一種病房眼控環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與初步實(shí)現(xiàn)

宋偉棟 ，諸澄 ★，杜煜，詹培忠，汪江林

（1.同濟(jì)大學(xué)附屬上海市養(yǎng)志康復(fù)醫(yī)院（上海市陽光康復(fù)中心）工傷康復(fù)病區(qū)，上海 201619； 2.上海青研科技有限公司，上海 200030）

0 引言

高位脊髓損傷和疾病導(dǎo)致的四肢癱瘓使人類面臨重度功能障礙，此類患者情緒反應(yīng)強(qiáng)烈、不穩(wěn)定并伴有恐懼，他們的功能康復(fù)是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，這些均嚴(yán)重影響了他們的生活滿意度和生活質(zhì)量[1]。由于疾病緣故，在院期間他們需要專門護(hù)理，對(duì)住院環(huán)境的優(yōu)劣和康復(fù)護(hù)理的質(zhì)量有一定要求，而這將影響他們的康復(fù)療效和生活質(zhì)量[2]。

目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，國內(nèi)醫(yī)院的病房建設(shè)和管理也正向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，但仍無法有效改善四肢癱患者控制自己身體及周圍環(huán)境的能力[3]。計(jì)算機(jī)眼控技術(shù)主要是通過眼動(dòng)追蹤記錄分析用戶眼睛的注視、跳動(dòng)和移動(dòng)軌跡等活動(dòng)，得出用戶感興趣的區(qū)域及注意的指向和移動(dòng)過程，人機(jī)交互利用以上信息實(shí)施相應(yīng)操作，最終在顯示屏上做出相應(yīng)反饋[4]。于是，筆者預(yù)借助眼控技術(shù)應(yīng)用于人機(jī)交互，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)而幫助患者控制周圍環(huán)境和設(shè)備。基于“以患者為中心”的理念，創(chuàng)建醫(yī)院病房的新環(huán)境管理系統(tǒng)，本文提出了一種病房眼控環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了臨床應(yīng)用，致力于改善重度肢體功能障礙患者的生活狀況，提升他們的生活滿意度和生活質(zhì)量。

1 系統(tǒng)硬件整合與控制軟件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件整合

本研究采用上海青研科技有限公司研發(fā)的具有自主產(chǎn)權(quán)的eyecontrol眼控系統(tǒng)。眼控儀的核心是瞳孔位移追蹤技術(shù)，相較于追蹤肢體活動(dòng)或者追蹤其他物體，瞳孔位移追蹤技術(shù)具有更大的難度[5]。眼控儀基于角膜反射原理，發(fā)出近紅外線通過識(shí)別角膜反射回的光線來設(shè)定錨點(diǎn)[6]。眼球近似球體，當(dāng)眼睛看屏幕的不同位置時(shí)眼球轉(zhuǎn)動(dòng)引起的錨點(diǎn)光斑的位移很少，而瞳孔相對(duì)光斑的位移很大，計(jì)算機(jī)通過60Hz的編碼紅外線反射追蹤瞳孔移動(dòng)，然后計(jì)算瞳孔與光斑的位移來確定視線在屏幕上所處的位置[7]。本系統(tǒng)眼控儀作為電腦的輸入設(shè)備，使用23寸一體式電腦作為控制器，經(jīng)測(cè)量四肢癱患者的舒適距離后使眼睛到屏幕的距離需要保持在60CM±10CM之間，眼控儀可以在25-45CM平面和前后30CM深度的立體空間內(nèi)準(zhǔn)確地追蹤到人眼的活動(dòng)，不需經(jīng)過特殊的手工調(diào)教。

病房環(huán)境布置主要應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。利用局部網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)把床面溫度傳感器、濕度傳感器、各種電器控制器（如頂燈、病床、窗簾控制器、二便處理器、電視、空調(diào)等機(jī)器）以及護(hù)理人員等通過新的方式聯(lián)系在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息化網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)控制器采用基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議[8]。并兼容WLAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，支持802.11ac，最大支持64個(gè)獨(dú)立的傳感器接入，可以自由設(shè)置傳感器觸發(fā)聯(lián)動(dòng)功能，包括呼叫、拉響警報(bào)，基礎(chǔ)生命體征監(jiān)測(cè)，控制燈開關(guān)，控制床起降和控制窗簾開關(guān)等功能。為了使任意符合標(biāo)準(zhǔn)的家電能夠使用主機(jī)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行遙控，就需要實(shí)現(xiàn)紅外線信號(hào)和射頻信號(hào)互相轉(zhuǎn)換，我們使用紅外編碼轉(zhuǎn)換器能有效轉(zhuǎn)換紅外線，通過紅外線編碼學(xué)習(xí)功能控制幾乎所有支持紅外遙控的家電。通過紅外線轉(zhuǎn)發(fā)器模塊控制病房中的電視機(jī)和空調(diào)遙控。本系統(tǒng)同時(shí)具備互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，當(dāng)網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可通過遠(yuǎn)程控制監(jiān)控和控制病房的終端設(shè)備并可使用微信或其他軟件與外界溝通。為了實(shí)現(xiàn)患者對(duì)病床的控制，我們定制了專門的電腦顯示器支架，從而使床頭起降時(shí)保持眼控儀與患者眼睛間穩(wěn)定的距離。

1.2 控制軟件界面設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)外的眼控儀在使用前均需通過5點(diǎn)定位的方式校準(zhǔn)眼控位置[9]。為了使患者能更便捷地使用本系統(tǒng)，我們的設(shè)計(jì)采用了三點(diǎn)定位模式，大大降低了本系統(tǒng)的定位時(shí)間，經(jīng)校準(zhǔn)后，能有效降低誤點(diǎn)擊的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)了解，國外公司設(shè)計(jì)的環(huán)境控制人機(jī)交互模式一般需要通過3-4層界面才能完成一次環(huán)境控制操作，略顯繁瑣[10]。另外基于前期對(duì)患者需求的調(diào)研，我們?cè)谠O(shè)計(jì)人機(jī)交互界面時(shí)嚴(yán)格控制操作步驟并限定于三步以內(nèi)，大大節(jié)約了環(huán)境控制的操作時(shí)間，并設(shè)置了自定義熱鍵，經(jīng)過簡(jiǎn)單的設(shè)置即可把患者最需要的環(huán)境控制選項(xiàng)置于控制界面的頂層，達(dá)到一鍵開關(guān)的目的。譬如，啟動(dòng)軟件后只需一步即能開關(guān)頂燈，控制床或電視也僅需兩步，見圖1。

圖1

2 臨床試驗(yàn)和療效評(píng)定

2.1 受試對(duì)象

選取2017年4月至2018年5月在上海市養(yǎng)志康復(fù)醫(yī)院（上海市陽光康復(fù)中心）住院康復(fù)的高位脊髓損傷患者15例，因個(gè)人原因脫落3例。其中，男9例，女3例。最小年齡27歲，最大年齡48歲，平均年齡32歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①臨床癥狀呈四肢癱；②認(rèn)知功能良好，患者被告知并能理解研究項(xiàng)目；③簽署了知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：①臨床表現(xiàn)并非呈四肢癱；②認(rèn)知功能受限，拒絕或無法教會(huì)應(yīng)用眼控儀；③存在嚴(yán)重失語或精神障礙，影響信息采集。

2.2 臨床評(píng)價(jià)手段

采用國際公認(rèn)的客觀型生存質(zhì)量評(píng)估工具中文版健康調(diào)查簡(jiǎn)表SF-36量表評(píng)估四肢癱患者入住具有眼控環(huán)境控制系統(tǒng)病房前后的生活質(zhì)量。該中文版SF-36量表在各種疾病應(yīng)用上的信度與效度已得到檢測(cè)，包括截癱患者，脊髓型頸椎病等，國外也普遍應(yīng)用此量表對(duì)脊髓損傷的生存質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估[11-13]。SF-36[14]量表共有36個(gè)條目分8個(gè)維度，包括生理功能(Physical Functionin, PF)、生理職能(Role Physical, RP)、軀體疼痛(Bodily Pain, BP)、總體健康(General Health, GH)、活力(Vitality, VT)、社會(huì)功能(Social Functioning,SF)、情感職能 (Role Emotional, RE)、精神健康(Mental Health, MH)和1個(gè)健康變化自評(píng)。在以上所有維度中，前4個(gè)方面被歸納為生理方面，后4個(gè)方面被歸納為心理方面[15,16]。36個(gè)條目均設(shè)有表示不同等級(jí)的備選答案，本次采用正向賦分，即生活質(zhì)量評(píng)估總分越高，生活質(zhì)量越好。

2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，由于計(jì)量資料呈非正態(tài)分布，數(shù)據(jù)以中位數(shù)（第50百分位數(shù)）和四分位數(shù)間距（第25百分位數(shù)和第75百分位數(shù)之間的間距）表示。兩中位數(shù)比較采用非參數(shù)秩和檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 臨床試驗(yàn)結(jié)果

使用病房眼控環(huán)境控制系統(tǒng)后，在受試對(duì)象生活質(zhì)量的比較中，其生理職能、社會(huì)功能、情感職能和精神健康四個(gè)方面均有顯著提升，見表1。

表1 受試對(duì)象使用病房眼控環(huán)境控制系統(tǒng)前后的療效比較（Md,n=12）

4 討論

多數(shù)研究者[17-19]指出，生活質(zhì)量是一個(gè)包含軀體功能、情感狀態(tài)、經(jīng)濟(jì)收入及人際交往等多維度的復(fù)合概念。脊髓損傷后導(dǎo)致的四肢癱屬于終生殘疾，不僅體現(xiàn)在生理方面，大多數(shù)患者都會(huì)產(chǎn)生焦慮抑郁情緒并在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)難以調(diào)整心態(tài)，社會(huì)參與方面也幾乎為零[20]。所以，通過輔助技術(shù)改善這類人群生活質(zhì)量愈顯重要。目前，生活質(zhì)量已成為脊髓損傷康復(fù)的重要觀察指標(biāo)之一，發(fā)達(dá)國家也強(qiáng)烈推薦將其納入患者常規(guī)康復(fù)系統(tǒng)[21]。

本設(shè)計(jì)是四肢癱患者入住康復(fù)醫(yī)院后，為他們提供的一種病房康復(fù)輔助手段。研究結(jié)果顯示，四肢癱患者入住了具有眼控環(huán)境控制系統(tǒng)的病房，經(jīng)培訓(xùn)使用1個(gè)月后，其生理職能、社會(huì)功能、情感職能和精神健康四個(gè)方面均有顯著提升。近幾年，自動(dòng)化、智能化、人工智能等概念是科技創(chuàng)新的新典范，這些技術(shù)亦被逐漸引入康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及醫(yī)院管理系統(tǒng)中[22,23]。在國外，也有學(xué)者已通過眼控系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了智能病床，只是彼此設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍和目的不完全相同[24]。我們的設(shè)計(jì)除了可以對(duì)病床的濕度和溫度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合床頭自主調(diào)節(jié)功能使患者在受試期間通過眼控系統(tǒng)自主調(diào)節(jié)病床靠背的傾斜角度從而定時(shí)調(diào)整姿勢(shì)，還可以通過眼控系統(tǒng)自主調(diào)節(jié)空調(diào)溫度和窗簾等從而改善所處環(huán)境的舒適度。據(jù)臨床觀察，參與研究體驗(yàn)的四肢癱患者在受試期間均未發(fā)生過褥瘡。而本研究另一項(xiàng)主要設(shè)計(jì)是使患者可以通過眼控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與外界溝通，使用眼控儀打字、語音，順利與親友同事溝通，也能通過眼控設(shè)備完成文書等工作，雖然速度較慢，但是改善了社會(huì)功能。有學(xué)者指出，脊髓損傷患者的情緒狀態(tài)與其能否與他們進(jìn)行社交互動(dòng)及進(jìn)行社會(huì)參與呈正相關(guān)[25]。通過本系統(tǒng)患者雖然仍不利于大范圍活動(dòng)，但至少對(duì)自己所處的空間有了一定的掌控權(quán)，也能自由地與他人進(jìn)行互動(dòng)交流，由此患者整個(gè)情感與精神能力均有不小的提升。

5 總結(jié)與展望

本研究是針對(duì)四肢癱患者早期康復(fù)介入的一種病房環(huán)境輔助的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。經(jīng)臨床試驗(yàn)，此病房眼控環(huán)境控制系統(tǒng)可提升患者的生活質(zhì)量，主要在其生理職能、社會(huì)功能、情感職能和精神健康四個(gè)方面。

本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于有效地整合了眼控技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，經(jīng)整合后降低了整套系統(tǒng)的成本。通過安裝床頭支架使眼控儀能與床頭同步升降解決了患者自主控制床升降的問題。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上針對(duì)住院四肢癱患者的需求定制了控制軟件，使軟件界面單次任務(wù)操作步驟減少，容錯(cuò)率提高，應(yīng)用簡(jiǎn)單，可自定義等特點(diǎn)。在試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)了兩點(diǎn)不足：第一，本試驗(yàn)研究對(duì)象數(shù)量不足，數(shù)據(jù)未達(dá)到正態(tài)分布；第二，眼控儀使用前仍需校準(zhǔn)，尚不能達(dá)到開機(jī)即用的目標(biāo)，本系統(tǒng)人機(jī)界面仍有進(jìn)一步改進(jìn)空間。隨著本試驗(yàn)的成功，此系統(tǒng)可在康復(fù)醫(yī)院有需要的病區(qū)病房逐漸普及。