基于人機交互的認知功能評估系統的設計與實現

李永紅， 李率真， 郭盼盼， 黃昶荃， 余 杭， 熊 剛

(1.成都信息工程大學電子工程學院，四川成都610225;2.中國自動化研究所復雜系統管理與控制國家重點實驗室，北京100190)

0 引言

隨著年齡的增加，老年人身體各項功能也隨之發生不同程度的衰減，其中表現最明顯的就是認知功能［1］。以認知功能障礙為主要表現的老年性疾病，嚴重影響老年人的晚年生活質量，給社會進步和經濟發展帶來巨大影響［2］。因此，及時有效地對老年人的認知功能進行評估對預防老年疾病顯得極為重要。為了極早的發現、預防以認知功能障礙為主要表現的老年性疾病，需要不斷完善老年認知功能評估體系。

傳統的認知功能測驗是以問卷和紙筆的測試形式為主，隨著計算機在醫學領域的廣泛應用，出現了各類認知功能測試軟件。曾少勇等［3］設計了基于.NET的認知功能測驗系統，張汝林等［4］設計了基于B/S結構的輕度認知功能障礙評估系統等。這些系統都實現了紙質問卷到計算機軟件的轉變，但由于受人為因素的影響，評估的靈敏度和精確度都不是很理想。人機交互技術是指通過計算機輸入、輸出設備，實現人與計算機之間信息的相互傳遞過程［5］，有效避免了外部影響。因此，提出一種基于人機交互的認知功能評估系統，系統克服客觀人為因素的影響，通過計算機量化自動給出評估結果，并提供一種友好的人機界面。系統擬在建立對老年認知功能的快速篩選和信息庫的管理，實現對認知功能言語、視覺和執行能力的多項評估和對評估信息的收集以便進行查詢和統計分析。

1 系統功能設計

1．1 開發工具及運行環境

系統開發環境為Microsoft Visual Studio 2010，安裝完VS2010集成開發環境后，配置成VS2010C++運行環境進行軟件開發。數據庫部分，采用SQL Server 2008數據庫管理系統對系統數據進行處理。圖像處理部分，采用計算機視覺庫OpenCV并結合數字圖像處理技術來實現。

1．2 系統總體結構

系統體系結構分為表示層、業務邏輯層、數據訪問層3層，總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統體系結構圖

表示層為用戶呈現了良好的人機交互界面，主要負責處理用戶的輸入信息，并將輸出呈獻給用戶以及訪問安全性的驗證。

業務邏輯層主要是對系統運行的處理，負責邏輯性數據的生成及轉換。該層是系統的核心部分，包括用戶管理、認知功能評估和系統管理3部分，各部分的交互由MFC提供的庫函數來實現。

數據訪問層是利用SQL Server 2008實現對數據源的操作，即數據的插入、刪除、修改以及從數據庫讀取數據等操作。

1．3 言語理解能力評估設計

言語理解能力評估模塊是利用MFC知識和Windows Media Player控件制作一款特殊的播放器［6-7］，并基于語音時長調整算法Wsola［8］實現語音變速不變調的調整。同時由于評估所需，在播放器上添加一個計時器。播放器數據流程圖如圖2所示。利用特制的播放器以快、中、慢3類語速和高、中、低3類音量播放同一個問題，播放器記錄下老人從問題播放結束到開始回答問題的間隔時間，同時記錄老年人的回答情況，以文字形式手動輸入并存儲至后臺數據庫，分析反饋信息給出評分。播放器的實現如圖3所示。

圖2 播放器數據流程圖

圖3 言語能力評估

1．4 視覺空間能力評估設計

視覺空間能力評估模塊主要利用 Amsler方格表［9］、假同色表和顏色形狀鮮明的實物分別對測試者的中央視野、色覺和實物辨識3部分進行評估。具體是利用MFC知識和picture控件制作圖片瀏覽器，對應播放上述3種不同的圖片，并利用雙線性插值法實現圖片無失真的1倍，1.5倍，2倍，2.5倍，3倍的放大和0.5倍的縮小，同時利用SAPI語音庫［10］實現自動提問的效果。手動記錄在相應狀態下老年患者的辨識情況，分析反饋信息給出視覺評估結果。此模塊的實現如圖4所示。

圖4 視覺空間能力評估

1．5 動作執行能力評估設計

動作執行能力評估模塊是利用畫鐘實驗(Clock Drawing Test，CDT)［11］對測試者的執行能力進行評估。實現方法是利用MFC的GDI通過CDC實現繪圖手寫板的制作［12］，然后利用OpenCV對測試者所畫鐘表進行四分法評分［13］。具體測試方法是讓測試者在手寫板上畫一個鐘表，寫上12個數字，并讓指針指向規定時間。然后采用目前國際上最普遍的四分法進行計分:畫出封閉的圓，1分;將數字標注在圓中正確位置上，1分;表盤上4個數字書寫正確，1分;將指針標注在正確的位置，1分。最后系統根據老年人的完成情況自動給出評分結果。處理過程如圖5所示。此模塊的實現如圖6所示。

圖5 畫鐘實驗處理過程

圖6 動作執行能力評估

2 系統測試

在綿陽市第三人民醫院篩選75名年齡≥60歲的老年人作為測試對象，分別采用該人機交互系統和蒙特利爾認知評估量表(the montreal cognitive assessment，MoCA)對老年人進行認知功能檢測。其中男37名，女38名。男性受試者平均年齡為(67.5±4.5)歲，受教育年限為(15.5±3.2)年;女性受試者平均年齡為(62.5±2.5)歲，受教育年限為(13.6±2.4)年。所有測試者均知情同意，并配合完成兩種不同方式的測試。

人機交互系統包括言語理解、視覺空間、動作執行3方面。以上3方面的滿分均為4分，得分越高表示認知障礙程度越小，測試結果如表1所示。

表1 人機交互系統測試結果

MoCA是目前公認的較全面的認知功能障礙篩查工具［14］，測試內容包括視空間與執行功能、命名、記憶、語言、抽象等方面。系統將MoCA中的語言、視空間和執行能力采用人機交互方式進行測試，并與紙質版的MoCA測試結果采用SPSS13.0統計軟件進行方差分析，同時采用Pearson相關分析進行相關性分析。

測試結果顯示P＜0.05具有統計學意義，Pearson總體相關系數為0.7985，男性相關系數為0.8770，女性相關系數為0.7230。表明本系統與MoCA評估結果具有較高的相關性，且男性評估結果比女性的相關程度更高。相比較MoCA紙質量表調查方式，系統由計算機自動給出評分，測試過程簡單方便，并能夠保存大量的測試信息，充分證明了系統的實用性和有效性。

3 結束語

在Windows操作系統上利用VC++、SQL Server數據庫和OpenCV數字圖像處理技術開發實現了基于人機交互的認知功能評估系統。系統對老年人的言語理解能力、視覺空間能力、動作執行能力進行評估，受試者可以根據需求選擇特定的測試項目，各項測試根據相應的評分標準，會自動給出評分結果。結合老年人這一特定使用群體，系統以友好的人機界面呈現評估過程，并采用計算機軟件方式量化評估結果，最大程度地減少人為主觀性對評估結果的影響，提高了評估的準確性和高效性。

創新性在于實現了認知功能評估的自動化、智能化，方便快捷地給出評估結果，降低了操作人員的統計、計算的勞動強度，并提供評估結果導出和打印。與傳統的紙質量表評估方式相比，本系統評估過程簡單無需復雜的操作訓練，評估結果可靠受客觀因素影響較小。系統后臺數據庫保存的評估結果信息，可以作為醫學統計分析數據，為輕度認知功能障礙和老年癡呆癥的后續科研提供資料。

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