基于微型傳感器的可穿戴遠程康復(fù)設(shè)備的設(shè)計

孟 琳，都天慧，范晶晶，屈 云

1 四川大學(xué)華西醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)中心，成都市，610041

2 四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)系，成都市，610041

3 康復(fù)醫(yī)學(xué)四川省重點實驗室，成都市， 610041

4 康復(fù)醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)實驗室，成都市，610041

基于微型傳感器的可穿戴遠程康復(fù)設(shè)備的設(shè)計

【作 者】孟 琳1,2,3,4，都天慧1,2,3,4，范晶晶1,2,3,4，屈 云1,2,3,4

1 四川大學(xué)華西醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)中心，成都市，610041

2 四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)系，成都市，610041

3 康復(fù)醫(yī)學(xué)四川省重點實驗室，成都市， 610041

4 康復(fù)醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)實驗室，成都市，610041

針對目前遠程康復(fù)設(shè)備體積大、價格高、不易操作等問題，該文設(shè)計開發(fā)了基于微型傳感器的可穿戴遠程康復(fù)設(shè)備。該設(shè)備采用自主研發(fā)的算法，能夠流暢無延遲的追蹤單關(guān)節(jié)運動，并實現(xiàn)了動作評定的量化考核，同時，微型傳感器具有體積小、價格低、易于穿戴等特點。臨床研究結(jié)果表明，該遠程康復(fù)設(shè)備可以提供便利、有效的康復(fù)訓(xùn)練。

遠程康復(fù)設(shè)備；微傳感器；有效性

0 引言

隨著近年來通信技術(shù)的進步及計算機硬件和軟件成本的下降，極大地促進了遠程康復(fù)技術(shù)的發(fā)展[1]。作為一種新興的康復(fù)手段，遠程康復(fù)可以通過雙向互動通信技術(shù)為患者提供遠距離的康復(fù)服務(wù)，包括疾病的咨詢、預(yù)防、診斷和治療[2]。目前已有證據(jù)表明，遠程康復(fù)與住院康復(fù)相比，在提高卒中患者的運動功能和日常生活活動能力上具有相同的效果[3]，但遠程康復(fù)可節(jié)約患者的時間和交通成本[4]。同時，調(diào)查發(fā)現(xiàn)卒中患者對遠程康復(fù)設(shè)備有很高的需求[5]，然而，目前我國市場上康復(fù)設(shè)備種類少、體積大且價格高。因此開發(fā)研制出便攜、易于穿戴的遠程康復(fù)設(shè)備顯得尤為迫切。

遠程康復(fù)設(shè)備的硬件主要由傳感器、患者終端、醫(yī)生終端、云服務(wù)器組成，目前遠程設(shè)備的傳感器大多有訓(xùn)練功能局限、體積大、不易穿戴、價格昂貴等缺點[6]。如奧地利Tyromotion研制的Pablo?系統(tǒng)[7]是一個手持式的康復(fù)設(shè)備，該設(shè)備里只含有一個傳感器，可以感知關(guān)節(jié)的屈伸角。配合一系列應(yīng)用軟件，它可以為病人提供交互式的康復(fù)訓(xùn)練。然而，單個傳感器不能重建涉及多關(guān)節(jié)的運動狀態(tài)，因此無法完成復(fù)合關(guān)節(jié)或全身的康復(fù)訓(xùn)練。還有一類是基于機械臂的遠程康復(fù)設(shè)備，它可以通過機械臂里的傳感器探測上肢的姿態(tài)，并通過配套軟件以交互方式協(xié)助病人訓(xùn)練，這類產(chǎn)品包括MIT研制的MIME[8]、MIT-MANUS[9-10]及各種CPM機等，但這一類設(shè)備只能用于上肢的康復(fù)訓(xùn)練，功能局限。同時，由于機械臂設(shè)備安裝復(fù)雜、穿戴麻煩且價格不菲，不易推廣到家庭中使用。故為解決上述問題，本文開發(fā)設(shè)計了基于微型傳感器的可穿戴遠程康復(fù)設(shè)備。

1 微型傳感器的設(shè)計

1.1 微傳感器的組成

該微型傳感器是根據(jù)患者的運動強度設(shè)計和開發(fā)的，主要由2個傳感器和1根數(shù)據(jù)線組成，見圖1(a)。由于只有1根數(shù)據(jù)線連接，可以減少由患者穿戴錯誤引起的設(shè)備工作異常的發(fā)生。同時，由于主傳感器還含有藍牙芯片，可以實現(xiàn)傳感器之間的無線連接及數(shù)據(jù)的打包發(fā)送。微型傳感器的設(shè)計依賴于微電子機械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical-Systems, MEMS)[11]，主要由中央處理器（Central Processing Unit, CPU）、電源管理器、三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和三軸磁力計構(gòu)成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1(b)。其中，三軸加速度傳感器能夠感應(yīng)人體運動產(chǎn)生的加速度和地球重力加速度，三軸陀螺儀可以感應(yīng)物體轉(zhuǎn)動時的角速度，三軸磁力計可感應(yīng)其所在位置地磁場的強度[12]。這些內(nèi)置固件實現(xiàn)了微型傳感器對患者肢體運動的追蹤，并可以根據(jù)環(huán)境溫度進行校準。

圖1 微型傳感器[12]Fig.1 Micro-sensors[12]

1.2 微型傳感器的選材

設(shè)計時考慮到患者進行康復(fù)訓(xùn)練的肢體運動速度緩慢的特點，因此，在加速度傳感器、陀螺儀和磁傳感器的選擇上采用了小量程和中等精度的產(chǎn)品，例如加速度傳感器量程小于2 g(9.8 m/s2)，精度為0.1 m/s2；傳感器的采樣率為16 Hz，足夠用于重建訓(xùn)練者的運動狀態(tài)。最終，此微型傳感器具有了角度跟蹤精度小于2o、角速度跟蹤精度小于5o/s、位移跟蹤精度小于10 cm、運動重建時間小于50 ms等特點。為方便患者攜帶和佩戴，設(shè)計時選擇了體積小、質(zhì)量輕的材料，集成后的傳感器體積為 45 mm（長）×35 mm（寬）×10 mm（厚），兩個傳感器重量僅有60 g。除此之外，為方便患者的使用，減少充電次數(shù)，設(shè)計時也考慮到了電池的續(xù)航能力，若患者使用該設(shè)備進行正常的康復(fù)訓(xùn)練，則傳感器4 d僅需充電一次。而以上材料的選擇也有助于降低最終產(chǎn)品的價格。

1.3 微型傳感器的穿戴

為了協(xié)助微型傳感器實現(xiàn)追蹤肢體運動的功能，需將其配置在患者身體的固定位置。因此，根據(jù)全身和各肢體康復(fù)的實際需要，設(shè)計和開發(fā)出了可重復(fù)配置的訓(xùn)練服。該訓(xùn)練服由肢體端和傳感器端兩部分組成，患者可以對訓(xùn)練服的肢體端進行拆卸，并佩戴在不同的肢體上，從而實現(xiàn)了對不同肢體進行單獨康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)計。傳感器可放置在此訓(xùn)練服的固定部位，一旦穿戴好，傳感器和肢體的相對位置即被固定下來。例如，要進行肩關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，2個傳感器分別對應(yīng)放置于軀干和上臂，穿戴完畢后即可獨立完成肩關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，見圖2 (a)。若這2個傳感器放置于其他位置，如膝關(guān)節(jié)，也可進行膝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，見圖2 (b)。這一設(shè)計減少了訓(xùn)練服的數(shù)量和成本，并且豐富了設(shè)備的功能，可以完成多個肢體部位的康復(fù)訓(xùn)練。此外，由于偏癱病人的患側(cè)肢體的活動受限，故經(jīng)過設(shè)計后，患者可根據(jù)演示圖中訓(xùn)練服的位置，用健側(cè)上肢單獨完成此訓(xùn)練服的穿戴。

圖2 微傳感器的穿戴Fig.2 The wear of micro-sensors

2 捕捉和評估運動的設(shè)計

2.1 單關(guān)節(jié)運動的跟蹤

為了能夠通過微型傳感器實現(xiàn)單關(guān)節(jié)運動的跟蹤技術(shù)[13]，該遠程康復(fù)設(shè)備采用了自主研發(fā)的四元素/歐拉角卡爾曼濾波算法[14]。這一算法采用了擴展的卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter，EKF）對三軸加速度值進行濾波，來獲取傳感器在大地坐標的俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)角。相比于傳統(tǒng)算法采用的積分方式，該算法克服了誤差和容易積累這一問題。依賴于該算法設(shè)計的遠程康復(fù)設(shè)備具有實時性，即跟蹤單關(guān)節(jié)運動時流暢無延遲，從而能夠準確地捕獲和再現(xiàn)人體的運動狀態(tài)。目前世界上沒有任何一款類似功能的醫(yī)用設(shè)備采用該項技術(shù)。具有類似功能的遠程康復(fù)設(shè)備主要依賴于光學(xué)原理，例如，GestureTek[15]開發(fā)的IREX系統(tǒng)和VICON系統(tǒng)。這類產(chǎn)品主要通過采用光學(xué)攝像頭或紅外線攝像頭，獲取患者的運動影像后再重建運動狀態(tài)，然后再通過一些交互手段協(xié)助病人進行康復(fù)訓(xùn)練。而本遠程康復(fù)設(shè)備與這類產(chǎn)品最大差別在于信號采集方式不同，光學(xué)采集有較高的環(huán)境要求，例如無遮擋、光線適當(dāng)、訓(xùn)練對象正對攝像頭等。而本設(shè)備對信號采集時的環(huán)境要求非常低，患者幾乎可以在任何條件下進行訓(xùn)練。因此，該設(shè)備不僅具有很好的單關(guān)節(jié)運動的跟蹤能力，同時更方便患者隨時隨地使用。

2.2 單關(guān)節(jié)運動的評估

由于之前沒有對肢體運動評估的專用算法。故該設(shè)備采用了自主開發(fā)的隱馬爾科夫模型與卡爾曼濾波結(jié)合的評估算法[16]。使用隱馬爾科夫模型可以對肢體運動過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換進行評估，并以概率方式比較實際發(fā)生動作和規(guī)定動作之間的差異。此算法通過對關(guān)節(jié)的兩側(cè)：運動肢體和支撐肢體分別建模，對肢體運動過程中的俯仰角、偏航角及滾轉(zhuǎn)角進行計算，評估其與要求軌跡、速度、角度的差異，對動作的整體完成情況進行評分，從而實現(xiàn)了訓(xùn)練評定的量化考核。

2.2.1 動作完成的判斷

遠程康復(fù)設(shè)備需要在無專業(yè)醫(yī)護人員監(jiān)控的情況下，感知患者肢體動作完成的程度，并將結(jié)果有效地反饋給患者[17]。但由于人機交流不能完全重現(xiàn)醫(yī)生與患者之間的交流模式，故為解決了這一難題，設(shè)計了依賴于微型傳感器的評估系統(tǒng)。首先，需設(shè)定肢體動作完成時的最低標準：在了解正常人各關(guān)節(jié)活動度范圍的前提下，設(shè)定各關(guān)節(jié)活動的最小目標角度，即關(guān)節(jié)活動超過該角度時，設(shè)備認定患者動作完成。其次，需設(shè)定合適的反饋系統(tǒng)：在關(guān)節(jié)活動達到目標角度（動作完成）后，為了促進患者繼續(xù)運動，設(shè)備不發(fā)出提示音，直至患者肢體運動達到極限返回后，活動關(guān)節(jié)再次達到目標角度時，設(shè)備才會提示“很好”或“完成”。設(shè)備設(shè)定完成每個動作的總時長上限為10 min，若超過此時間或動作未完成，則設(shè)備會發(fā)出“再來一次”的提示音。患者終端會對運動過程中動作在每一時刻的進展進行實時的評估。例如，當(dāng)患者在到達目標點后給出“很好”的提示；當(dāng)患者在完成某一動作速度過慢時，會提示“快一點”等。最后，該設(shè)備可以根據(jù)患者關(guān)節(jié)活動的最終角度及所用的時間進行評分。其中實時提示的產(chǎn)生和動作完成質(zhì)量的評估采用了前面所述的專用算法。

2.2.2 異常動作的判斷

在醫(yī)院進行康復(fù)治療時，治療師可以對患者進行實時的觀察，并及時糾正患者的異常運動，該遠程康復(fù)設(shè)備為實現(xiàn)這一過程開發(fā)了相應(yīng)的解決方案。首先，開始動作前需先在標準位置進行微型傳感器的校準，即按照患者終端中動畫演示的體位進行校正。其次，觀看患者終端中正常訓(xùn)練動作的動畫演示。最后，在患者的訓(xùn)練過程中，設(shè)備可以通過微型傳感器感知患者的實際運動軌跡，并同步上傳至患者終端，再通過三維動畫重建的形式，直觀地反應(yīng)患者肢體的運動軌跡，同時與設(shè)定的標準訓(xùn)練動作的運動軌跡進行對比。若患者運動偏離正常的運動軌跡，為了防止誤判，設(shè)備不會立即發(fā)出提示音，但一旦錯誤持續(xù)的時間超過2 s，設(shè)備便會提示患者錯誤，并同時用動畫及語音的方式指導(dǎo)患者糾正錯誤運動。這樣的設(shè)計可以保證患者在無監(jiān)管時康復(fù)訓(xùn)練的正確性，有效地避免了異常運動模式的產(chǎn)生。

3 臨床試驗

為進一步驗證該遠程康復(fù)設(shè)備的有效性，在四川大學(xué)華西醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科開展臨床試驗。試驗共納入44例腦卒中患者，所有患者均無認知障礙、感覺性失語及完全性失語。將44例患者隨機分為遠程康復(fù)組與對照組，其中對照組僅進行康復(fù)訓(xùn)練，遠程康復(fù)組除接受康復(fù)訓(xùn)練外，每天還需接受30 min~45 min的遠程康復(fù)訓(xùn)練，持續(xù)治療3周。采用Brunnstrom評定兩組患者治療前后的上肢運動功能。統(tǒng)計分析時，等級資料采用秩和檢驗或2檢驗。該試驗方案已通過中國倫理委員會審查，并與患者簽署相關(guān)知情同意書。

遠程康復(fù)組共納入2 2例患者，男1 3例，女9例；平均年齡(53.45 ±14.53)歲；平均病程（46.82±35.76）d。對照組納入22例患者，男14例，女8例；平均年齡(54.32 ±10.98)歲；平均病程（47.91±33.85）d。兩組比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。遠程康復(fù)組及對照組中各有1例患者失訪，最終共42例患者完成實驗。將脫落患者的最后一次評定結(jié)果進行轉(zhuǎn)化，針對其療效采用意向性分析（Intention-to-treat, ITT）。對完成實驗的42例患者患側(cè)上肢Brunnstrom分級的變化進行記錄與分析，見表1。

表1 兩組治療前后上肢Brunnstrom分級比較（例）Tab.1 Comparison of upper limbs Brunnstrom stages before and after treatment between two groups（n）

Brunnstrom將偏癱患者運動恢復(fù)過程分為Ⅰ～Ⅵ期，即弛緩期、聯(lián)帶運動期、協(xié)同運動期、部分分離運動期、分離運動期和正常運動期。研究發(fā)現(xiàn)，治療3周后，遠程康復(fù)組患者患側(cè)上肢的 Brunnstrom分級與治療前比較，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)；與對照組比較，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，表明經(jīng)過3周的治療后，遠程康復(fù)組的療效較對照組明顯。實驗結(jié)果說明，采用該設(shè)備進行遠程康復(fù)訓(xùn)練可以加快腦卒中患者患側(cè)上肢Brunnstrom的恢復(fù)過程，促進其上肢運動功能的恢復(fù)。

4 結(jié)論

目前腦卒中已成為導(dǎo)致殘疾的主要病因，每年有五百萬人因此遺留各種功能障礙[18]，影響其日常生活活動[19]，但仍有很多患者的康復(fù)治療需求無法被滿足[20]，而遠程康復(fù)的應(yīng)用可以有效改善這種情況，使更多的人享受康復(fù)治療[2]。本文設(shè)計開發(fā)的基于微型傳感器的遠程康復(fù)設(shè)備克服了現(xiàn)有設(shè)備的缺點，并能夠依賴于微型傳感器，實現(xiàn)單關(guān)節(jié)運動流暢無延遲的追蹤及動作評定的量化考核，而且通過臨床研究，發(fā)現(xiàn)其有利于加快腦卒中患者上肢Brunnstrom的恢復(fù)過程，具有很好的有效性和便利性，有著廣泛的應(yīng)用前景。因此，該設(shè)備為促進遠程康復(fù)的發(fā)展和滿足更多患者的康復(fù)需求提供了可能。

[1] Dorsey E R, George B P, Leff B, et al. The coming crisis: obtaining care for the growing burden of neurodegenerative conditions[J]. Neurology, 2013, 80(21):1989-1996.

[2] Laver K E, Schoene D, Crotty M, et al, Telerehabilitation services for stroke[J]. Cochrane Database Syst Rev, 2013, 12(12): CD010255.

[3] Chen J, Jin W, Zhang X X, et al. Telerehabilitation approaches for stroke patients: systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials[J]. J Stroke Cerebrovasc Dis, 015, 24(12): 2660-2668.

[4] Krebs H I, Volpe B T, Lynch D, et al. Stroke rehabilitation: an argument in favor of a robotic gym[C]// IEEE Int Conf Rehabil Robot, 2005: 219-222.

[5] Perry J C, Ruizruano J A, Keller T. Telerehabilitation: toward a cost-eff i cient platform for post-stroke neurorehabilitation[C]// IEEE Int Conf Rehabil Robot, 2011: 1-6.

[6] Turchetti G, Vitiello N, Trieste L, et al. Why effectiveness of robotmediated neurorehabilitation does not necessarily influence its adoption[J]. IEEE Rev Biomed Eng, 2014, 7: 143-153.

[7] http://www.tyromotion.com.

[8] Lum P S, Burgar C G, Shor P C. Evidence for improved muscle activation patterns after retraining of reaching movements with the MIME robotic system in subjects with post-stroke hemiparesis[J]. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng, 2004, 12(2): 186-194.

[9] Lo A C, Guarino P D, Richards L G, et al. Robot-assisted therapy for long-term upper-limb impairment after stroke[J]. N Engl J Med, 2010, 362(19): 1772-1783.

[10] Krebs H I, Volpe B T, Williams D, et al. Robot-aided neurorehabilitation: a robot for wrist rehabilitation[J]. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng, 2007, 15(3): 327-335.

[11] Ho C M, Tai Y C. Micro-electro-mechanical-systems (MEMS) and fl uid fl ows[J]. Annu Fluid Mech, 1998, 30(30): 579-612.

[12] 吳健康, 黃帥, 董梁, 等. 一種基于微型傳感器的交互式上肢康復(fù)系統(tǒng): CN102567638A[P]. 2012.

[13] Dong L,Wu J K,Bao X M, et al. Tracking of thigh flexion angle during gait cycles in an ambulatory activity monitoring sensor network[J]. Acta Automat Sinica, 2006, 32(6): 938-946.

[14] Wu J K, Dong L, Bao X M. Stream segmentation-a data fusion approach for sensor networks[J]. Acta Automat Sinica, 2006, 32(6): 856-866.

[15] Holsti L. The GestureTek virtual reality system in rehabilitation: a scoping review[J]. Disabil Rehabil Assist Technol, 2014, 9(2): 89-111.

[16] Dong L, Wu J K, Bao X M. A hybrid HMM/Kalman filter for tracking hip angle in gait cycle[J]. Ieice T Inf Syst, 89(7): 2319-2323.

[17] Brennan D M, Mawson S, Brownsell S. Telerehabilitation: enabling the remote delivery of healthcare, rehabilitation, and self management[J]. Stud Health Technol Inform, 2009, 145: 231-248.

[18] Mackay J, Mensah G A. The atlas of heart disease and stroke[R]. WHO, Geneva: WHO Press, 2004.

[19] Hackett M L, Duncan J R, Anderson C S, et al. Health-related quality of life among long-term survivors of stroke: results from the Auckland Stroke Study, 1991-1992[J]. Stroke, 2000, 31(2): 440-447.

[20] Andrew N E, Kilkenny M, Naylor R, et al. Understanding longterm unmet needs in Australian survivors of stroke[J]. Int J Stroke, 2014, 9(A100): 106-112.

Design of Wearable Telerehabilitation Device Based on Micro-sensors

【Key words 】MENG Lin1,2,3,4, DU Tianhui1,2,3,4, FAN Jingjing1,2,3,4, QU Yun1,2,3,4
1 Center of Rehabilitation Medicine, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu, 610041
2 Department of Rehabilitation Medicine, West China Medical School, Sichuan University, Chengdu, 610041
3 Rehabilitation Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu, 610041
4 Big Data Laboratory of Rehabilitation Medicine, Chengdu, 610041

telerehabilitation device, micro-sensors, effectiveness

TK124

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.03.009

1671-7104(2017)03-0189-04

2016-10-25

四川旭康醫(yī)療電器有限公司委托項目（H1212128）

屈云，E-mail: dr_yunqu@163.com

【 Abstract 】In order to overcome the disadvantages of current telerehabilitation equipment, such as large volume, high price and dif fi cult to operate, in this paper, we designed and developed a wearable telerehabilitation device based on microsensors. Self-developed algorithms were adopted, so that the device can track single-joint movement without delay and realize the quantitative evaluation of motor assessment, meanwhile, the micro-sensor has the characteristics of small volume, low price and convenient wearing. The clinical research showed that this remote rehabilitation equipment can provide fl exible and effective rehabilitation training.