劉庭偉，蔣皆恢，2?，陳丹彥，郁志華（.上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海 200444；2.上海市生物醫(yī)學(xué)工程研究所，上海 200444；上海市中醫(yī)老年醫(yī)學(xué)研究所，上海 2000）

基于中醫(yī)理論的多模態(tài)認(rèn)知檢測(cè)與康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉庭偉1，蔣皆恢1，2?，陳丹彥1，郁志華3
（1.上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海 200444；2.上海市生物醫(yī)學(xué)工程研究所，上海 200444；上海市中醫(yī)老年醫(yī)學(xué)研究所，上海 200031）

阿爾茨海默病（AD）是老年人群最常見(jiàn)的慢性疾病之一，以認(rèn)知訓(xùn)練為主要手段的作業(yè)療法被中西醫(yī)視為AD預(yù)防與保健康復(fù)最常見(jiàn)手段。但是，目前市場(chǎng)上針對(duì)AD的認(rèn)知障礙康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)多基于西醫(yī)方法，真正基于中醫(yī)理論或中西醫(yī)結(jié)合、具有中醫(yī)特色的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備幾不可見(jiàn)，且存在功能不全、用戶體驗(yàn)不足且價(jià)格昂貴的缺陷。本團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的多模態(tài)認(rèn)知障礙康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，具體實(shí)現(xiàn)用戶登錄模塊、康復(fù)訓(xùn)練模塊、康復(fù)評(píng)估和反饋模塊以及本地用戶信息反饋模塊。新系統(tǒng)特色為選擇多模態(tài)融合技術(shù)創(chuàng)新作為突破口，強(qiáng)調(diào)中西醫(yī)結(jié)合，在康復(fù)方案中融入腦電-眼動(dòng)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)功能；基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，形成老人認(rèn)知障礙康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的自我管理；多功能的可選擇性，集成多種功能可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行增減；價(jià)格合理，與國(guó)外現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練；智能監(jiān)測(cè)與反饋；腦電-眼動(dòng)監(jiān)測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)+

0　背景

近年來(lái)，隨著人口老齡化，“中醫(yī)治未病”逐漸成為我國(guó)以及上海市重要的生物醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略。國(guó)家層面上，“中醫(yī)藥防治重大疾病與中醫(yī)治未病”被列入《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》發(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)。

阿爾茨海默?。ˋD）是老年人群最常見(jiàn)的慢性疾病之一。阿爾茨海默病的預(yù)防與保健康復(fù)具有重要的醫(yī)學(xué)與社會(huì)意義，可充分體現(xiàn)“治未病”理念。目前國(guó)際上尚無(wú)完全被證實(shí)的AD藥物治療法或物理療法，而以認(rèn)知訓(xùn)練為主要手段的作業(yè)療法被視為阿爾茨海默病預(yù)防與保健康復(fù)最常見(jiàn)手段，也是中醫(yī)傳統(tǒng)理論對(duì)AD患者認(rèn)知障礙康復(fù)訓(xùn)練的主要手段[1-3]。

中醫(yī)傳統(tǒng)理論認(rèn)為針對(duì)AD患者認(rèn)知障礙康復(fù)訓(xùn)練的需要患者通過(guò)耳、眼、手、腦的使用，而對(duì)患者的視覺(jué)、聽覺(jué)、回憶、思考、操作等進(jìn)行全面訓(xùn)練[4-5]。例如，總綱可參見(jiàn)《素問(wèn)·宣明五氣論》[6]：“五臟六腑之精皆上注于目”、“腦主識(shí)神”、“膽主決斷”、“肝主謀略”“心主神明”；《靈樞·大惑論》[7]所載“五臟六腑之精氣，皆上注于目而為之精”；《靈樞·海論》：“髓海不足，則腦轉(zhuǎn)耳鳴，脛酸眩冒，目無(wú)所見(jiàn)，懈怠安臥”；《類證治裁·健忘證治》[8]：“夫人之神宅于心，心之精根據(jù)于腎，而腦為元神之府，精髓之海，實(shí)記性所憑也”；《本草備要》[9]：“人之記憶，皆在腦中，……老人健忘者，腦漸空也”；《醫(yī)方考》[10[11]曰：“人五十以上，陽(yáng)氣日衰，忘前失后，興居怠惰，計(jì)授皆不稱心”等。

然而，目前中西醫(yī)AD干預(yù)中使用的認(rèn)知障礙康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備多基于西醫(yī)方法，市場(chǎng)上真正基于中醫(yī)理論或中西醫(yī)結(jié)合、具有中醫(yī)特色的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備幾不可見(jiàn)。從市場(chǎng)基本品類來(lái)分，現(xiàn)有中西醫(yī)認(rèn)知障礙康復(fù)訓(xùn)練產(chǎn)品可以分為兩種：第一種是以游戲?yàn)檩d體的虛擬作業(yè)康復(fù)設(shè)備，通過(guò)游戲方式吸引參與者，實(shí)現(xiàn)提升參與者注意力和記憶力。這類產(chǎn)品高度技術(shù)化，使用簡(jiǎn)單便捷，受到參與者喜愛(ài)，但此類產(chǎn)品的康復(fù)效果缺乏醫(yī)學(xué)實(shí)證，更接近益智類玩具[12]；第二種為實(shí)物型作業(yè)康復(fù)設(shè)備，例如雙手調(diào)節(jié)器、反應(yīng)時(shí)儀等，參與者通過(guò)實(shí)際操作此類設(shè)備，提升注意力和記憶力[13]。這類產(chǎn)品的康復(fù)效果已被醫(yī)學(xué)臨床證實(shí)，并被廣泛應(yīng)用在中西醫(yī)認(rèn)知障礙康復(fù)訓(xùn)練中，但其功能單一、互動(dòng)性差，且缺少數(shù)據(jù)記錄與追蹤，無(wú)法連續(xù)追蹤參與者的康復(fù)進(jìn)程[14-15]。此類產(chǎn)品國(guó)內(nèi)外較著名的公司包括：COGNI、 SCHUHFRIED、瑞格、北辰等。

通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練產(chǎn)品的分析，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有產(chǎn)品主要存在以下幾點(diǎn)共性不足： 1.功能不全：目前的認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備大多只基于眼、手、耳、腦等1-2種人體器官的使用訓(xùn)練，且各為一體，無(wú)法體現(xiàn)中醫(yī)傳統(tǒng)理論中“氣血循環(huán)”的治療理念，缺乏中醫(yī)特色；2. 用戶體驗(yàn)不足：認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練產(chǎn)品的人機(jī)交互接口仍處于通過(guò)人機(jī)接口對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)單控制的階段，對(duì)自然交互中無(wú)意識(shí)行為的區(qū)分還很欠缺，無(wú)法達(dá)到自然交互，即中醫(yī)傳統(tǒng)理論提倡的“天人合一”；3. 價(jià)格昂貴：以COGNI為例，完整游戲訓(xùn)練系統(tǒng)成本超過(guò)10萬(wàn)元，超出了社區(qū)和個(gè)人用戶對(duì)于認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練的心理價(jià)位，難以普及。因此，為了解決以上的問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)研究與開發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的多模態(tài)認(rèn)知障礙康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于西醫(yī)的腦科學(xué)技術(shù)以及中醫(yī)的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)理論，從認(rèn)知功能檢測(cè)和康復(fù)訓(xùn)練的角度出發(fā)，開發(fā)了十個(gè)趣味性、參與性強(qiáng)的康復(fù)類游戲，其中包括時(shí)間定向、無(wú)意義圖像再認(rèn)、文字識(shí)別、表情識(shí)別、視覺(jué)追蹤、表情理解、迷宮、人物識(shí)別、反應(yīng)力以及雙手調(diào)節(jié)，使得輕度認(rèn)知障礙患者在游戲中達(dá)到康復(fù)治療的目的。此外，通過(guò)采集用戶在游戲康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的腦電、眼動(dòng)、記憶力、反應(yīng)時(shí)以及視空間等指標(biāo)，結(jié)合傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)理論中的心、肝、膽、腎、睛、腦，綜合分析并給出康復(fù)評(píng)估結(jié)果。

1.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1硬件部分

如下圖1所示，本文開發(fā)的多模態(tài)認(rèn)知檢測(cè)與康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件部分主要包括主機(jī)、觸控顯示器、播音模塊、按鍵模塊、旋鈕模塊、搖桿模塊、視頻錄入模塊、眼動(dòng)儀、腦電采集模塊、IC卡讀卡器以及打印機(jī)等模塊。其中主機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的管理模塊，觸控顯示器通過(guò)VGA接口以及USB接口與主機(jī)連接，用于顯示圖像以及人機(jī)交互。播音裝置用于播放訓(xùn)練過(guò)程中的引導(dǎo)語(yǔ)，按鍵模塊用于反應(yīng)力訓(xùn)練，搖桿和旋鈕模塊用于在雙手調(diào)節(jié)訓(xùn)練中控制小球的水平以及垂直運(yùn)動(dòng)方向，視頻錄入模塊可以實(shí)時(shí)采集用戶圖像信息用于表情識(shí)別以及文字識(shí)別，眼動(dòng)儀用于記錄測(cè)試者視線位置并將其映射為屏幕坐標(biāo)，腦電模塊用來(lái)采集用戶在整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中的腦電信號(hào)，IC卡讀卡器用于用戶信息錄入、信息查詢以及快速登錄，打印機(jī)用來(lái)打印康復(fù)評(píng)估報(bào)告。

1.1.2軟件部分

本系統(tǒng)軟件部分主要分為用戶訓(xùn)練和本地用戶信息管理兩大部分，如下圖2所示。其中用戶訓(xùn)練部分包括用戶登錄模塊、康復(fù)訓(xùn)練模塊、康復(fù)評(píng)估和反饋模塊。普通用戶使用IC卡刷卡登陸用戶訓(xùn)練系統(tǒng)，然后根據(jù)引導(dǎo)語(yǔ)的提示完成整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程，訓(xùn)練完成后可以根據(jù)提示選擇是否打印康復(fù)評(píng)估報(bào)告。管理員登錄本地用戶信息管理系統(tǒng)后，可以進(jìn)行用戶信息的增、刪、改、查操作。圖3為原型機(jī)實(shí)物圖。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2　系統(tǒng)整體功能框圖

1.2開發(fā)環(huán)境及語(yǔ)言

本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2013，C++作為主要的編程語(yǔ)言。

由于Qt框架可以方便地用于開發(fā)高性能、跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面程序，允許真正的組件編程，并且能很好的支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)的編程，以及包含豐富的GUI元素。因此，本系統(tǒng)基于Qt框架設(shè)計(jì)了系統(tǒng)界面。

另外，考慮到MySQL是目前運(yùn)行速度最快的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)之一，且源代碼開放，開發(fā)人員可以依據(jù)General Public License對(duì)源代碼進(jìn)行修改以定制個(gè)性化的需求，因此本系統(tǒng)使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

1.3系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

1.3.1用戶登錄模塊

本系統(tǒng)通過(guò)IC卡進(jìn)行用戶登錄，其登陸界面如下圖3所示。系統(tǒng)在檢測(cè)到IC卡后，IC讀寫器讀取卡中的用戶名以及密碼，然后在后臺(tái)查詢MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中的用戶信息表，如果用戶存在并且密碼正確則進(jìn)入康復(fù)訓(xùn)練模塊。

圖3　原型機(jī)實(shí)物以及登錄界面圖

圖5　無(wú)意義圖形再認(rèn)訓(xùn)練界面　

1.3.2康復(fù)訓(xùn)練模塊

康復(fù)訓(xùn)練模塊設(shè)置了時(shí)間定向、無(wú)意義圖像再認(rèn)、文字識(shí)別、表情識(shí)別、視覺(jué)追蹤、表情理解、迷宮、人物識(shí)別、反應(yīng)力以及雙手調(diào)節(jié)共十個(gè)康復(fù)類游戲。整個(gè)康復(fù)訓(xùn)練模塊具體流程如下圖4所示，用戶在登錄系統(tǒng)后，將根據(jù)語(yǔ)音提示完成整個(gè)訓(xùn)練流程。圖5和圖6分別展示了無(wú)意義圖形再認(rèn)和視覺(jué)追蹤兩個(gè)康復(fù)游戲。

圖4　康復(fù)訓(xùn)練流程圖

圖6　視覺(jué)追蹤訓(xùn)練界面

1.3.3康復(fù)評(píng)估和反饋模塊

康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)如圖7所示，每個(gè)用戶康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果以及腦電信息、眼動(dòng)信息分別存儲(chǔ)在三個(gè)CSV文件中，所有數(shù)據(jù)可用于后期科研統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)挖掘。訓(xùn)練完成后，用戶可以選擇打印報(bào)告，如圖8所示。

1.3.4本地用戶信息管理模塊

本地用戶信息管理管理模塊設(shè)置有對(duì)用戶信息的增、刪、改、查功能，圖9所示為本地用戶信息管理界面。

圖7　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

圖8　康復(fù)訓(xùn)練報(bào)告　

圖9　本地用戶信息管理界面

2　系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)軟件共分有十類測(cè)試題，通過(guò)對(duì)測(cè)試者的理解力、判斷力、注意力、視空間、反應(yīng)力、記憶力、操作能力、文字理解能力、表情識(shí)別與復(fù)制能力進(jìn)行檢測(cè)和訓(xùn)練。分別為：①計(jì)算眼動(dòng)軌跡追蹤準(zhǔn)確率、錯(cuò)誤率、吻合率；軌跡跳躍時(shí)重新獲得的時(shí)間、敏感性。根據(jù)屏幕上的紅色小球（左上角）、綠色小球（左下角）、黃色小球（中間），用于檢測(cè)理解力、判斷力。②計(jì)算眼動(dòng)軌跡追蹤準(zhǔn)確率、錯(cuò)誤率、吻合率；跟隨綠色小球移動(dòng)、跟隨跳躍出現(xiàn)的綠色小球移動(dòng)、在屏幕中找尋紅色小球，用于檢驗(yàn)注意力、反應(yīng)力。反應(yīng)力測(cè)試用于對(duì)測(cè)試者的反應(yīng)力進(jìn)行訓(xùn)練，以提高其反應(yīng)力。在訓(xùn)練過(guò)程中，當(dāng)屏幕上出現(xiàn)某種顏色的小球時(shí)，要求測(cè)試者盡快按下按鍵裝置中與小球顏色相同的按鍵，同時(shí)，測(cè)試者的反應(yīng)時(shí)間、正確次數(shù)和腦電信息將被記錄。③表情識(shí)別和復(fù)制，觀察所示的不同表情照片，找出笑臉、笑臉。對(duì)皺眉、伸舌等表情動(dòng)作進(jìn)行復(fù)制，用于檢測(cè)反應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)確率。④進(jìn)行無(wú)意義圖形再認(rèn)，先看5張無(wú)關(guān)聯(lián)圖片，然后在10張照片中將其選出，用于檢測(cè)記憶力。無(wú)意義圖形再認(rèn)用于訓(xùn)練測(cè)試者的記憶力，即：識(shí)記、保持和重現(xiàn)客觀事物所反映的內(nèi)容和經(jīng)驗(yàn)的能力。在訓(xùn)練過(guò)程中，測(cè)試者首先要牢記屏幕中出現(xiàn)的五個(gè)目標(biāo)圖形，然后在接下來(lái)出現(xiàn)的十個(gè)圖形中將所有的目標(biāo)圖形全部找出，并按下按鍵裝置的按鍵模塊中對(duì)應(yīng)編號(hào)的按鍵，同時(shí)，測(cè)試者的反應(yīng)時(shí)間、正確次數(shù)和腦電信息將被記錄。⑤進(jìn)行無(wú)意義圖形再認(rèn)，請(qǐng)觀察圖片中的遠(yuǎn)景、近景、人物，用于檢測(cè)理解力。⑥迷宮游戲，簡(jiǎn)單化迷宮，圓形或方形，現(xiàn)給予顯示路徑，當(dāng)路徑消失后開始檢測(cè)，計(jì)算準(zhǔn)確率和錯(cuò)誤盲端次數(shù)，用于檢測(cè)視空間。在訓(xùn)練過(guò)程中，要求測(cè)試者首先觀察給出的迷宮和路徑，待路徑消失后，在帶觸摸功能的顯示裝置（如觸摸屏）上開始進(jìn)行走迷宮操作，同時(shí)，測(cè)試者的準(zhǔn)確率、錯(cuò)誤盲端次數(shù)以及訓(xùn)練過(guò)程中的腦電信息將被記錄。⑦雙手調(diào)節(jié)，左右兩旋鈕讓光標(biāo)在一定圓環(huán)（或其他圖案）范圍內(nèi)做環(huán)形運(yùn)動(dòng)（或不規(guī)則運(yùn)動(dòng)），計(jì)算完成時(shí)間和偏離軌跡的程度，考驗(yàn)操作能力。⑧反應(yīng)時(shí)儀，當(dāng)屏幕中間出現(xiàn)不同顏色的點(diǎn)時(shí)，請(qǐng)點(diǎn)擊相應(yīng)的按鍵，用于檢測(cè)反應(yīng)力。⑨文字識(shí)別，請(qǐng)判斷哪個(gè)是**，用于檢測(cè)理解力、文字識(shí)別能力。⑩人物識(shí)別，出現(xiàn)（毛澤東、陌生人若干），哪個(gè)是你認(rèn)識(shí)的人，用于檢測(cè)記憶力。在訓(xùn)練過(guò)程中，測(cè)試者需根據(jù)語(yǔ)音或者文字提示從幾張圖片中選出常見(jiàn)的歷史人物，并按下按鍵裝置中按鍵模塊中與所選圖片下小球顏色相同的按鍵，同時(shí)，測(cè)試者的反應(yīng)時(shí)間、正確次數(shù)和腦電信息將被記錄。

3　結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)以中醫(yī)理論為指導(dǎo)，以西醫(yī)檢測(cè)為手段，通過(guò)對(duì)AD早期患者受損的認(rèn)知功能進(jìn)行的康復(fù)訓(xùn)練，符合中醫(yī)“治未病”的學(xué)術(shù)思想。在預(yù)防保健服務(wù)體系環(huán)境下認(rèn)知功能訓(xùn)練與康復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、實(shí)地 (Any time, Any Place) 信息的交互，從而達(dá)到能在社區(qū)進(jìn)行檢測(cè)的眼動(dòng)、腦電、雙手調(diào)節(jié)等裝置。同時(shí)也與臨床常用的認(rèn)知能力檢測(cè)量表形成互補(bǔ)，在診斷和康復(fù)方面并不與韋氏學(xué)習(xí)記憶量表、簡(jiǎn)易智能狀態(tài)量表等形成交集。可以延緩測(cè)試者大腦老化，改善測(cè)試者的認(rèn)知能力。本系統(tǒng)便于廣泛推廣，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白，對(duì)其他疾病診斷和康復(fù)方面也有一定的借鑒作用，提升老年人的生活品質(zhì)的同時(shí)也能夠減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)，有較大的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效益。

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Design and Implementation of Multimodal Cognitive Test and Rehabilitation Training System Based on TCM Theories

LIU Ting-wei1, JIANG Jie-hui1,2*, CHEN Dan-yan1, YU Zhi-hua3
(1.Communication and Information Engineering School, Shanghai University, Shanghai 200444;2.Shanghai Biomedical Engineering Research Institute, Shanghai 200444;Shanghai TCM and Gerontology Research Institute, Shanghai 200031)

Alzheimer’s Disease (AD) is one of the most common chronic diseases in elderly populations. To prevent and intervene AD, occupational therapy by cognitive training has beenwidely usedinboth TraditionalChinese Medicine (TCM) and Western Medicine. However, existing cognitive impairment rehabilitation training systems for AD patients have shortcomings such as incompletefunctions, lacking user experiences and unacceptable prices.In this study, a multi modal cognitive impairment rehabilitation training system with independent property rights was developed, which mainly consist of four modules, including user login module, rehabilitation training module, rehabilitation evaluation/feedback module and user information module. This system considered the multi-technological integration as major innovative aspect, emphasized the combination of TCM and Western medicine, and appliedElectroencephalogram (EEG) and eye movement monitoring technologies. Based on Internet of things technology (IOT), this system achieved self-management of cognition impairment rehabilitation training data. In addition, the price for this system is acceptablewhen compared with existing products.

Cognitive rehabilitation training; Intelligent detection and feedback; EEG-Eye movement detection; Internet of Things+

國(guó)家自然科學(xué)基金（61603236）、上海市科委生物醫(yī)藥領(lǐng)域科技支撐項(xiàng)目（16441906200）、上海市中醫(yī)藥科技創(chuàng)新項(xiàng)目（ZYKC201602002）、教育部回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金、上海市教委青年骨干教師計(jì)劃、上海市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（N05010716118）。

蔣皆恢，海歸博士，上海大學(xué)，講師。