居家腦卒中病人智能康復技術的應用現狀及啟示

林蓓蕾，梅永霞，潘 攀，佟 瑤，張振香*，張樂蕓，張 艷，陳 剛

（1.鄭州大學護理與健康學院，河南450001；2.鄭州大學）

腦卒中是全球第三大致死和第二大致殘病因[1]。據全球疾病負擔數據顯示，腦卒中患病人數仍呈明顯上升趨勢[2]；而我國城市與農村地區腦卒中的死亡率、致殘率均居高不下，傷殘調整生命年自2005 年的1 016.10 增長至2016 年的1 186.22[1]，明顯高于歐美等發達國家，且尤以農村上升更為明顯，給個人、家庭及國家均帶來沉重而長久的負擔。據悉，不同國家腦卒中病人住院日為3～28 d[3?5]，我國約為13 d[6]，出院后病人及家庭均進入長期而痛苦的慢性康復過程。盡管部分腦卒中病人可至康復機構接受一定時間的專業指導，但受經濟、時間、照顧者等多重因素的影響，腦卒中居家康復成為必然需求和發展趨勢。因此，居家康復技術的發展對腦卒中病人功能恢復、日常自理生活和回歸社會意義重大[7]。近年來，隨著信息技術的快速發展，智能康復工程技術得到了較為快速的進步與發展，包括機器人輔助康復、康復游戲設計及虛擬場景的開發等，這對提高腦卒中病人康復參與率以及功能恢復具有重要意義，但因應用環境和康復需求的復雜性，諸多瓶頸問題仍需專業技術人員深入探索與研究。本研究擬對智能康復工程技術在居家腦卒中病人中的應用情況進行綜述，分析其優勢及局限，為進一步創新發展居家康復工程技術、提升居家腦卒中病人生活質量等提供借鑒和參考。

1 國外居家腦卒中病人智能康復技術

1.1 康復游戲 有研究已證實，基于游戲開展康復指導可促進腦卒中病人積極參與。國外不少學者對居家康復過程中應用游戲設備的效果進行了探討，其中涉及的游戲主要分為兩類：一類是商業模式運行的康復游戲，優勢是價格較為低廉、接受度高，缺點是專業化和個體化程度有待提高；另一類是專業機構開發的康復游戲，可用于腦卒中病人軀體康復或認知康復[8?11]，如英國Standen 等[12]將手部的運動鍛煉整合到游戲中，利用手套上安裝的Nintendo Wiimotes 二極管追蹤記錄手指的動作，進一步在虛擬游戲場景中進行移動和完成任務；而Sony PlayStation 2 則是一款商業公司開發的居家游戲康復系統，相對缺乏專業性，康復指導、康復評定以及肢體、手腕及手指在康復過程中的精細移動、位置等設計沒有充分考慮康復機制和治療目的，且安全性和有效性亦有待探討，只是價格比較容易接受[13]。另 外，Palmcrantz 等[14]開 發DISKO 解 決 遠 距 離交互問題，涉及針對性的腦卒中康復游戲，提供個體化和精準化的鍛煉項目，并進行了小樣本的施測，盡管其安全性和可接受性均較為理想，但其開發過程并未充分考慮到不同康復階段腦卒中病人的需求。因此，康復游戲的開發首先應考慮其專業性，其次是病人體驗，其中軟硬件系統，游戲的多樣性、趣味性和交互性，操作簡便性和是否易于掌握等均是設計開發過程中需要考慮的問題[15]。

1.2 遠程康復 遠程康復又被稱為遠程治療或遠程卒中（tele?stroke），指借助電話、視頻會議等信息通信技術，幫助病人從專業醫護人員處獲取醫療指導信息[16]。一般情況下是由專業治療師以視頻會議的形式，觀察和評估病人在完成康復鍛煉任務時的動作執行和運動過程，研究證實遠程康復可縮短腦卒中病人住院時間，進而降低經濟支出[17]，尤其是對于缺乏醫療保險、交通不便利、獨立出行困難、對照顧者依賴性較強或是居住地缺乏康復資源的腦卒中病人，居家遠程康復指導非常有益。但有研究也顯示，遠程康復在居家腦卒中病人功能恢復方面也存在諸多局限，如鍛煉過程中無法實現病人與康復醫師之間的肢體互動；居家物理環境是否能夠保障康復的安全性，以及康復環境、設備的購置費用增加，病人生活環境的隱私無法得到保障，或者系統的安全性以及康復過程中發生問題的責任歸屬等均需要解決[18?19]。

1.3 機器人 近年來，機器人輔助康復技術在腦卒中病人康復過程中發揮了重要作用[20?21]，康復機器人可幫助腦卒中病人運動上肢、手腕和手指，以提高其運動幅度和范圍。機器人輔助康復技術是基于人體解剖學和運動解剖學機制設計和研發，可為腦卒中病人提供類似康復技師的手法，甚至是在某些精細動作鍛煉和指導方面優于康復技師。Bruni 等[22]對13 項隨機對照試驗結果進行綜述，顯示康復機器人輔助步態訓練效果優于常規康復；但Lo 等[23]綜述卻發現機器人輔助康復在上肢、下肢及日常生活活動能力恢復方面的效果和常規康復無明顯差異。盡管機器人在居家康復中的應用效果并無一致性報道，但仍有大量的機器人設備嘗試性地應用到居家康復中，如機器人手套[24]、機器人手臂[25?26]、機器人下肢[20]等。機器人康復主要優勢在于根據計算機程序設計自動化生成一系列治療動作，規律有序地帶動腦卒中病人相應部位肢體鍛煉；此外，動作的頻次、時間、力度和范圍均是優化后設計，可實時測量和記錄，有助于明確計算劑量?效果關系，為實現精準化康復提供依據。盡管機器人康復有諸多上述優點，但因其應用時需要較大的物理空間[27]，需要特殊的桌子和椅子設備等，對諸多家庭來講是一個比較大的挑戰；此外，有時機器人會產生較大力度，給病人居家康復帶來一定風險，這些均為未來居家康復機器人的設計過程中考慮的問題。

1.4 虛擬場景技術 虛擬場景技術是指利用電子通信技術設計一個虛擬的環境，刺激機體在虛擬環境中進行運動，通常是設計一些交互游戲或虛擬鍛煉項目[12,28]。Standen 等[28]設計虛擬現實系統，在虛擬游戲中設計了手和手指的運動路徑，用以提高病人居家康復依從性；Piron 等[18]設計的虛擬系統將治療任務轉化為一些虛擬鍛煉項目（如使用錘子反復敲擊水桶），病人則需要根據已經設定好的虛擬物品的運動軌跡，對真實的物品進行移動；再如Wittmann 等[29]設計自動引導上肢訓練項目，鼓勵病人在虛擬場景中完成任務，用以鍛煉上肢功能。而Triandafilou 等[30]則進一步優化設計，建立多用戶交互的虛擬鍛煉環境，多例腦卒中病人可在虛擬場景內與康復醫師、治療師或同伴病人進行互動，訪談結果顯示85%以上的體驗者對系統較為滿意，可以接受每周2 d 或3 d 的訓練。總之，虛擬現實技術在居家環境中應用，可讓病人多次練習，反復刺激神經反饋，促進功能恢復，且過程安全、可控，不必擔心出錯，對提高其康復鍛煉自我效能具有積極作用，并為協助病人進一步將動作應用到真實生活情景中奠定基礎。然而，目前針對虛擬技術在居家腦卒中病人康復中的應用，專業性仍有待提高，如感覺功能反饋、大腦功能恢復甚至是神經元重塑，均應在虛擬場景和任務設計過程中充分考慮，以確保虛擬場景康復價值和意義的最大化。

1.5 傳感器設備 居家康復過程中傳感器主要發揮測評、監測動作和實時反饋的功能[24,29]。瑞士學者Wittmann 等[29]設 計的ArmoSensor 系 統內 置3 類 傳 感器，分別從3 個維度測量手臂運動的加速度、角度速度和活動范圍，利用無線裝置將參數傳遞至電腦端進行綜合分析和反饋評估；SCRIPT 項目中設計多個傳感器評估手指的屈曲活動度、手腕的活動范圍及整個手的速度和運動方向[24]。而Balaam 等[31]基于行為動機理論開發4 個子系統，其中Rehab Reader 系統內嵌傳感器幫助病人閱讀過程中練習擠壓動作，Chess 系統使病人移動西洋棋時練習擠壓動作，通過動作反饋提高病人參與動機。除專業康復設備內嵌傳感器外，也有學者嘗試改造生活用品，如Bobin 等[32]設計智能水杯，其中水杯設計思路是基于醫師和病人的真實需求，內置各種傳感器可用來收集有關其方位、液面與參考目標的位置和震動有關的信息；且可以實現音視頻顯示，為病人提供動作反饋，適用于腦卒中病人居家或者醫院康復過程中，結果發現（8/9）的腦卒中病人認為產品的實用性和可接受性較好。因此，腦卒中病人居家康復中，傳感器的應用非常必要，尤其是沒有專業人員在場時，通過傳感器即時測量和記錄鍛煉過程中的生理指標變化，無論是對病人還是對專業人員都非常有益，傳感器實時監測和記錄的結果可用來觀察鍛煉效果、調整鍛煉任務，為醫患之間的溝通提供資料。但如何克服或者最小化測量誤差，提高居家鍛煉過程中的精準性，以及傳感器缺點需要接觸式測量，與無線式相比不便捷等均有待深入研究和探討。

1.6 可觸摸式平板設備 平板設備主要包括平板電腦 或iPads[31,33?34]，如 在iPads 內整合敲鼓音樂APP，促使病人通過敲打數字鼓來鍛煉手的協調性和力量[34]。Balaam 等[31]團隊開發的Rehab Reader 系統內，一個平板電腦被應用于幫助病人在閱讀小說時鍛煉肢體；Ball Funnel 系統則利用平板電腦為病人展示和反饋鍛煉項目，多數情況下平板電腦和傳感器是組合應用。但對于感覺功能減退、單側空間忽略以及視野缺損或運動功能障礙的病人，平板設備輔助康復應用受限，因此類病人無法和平板內系統進行有效的交互和互動[34]。

2 國內居家腦卒中病人智能康復技術

國內不少學者研究了居家康復可穿戴式的智能終端設備、居家康復數字化檢測平臺與系統、可穿戴式上肢康復機器人、居家上肢康復自動識別系統、上肢康復及仿真系統等在腦卒中居家環境中的應用效果[35?39]。其中南京航空航天大學的宋曉鋒、龐古山團隊開發的上肢康復自動識別系統[37]，利用傳感器采集前臂和上臂的訓練數據，并通過無線裝置將采集到的康復訓練數據上傳到遠程服務器，由遠程康復醫師進行研究分析。浙江地區顧旭東等[38]在腦卒中居家康復過程中利用軀體傳感網可明顯改善病人的上肢功能和提高日常生活能力水平。此外，也有學者通過系統評價比較傳統康復模式與遠程康復模式效果[7]，盡管兩種模式在病人滿意度、自我效能和自我照顧能力方面差異無統計學意義，但遠程康復干預模式的成本明顯低于傳統康復模式。且采用虛擬場景設計游戲，確實可在低成本基礎上增加康復鍛煉的趣味性，如東南大學的何有源[40]基于虛擬現實技術設計多款情景交互式康復訓練游戲，使居家康復訓練活動變得生動有趣，并兼具遠程控制、音視頻交互功能；東華大學團隊提出腦卒中手部遠程康復系統服務模式和家用手部康復產品系統的設計思路[41]。綜上所述，國內學者在居家腦卒中智能康復工程技術方面也較為成熟，但多為設計思路和小樣本施測，并未見廣泛推廣應用的相關報道。

3 居家智能康復設備的應用啟示

3.1 基于行為動力、益處發現等相關理論改進設計居家康復的益處已被病人和專業人員認可，但畢竟居家環境與醫療環境區別較大，康復機構內有專業人員監督，同時有其他病友共同參與鍛煉的環境，這些對確保病人參與具有重要意義。因此，居家環境病人的參與積極性和依從性是開發智能居家康復設備過程中應重點考慮的影響因素之一。而行為產生的動力包括外驅動力和內驅動力[42]，針對腦卒中病人長期居家康復的特點，開發居家智能康復設備時，一方面應充分考慮到游戲和趣味性的階段性變化，以適應不同時期的康復需求，或亦可根據病人鍛煉記錄數據定時更新系統、豐富鍛煉項目內容等。再者，腦卒中病人的內在驅動力對促使病人堅持鍛煉具有重要作用[43]，提高和確保內在驅動力持續的重要因素之一是自信心，可在智能康復設備系統中自動設計關卡、任務獎勵或者提高任務的難度等，讓病人體驗到進步或者發現益處，甚至是開發基于每個病人的自動化、個體化及自適應的任務調整，以便提高病人參與的內在驅動力。

3.2 基于環境理論改進居家康復環境 確保居家康復效果的關鍵因素之一即腦卒中病人的依從程度，而居家環境直接影響依從行為。腦卒中病人參與居家康復的物理環境、人文環境、支持環境等均會影響到其參與的積極性。首先，應提高家庭成員的可參與性，如美國喬治亞大學的Cherry 等[27]研究發現家庭成員積極參與也會提高腦卒中病人的依從性，同時降低其孤獨感，對改善家庭關系、促進病人心理健康具有積極作用；再者，關于時間和空間的設計，為腦卒中病人設計智能康復設備時或開發相關系統時，一定要考慮到腦卒中病人易疲勞的特點，科學設計康復鍛煉的頻次、時長及任務的強度等因素；此外，室內空間大小、燈光亮度、溫度等也是居家康復時應該考慮的因素。最后，關于操作技術層面的問題，居家康復要求病人或家屬熟練掌握技術的使用方法和注意事項，在設計設備或者開發系統時，一定要考慮到操作的簡便性和界面的友好性，使病人和家屬可以簡單快速地掌握操作方法，以便提高參與積極性。