡單快速地掌握操作方法，以便提高參與積極性。