兒童認(rèn)知康復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱景芳 何友澤 曾奕 彭娟 宋健 謝小婷 吳勁松

(1.福建中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，福州 350122；2.福建省康復(fù)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，福州 350122)

認(rèn)知功能障礙可見于腦癱、自閉癥、精神發(fā)育遲緩、注意力缺陷、多動(dòng)障礙等多種兒童常見疾病，給家庭和社會帶來沉重的負(fù)擔(dān)[1,2]。隨著數(shù)字化信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究將信息技術(shù)應(yīng)用于特殊兒童的認(rèn)知功能康復(fù)[3,4]。然而，疾病導(dǎo)致的認(rèn)知障礙與學(xué)習(xí)能力差導(dǎo)致的認(rèn)知水平低有所不同，其損傷存在一定的特點(diǎn)?，F(xiàn)有兒童認(rèn)知康復(fù)軟件多基于學(xué)習(xí)教育理論進(jìn)行認(rèn)知功能訓(xùn)練，且多缺乏認(rèn)知評估功能，難以準(zhǔn)確判斷兒童認(rèn)知障礙類型，以及針對性干預(yù)。

為此，課題組研發(fā)了兒童認(rèn)知康復(fù)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)理念應(yīng)用了能全面描述人類認(rèn)知能力最佳的層級理論模型Cattell-Horn-Carroll (CHC)理論。目前該理論已經(jīng)拓展到了16個(gè)不同領(lǐng)域的廣泛認(rèn)知能力，涵蓋了閱讀/寫作、數(shù)學(xué)、注意力、記憶力、反應(yīng)速度等多個(gè)領(lǐng)域[5]，且其已被應(yīng)用到最新版本的韋氏兒童智力量表[6]，能夠全方位多角度地為兒童認(rèn)知康復(fù)計(jì)劃的制定提供科學(xué)的依據(jù)。

1 兒童認(rèn)知康復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的內(nèi)置應(yīng)用軟件由認(rèn)知功能評估模塊、認(rèn)知功能訓(xùn)練模塊和數(shù)據(jù)管理模塊組成，在搭載相應(yīng)的硬件設(shè)備平臺后即可運(yùn)行。系統(tǒng)通過硬件設(shè)備平臺的音頻影像設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)針對不同認(rèn)知維度（如注意力、記憶力、執(zhí)行功能等）的認(rèn)知評估與認(rèn)知訓(xùn)練，激發(fā)患兒的訓(xùn)練積極性和參與度，從而促進(jìn)認(rèn)知功能的康復(fù)。同時(shí)，在連接網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀態(tài)下，可實(shí)現(xiàn)認(rèn)知評估與訓(xùn)練數(shù)據(jù)的儲存與導(dǎo)出、記錄患者認(rèn)知功能改善情況，繪制訓(xùn)練曲線，幫助醫(yī)生及患兒家屬掌握其功能狀態(tài)。

1.1 認(rèn)知功能評估模塊

系統(tǒng)的認(rèn)知功能評估模塊采用認(rèn)知測試。通過將紙筆操作計(jì)算機(jī)化，借助多媒體的運(yùn)算和存儲特性實(shí)現(xiàn)評估的無紙化、電子化，操作便捷，既可保證系統(tǒng)評估的標(biāo)準(zhǔn)化和客觀化，也在一定程度上節(jié)省資源。系統(tǒng)通過事先設(shè)計(jì)的單個(gè)領(lǐng)域認(rèn)知評估測試對兒童的單項(xiàng)認(rèn)知領(lǐng)域的功能進(jìn)行量化、客觀化評分。計(jì)算機(jī)化的評估形式有助于避免傳統(tǒng)紙筆量表評估形式單一、乏味而導(dǎo)致兒童配合度降低的不足，互動(dòng)性更強(qiáng)。

1.2 認(rèn)知訓(xùn)練模塊

認(rèn)知訓(xùn)練模塊根據(jù)CHC理論模型設(shè)計(jì)了98個(gè)針對不同細(xì)分認(rèn)知領(lǐng)域的認(rèn)知訓(xùn)練子模塊。系統(tǒng)可根據(jù)認(rèn)知評估模塊的評估結(jié)果，判斷出患兒認(rèn)知功能障礙情況，生成個(gè)性化的訓(xùn)練方案。例如兒童在認(rèn)知評估過程中注意力評分指標(biāo)低于數(shù)據(jù)常模，系統(tǒng)將推送注意力單領(lǐng)域認(rèn)知模塊訓(xùn)練方案。根據(jù)每一模塊的評估和訓(xùn)練得分，系統(tǒng)將調(diào)整訓(xùn)練難度，可分別從多個(gè)單領(lǐng)域認(rèn)知訓(xùn)練逐漸提升難度至多領(lǐng)域復(fù)合認(rèn)知訓(xùn)練，以實(shí)現(xiàn)認(rèn)知功能訓(xùn)練方案的最優(yōu)化。

圖1 兒童認(rèn)知康復(fù)系統(tǒng)界面圖

圖2 部分訓(xùn)練模塊圖

認(rèn)知訓(xùn)練方案主要包括以下模塊：注意力訓(xùn)練模塊、文字閱讀與詞匯表達(dá)模塊、記憶力訓(xùn)練模塊、圖形補(bǔ)缺模塊、聽覺理解模塊、數(shù)字廣度訓(xùn)練模塊、計(jì)算能力訓(xùn)練模塊、數(shù)字符號轉(zhuǎn)換模塊等。

1.3 數(shù)據(jù)管理模塊

隨著國家“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”政策的推行，數(shù)字信息記錄與管理的無紙化、電子化是現(xiàn)代醫(yī)療信息管理發(fā)展的必然趨勢。電子化數(shù)據(jù)更加方便康復(fù)醫(yī)師或治療師查找與核對、數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)更加可視化，還可實(shí)現(xiàn)云端共享，有利于管理和存儲。數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的主要功能在于管理和儲存。系統(tǒng)包括用戶端、使用記錄查詢、評估結(jié)果查詢、訓(xùn)練反饋報(bào)告查詢等界面，交互性強(qiáng)、操作便捷。在用戶首次登陸時(shí)，系統(tǒng)將采集用戶的基本信息，包括姓名、性別、病例ID號、疾病診斷等。認(rèn)知評估和訓(xùn)練子系統(tǒng)的記錄和數(shù)據(jù)在完成時(shí)可自動(dòng)存儲至數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，可通過病例ID號隨時(shí)調(diào)用。連接網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀態(tài)下，用戶可選擇傳輸使用信息至系統(tǒng)后臺，方便醫(yī)生、治療師監(jiān)督受試者的康復(fù)進(jìn)程。同時(shí)醫(yī)生、治療師可通過數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)隨時(shí)獲得受試者的評估數(shù)據(jù)和訓(xùn)練結(jié)果，執(zhí)行增加、刪除、修改等操作，并可為受試者發(fā)布新的訓(xùn)練計(jì)劃和方案，使訓(xùn)練過程更加透明化、科學(xué)化。

1.4 硬件設(shè)計(jì)

兒童認(rèn)知康復(fù)系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括CPU與存儲、觸控顯示器、高清攝像頭、語音識別交互等模塊。其中CPU和存儲模塊用于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和管理，觸控顯示屏用于圖像顯示與訓(xùn)練操作時(shí)的人機(jī)交互，語音識別交互模塊用于指導(dǎo)語播放、語音交互與語音識別，高清攝像頭模塊由單枚攝像頭組成，用于圖像信息采集與圖像識別。

2 兒童認(rèn)知康復(fù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)連接

兒童認(rèn)知康復(fù)系統(tǒng)借助于外置硬件設(shè)備可在連接網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下運(yùn)行，也可以選擇單機(jī)模式狀態(tài)。其網(wǎng)絡(luò)連接選取無線網(wǎng)絡(luò)通信，去除繁雜的網(wǎng)絡(luò)外接線路，輕便美觀。

圖3 系統(tǒng)整體框架圖

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

目前，認(rèn)知康復(fù)系統(tǒng)主要采用C/S架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)軟件與硬件設(shè)備的集成化。在Windows 10操作系統(tǒng)條件下，系統(tǒng)利用SOCKET技術(shù)開發(fā)了SOCKETSRV通訊服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了多臺治療設(shè)備之間的通訊。同時(shí)，系統(tǒng)采用大型數(shù)據(jù)庫ORACLE來構(gòu)建數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理并充分利用分區(qū)技術(shù)、高效的SQL Server等技術(shù)來提高數(shù)據(jù)庫性能。

2.3 用戶的操作與使用

圖4 系統(tǒng)操作與使用流程圖

系統(tǒng)打開進(jìn)入登錄頁面，用戶首次使用需注冊用戶信息，輸入姓名、性別、ID號等身份信息。注冊成功后，系統(tǒng)將為首次用戶自動(dòng)播放使用教程，以增強(qiáng)系統(tǒng)的交互性，確保用戶充分理解系統(tǒng)的操作。正式進(jìn)入系統(tǒng)后，系統(tǒng)將要求首次進(jìn)入用戶進(jìn)行認(rèn)知康復(fù)評估后，方可使用訓(xùn)練模塊。而對于老用戶，登錄后系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)取既往評估和訓(xùn)練記錄，用戶無需再次進(jìn)行評估即可按計(jì)劃進(jìn)入認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練。

3 討論

當(dāng)前，國內(nèi)針對兒童的認(rèn)知功能康復(fù)主要采取紙質(zhì)化量表評估和線下一對一的訓(xùn)練模式，存在耗時(shí)費(fèi)力、療效易受治療師專業(yè)水平的影響等不足，并且我國兒童康復(fù)醫(yī)師、治療師人員短缺，無法滿足逐年增長的兒童康復(fù)需求[7,8]。同時(shí)紙質(zhì)化的評估方式給康復(fù)醫(yī)務(wù)人員在數(shù)據(jù)資料的整理、分析和管理上增加了難度，而認(rèn)知評估的無紙化、智能電子化在一定程度上解決這一問題，從而體現(xiàn)出認(rèn)知康復(fù)系統(tǒng)的優(yōu)勢[9]。既往研究表明，認(rèn)知功能康復(fù)類的訓(xùn)練系統(tǒng)對于認(rèn)知功能障礙兒童具有改善作用，有助于提高其認(rèn)知功能水平[4,10]。

兒童認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)是基于Windows 10操作系統(tǒng)，集合了認(rèn)知評估、認(rèn)知訓(xùn)練和數(shù)據(jù)管理功能于一體，具有實(shí)用性強(qiáng)、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，可用于認(rèn)知障礙兒童的認(rèn)知干預(yù)。系統(tǒng)功能模塊的開發(fā)還會進(jìn)一步完善，在后續(xù)的系統(tǒng)升級時(shí)考慮納入眼動(dòng)追蹤和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過充分捕捉用戶眼動(dòng)信息來監(jiān)測和分析兒童注意力水平，以提高其認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練效率，并通過豐富訓(xùn)練模塊情景設(shè)置，增加兒童的人機(jī)互動(dòng)性，讓受試兒童在自然狀態(tài)下，更好地融入訓(xùn)練、提高其訓(xùn)練依從性，促進(jìn)其的認(rèn)知功能康復(fù)。