可穿戴傳感系統在上肢康復中應用的研究與實踐①

王琦，陳煒，PanosMarkopoulos

可穿戴傳感系統在上肢康復中應用的研究與實踐①

王琦1，陳煒2,3，PanosMarkopoulos1

本文對可穿戴傳感系統在上肢康復領域中的研究進行綜述調研，根據論題相關的關鍵詞搜到61篇文章，基于對文章摘要的初選和全文的篩選最終納入18篇。這些文章可以分為三類：進行運動和姿勢監測；提供終端用戶反饋；整合交互游戲。基于現有文獻的技術成熟度，臨床證據的有效性和系統可用性等方面對其進行探討，設計出一套智能康復服裝系統，可用于多種病癥康復。該系統包括一件整合了可穿戴電子元器件和智能織物的服裝和基于安卓設備的反饋平臺，可以實時通過衣服上的震動模塊或來自手機的屏幕反饋、語音提示給予用戶反饋。

可穿戴技術；姿態監測；康復；上肢；綜述

[本文著錄格式]王琦，陳煒，Markopoulos P.可穿戴傳感系統在上肢康復中應用的研究與實踐[J].中國康復理論與實踐, 2016,22(12):1462-1466.

CITED AS:Wang Q,ChenW,Markopoulos P.Application ofwearable systems in upperextremity rehabilitation:research and practice (review)[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2016,22(12):1462-1466.

康復技術通常被視為一種可以增加康復訓練時間或者提高康復訓練質量的方法。很長一段時間以來，基于上肢康復的技術關注點集中在機器人技術領域[1]。然而，隨著傳感技術和無線人體區域網技術的不斷更新，可穿戴康復技術正在快速發展[2-4]。大量的實驗系統，甚至一些商業化的產品已經開發用于支持上肢康復訓練，支持不同的康復人群，如腦卒中、脊髓損傷、多發性硬化癥、腦癱等，這反映了有效的上肢康復訓練技術的大量需求。

康復訓練目標在于控制代償運動和誘導神經可塑性和恢復身體功能[5]。為達到這樣目的的可穿戴系統包括多種組件：傳感監測組件(傳感器、可穿材料、智能織物等)；執行和處理組件(執行器、無線通訊模塊、系統處理單元等)；反饋和交互組件(軟件界面、算法、數據處理、游戲等)[6-7]。

本文從最終納入文獻的技術特點、已知效度、現有的臨床證據以及這個研究領域的挑戰等方面進行探討[8]。

1 方法

本研究目的是對上肢康復可穿戴系統進行綜述研究，其他相關技術不在本綜述的討論范圍內。2013年11月在Google Scholar數據庫里進行檢索，檢索的關鍵詞為“upper extremity”“arm hand”“rehabilitation”和“wearable systems”，在最初的文獻檢索后得到61篇有關上肢康復可穿戴系統的文獻。通過掃讀摘要進行第一輪初選，之后根據納入和排除標準進行全文閱讀篩選。

納入標準：①系統應用可穿戴技術；②系統的目的為康復訓練；③系統應用范圍的重點(或包括)在于上肢康復領域；④系統有針對終端用戶使用的反饋設計；⑤系統整合互動游戲做為用戶反饋。

排除標準：①假體/義肢；②機器人系統，外骨骼系統；③康復訓練信息介紹、教育預防系統。

最終有18篇文章納入，其中①只滿足納入標準前3項的系統歸入第一類，有潛力用在康復訓練中的可進行運動和姿勢監測的可穿戴系統；②在此基礎上滿足納入標準第4項的歸入第二類，提供終端用戶反饋的可穿戴式康復系統；③納入標準5項全部滿足的歸入第三類，整合了交互游戲的可穿戴式康復系統。

2 綜述結果

2.1 可進行運動和姿勢監測

屬于這一類別的系統主要著眼于提出上身姿勢和運動監測技術的開發及評估。這些系統都有明確的支持上肢康復訓練的目標，但是在整合程度上看還不算是完善的康復系統。研究的重點在于評估不同上肢動作監測技術的可行性和準確性。對上肢康復來說，可穿戴系統涉及不同類型的傳感器，包括加速度傳感器、陀螺儀、慣性傳感模塊、光柵編碼器、力敏傳感器等。這個類別里的大多數系統都是多傳感模塊系統，整合不同類型的傳感器或者多個相同傳感器作為傳感節點。表1總結了該類別里的8篇文章[9-16]的技術要點。

2.2 提供終端用戶反饋

也有很多研究[17-23]將傳感技術整合為完整的可穿戴康復系統方案。在比較這些系統時，考慮系統反饋和用戶界面非常重要。系統通常包括至少兩個主要部分：①傳感和控制子系統；②數據傳輸和反饋子系統。

Bento等提出的系統將可穿戴技術應用在神經康復領域，為腦卒中患者設計，利用震動刺激給予患者反饋[17]。該研究評估了系統的耐受性和可行性。系統為長期臥床使用開發，震動刺激可以在強度、時間和間隔上進行編程。

系統Us'em是由Markopoulos等開發的，旨在以任務導向訓練而設計[18]。系統包括兩個嵌入加速度傳感器的手環設備和帶屏幕的類似于手表的設備，分別戴在用戶的兩個手腕上，通過比較正常手臂和功能受損手臂的活動量，激勵用戶更多地使用受損手臂。系統在可用性和可靠性用戶測試中表現良好。

另一個應用是一個基于用戶動作監測的多用途可穿戴式個性化運動訓練系統[19]。系統包含教學、個性化設置和訓練模式，系統既為用戶提供實時的績效反饋，如可以根據屏幕上的3D模型和語音指導來調整動作，也提供結果反饋，如訓練的進度、項目完成次數等信息。

腦卒中康復鍛煉系統是居家個性化的神經運動鍛煉系統，可以實現患者和治療師之間的遠程溝通[20]。治療師可以遠程讀取患者的訓練數據并設定訓練計劃。系統用于訓練用戶的手臂功能，在2010年邀請9例患者進行8周的臨床測試，目的在于評估基于可穿戴設備訓練方案的有效性、用戶動機反饋以及系統的可用性。臨床測試遵循T-TOAT方法，即技術支持任務導向訓練，實驗結果表明被試者的手臂功能有顯著的提升且系統可用性良好。

M ountain等開發了遠程康復系統，從而方便腦卒中患者在家里進行康復訓練[22]。第一輪測試中所用系統包含戴在前臂和上肢的傳感模塊和數據記錄及反饋平臺，第二輪測試所用系統與Timmermans等的研究[20]所用一樣。每輪測試分別有4個被試參加家庭環境下的測試，實驗結果和用戶體驗反饋表明從臨床角度講，技術的改進可能會提升系統可用性和接受度。

另外，智能手機的發展和普及促進了其在可穿戴系統中的應用[23]。Goodney等開發一個基于安卓平臺的利用手機內置3軸加速度傳感器支持腦卒中康復的應用，即Dr.Droid[21]，通過屏幕視覺信息和語音來指導用戶進行Wolf運動功能測試(Wolf Motor Function Test)。

表2概括該類別的6篇文章的系統目標、所用的傳感技術和評估方法。這些系統大部分將可穿戴技術和屏幕反饋整合，且提供一些相配合的可自定義的訓練項目。在驗證系統有效性方面，除了一篇研究進行了小規模的臨床測試，其他研究還沒有在臨床有效性上做測試。

2.3 整合交互游戲

目前，大量的技術和設備都可以用來創造交互康復環境，虛擬現實、可觸游戲等和基于傳感模塊的可穿戴設備的整合，很好地促進了康復交互系統的發展，且可以提升用戶的使用動機和興趣[24]。在更好地實施家庭康復訓練的環境下，大量應用不斷將他們的關注點從單一的解決醫療問題向提升系統的可用性擴展。表3概括了該類別4篇文章[25-28]的應用、所用的傳感技術和評估方法。

表1 動作和姿態監測技術

表2 系統目標、技術和評估方法總結

表3 系統應用、技術和評估方法總結

Luo等開發一套交互系統[25]，基于慣性傳感器和光柵編碼器作為系統動態監測傳感模塊。該系統包括一個手臂套裝和智能手套，分別用來監測手臂動作和5個手指的動作。應用虛擬現實技術，他們開發了兩個交互游戲場景(彈鋼琴和捉球)來激勵用戶執行功能性的運動康復項目。

為達到不同級別的康復項目中的游戲應用，A lankus等提出一套低成本的創新系統[26]。該研究將任天堂公司的Wii遙控器(內置三軸加速度傳感器)戴到患者的手臂上，另配攝像頭作為系統的硬件部分。基于此，他們設計9個相關的游戲。作者對于在訓練場景下游戲設計如何激勵用戶情緒進行了分析。

除了虛擬現實游戲，可觸的平板游戲也非常有應用潛力，Beursgens等整合可穿戴技術和平板游戲為腦卒中患者設計開發的趣味手臂康復訓練系統[27]。游戲設定為用戶可以用叉子捕捉屏幕上的虛擬蟲子，當嵌入加速度傳感器的智能馬甲監測到用戶的代償大于預先設定的閾值，屏幕上會有相關反饋。在系統的第二輪迭代中，準確度和應用型都得到提升，且游戲內容得到擴展。

Lim等開發一套低成本的創新系統，并且進行與光學系統金標準的對比試驗，顯示系統的準確性和可行性[28]。傳感模塊包括一個光柵編碼器和加速度傳感器。系統在虛擬場景中創造了“虛擬教師”的角色來指導用戶模仿其相同動作和任務，直到用戶達到相同的姿勢，虛擬角色才換變換動作進行下一步訓練。

從這些交互系統可以看出，可穿戴系統已成功用于支持康復訓練的游戲化，且已經有一些樂觀的小規模的臨床試驗數據。然而仍然沒有隨機臨床試驗的數據，這說明擴大關于這一類系統有效性的實驗證據非常必要。

2.4 綜述結論

我們對可穿戴康復技術和系統進行綜述研究，探討所應用到的重點技術及它們的可靠性。由于缺乏統一標準，很難基于所納入文獻的數據來對其做比較評判。此類系統的局限性在于傳感模塊在身體上的準確放置，這是保證系統準確性的關鍵，在實際使用過程中還需依賴治療師或他人為患者進行一定的調整和校準。此外，上肢功能有較大局限的患者(如上肢痙攣較為嚴重的患者)在穿戴系統和參與功能性訓練時可能有一定挑戰性[20]，需要更多相關研究支持。對于反饋信息較為豐富的系統，對用戶的認知程度有一定要求，且需要易用性高、體驗良好的用戶指導設計。在未來的研究中，系統舒適度、可用性和可穿性需要得到更多關注。有一些系統整合了可穿戴技術和交互游戲，在支持康復訓練領域顯示出很好的優勢。

3 智能康復服裝實踐

基于前面的綜述研究，我們提出一套應用于康復訓練的可穿戴系統實踐[29]。除了系統準確度和可信度，我們著重提升可穿戴康復系統的舒適度和可用性等方面的用戶體驗。該系統屬于前文所述的第二類，可以提供終端用戶反饋的可穿戴式康復系統，系統的下一步目標是引入互動游戲(interactive serious games)，為用戶提供更有激勵性的反饋機制。

3.1 系統概述

Zishi智能康復服裝系統旨在支持康復訓練中的姿態和動作監測。系統包括一件整合了可穿戴電子元器件和智能織物的服裝和基于安卓設備的反饋平臺(圖1)。目前，這個項目關注兩種類型的康復訓練。①神經康復訓練，如腦卒中、脊髓損傷或多發性慢性病所需的手臂康復訓練。交互技術可以提供合適的刺激和反饋等訓練。許多患者可能會遇到的挑戰是患者在康復運動中會產生代償運動，這會影響訓練的有效性，也是通常康復訓練中治療師所關注的，他們會給予患者反饋，提醒患者在訓練中保持合適的姿勢。②該系統同樣適用于肩痛患者的訓練，在手臂運動小于60°的訓練項目中患者需要保持肩胛平面的穩定，控制代償。

圖1 Zishi智能康復服裝和訓練場景

用戶可以根據針對自己情況的個性化設定，輕松地按照視覺指導來調整他們的姿勢和動作。圖2右所示為當用戶在訓練中如果肩部代償超過閾值，系統會提供實時的語音和震動提示，用戶也可以在屏幕上看到具體的視覺信息(目前的角度以及超過預設多少角度)，在某種程度上類似于傳統康復訓練中治療師對患者的姿勢進行提醒。

用戶可以在治療師的幫助下根據個人康復情況而設定適合的代償范圍。如圖2所示，在訓練過程中，屏幕上的指針會隨著用戶的動作而轉動，一旦超過設定的閾值，就會收到系統的提示。在可用性測試中，一位肩痛患者表示，因為可以實時看到指針隨著她的肩膀運動而轉動，她可以在訓練中更加有意識地控制肩膀動作。

圖2 界面反饋設計

3.2 設計迭代過程

Zishi智能康復服裝系統是一個基于之前四個版本所得到的經驗和啟發而設計迭代的成果。

第一輪迭代是對設計概念的驗證，將加速度傳感器置于胸前和肩峰處可以監測來自軀干和肩膀的代償。基于和治療師的深入溝通以及相關文獻檢索，第二輪迭代對于更加精準的傳感器位置放置進行探索，更改先前的概念，在椎骨T1和T5以及肩峰處分別放置一個加速度傳感器，另外對于在系統中整合導電材料、視覺反饋等方面進行嘗試。第三輪迭代系統在材料上進行改進，并且邀請7位被試進行與光學系統金標準的對比試驗，驗證系統的準確性。為了對系統的可用性、可靠性、新技術對用戶的激勵性等方面進行研究，在第四輪迭代系統中我們分別針對肩痛患者和腦卒中患者進行用戶測試。在比利時的Jessa醫院邀請8例肩痛患者和5名治療師參加測試，在上海華山醫院靜安分中心以及第一康復醫院邀請20例腦卒中患者參加測試。測試結果正在統計中。我們發現雖然系統在獨立穿脫和自主調節傳感器位置這兩個方面局限性較小，但對于上肢痙攣嚴重的患者，其手臂活動范圍和控制力有限，穿脫系統需要他人輔助且難以順利進行實驗設計中的訓練項目，對這樣的患者，系統目前的局限性較大，需要更加適合的反饋機制設計。

4 結論

本文對于可穿戴技術在上肢康復領域的應用進行綜述研究，基于現有文獻的技術成熟度，臨床證據的有效性和系統可用性等方面對納入的18篇文獻進行探討，并根據綜述研究得到的啟發，提出了一套智能康復服裝系統。該系統包含模塊化的傳感模塊、嵌入導電織物的服裝和反饋平臺。相較于傳統系統，在系統可用性、用戶接受度、可穿戴系統的織物整合度等方面進行迭代研究。未來將進行關于肩痛患者和腦卒中患者的臨床研究，測試系統的臨床有效性。

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App lication ofWearab le System s in Upper Extrem ity Rehabilitation:Research and Practice(review)

WANGQi1,CHENWei2,3,PanosMARKOPOULOS1
1.Industrial Design Departmentof Eindhoven University of Technology,Eindhoven,5612AP,the Netherlands;2. Center for Intelligent Medical Electronics(CIME),Department of Electronic Engineering,School of Information Science and Technology,Fudan University,Shanghai,200433,China;3.Shanghai Key Laboratory of Medical Imaging Computing and Computer Assisted Intervention,Shanghai200433,China

This paper reported a structured literature survey of research in wearable technology for upper-extrem ity rehabilitation.A keyword based search returned 61 papers related to this topic.Examination of the

s of these papers identified 18 articles describing distinctwearable systems aimed atupper extrem ity rehabilitation.They were classified in three categories depending on their functionality: posture and motionmonitoring;monitoring and feedback systems that supported rehabilitation exercises;serious games for rehabilitation training.We characterized the state of the art considering respectively the reported performance of these technologies,availability of clinical evidence,or known clinical applications.Based on the insights from the review study,we proposed a smart rehabilitation garment system for variety of patientgroups.The garment integratedw ith smart textilesandwearableelectronics.Itpresented real-time feedback asa vibration delivered through the garment,visualand audio instructions through Android-hand held device(smartphone or tablet).

wearable technology;postureandmotionmonitoring;rehabilitation;upperextremity;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2016.12.022

R496

A

1006-9771(2016)12-1462-05

2016-09-06

2016-10-26)

1.荷蘭埃因霍溫理工大學工業設計系，埃因霍溫5612AJ；2.復旦大學電子工程系，上海市200433；3.上海市醫學圖像處理與計算機輔助手術重點實驗室，上海市200433。作者簡介：王琦(1988-)，女，漢族，河北邯鄲市人，博士研究生，主要研究方向：智能康復服裝。通訊作者：陳煒(1978-)，女，漢族，廣東人，博士，教授、博士生導師，主要研究方向：醫學電子學，智慧醫療，傳感器技術在智能設計中的研究與應用。E-mail:w_chen@fudan.edu.cn。