基于云端服務的缺血性腦卒中虛擬體感康復訓練平臺設計

史森中 張和華 段傲文 黃 靖 周 超 蘭 麗

(中國人民解放軍陸軍特色醫學中心醫學工程科 重慶 400042) (中國人民解放軍陸軍特色醫學中心消化科內鏡中心 重慶 400042)

1 引言

缺血性腦卒中也稱“中風”，是腦血管驟然發生病變所導致的一種局部性腦體功能障礙[1]。受快節奏和不規律生活等方面影響，缺血性腦卒中已成為威脅人體健康和生命安全的主要病癥之一，易致殘甚至死亡。相關研究證實，缺血性腦卒中患者盡早開展針對性康復訓練能夠相對減少神經功能喪失，降低并發癥發病率，同時還能促進運動功能再生，從而改善患者日常生活自理能力[2]。然而，傳統康復訓練療法需由專業康復醫師一對一指導和陪練，耗費大量醫療資源，造成醫師乃至醫院負擔較重。此外，腦卒中患者來院訓練需家屬陪護，時間成本高昂，訓練過程難以延續；而居家鍛煉器械單調枯燥且缺乏專業醫師指導監督，患者常隨意中斷練習，無法達到既定訓練效果。為此，本研究設計基于云端服務的缺血性腦卒中虛擬現實(virtual reality，VR)體感康復訓練平臺系統(以下簡稱平臺)，以解決上述問題，滿足患者居家訓練需求。

2 平臺設計

2.1 關鍵技術

VR技術是本研究的關鍵，其通過軟硬件結合構建虛擬環境，并提供集合三維視覺場景、觸覺、嗅覺等多類體感的虛擬世界體驗[3]。近年來有科研機構將該技術應用于教學領域，并取得較好效果[4]，為本平臺設計提供了研究基礎和參考依據。虛擬康復訓練平臺硬件主要包括頭戴顯示器、手持操控裝置和頭、手、整體位置定位系統。該類設備在市面上較普及且價格逐步降低，普通家庭可負擔[5]。患者在訓練過程中，借助頭戴式虛擬場景顯示器進行環境(場景)顯示，通過控制手柄實現與虛擬場景互動交互，得到真實的沉浸式體感。手勢追蹤設備能在VR虛擬場景中更加精確地跟蹤與定位患者手勢。其中虛擬場景設計采用Unity3D作為開發引擎。

2.2 框架結構及功能模塊

平臺采用自下而上的3層架構體系進行設計，主要包括康復控制組件、云端服務、患者應用端、康復醫師應用端等主要功能模塊，見圖1。

圖1 基于云端服務的缺血性腦卒中虛擬體感康復訓練平臺系統框架

2.2.1 康復控制組件(單元) 主要由3類功能模塊構成。(1)體感反饋虛擬康復訓練模塊。主要為患者提供多類型虛擬訓練(游戲)場景支持，并有針對性地提供康復訓練任務。該模塊硬件部分內嵌微型智能傳感器[6]，能夠將各類康復訓練活動任務所產生的數據信息輸出并上傳至云服務端。醫師對患者實際身體狀態進行評估診斷，有針對性地選擇適合的訓練計劃，并在訓練中進行適時調整。(2)情境自適應模塊。主要用于控制虛擬訓練(游戲)的難易程度、訓練強度、訓練任務、場景選擇、虛擬環境亮度、對比度、背景音樂、預警音效等多媒體元素，形成多模態綜合體感體驗[7]，從而使康復治療過程更富娛樂性和趣味性。醫師可實時監控患者虛擬訓練過程的動態行為，掌握當前真實訓練情況及數據，自定義調整虛擬康復訓練(游戲)的難易水平，并根據這些動態指針及時為患者調整虛擬訓練策略(虛擬游戲策略)，有利于達到最佳虛擬訓練效果，確保訓練與患者的情緒、心理能力、肢體能力相匹配，避免訓練過量。(3)運動能力評估模塊。主要捕捉患者虛擬康復訓練中產生的運動數據，并經算法分析后上傳至云端服務器存儲。該模塊所集成的健康人體基本運動能力指標，主要基于美國國立衛生研究院卒中量表(National Institute of Health Stroke scale，NIHHS)[8]，并將其嵌入平臺。NIHHS是評估腦卒中常用的量化評估工具。3分及以下提示患者為輕度卒中(3級)，3～10分屬于中度卒中(2級)，超過10分則屬于重度卒中(1級)。平臺根據每次進入測試的游戲完成情況進行評分，最后匯總。該量表適用于評估患者的恢復情況，預測患者可以恢復到的狀態，具有一定臨床意義。

2.2.2 云端服務 (1)注冊登錄。通過注冊登錄功能保護患者隱私安全，實現患者身份管理與識別。(2)網絡交互。主要基于傳輸控制協議及互聯網絡協議(transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP)，為醫師應用端和患者應用端提供虛擬康復訓練數據上傳、下載以及醫患交互通路。(3)康復訓練數據庫。實現訓練數據的真實動態展示、可視化分析、數據云存儲。

2.2.3 患者應用端 主要由硬件設備和軟件構成。硬件設備包含不同功能的微型傳感器，能夠追蹤患者練習過程中的動態數據和運動軌跡，并實時上傳至云服務器。軟件方面包括兩部分：一是虛擬康復訓練場景，提供各種康復訓練場景，使患者可選擇適宜的訓練任務，并依據訓練計劃逐步實施；二是患者應用軟件，包括患者健康問卷調查，可快速提供初步虛擬訓練計劃，也可由醫師遠程提供策略；還包括虛擬康復訓練結果平臺自評，平臺根據既定評分標準，在患者完成一項訓練任務后，予以基礎數字評分，供患者參考。另外，患者應用端的硬件設備采用觸感反饋技術，能使患者訓練時更直觀地感受到效果，提高康復訓練體驗。

2.2.4 康復醫師應用端 主要由軟件平臺和硬件終端(個人電腦、智能手機等)構成。軟件功能方面，一是遠程監測督導，實現對患者虛擬康復訓練過程的實時跟蹤監測、指導管理。二是康復醫師應用軟件，包括創建理想的虛擬訓練效果指標，根據健康人體客觀運動評價指標為患者預設適合其身體、心理承受范圍的運動能力達標閾值范圍和達標等級。此外，康復醫師應用軟件還提供成績分析量表，康復醫師可以結合實際情況自定義更為詳細的患者分析量表矩陣，為下一步治療方案的制定奠定基礎。

3 平臺主要功能

3.1 腕部旋轉康復訓練

包括“水杯與碟子”、模擬“擦桌子”等日常生活活動訓練(activities of daily living，ADL)，通過訓練游戲模擬居家生活必需的日?；顒?。“水杯與碟子”游戲場景中，患者首先需要握住虛擬環境中摔倒的水杯，通過腕部旋轉動作將水杯從水平摔倒狀態扶正為90°垂直桌面狀態，同時將水杯以最優線路和方向靠近碟子，最終能夠以正確狀態(杯口向上)平放于碟中。訓練任務順利通過后，平臺會啟動新一輪訓練，同時依據完成情況逐步增加難度。此類訓練旨在鍛煉肩關節、肘關節、腕部、抓握力等，增強肌肉力量、耐力、肢體協調能力等，以此達到康復訓練目的。

3.2 肢體協調康復訓練

在“果籃接水果”虛擬訓練游戲場景中，水果將從不同方位的果樹上隨機掉落，患者需要控制手中的果籃接住水果，若水果掉落地上則任務失敗，平臺彈出失敗提示窗口，并重新開始該訓練。平臺根據完成康復訓練任務的時間以及成功率階段性地提高訓練游戲難度，如縮短通關時間、加快水果落地速度、減小果籃口徑等。在該訓練過程中，患者不僅需要手、腕協調，更需要四肢與軀體進行整體配合與協調，因此能充分鍛煉肌體協調能力和運動反應速度。

3.3 認知能力康復訓練

認知能力是患者對事物概念、定義、類型的理解和認識能力，可反映其記憶力、專注程度、定向力等方面情況，通過持續訓練提升患者的認知能力非常必要。為此平臺軟件設計集成“虛擬購物”“水果配對”等VR康復訓練游戲?！疤摂M購物”模擬街邊果蔬購物場景，平臺界面首先提示需要選購的果蔬名稱，要求患者選取果蔬并拖動至購物車中，每正確一次增加兩分，隨之彈出加分情況以及“不錯”等字幕與語音提示。不斷激勵患者以提升其持續訓練的信心和趣味性。

3.4 遠程康復監測與督導

本平臺除了能夠直觀地為患者提供虛擬康復訓練之外，還設計康復醫師應用終端軟件。康復醫師通過個人電腦或智能手機等終端登錄到“遠程督導界面”，對患者的康復訓練狀態、訓練成績、訓練計劃完成情況等方面進行實時遠程監測及指導。患者在訓練過程中的身體狀態以及訓練持續時長均可通過遠程預設相應參數閾值進行控制，如超過預設康復訓練持續時間，平臺會以預警和終止的形式確?？祻陀柧毜挠行约鞍踩浴Ａ硗馓峁┻\動數據統計及圖表分析功能，以便康復醫師在患者康復訓練結束后進行回溯與分析。

3.5 初步應用效果

3.5.1 總體效果 本平臺基于云端服務將信息技術應用于卒中康復訓練領域，形成跨學科融合與應用。在缺血性腦卒中患者肢體訓練過程中，兼顧心理康復訓練、跨越時間與空間限制，滿足患者居家康復訓練需求，取得較好預期效果，實現了一定社會價值。

3.5.2 跨越時間空間限制、降低卒中康復評估難度 傳統康復訓練單調乏味，在耗費大量時間成本以及人力資源成本的同時，其訓練強度和效果卻無法得到科學有效評估，易錯失訓練良機。在結合云端技術的VR康復訓練平臺下進行居家康復訓練，較好地解決此類問題，對完全喪失運動能力的患者也具有一定效果[9]。

3.5.3 提高卒中患者康復訓練興趣，激發其訓練積極性 通過輸入設備(操作手柄、動作捕捉儀)將訓練活動傳送至計算機，并由輸出反饋設備使患者得到視覺、聽覺和觸覺等多種感官反饋，最終完成各類訓練活動，以最大限度恢復患者相應機體功能。不但節省人力、物力，還有效增加治療趣味性，激發患者參與康復治療的積極性，將被動轉為主動治療，提高治療效率和效果。

3.5.4 對卒中患者心理康復方面具有積極作用 相關文獻[10]顯示，在治療過程中，部分卒中患者將出現抑郁、煩躁等心理障礙。針對此類問題，在康復訓練過程配備自定義背景音樂模式，結合傳感器力反饋技術，患者能夠在視覺、觸覺和聽覺方面得到多模態、全方位虛擬康復訓練體感反饋，改變傳統枯燥單調的機械式訓練模式，對促進心理康復具有積極作用。相關研究證實，無論是機器人訓練(含虛擬訓練)還是常規康復，都能明顯改善患者整體認知功能、情緒、執行功能以及日常生活活動能力。然而，只有通過VR康復訓練組[11]，患者才能在認知靈活性和轉移技能、選擇性注意/視覺以及生活質量、精神和身體狀態的感知方面均有明顯改善。

3.6 患者數據安全保護

醫、患應用端均需通過登錄云服務端進行注冊與認證，相應的云端服務為醫、患提供較好的平臺權限及隱私保護機制。另外，本研究所涉及的云端服務將云服務器進行本地化部署，所有患者數據將傳輸保存至醫院本地化云服務器中，避免公有云托管模式下可能存在的患者數據、隱私信息泄露隱患。在后續研究中將不斷查找和發現隱患，及時遏制安全風險，并且引入更多安全策略與機制。

4 結語

隨著VR技術、傳感器技術、遠程網絡等智能信息技術快速發展，智能居家康復治療逐步成為一種全新醫學治療方式和應用[12]，其能夠作為臨床工作的延續及擴展實現輔助診療、康復治療等目標。本研究設計一種基于云端服務的缺血性腦卒中虛擬體感康復訓練平臺，為患者在居家環境下提供虛擬康復訓練環境，從而實現更直觀的視聽體驗，并通過智能硬件傳感器使患者體驗到真實的體感反饋。在整個虛擬康復訓練過程中，醫師遠程指導患者制定虛擬康復訓練策略，同時也可由患者自主決策，充分調動患者主觀能動性。平臺操作較簡便，并以虛擬世界電子游戲形式激發患者對康復訓練的興趣。另一方面，在本平臺中，康復醫師能夠通過“云服務”監測或調取患者康復階段的訓練狀態、康復進展等數據信息，并基于這些信息制定下一步康復計劃，為康復決策提供依據。居家虛擬康復訓練同時也使患者在親人的關愛下獲得歸屬感。靈活高效的虛擬康復訓練平臺或將成為未來卒中等局部性腦體功能障礙患者康復治療與研究的重要發展方向。