智能辅助训练治疗
目前,智能化康复辅助系统主要关注语言、运动和认知功能康复等方面。
1.语言辅助训练系统
针对失语症患者的计算机训练系统利用计算机减轻医疗工作者的工作量。为使操作者易于使用,系统尽可能贴近各类国际测评原始量表。现有的系统分为自动化操作系统和人工操作系统。选择自动化操作系统会直接进入快捷化的操作界面。该系统可以随机生成评估和训练用题目对失语症患者进行评估,按照评估得分进行分类并提供相应的训练功能,可对信息化病历进行管理。智能化系统可提供全程录音录像、评分和自动推送治疗处方,大大减少了医疗工作者的负担。该系统将医疗工作者与患者分开,为医疗工作者提供了极大的方便。
智能化言语检测技术旨在解决言语功能受损患者发音受损部位以及语言流畅程度的问题。Iliya S等提出了两种用于检测和识别受损语音信号各部分的分割模型,并进行了比较。一种利用四种人工神经网络的组合,另一种基于支持向量机。结果显示,基于支持向量机的模型能够有效地检测出语言治疗师感兴趣的语音部分。此外,国内研究者为了提高失语康复训练的效率,在失语康复软件中增加了人工智能调度功能。研究者针对失语症患者语音的特点,结合人工智能调度功能,设计了一套端点检测算法。
在治疗方面,言语辅助训练机器人能够进行部分或自主的治疗,协助语言治疗师进行语言失用性康复训练。因此,研究者集成了计算机视觉和机器学习技术来检测患者的口腔姿势。
2.康复机器人运动辅助训练系统
康复机器人运动辅助训练系统是通过信息化和深度神经网络计算形成的自动化人造康复系统,可以部分辅助或完全替代治疗师对患者进行肢体功能治疗,帮助患者恢复。目前,上市的康复机器人运动辅助训练系统具有一定的临床辅助训练作用,但其操作还是离不开经专业培训的治疗人员。部分康复机器人运动辅助训练系统增加了肌电数据采集和低频电刺激配件,可以在训练的同时刺激肌肉收缩并使患者感知。按照使用场所,康复机器人可分为康复训练机器人、外骨骼机器人等。按治疗部位,康复训练机器人主要分为四类。
(1)上肢康复机器人:在支撑患者手臂部分的模式下,辅助患者患侧上肢进行三维空间运动,通过本体感觉的刺激逐步恢复神经对上肢肌肉的控制能力。由于上肢活动的复杂性以及日常生活活动的要求,上肢康复机器人和基于传感器的设备结合使用已成为发展趋势。Jakob等对4种上肢康复机器人与传感器结合使用进行研究,结果显示康复训练机器人治疗每一疗程的费用低于标准的单个手臂治疗的一半,且效果相当。该方法可以确保尽可能多的患者群体获得高质量的治疗并降低医疗成本。此外,利用外骨骼上肢康复机器人进行作业治疗,可以更好地提高患者日常生活活动能力。但也有研究发现,虽然上肢康复机器人训练增加了患者的治疗频率和治疗强度,是一种安全的治疗方式,但是对于改善脑卒中患者上肢功能效果并不显著,需进一步提高其智能化程度。(https://www.daowen.com)
(2)下肢康复机器人:以下肢支撑训练为主,包括辅助下肢支撑、减重训练和步态调整训练。下肢康复机器人已经应用于脑瘫、脑卒中、脊髓损伤、帕金森病和血管性痴呆等疾病。在运动控制及训练方面,Lyu M等引入人工智能技术来增强膝关节机器人,使膝关节外骨骼能够自主控制。他们利用一种新的动作辅助控制方法并开发了一种通过屏幕游戏的肌电图控制的膝关节外骨骼来实现训练。训练结果显示,人机协同控制具有更高的整体肌肉激活水平。然而机器人辅助治疗在某些临床场景是否优于传统治疗,目前对此仍存在争议,康复机器人的机械结构和控制系统有待改进。结合肌电图、脑电图信号,借助虚拟现实技术的下肢康复机器人可能是发展趋势。
(3)手掌指机器人:由于手指和手腕的精细化运动功能较难恢复,在临床治疗中需要花费更多的时间才能实现患者手指和手腕的尺桡侧移动、对指对掌、伸展、屈曲等活动。有研究使用手掌指机器人对脑卒中后运动功能障碍患者进行训练,短期内效果显示,机器人辅助治疗在缓解疼痛和改善痉挛方面与传统康复效果一致。手掌指机器人的控制除了利用常规的物理信号,还可利用实时反馈、脑机接口、生物肌电图等方式实现。Hu等设计了利用肌电图信号驱动的手掌指机器人进行上肢协调训练,研究发现指屈肌和指伸肌之间的肌肉协调情况得到了改善,肱二头肌的过度活动减少。此外,材料的更新也进一步提升了手掌指机器人的功能,研究者利用纤维韧性材料结合经典的机器人原理,设计了一类新的主动辅助设备。这类设备可以提升人与机器人的互动,改善设备的顺应性并减轻重量。
(4)生活辅助机器人:通过预定程序,可以帮助脑卒中患者完成日常生活活动的各种辅助任务。Koceska等设计了远程医疗机器人系统用以辅助老年人及残疾人改善日常生活活动能力。该系统的人机交互范围从远程操作控制,到安全保护和共享控制操作,再到自主控制。此外,该机器人可接受操作员的高级指令或自主执行低级任务。通过实验测试,该机器人对不同位置的物体具有较高的捕捉效率,它可以在日常生活中帮助老年人和专业护理人员。
3.虚拟现实
虚拟现实(Virtual Reality,VR)是康复训练中非常重要的辅助手段,即让患者通过计算机模拟的虚拟环境,以“身临其境”的体验完成对肢体的训练,同时强化对日常生活活动及周围环境的认识。这一部分训练软件包括体感游戏,可以让康复训练变得像玩游戏一般,增强趣味性,人机交互匹配度高,获得感明显。有研究证明对脑卒中患者施以VR康复方案进行治疗,能极大地改善患者的运动功能和认知水平,起到神经康复作用。这类技术不仅可使患者受益,还可明显降低康复治疗中的人力投入和时间成本,使数据采集变得容易,提高整体医疗效率。
VR在康复中的常见应用方式是头戴式显示器,即由安装在眼睛附近的两个小显示器和根据观察者头部运动更新左右图像的头部跟踪系统组成的可穿戴设备,而声音则通过耳机传送。最新的头戴式显示器配备了外部传感器,可以实时跟踪手的移动,从而与虚拟环境进行良好的交互。第二种应用设备由一个大的高分辨率背投影屏幕和专用的3D视觉玻璃与光学或超声波跟踪系统组成。第三种则是洞穴自动虚拟环境,即房间由4个或6个背投屏幕连接在一起,结合专用3D视觉眼镜,可以根据参与者的视角显示实时图像。Laver等使用VR对脑卒中患者上肢功能和活动进行疗效观察,结果提示VR与常规干预相比,在亚急性康复阶段改善上肢功能和活动更有效。但是短期VR训练对步长和步幅的积极影响仅有低质量的证据。在Iruthayarajah等对慢性脑卒中患者使用VR进行平衡训练的系统评价中,6项将VR用于姿势训练的研究结果表明,与传统的康复治疗相比,VR训练有显著的改善作用。在认知方面,VR训练在记忆力、注意持续时间和执行功能方面均有有效证据。
4.智能认知辅助训练系统
智能认知辅助训练系统(Cognitive Computer Aid System,CCAS)已经成为临床脑卒中患者认知功能训练的主要手段。智能认知辅助训练系统具有良好的操作性,将治疗师从既往积木、卡片式的枯燥训练中解脱出来。智能认知辅助训练系统采用智能化软件进行训练,涉及多个特定的认知领域,包括注意力、记忆力、空间认知、视觉遮盖、视觉运动协调力、语言和非语言执行等。研究结果显示,经过智能认知辅助训练系统训练的脑卒中患者的认知功能改善更为显著。在训练后对两组患者进行MMSE、MoCA、功能独立性评定(FunctionalIndependence Measurement,FIM)量表、巴氏指数(Barthel Index)评分、运动功能等比较,结果显示对照组与观察组的整体认知功能均有改善,且观察组的认知功能及独立生活能力改善明显优于对照组,差异有显著性。相似的系统还包括神经心理学训练软件(Neuropsychological Training NPT)等。