基于安全性和用户体验的远程康复系统设计

基于安全性和用户体验的远程康复系统设计

【作 者】都天慧1,2,3，袁梦玮1,2,3，屈云1,2,3

1 四川大学华西医院康复医学中心，成都市， 610041

2 四川大学华西临床医学院康复医学系，成都市， 610041 3康复医学四川省重点实验，成都市，610041

该文设计了一种基于手持移动APP、运动传感器及蓝牙传输的远程康复系统，通过智能化的监督指导程序改善患者的运动功能。从临床应用的角度出发，系统的设计重点在于保障训练的安全性，提升患者及医生的用户体验感。临床试验显示，该系统可安全、便捷地提供康复训练。

远程康复系统；安全性；用户体验

【 Writers 】DU Tianhui1,2,3, YUAN Mengwei1,2,3, QU Yun1,2,3

1 Rehabilitation Medicine Center, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu, 610041

2 Department of Rehabilitation Medicine, School of West China Clinical Medicine, Sichuan University, Chengdu, 610041

3 Key Laboratory of Rehabilitation Medicine of Sichuan Province, Chengdu, 610041

【 Abstract 】In the present study, we designed a telerehabilitation system based on handheld mobile application, motion sensor and bluetooth, which was used to improve motor function by intelligent supervision and guidance program. From the point of clinical application, the system design focused on ensuring the safety of training and enhancing the user experience of patients and doctors. The clinical trials showed that the system can provide rehabilitation training safely and conveniently.

0 引言

康复是降低致残率最有效的方法[1]，但是由于时间、经济、交通、康复资源等多重原因，患者无法在医院长期进行康复治疗，他们希望足不出户在家中就能接受规范的康复训练，然而以我国目前的康复人员数量，上门为患者进行一对一训练难以实现。随着互联网及计算机多媒体技术的迅速发展，远程康复提供了一种新的康复治疗思路，或许可以满足患者足不出户也能获取优质的康复医疗服务这一需求。

“互联网+”技术是当今科技与医学结合的热点[2]，远程康复正是以上新技术在临床中运用的创新实践。远程康复是指通过信息通讯技术远距离传送康复服务[3]，患者与医生经由电话、电子邮件、在线视频、网络留言、录像传送等方式进行多种渠道的交流。远程康复可以为需要长期接受康复治疗、行动不方便及住处偏远的患者提供便利，具有弥补当前康复资源短缺及分布不均衡的问题。然而，远程康复能否为患者提供安全有效的康复服务，以及怎样提升用户的体验感，是远程康复在临床推广前的首要难关。故本远程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的功能损害，消除患者参与远程康复的顾虑。本设计通过基于运动传感器及蓝牙无线通讯技术的智能化监督指导程序，以便携式的平板电脑及个人手机应用程序（APP）的方式提升用户体验感。

1 远程康复系统的组成

1.1 系统总体设计

远程康复系统的使用者为医生和患者。医生在个人手机上安装远程医生端APP。患者使用远程康复设备的平板电脑患者端APP。远程康复系统以云服务为桥梁，沟通患者端与医生端，如图1所示。数据中心部署在企业维护的私有云服务器上，包括大型数据库、数据管理软件、备份数据库等。

1.2 硬件部分

硬件部分主要包括患者终端和传感器。患者终端是一台具有联网功能的10英寸（1 in=25.4 mm）安卓平板电脑。系统有两个大小不等的传感器，传感器之间用数据线连接，患者借助绑带把传感器绑在肢体上。由传感器采集患者运动的速度、角速度和运动轨迹等参数信息。系统通过蓝牙为患者终端与可穿戴式的传感器之间提供连接，并无线传输数据信息。

图1 远程康复系统架构Fig.1 Telerehabilitation system diagram

1.3 软件部分

软件部分主要包括患者运动训练APP及远程医生端APP。患者运动训练APP及传感器相关配置程序安装在患者终端上，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流程。当训练完成后，患者终端通过无线保真（WiFi）或移动网络向数据中心传送训练结果。远程医生端APP安装在医生的个人手机上，医生运行该软件后可以了解患者的诊断信息、病情描述、评估结果、训练结果、使用反馈等内容，还可以查看患者评估动作的三维重建动画。通过以上信息，为患者制定及调整训练方案，实现对居家患者的远程运动康复管理。

2 远程康复系统的安全性设计

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废用性肌萎缩、关节挛缩僵硬、心肺功能减退等表现[4]。当无专业人员监督指导时，患者可能因为错误的自我训练方法导致运动性损伤，如肌肉韧带拉伤、关节扭伤、关节软骨损伤、骨折、皮肤擦伤、疼痛等[5]。如果运动过度还会使血压急剧升高，甚至发生猝死[6]。故要按照科学化运动的原则才能预防运动损伤，科学化运动的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[7]。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、放松训练四个阶段[8]。按照以上原理，本系统设计中包含以下关键点。

2.1 训练前准备设计

患者终端上有使用说明的视频，便于患者及家属观看学习，视频中鼓励家属发挥督促及协助治疗的作用。在训练前，运动训练APP上会显示温馨提示，提醒患者穿合适的服装，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，饭后半小时再进行运动，以免影响消化和吸收。

2.2 热身运动设计

在训练开始前，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。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。

2.3 主体运动设计

2.3.1 清晰的运动处方

运动训练APP上呈现医生制定的运动处方，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锻炼，并循序渐进地增加训练强度。

2.3.2 个体化的设计方案

患者训练体位灵活，软件中提供卧位、坐位、站立位三种训练体位。坐位为最常见的上肢训练体位[9]，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下进行上肢及下肢训练。医生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的训练动作。

2.3.3 智能化的运动监控

训练时患者佩戴传感器，当出现错误运动时，传感器有自动感应功能使设备发出语音提醒和文字警示，引起患者注意并及时纠正动作，以避免形成错误的运动模式，起到代替医务人员在旁监督的作用。

2.3.4 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。

2.3.5 等级递增的训练难度

最简单级别的动作频率由患者掌控，患者主要做等长运动，在运动末端要维持2 s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[10]，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。

2.4 放松训练设计

训练结束后，运动训练APP会引导患者进行牵伸及整理运动，以增加肌肉韧带的延展性，使血液快速回流到心脏，避免心脏缺血及大脑供血不足。此外，该软件会提醒患者运动后注意事项，如不要立刻冲澡，以免影响血液循环，增加心脏负担。

3 以用户为中心的设计

患者希望在出院后能够继续接受专业的康复服务，院内的康复设备往往笨重巨大、操作繁琐，需要有专业知识和实践经验的治疗人员操作使用，不适合患者居家自用[11]。既往研究者们多采用固定的台式计算机及摄像机进行远程康复训练[12-13]，该系统为国内外首次将手持移动APP运用到偏瘫患者运动康复中，以用户为中心的设计为患者及医生提供最大程度的便利。

3.1 以患者为中心的设计

3.1.1 设备的便携性

平板电脑的屏幕大小为10 in(1 in=25.4 mm)，重量为900 g，两个传感器的重量仅有60 g。患者只需要携带平板电脑及两个小巧的传感器，就可以随时随地进行康复训练，保障了患者对训练产品的移动需求。

3.1.2 设备的易用性

患者终端具有一体化的特点，电源续航能力好，若仅在训练时使用平板电脑2～3 d充一次电，低功耗的蓝牙传感器4 d充一次电即可。患者终端界面设计友好、对比度高，后方有支架，便于观看及操作，还可以连接电视机，这样患者面对大尺寸的电视屏幕进行训练会更舒适，即使视力下降者也能参与训练。此外，软件的操作程序简单明了，要点击的目标处于醒目位置，患者通过单击和滑动的手势就可以完成所有训练流程。患者不必记住每天该做什么，软件模块会告知患者今天该做哪些训练，已完成了哪些训练，以及医生是否下达了新的训练计划等。

3.1.3 设备的用户黏性

训练中主要运用动画演示的方式进行指导，将枯燥的文字指导方式改为直观的动画人物肢体演示，可以增加与患者的亲和度。患者训练时，设备会通过音乐、语音、画面、文字等听觉及视觉的形式给予鼓励，并进行实时反馈，与患者形成人机交互的过程，替代医务人员在旁提醒。虚拟情景游戏化的方式可以增添训练的趣味性，有助于提高患者的积极性。患者可以看到医生发送给他的消息，并查看历史训练成绩和评定结果，直观地看到自己的训练表现，以增添训练信心。

3.2 以医生为中心的设计

3.2.1 APP评估的直观性

医生通过APP下达评估内容，患者执行后，系统能将传感器收集到的患者运动信息还原成三维运动图像反馈给医生，使医生有面对面评估的真实感，能够直观掌握患者的功能水平。

3.2.2 APP指导的便利性

医生无需时刻对患者的训练及反馈作出响应，指导时间具有弹性，只需利用碎片时间通过账号及密码登录个人手机APP即可。软件中预置了丰富的通用动作库和游戏库，医生根据患者的评估结果及训练状况，从中选择适宜的训练项目并规定运动强度及频率，患者终端就会呈现医生制定的运动处方。医生可以在APP上监督患者的训练执行情况，以及发布留言对患者进行督促与询问。与一名医生在办公室两台电脑前同时监督及指导两名患者相比[14]，更能提高康复治疗的管理效率，减轻医生的临床负担。

4 临床验证

为了验证该系统的安全性及了解用户体验感，在四川大学华西医院康复医学中心进行了初步的临床试验。试验中选取了22名脑卒中后住院的偏瘫患者，其中包括13名男性，9名女性，左侧肢体运动障碍12名，右侧肢体运动障碍10名，年龄(28～78)岁，病程(9～180) d，所有患者均无明显认知障碍。试验方案得到中国注册临床试验伦理审查委员会批准，在试验前征得了患者的知情同意。患者接受连续3周，每天(30～45) min的远程运动训练。

记录患者入组时及治疗3周后静息状态下的血压、心率和呼吸几项生命体征，如表1所示。另记录不良事件发生数目用于评估训练的安全性。有1名患者身体状况及运动功能较好，住院16 d后就出院了，采用该患者出院前的生命体征进行结转。本试验纳入的22例患者中7例有高血压病史，在干预期间降压药物未进行过调整。经过3周的训练患者收缩压明显下降，心率也有下降的趋势，表明我们的训练是安全的，有助于控制血压，促进心脑血管健康。此外，患者在干预期间未出现脑血管意外、死亡、癫痫、跌倒、疼痛加重等不良事件。

表1 患者治疗前后生命体征比较Tab.1 Pre- and post-intervention comparison of life signs

通过调查患者训练的依从性，可以直观反映患者对远程康复设备使用的体验感。研究发现，患者的依从性良好，能够按时、按量完成康复训练医嘱，患者乐于接受以人机交互体感游戏的方式进行训练，参与的积极性好。100%的患者对设备色彩风格、声音、操作流程及训练的趣味性感到满意。全部受试者都对该训练方式表示出浓厚兴趣，其中54.5%（12/22）主动表示有意愿立即购买。此外，患者表示传感器穿戴简易，绑带舒适，在运动中无不适感。参与远程康复的医生认为以登录手机APP的方式管理患者很便利，尤其可以真切直观地看到患者运动的三维重建动画。

5 结论

远程康复是在非医务人员现场指导下的程序化智能治疗方式，需要优先考虑远程康复的安全性和便利性。该系统为国内外首次将手持移动APP运用到偏瘫患者远程运动康复中，经由医生端APP及患者端APP、运动传感器等传递及实施康复训练。通过临床试验验证了远程训练的安全性，并且患者及医生的用户体验良好。目前该系统处于试用阶段，有些方面还可以进一步完善，如无线抗干扰设计，添加医生与患者的直接交流，丰富游戏化的训练内容，增添在运动中可以采集心率、血压、血氧饱和度及血糖等生理信号的生物传感器等。随着传感技术、无线通讯技术、移动互联网、大数据的不断发展与融合，远程康复将发挥重要作用。

致谢

感谢四川旭康医疗电器有限公司提供硬件及技术支持！

[1] Langhorne P, Bernhardt J, Kwakkel G. Stroke rehabilitation[J]. Lancet, 2011, 377(9778): 1693-1702.

[2] 中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会. 国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见[R/OL]. http://www.nhfpc.gov. cn/zhuzhan/mtbd/201507/b09475bf250d49b5959ada2a53041713. shtml.

[3] Brennan D M, Mawson S, Brownsell S. Telerehabilitation: enabling the remote delivery of healthcare, rehabilitation, and self management[J]. Stud Health Technol Inform, 2009, 145: 231-248.

[4] Naritomi H, Moriwaki H. Prevention of post-stroke disuse muscle atrophy with a free radical scavenger[J]. Fron Neurol Neurosci, 2013, 32: 139-147.

[5] Timpka T, Jacobsson J, Bickenbach J, et al. What is a sports injury[J]. Sports Med, 2014, 44(4): 423-428.

[6] Berdowski J, de Beus M F, Blom M, et al. Exercise-related outof-hospital cardiac arrest in the general population: incidence and prognosis[J]. Europ Heart J, 2013, 34(47): 3616-3623.

[7] Parkkari J, Kujala U M, Kannus P. Is it possible to prevent sports injuries[J]. Sports Med, 2001, 31(14): 985-995.

[8] Olsen O, Sj haug M, Van Beekvelt M, et al. The effect of warmup and cool-down exercise on delayed onset muscle soreness in the quadriceps muscle: a randomized controlled trial[J]. J Human Kinetics, 2012, 35(1): 59-68.

[9] Kizony R, Weiss P L, Feldman Y, et al. Evaluation of a telehealth system for upper extremity stroke rehabilitation[C]//Virtual Rehabilitation (ICVR), 2013 International Conference on: IEEE, 2013: 80-86.

[10] Huang Z H, Tan H, Ji R W. Change of instant blood pressure after different rehabilitation exercises for stroke patients[J]. Chin J Rehabilit Theor Pract, 2012, 18(6): 513-514.

[11] Triccas L T, Burridge J H, Hughes A, et al. A double-blinded randomised controlled trial exploring the effect of anodal transcranial direct current stimulation and uni-lateral robot therapy for the impaired upper limb in sub-acute and chronic stroke[J]. Neuro Rehabilit, 2015, 37(2): 181-191.

[12] Benvenuti F, Stuart M, Cappena V, et al. Community-based exercise for upper limb paresis: a controlled trial with telerehabilitation[J]. Neurorehabil Neur Repair, 2014, 28(7): 611-620.

[13] Kato N, Tanaka T, Sugihara S, et al. Development and evaluation of a new telerehabilitation system based on VR technology using multisensory feedback for patients with stroke[J]. J Phys Ther Sci, 2015, 27(10): 3185-3190.

[14] Lin K H, Chen C H, Chen Y Y, et al. Bidirectional and multi-user telerehabilitation system: clinical effect on balance, functional activity, and satisfaction in patients with chronic stroke living in long-term care facilities[J]. Sensors, 2014, 14(7): 12451-12466.

Design of Telerehabilitation System Based on Safety and User Experience

telerehabilitation system, safety, user experience

R319;R496

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.02.009

1671-7104(2017)02-0110-04

2016-07-04

康复数字化运动处方的研究（H1212128）作者简介：都天慧，E-mail: lv312@sina.com

屈云，E-mail: dr_yunqu@163.com