鐘欣益，何國(guó)志，陳浩

（廣州中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

引言

手是人類最重要的勞動(dòng)器官，兼具生活自理、生產(chǎn)勞動(dòng)和情感表達(dá)、思想交流的雙重功能。同時(shí)，因各種意外導(dǎo)致的手功能損傷也屢見不鮮，如中風(fēng)、手外傷等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各種外科創(chuàng)傷病人中，有三分之一以上屬于手外傷。手功能障礙的恢復(fù)與重建對(duì)于改善患者的生活質(zhì)量有著非常重要的意義。

1 研究現(xiàn)狀

大量臨床研究證明[1～3]：早期、合理、個(gè)性化、有計(jì)劃的分期訓(xùn)練方法是手功能恢復(fù)的有效途徑，而有效地進(jìn)行康復(fù)治療的前提和關(guān)鍵是對(duì)功能障礙的量化評(píng)定。正確并客觀地評(píng)估患者病情對(duì)制定個(gè)性化的治療方案、分析預(yù)后和評(píng)價(jià)康復(fù)效果具有重要意義。

一般來說，對(duì)手功能損傷的評(píng)定指標(biāo)主要分為運(yùn)動(dòng)功能性量表和日常生活活動(dòng)性量表，主要考查包括手的肌力、關(guān)節(jié)活動(dòng)度、感覺、靈活性及協(xié)調(diào)性等幾個(gè)方面。自Robert W.Lovett于1916年提出徒手肌力檢查（Manual Muscle Test，MMT）后，經(jīng)Florence P. Kendall等學(xué)者補(bǔ)充和完善，在臨床肌力評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用[4]。由于受多種主觀因素的影響以及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)缺乏明顯計(jì)量界限，故MMT尚屬于一種半定量的肌力檢查方法。另外，Eaton RG. 于1975年首先提出用于測(cè)量關(guān)節(jié)總主動(dòng)活動(dòng)度（Total Active Movement,TAM）的方法，TAM使用量角器分別測(cè)量手指的掌指關(guān)節(jié)（MP）、近側(cè)指間關(guān)節(jié)（PIP）和遠(yuǎn)側(cè)指間關(guān)節(jié)（DIP）的主動(dòng)及被動(dòng)活動(dòng)范圍。TAM作為一種肌腱活動(dòng)功能評(píng)定方法，能較全面地反映手指肌腱功能情況，也可以對(duì)比手術(shù)前后的主動(dòng)、被動(dòng)活動(dòng)情況，實(shí)用價(jià)值高，缺點(diǎn)是測(cè)量及計(jì)算方法較為繁瑣[5]。

隨著科技的不斷進(jìn)步，手功能障礙患者的康復(fù)治療方法正在發(fā)生革命性的變化，即從早期簡(jiǎn)單的機(jī)械式功能輔助替代向著智能化全過程的康復(fù)治療與訓(xùn)練發(fā)展[6]。

在肢體康復(fù)領(lǐng)域，系列化的多功能康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備已經(jīng)發(fā)展較為成熟，歐美多家專業(yè)公司現(xiàn)已推出了市場(chǎng)化的實(shí)用產(chǎn)品。例如：瑞士Hocoma公司生產(chǎn)的全自動(dòng)機(jī)器人步態(tài)訓(xùn)練與評(píng)估系統(tǒng)、三維上肢智能模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[7]；美國(guó)Biodex公司生產(chǎn)的等速肌力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練評(píng)估設(shè)備和用于創(chuàng)傷后關(guān)節(jié)、肌肉、韌帶及軟組織損傷后的早期康復(fù)治療與功能評(píng)定的多關(guān)節(jié)等速測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng)[8]；德國(guó)生產(chǎn)的Compass系列神經(jīng)肌肉功能測(cè)試、評(píng)價(jià)、訓(xùn)練綜合工作站等。這些產(chǎn)品都具備針對(duì)患者的從評(píng)定到治療全過程的個(gè)性化康復(fù)治療能力。

目前，國(guó)外針對(duì)手功能康復(fù)治療研究也開始引入新的高科技手段，如虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)[9]。據(jù)報(bào)道，美國(guó)新澤西州的羅格斯大學(xué)（Rutgers University）利用一款商用CyberGlove數(shù)據(jù)手套和自己研制的觸覺傳感手套裝置開發(fā)了一套中風(fēng)后遺癥患者恢復(fù)性治療用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[10]。患者將手套型游戲裝置戴在手上，通過手指的細(xì)微動(dòng)作來操作游戲畫面，初步達(dá)到了康復(fù)訓(xùn)練的目的。

國(guó)內(nèi)對(duì)于手功能障礙患者的康復(fù)手段一般包括各種常規(guī)的物理治療、運(yùn)動(dòng)治療和作業(yè)治療，這些診療理念和國(guó)際通行方法相差不大[11～13]，但在評(píng)估與治療儀器設(shè)備上相對(duì)落后。大多數(shù)診療機(jī)構(gòu)依然停留在目測(cè)或借助測(cè)角器等原始手段評(píng)定病情和療效，存在較多的主觀因素；同時(shí)，由于傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練方法機(jī)械而枯燥，患者難以長(zhǎng)時(shí)間的保質(zhì)保量的完成康復(fù)計(jì)劃，存在較大的隨意性，治療效果也無法迅速得到反饋和評(píng)估；另外，傳統(tǒng)模式下，醫(yī)患之間一般采取一對(duì)一的監(jiān)督治療，在患者數(shù)量日益增多的情況下，顯得力不從心，嚴(yán)重制約了治療效率。

綜上所述，研制一種集手功能障礙評(píng)定、治療和療效評(píng)價(jià)為一體的智能系統(tǒng)是十分必要的，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文在詳細(xì)研究分析手功能康復(fù)治療過程的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外同類產(chǎn)品先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，提出了一種低成本的手功能智能康復(fù)系統(tǒng)解決方案。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

早期腦中風(fēng)患者康復(fù)治療手段主要是通過鼓勵(lì)患者以健康側(cè)肢做代償，帶動(dòng)患肢做被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。1930 年Bethe 等首先提出中樞神經(jīng)系統(tǒng)可塑性理論，認(rèn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)可以在結(jié)構(gòu)或功能上發(fā)生動(dòng)態(tài)改變以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的變化，體現(xiàn)在神經(jīng)系統(tǒng)損傷方面就是大腦功能的修復(fù)和代償[14]。隨著大腦可塑性理論的提出，帶動(dòng)涌現(xiàn)了許多不同的康復(fù)治療新技術(shù)，如包括Bobath 法、Brunnstorm法、Rood 法、PNF法等在內(nèi)的神經(jīng)發(fā)育促進(jìn)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)法、運(yùn)動(dòng)想象法、神經(jīng)肌肉電磁刺激法、強(qiáng)制性使用運(yùn)動(dòng)療法、反復(fù)抗阻訓(xùn)練以及不同療法結(jié)合起來的綜合療法等等，均取得顯著療效[15～18]。

本項(xiàng)目基于大腦可塑性理論的運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)法，根據(jù)不同病人的情況，依靠醫(yī)師處方通過特定的游戲軟件產(chǎn)生有針對(duì)性的游戲動(dòng)作和指令，使患者按游戲要求反復(fù)多次完成訓(xùn)練任務(wù)，并配合聲音與視覺的多媒體反饋及手法指導(dǎo)畫面，逐步恢復(fù)已喪失的運(yùn)動(dòng)功能。

2.2 系統(tǒng)硬件組成

智能康復(fù)系統(tǒng)的硬件環(huán)境主要包括通用個(gè)人計(jì)算機(jī)一臺(tái)、5DT Data Glove Ultra數(shù)據(jù)手套一副。其中，通用計(jì)算機(jī)的配置應(yīng)留有一定的性能裕度以應(yīng)對(duì)潛在的大數(shù)據(jù)處理。此外，系統(tǒng)中還可包括一些用于患者信息采集的掃描儀、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)或攝像頭等輔助性設(shè)備。值得說明的是，在本系統(tǒng)中，由于經(jīng)費(fèi)限制，我們選用的是美國(guó)5DT（Fifth Dimension Technologies）公司生產(chǎn)的5DT Data Glove 5 Ultra型數(shù)據(jù)手套。

5DT Data Glove Ultra系列數(shù)據(jù)手套由黑色合成彈力纖維材料配合光纖曲度傳感器制成，具有佩戴舒適、簡(jiǎn)單易用、高數(shù)據(jù)采樣率等特點(diǎn)，是虛擬現(xiàn)實(shí)、動(dòng)作捕捉等虛擬交互領(lǐng)域的專業(yè)產(chǎn)品。手套分為5個(gè)傳感器和14個(gè)傳感器兩個(gè)系列，傳感器數(shù)量越多，可測(cè)量的關(guān)節(jié)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)也就越多。

5DT Data Glove 5 Ultra型數(shù)據(jù)手套總共5個(gè)傳感器，每個(gè)手指1個(gè)傳感器，測(cè)量指節(jié)和第一個(gè)關(guān)節(jié)的彎曲和伸展度。其最大采樣率達(dá)100Hz，A/D轉(zhuǎn)換精度為12bit，具備手指運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、自動(dòng)校正微調(diào)和基于TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程操作等功能。

所有手指活動(dòng)信號(hào)可利用產(chǎn)品配套的SDK編程工具中讀取API接口函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，并通過標(biāo)準(zhǔn)USB接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為用戶二次開發(fā)提供了便利條件。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能康復(fù)系統(tǒng)的軟件可以分為三個(gè)層次，如圖2所示。

1）傳感數(shù)據(jù)通訊層

該層主要完成對(duì)數(shù)據(jù)手套設(shè)備的硬件驅(qū)動(dòng)加載、初始狀態(tài)配置和校準(zhǔn)以及對(duì)指定通道的曲度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者手關(guān)節(jié)的屈伸角度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

手套的數(shù)據(jù)采集主要通過調(diào)用5DT Data Glove 5 Ultra配套的SDK中幾個(gè)API接口函數(shù)。下面簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)所用的主要相關(guān)API函數(shù)：

1. 掃描檢測(cè)USB接口是否與手套相連接：int fdScanUSB（ unsigned short*aPID, int &nNumMax）；

2. 打開數(shù)據(jù)手套相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收端口：fdGlove*fdOpen（char*pPort, bool bOnlyAllowSingle Connection）；

3. 獲取數(shù)據(jù)手套的左右手型：int fdGetGloveHand（fdGlove*pFG）；

4. 獲取數(shù)據(jù)手套所屬系列種類：int fdGetGloveType（fdGlove*pFG）；

5. 讀取數(shù)據(jù)手套指定手指活動(dòng)狀態(tài)傳感通道的數(shù)據(jù)：fl oat fdGetSensorScaled（fdGlove*pFG, int nSensor）；函數(shù)的返回值在[0,1]區(qū)間內(nèi)與彎曲度呈線性關(guān)系，0代表完全伸直狀態(tài)，1代表彎曲至90°。

6. 關(guān)閉數(shù)據(jù)手套相應(yīng)的數(shù)據(jù)端口：int fdClose（fdGlove*pFG）；

通過以上函數(shù)，數(shù)據(jù)手套各傳感器輸出值經(jīng)轉(zhuǎn)換成角度數(shù)據(jù)后可以直接應(yīng)用于后續(xù)的康復(fù)訓(xùn)練應(yīng)用層的模塊中。在本項(xiàng)目中，我們把采集到的數(shù)據(jù)按約定格式轉(zhuǎn)換后保存在一個(gè)事先開辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，供康復(fù)訓(xùn)練模塊的應(yīng)用程序讀取。

2）康復(fù)訓(xùn)練應(yīng)用層

該層利用Unity 3D平臺(tái)開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)基于第一人稱視角的游戲型康復(fù)訓(xùn)練功能。由于本應(yīng)用層軟件是通過虛擬的游戲場(chǎng)景來完成與患者交互的，因此如何有效調(diào)動(dòng)患者的主動(dòng)參與訓(xùn)練的積極性和趣味性，提高康復(fù)治療的效果，是本層軟件設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

應(yīng)用層軟件在讀取患者手指彎曲角度的時(shí)間序列數(shù)據(jù)后，需將該數(shù)據(jù)與Unity 3D構(gòu)建的虛擬角色的手關(guān)節(jié)相耦合，以便建立數(shù)據(jù)手套的真實(shí)動(dòng)作與訓(xùn)練場(chǎng)景下的3D手虛擬模型的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。

在本系統(tǒng)中，受5DT Data Glove 5 Ultra數(shù)據(jù)手套每個(gè)手指僅有一個(gè)傳感器的限制，傳感器的測(cè)量數(shù)值范圍為[0,1]，最小分辨率為0.1，因此對(duì)應(yīng)可測(cè)量的手指屈曲度范圍為[0°,90°]，分度值為9°。

中位0度法是將伸直位（中立位）作為運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，目前國(guó)際上通用的方法。其記錄是以中立位為起始點(diǎn)0°，按該關(guān)節(jié)屈伸、內(nèi)收、外展、內(nèi)旋、外旋各運(yùn)動(dòng)平面的兩個(gè)相反方向記錄活動(dòng)的起始到終末度數(shù)，兩個(gè)度數(shù)之差即為活動(dòng)范圍[14]。在本系統(tǒng)中，僅采用手指關(guān)節(jié)的屈伸來記錄手指活動(dòng)范圍，其中定義以從中立位向屈曲方向活動(dòng)為屈曲，以超過中立位活動(dòng)為伸展。

根據(jù)手的骨關(guān)節(jié)解剖模型，參見圖3。

我們將掌骨與近節(jié)指骨夾角α1和近節(jié)指骨與中節(jié)指骨夾角α2視為在手指彎曲時(shí)是同時(shí)變化的角度量，即α1=α2=1/2α（即float fdGetSensorScaled函數(shù)的返回值）。以掌骨與近節(jié)指骨關(guān)節(jié)為中立點(diǎn)，則有表1所示的關(guān)系。

以上述模型為基礎(chǔ)，可在Unity 3D平臺(tái)上確定手關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

而在Unity中，觸發(fā)信息檢測(cè)的函數(shù)分別有：

1. MonoBehaviour.OnTriggerEnter（Collider other）當(dāng)進(jìn)入觸發(fā)器；

2. MonoBehaviour.OnTriggerExit（Collider other）當(dāng)退出觸發(fā)器；

3. MonoBehaviour.OnTriggerStay（Collider other）當(dāng)逗留觸發(fā)器；

碰撞信息檢測(cè)的函數(shù)分別有：

1. MonoBehaviour.OnCollisionEnter（Collision collisionInfo）當(dāng)進(jìn)入碰撞器；

2. MonoBehaviour.OnCollisionExit（Collision collisionInfo）當(dāng)退出碰撞器；

3. MonoBehaviour.OnCollisionStay（Collision collisionInfo）當(dāng)逗留碰撞器；

這些組件與Unity的物理系統(tǒng)幾乎能實(shí)現(xiàn)所有物體的碰撞事件，使訓(xùn)練游戲達(dá)到了非常立體、真實(shí)的效果。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景將患者的虛擬肢體模擬到特定的游戲環(huán)境中，可使得患者在康復(fù)訓(xùn)練的同時(shí)忘卻訓(xùn)練本身的枯燥和難度，具有趣味性強(qiáng)，患者依從性好，有助于提高訓(xùn)練信心等優(yōu)勢(shì)。研究表明，經(jīng)虛擬訓(xùn)練后的Fugl-Meyer運(yùn)動(dòng)指數(shù)評(píng)分、Barthel指數(shù)及功能獨(dú)立量表等日常生活指數(shù)評(píng)分等各項(xiàng)指標(biāo)均會(huì)有所提升。

3）數(shù)據(jù)管理層

電子病例數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)綜合上述兩模塊所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合患者個(gè)人基本資料、病情狀況、治療方案和康復(fù)效果等信息，最終將各類臨床數(shù)據(jù)集成為一個(gè)詳細(xì)全面的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，便于查詢、對(duì)比、統(tǒng)計(jì)與分析研究。

三個(gè)層次模塊從下至上由系統(tǒng)管理主程序負(fù)責(zé)調(diào)度管理。

2.4 使用流程

系統(tǒng)構(gòu)建完成后，可以進(jìn)入使用階段，其步驟如下：

1. 患者就診，可利用掃描、攝影等手段采集患者基本信息及首診病況，并在數(shù)據(jù)庫中建立患者病歷檔案。

2. 對(duì)患者傷殘?jiān)u定、肌力測(cè)試。讓患者戴上數(shù)據(jù)手套，測(cè)量其手指各關(guān)節(jié)活動(dòng)能力。同時(shí)，調(diào)節(jié)握力器阻力測(cè)試其最大握力。

3. 康復(fù)醫(yī)師參照測(cè)試結(jié)果，確定治療處方，并輸入工作站管理軟件。

4. 患者在軟件的監(jiān)控下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，醫(yī)師可隨時(shí)抽查和評(píng)估康復(fù)效果，并根據(jù)療效修訂康復(fù)方案，如此往復(fù)，直至治療結(jié)束。

5. 治療結(jié)束后，收集患者最終療效數(shù)據(jù)，歸檔保存于數(shù)據(jù)庫中，便于后期科學(xué)研究。

3 小樣本臨床驗(yàn)證

為初步評(píng)價(jià)系統(tǒng)的臨床實(shí)用價(jià)值，我們進(jìn)行了小樣本的臨床對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 樣本選擇及分組

入選標(biāo)準(zhǔn)為：①病情適于參與實(shí)驗(yàn)（肌腱損傷修復(fù)術(shù)后4周、神經(jīng)修復(fù)術(shù)后6 周、骨折術(shù)后4 周），手部已開始漸進(jìn)性抗阻訓(xùn)練的就診病患；②同意簽署知情同意書。

排除標(biāo)準(zhǔn)：不能主動(dòng)配合訓(xùn)練者或病情不穩(wěn)定者。

最終符合條件者為18例。將其隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組（數(shù)據(jù)手套組）和對(duì)照組（傳統(tǒng)治療組），試驗(yàn)組采用手功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)照組采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行，其余條件兩組完全相同。在患者治療前和療程結(jié)束后采用九孔木釘板試驗(yàn)分別進(jìn)行手的協(xié)調(diào)靈活性評(píng)定。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可見，治療前后組內(nèi)比較：實(shí)驗(yàn)組第2 周末單位時(shí)間擊中目標(biāo)個(gè)數(shù)均較前有所增加（P=0.009），而在治療后的實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組組間比較則無明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步表明本康復(fù)系統(tǒng)具備與傳統(tǒng)治療方法相當(dāng)?shù)闹委熜Ч?/p>

3 結(jié)束語

新型手功能障礙康復(fù)工作站的研制不僅可實(shí)現(xiàn)人體手部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)軌跡的快速精確測(cè)量、肌力測(cè)定和訓(xùn)練，還可以輔助康復(fù)醫(yī)師進(jìn)行客觀化的傷殘等級(jí)評(píng)定，擬定個(gè)性化治療方案，而且治療方案也能夠在系統(tǒng)程序的實(shí)時(shí)監(jiān)控下得到嚴(yán)格地執(zhí)行，保證了患者康復(fù)訓(xùn)練的數(shù)量與質(zhì)量。同時(shí)，可以隨時(shí)分析處理醫(yī)療數(shù)據(jù)以給出不同療程下的療效評(píng)定以及建立病案數(shù)據(jù)庫，便于對(duì)病患療效跟蹤與科學(xué)研究等活動(dòng)，從而建立一套完整科學(xué)的手功能康復(fù)評(píng)價(jià)診療系統(tǒng)。

該系統(tǒng)只需通過簡(jiǎn)單擴(kuò)展訓(xùn)練裝置的數(shù)量，即可快速實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控下的多人同時(shí)診療，減少了患者候診時(shí)間，提高診療效率。

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