兒童認知康復系統的設計與實現

朱景芳 何友澤 曾奕 彭娟 宋健 謝小婷 吳勁松

(1.福建中醫藥大學康復醫學院，福州 350122；2.福建省康復技術協同創新中心，福州 350122)

認知功能障礙可見于腦癱、自閉癥、精神發育遲緩、注意力缺陷、多動障礙等多種兒童常見疾病，給家庭和社會帶來沉重的負擔[1,2]。隨著數字化信息技術的發展，越來越多的研究將信息技術應用于特殊兒童的認知功能康復[3,4]。然而，疾病導致的認知障礙與學習能力差導致的認知水平低有所不同，其損傷存在一定的特點。現有兒童認知康復軟件多基于學習教育理論進行認知功能訓練，且多缺乏認知評估功能，難以準確判斷兒童認知障礙類型，以及針對性干預。

為此，課題組研發了兒童認知康復系統。設計理念應用了能全面描述人類認知能力最佳的層級理論模型Cattell-Horn-Carroll (CHC)理論。目前該理論已經拓展到了16個不同領域的廣泛認知能力，涵蓋了閱讀/寫作、數學、注意力、記憶力、反應速度等多個領域[5]，且其已被應用到最新版本的韋氏兒童智力量表[6]，能夠全方位多角度地為兒童認知康復計劃的制定提供科學的依據。

1 兒童認知康復系統的設計

系統的內置應用軟件由認知功能評估模塊、認知功能訓練模塊和數據管理模塊組成，在搭載相應的硬件設備平臺后即可運行。系統通過硬件設備平臺的音頻影像設備可以實現針對不同認知維度（如注意力、記憶力、執行功能等）的認知評估與認知訓練，激發患兒的訓練積極性和參與度，從而促進認知功能的康復。同時，在連接網絡環境狀態下，可實現認知評估與訓練數據的儲存與導出、記錄患者認知功能改善情況，繪制訓練曲線，幫助醫生及患兒家屬掌握其功能狀態。

1.1 認知功能評估模塊

系統的認知功能評估模塊采用認知測試。通過將紙筆操作計算機化，借助多媒體的運算和存儲特性實現評估的無紙化、電子化，操作便捷，既可保證系統評估的標準化和客觀化，也在一定程度上節省資源。系統通過事先設計的單個領域認知評估測試對兒童的單項認知領域的功能進行量化、客觀化評分。計算機化的評估形式有助于避免傳統紙筆量表評估形式單一、乏味而導致兒童配合度降低的不足，互動性更強。

1.2 認知訓練模塊

認知訓練模塊根據CHC理論模型設計了98個針對不同細分認知領域的認知訓練子模塊。系統可根據認知評估模塊的評估結果，判斷出患兒認知功能障礙情況，生成個性化的訓練方案。例如兒童在認知評估過程中注意力評分指標低于數據常模，系統將推送注意力單領域認知模塊訓練方案。根據每一模塊的評估和訓練得分，系統將調整訓練難度，可分別從多個單領域認知訓練逐漸提升難度至多領域復合認知訓練，以實現認知功能訓練方案的最優化。

圖1 兒童認知康復系統界面圖

圖2 部分訓練模塊圖

認知訓練方案主要包括以下模塊：注意力訓練模塊、文字閱讀與詞匯表達模塊、記憶力訓練模塊、圖形補缺模塊、聽覺理解模塊、數字廣度訓練模塊、計算能力訓練模塊、數字符號轉換模塊等。

1.3 數據管理模塊

隨著國家“互聯網+醫療”政策的推行，數字信息記錄與管理的無紙化、電子化是現代醫療信息管理發展的必然趨勢。電子化數據更加方便康復醫師或治療師查找與核對、數據的呈現更加可視化，還可實現云端共享，有利于管理和存儲。數據管理子系統的主要功能在于管理和儲存。系統包括用戶端、使用記錄查詢、評估結果查詢、訓練反饋報告查詢等界面，交互性強、操作便捷。在用戶首次登陸時，系統將采集用戶的基本信息，包括姓名、性別、病例ID號、疾病診斷等。認知評估和訓練子系統的記錄和數據在完成時可自動存儲至數據管理子系統，可通過病例ID號隨時調用。連接網絡環境狀態下，用戶可選擇傳輸使用信息至系統后臺，方便醫生、治療師監督受試者的康復進程。同時醫生、治療師可通過數據管理子系統隨時獲得受試者的評估數據和訓練結果，執行增加、刪除、修改等操作，并可為受試者發布新的訓練計劃和方案，使訓練過程更加透明化、科學化。

1.4 硬件設計

兒童認知康復系統的硬件設備主要包括CPU與存儲、觸控顯示器、高清攝像頭、語音識別交互等模塊。其中CPU和存儲模塊用于整個系統的運行和管理，觸控顯示屏用于圖像顯示與訓練操作時的人機交互，語音識別交互模塊用于指導語播放、語音交互與語音識別，高清攝像頭模塊由單枚攝像頭組成，用于圖像信息采集與圖像識別。

2 兒童認知康復系統的實現

2.1 網絡連接

兒童認知康復系統借助于外置硬件設備可在連接網絡狀態下運行，也可以選擇單機模式狀態。其網絡連接選取無線網絡通信，去除繁雜的網絡外接線路，輕便美觀。

圖3 系統整體框架圖

2.2 系統架構

目前，認知康復系統主要采用C/S架構，以實現軟件與硬件設備的集成化。在Windows 10操作系統條件下，系統利用SOCKET技術開發了SOCKETSRV通訊服務，實現了多臺治療設備之間的通訊。同時，系統采用大型數據庫ORACLE來構建數據中心，實現數據集中管理并充分利用分區技術、高效的SQL Server等技術來提高數據庫性能。

2.3 用戶的操作與使用

圖4 系統操作與使用流程圖

系統打開進入登錄頁面，用戶首次使用需注冊用戶信息，輸入姓名、性別、ID號等身份信息。注冊成功后，系統將為首次用戶自動播放使用教程，以增強系統的交互性，確保用戶充分理解系統的操作。正式進入系統后，系統將要求首次進入用戶進行認知康復評估后，方可使用訓練模塊。而對于老用戶，登錄后系統將自動調取既往評估和訓練記錄，用戶無需再次進行評估即可按計劃進入認知康復訓練。

3 討論

當前，國內針對兒童的認知功能康復主要采取紙質化量表評估和線下一對一的訓練模式，存在耗時費力、療效易受治療師專業水平的影響等不足，并且我國兒童康復醫師、治療師人員短缺，無法滿足逐年增長的兒童康復需求[7,8]。同時紙質化的評估方式給康復醫務人員在數據資料的整理、分析和管理上增加了難度，而認知評估的無紙化、智能電子化在一定程度上解決這一問題，從而體現出認知康復系統的優勢[9]。既往研究表明，認知功能康復類的訓練系統對于認知功能障礙兒童具有改善作用，有助于提高其認知功能水平[4,10]。

兒童認知康復訓練系統是基于Windows 10操作系統，集合了認知評估、認知訓練和數據管理功能于一體，具有實用性強、適應性廣的特點，可用于認知障礙兒童的認知干預。系統功能模塊的開發還會進一步完善，在后續的系統升級時考慮納入眼動追蹤和增強現實技術，通過充分捕捉用戶眼動信息來監測和分析兒童注意力水平，以提高其認知康復訓練效率，并通過豐富訓練模塊情景設置，增加兒童的人機互動性，讓受試兒童在自然狀態下，更好地融入訓練、提高其訓練依從性，促進其的認知功能康復。