远程运动康复平台系统
1.远程运动康复设备
本研究使用百年旭康医疗器械有限公司自主研发的iKcare@远程智能康复设备进行临床验证。该设备由硬件、软件及数据库管理系统三部分组成。硬件包括1个10英寸平板电脑、2个可穿戴微型传感器，以及平板电脑和传感器的充电器。平板电脑通过视频、音频的方式，指导患者完成对应的康复训练或评估动作。微型传感器重量仅60g，可通过绑带穿戴于患者的躯干和四肢，用于评估过程中患者肢体的运动捕捉，其内部包含中央处理器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计，可实现对患者肢体运动角度、角速度、加速度以及运动轨迹的实时追踪。软件包含患者端、医生端及家属端三个端口。患者端提供智能化运动训练系统和运动评估系统，内含222个运动训练动作及148个综合评估动作，可实现远程自动化康复评估及康复训练。医生端可远程监测患者的训练完成度及评估结果，并基于评估结果调整运动处方。家属端可与患者及医生进行实时短信通信，了解患者的恢复情况，参与患者的治疗过程，并监督、提醒、鼓励患者进行训练。数据库管理系统可后台监测并记录患者的训练情况、评估结果，并基于医生的指导信息进行运动处方的优化调整。
2.智能化远程运动康复评估与训练
（1）评估运作流程。评估设备的硬件由用于运动捕捉的可穿戴双轴微传感器和一个10英寸的平板电脑共同组成。评估设备的软件总共包含148个综合评估动作，所有的评估由3D视频和音频指导完成，频率为每秒16Hz。
本运动功能评估平台采用闭环运作模式，总共包括医生端、患者端、家属端三个连接端口。患者首先通过初次评估进入系统，医生在平台下载患者初次评估结果并根据结果制订相应的训练计划，训练计划和评估项目上传后，患者可以通过端口下载详细计划，执行并上传相应的训练和评估后，此闭环运作模式可循环进行。在此过程中，再次评估的结果可及时有效地帮助医生更新训练计划。与普通评估模式相比，本系统还纳入了人性化设计。通过家属端，患者家属可及时查阅训练结果，有效监督患者按时执行训练计划，同时家属端能编辑鼓励信息发送至患者端，提高患者训练的积极性，并有效促进患者康复。
（2）自动评估系统算法。本评估采用可穿戴双轴微传感器对受限关节的关节活动度进行评定，运动捕捉采用自主研发的隐马尔科夫模型和卡尔曼滤波混合算法。其中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对关节运动状态进行有效捕捉，并将其转换为量化数据。该算法还能根据概率对实际动作和标准动作的差异进行比较，为控制异常运动模式提供基础。其原理是通过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，我们可以给关节评估一个量化的结果，此方法已被证明有效，以髋关节角度测量为例，详细计算方法如图3-1所示。
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图3-1 隐马尔科夫模型和卡尔曼滤波混合算法
（3）基于Brunnstrom分期的评估标准。本系统基于Brunnstrom分期，引入了i K分期体系。目前Brunnstrom分期在临床上被广泛应用于脑卒中患者的运动功能评估，其具有统一的评估方法且评估结果能准确反映患者的运动状态。iK分期体系根据Brunnstrom分期的原则设计了16个评估动作（可根据实际评估的需要增加或减少）。在评估过程中，患者根据视频及音频指示，在正确部位佩戴好微型传感器并完成指定动作。系统会在此过程中记录患者肢体运动的原始数据，并从动作完成的角度、偏差方向及限定时间内的完成度三个维度自动给出被评估肢体的iK分期。图3-2从动作完成角度方面展示了肩关节、髋关节的iK分期评估简化流程图，其最终的评估结果需要结合其余两个维度进行综合考量。在医生端，本阶段的评估结果会自动呈现，如果医生想查看具体评估细节，可以点击“3D”按钮来观看评估复原动画。
图3-2 iK分期评估简化流程图（以肩关节、髋关节为例）
i K分期评估结果分为5期，分别与Brunnstrom分期结果对应，从身体结构和功能层面反映患者的运动状况。Brunnstrom分期为Ⅰ期和Ⅱ期的患者几乎不能产生自主运动，使用该系统进行评估时，运动表现和评估结果相似，故这类患者的i K分期评估结果为Ⅰ期或Ⅱ期。iK分期Ⅲ期和Ⅳ期的运动表现分别与BrunnstromⅢ期和Ⅳ期对应。iK分期Ⅲ期对应共同运动阶段，此阶段患者的共同运动达到高峰，患侧肢体可充分进行屈肌共同运动和伸肌共同运动，在评估过程中能完成部分指定动作且会形成特有的异常运动模式。iK分期Ⅳ期对应部分分离运动阶段，此阶段患侧痉挛开始减弱，出现部分分离运动，在评估过程中运动角度增大并逐渐脱离异常运动模式。iK分期Ⅴ期为运动表现的最高评级，处于此期的患者能完成难度较大的分离运动组合，该期与BrunnstromⅤ期和Ⅵ期对应。
为进一步研究iK分期评估的准确性，全国16个医疗中心开展了临床试验。本研究依据入排标准共纳入192名脑卒中患者，其中男性119人，女性73人；患者年龄为（59.20±12.99）岁，发病时间为（93.09±139.34）天。我们分别对患者患侧上肢和下肢进行在线i K分期评估和人工Brunnstrom分期评估，评估人员均经过统一培训，按照规范化评估流程和评估标准进行评估。对评估结果采用Kendall's tau-b统计学方法进行有序分类变量的关联性分析，结果显示，iK分期评估和Brunnstrom分期评估对脑卒中患者上肢（r=0.69，P＜0.01）和下肢（r=0.56，P＜0.01）的评估结果具有较强的正相关关系，且具有统计学意义。该结果提示，两种评估方法在反映脑卒中患者上、下肢运动功能方面具有一致性。
iK分期评估经实践证明具有较好的可行性及有效性，且具有较高的准确性，可作为脑卒中患者远程康复的长期评估工具。该评估方法可在非人工参与的情况下快速、准确、自动地评估脑卒中患者的运动功能状态，且基于已采集的数字化运动处方和深度神经网络分析，可对评估结果进行智能化判定，并自动给出患者下一阶段的智能化运动处方。治疗师可远程定时监测患者的恢复状况和运动训练状况，在必要时可进行在线指导并调整运动处方。iK分期评估和智能化结果判定可使远程康复在无人工参与的情况下长期有效地进行，延长患者门诊回访时间，有效减少医患双方负担。相比于其他远程评估方法，iK分期评估具有极好的便利性和安全性。