（一）背景及目标
云康复是以智能化远程设备为主导、医务人员灵活参与的康复模式。云康复提供了一种新的康复治疗思路，但是云康复能否安全有效地提供康复服务，特别是无专业人员监督时如何保证康复服务的安全性是云康复在临床推广前的首要难关。无医务人员介入时，患者可能因为不活动或活动不足而出现失用性肌萎缩、关节挛缩、心肺功能减退等。当无专业人员监督指导时，患者可能因为错误的自我训练导致运动性损伤，如肌肉韧带拉伤、关节扭伤、关节软骨损伤、骨折、皮肤擦伤等。如果运动过度还会使血压急剧升高，甚至发生猝死。故云康复系统的设计重点在于防止远程康复训练中出现继发性功能损害，消除患者的顾虑。
科学的运动原则可以预防运动性损伤。科学的运动原则包括适宜的训练环境、合适的训练时间、充分的准备活动、合理的训练方法、适量的运动、运动后放松、劳逸结合、循序渐进、个体化等。按照运动医学原理，合理的运动应涵盖训练前准备、热身运动、主体运动、放松训练四部分内容。下面以本课题组采用的训练方式为例，描述云康复系统设计中需要包含的关键点。
1.训练前准备设计
患者端上摆放关于使用说明的视频，便于患者及家属观看学习。鼓励家属参与患者的训练督导，发挥协助治疗的作用。在训练前，运动训练APP上显示温馨提示的界面，提醒患者穿合适的服装，选择较为安静、清爽的房间，以提高患者的注意力。选择安全的训练环境，避免在运动中碰撞到周围的物品，运动前不喝太多水，饭后应半小时再进行运动，以免影响消化和吸收。
2.热身运动设计
热身运动可以提高中枢神经系统的兴奋性，增加肌肉的供氧量，提高肌肉及韧带的弹性，使肌肉、关节、心肺功能适应运动，也为正式训练做好心理准备。在训练开始前，本课题组采用的运动训练APP会引导患者对传感器进行校准，做简易的热身运动，使机体从相对静止状态过渡到活动状态。
3.主体运动设计
（1）准确的评估。评估与训练密不可分。准确的评估是保障训练安全有效的前提。本研究的远程康复通过云服务实现评定、训练、再评定、再训练。本课题组采用的评估设备硬件由用于运动捕捉的可穿戴式双轴微传感器和一个10英寸平板电脑组成。评估设备软件总共包含148种评定动作，所有的评定由3D视频和音频指导完成（频率为每秒16Hz）。患者执行评定动作时，软件会记录每个动作的原始数据（关节活动度、轨迹和角速度）、完成的最大角度以及每个动作的完成度。在医生端，本阶段评定结果会自动呈现，如果医生想查看具体评估细节，可以点击“3D”按钮来查看评定复原动画。本运动功能评估平台采用闭环运作模式。患者首先通过初次评定进入系统，医生在平台下载初次评定结果并根据结果制订相应的训练计划，训练计划和评定项目上传后，患者可以通过端口下载，执行并上传相应的训练和评定后，此闭环运作模式可循环进行。在此过程中，再次评定的结果可及时有效地帮助医生更新训练计划。
本评估系统采用了自主研发的隐马尔科夫模型（Hidden Markov Model，HMM）和卡尔曼滤波（Kalman Filter，KF）混合算法。隐马尔科夫模型能很好地区分运动状态，卡尔曼滤波能有效评估关节角度，这两种方式的结合能有效地对评定关节进行运动捕捉，并将其转换为量化数据。这样不仅能对评定关节的运动状态进行评估和数据转换，而且还能根据概率对实际动作和标准动作的差异进行比较，为异常运动的控制提供基础。本方法分别对评定关节两侧的运动端和支撑端进行建模，计算测试关节的俯仰角、偏航角和滚动角，评估其与标准运动的轨迹、速度和角度的差异。通过上述计算过程，我们可以给评定关节一个量化的结果，以髋关节角度测量为例，此方法已被证明有效。
（2）清晰的运动处方。运动训练APP及传感器相关配置程序安装在患者端，经过准确的评估后，运动训练APP在患者端呈现医生制订的运动处方，如每次训练哪些内容、每项训练的重复次数，使患者对运动方案有清晰的了解，可以有计划地、规律地训练，并循序渐进地增加训练强度。运动训练APP上自动解析医生发布的训练计划，告知患者标准动作的体位要求及动作要点，以动画、图示、语音等多媒体方式引导患者完成训练。(https://www.daowen.com)
（3）个体化的设计方案。患者可以灵活选择训练体位，软件提供仰卧位、坐位、站立位三种训练体位。坐位为最常见的上肢训练体位，若患者无法在坐位下保持平衡，则可以在仰卧位下进行训练，若患者站立平衡功能良好，则可以选择在站立位进行上肢及下肢训练。医生应根据患者的功能水平，选择适宜的训练体位及具有针对性的个性化训练动作。
（4）智能化的运动监控。
1）动作完成的判断：远程康复设备需要在无专业医护人员监控的情况下，感知患者肢体动作完成的程度，并将结果有效地反馈给患者。由于人机交流不能完全重现医生与患者之间的交流模式，我们采用了依赖微型传感器的评估系统。首先，设定肢体动作完成时的最低标准：在了解正常人各关节活动度范围的前提下，设定各关节活动的最小目标角度，即关节活动超过该角度时，设备认定患者动作完成。其次，设定合适的反馈系统：在关节活动达到目标角度（动作完成）后，为了促进患者继续运动，设备不发出提示音，直至患者肢体运动达到极限返回后，活动关节再次达到目标角度时，设备才会提示“很好”或“完成”。设备设定完成每个动作的总时长上限为10分钟，若超过此时间或动作未完成，则设备会发出“再来一次”的提示音。患者端会对运动过程中每一时刻的动作进行实时评估。例如，当患者在到达目标点后给出“很好”的提示，当患者在完成某一动作速度过慢时，会提示“快一点”等。最后，该设备可以根据患者关节活动的最终角度及所用的时间进行评分。
2）异常动作的判断：在医院进行康复治疗时，治疗师可以对患者进行实时观察，并及时纠正患者的异常动作，本远程康复设备为实现这一过程开发了相应的解决方案。首先，开始动作前需在标准位置进行微型传感器的校准，即按照患者端动画演示的体位进行校正。其次，观看患者端中正常训练动作的动画演示。最后，在患者的训练过程中，设备可以通过微型传感器感知患者的实际运动轨迹，并同步上传至患者端，再通过三维动画重建的形式，直观地反映患者肢体的运动轨迹，同时与设定的标准训练动作的运动轨迹进行对比。若患者运动偏离正常的运动轨迹，为了防止误判，设备不会立即发出提示音，但一旦错误持续的时间超过2秒，设备便会发出语音提醒和文字警示以引起患者注意，同时用动画及语音的方式指导患者纠正异常动作，起到代替医务人员在旁监督的作用。
（5）劳逸结合的训练过程。软件中有预设置的中途休息时间，患者也可以单击屏幕随时暂停训练，以便让患者间隔放松，减轻疲劳。
（6）等级递增的训练难度。程序化的训练过程中难度按等级递增，最简单级别的动作频率由患者掌控，患者主要做等张运动，在运动末端要维持2秒的等长收缩，否则系统认定本次动作无效，以避免运动速度过快、用力过猛诱发血压升高。较难级别的动作还要考察患者的反应能力及运动控制能力。这样符合训练难度的循序渐进原则。
4.放松训练设计
训练结束后，运动训练APP会引导患者进行拉伸及整理运动，以增加肌肉韧带的延展性，使血液快速回流到心脏，避免心肌缺血及大脑供血不足。此外，该软件会提醒患者运动后的注意事项，如不要立刻冲澡，以免影响血液循环，增加心脏负担。
本课题组通过智能化设计的安全监督程序对住院患者进行自我运动功能训练，验证了远程上肢康复的安全性，有利于后期推广应用。