一种病房眼控环境控制系统的设计与初步实现

宋伟栋 ，诸澄 ★，杜煜，詹培忠，汪江林

（1.同济大学附属上海市养志康复医院（上海市阳光康复中心）工伤康复病区，上海 201619； 2.上海青研科技有限公司，上海 200030）

0 引言

高位脊髓损伤和疾病导致的四肢瘫痪使人类面临重度功能障碍，此类患者情绪反应强烈、不稳定并伴有恐惧，他们的功能康复是一个长期的过程，这些均严重影响了他们的生活满意度和生活质量[1]。由于疾病缘故，在院期间他们需要专门护理，对住院环境的优劣和康复护理的质量有一定要求，而这将影响他们的康复疗效和生活质量[2]。

目前，随着物联网技术的不断成熟，国内医院的病房建设和管理也正向数字化、智能化方向发展，但仍无法有效改善四肢瘫患者控制自己身体及周围环境的能力[3]。计算机眼控技术主要是通过眼动追踪记录分析用户眼睛的注视、跳动和移动轨迹等活动，得出用户感兴趣的区域及注意的指向和移动过程，人机交互利用以上信息实施相应操作，最终在显示屏上做出相应反馈[4]。于是，笔者预借助眼控技术应用于人机交互，结合物联网技术进而帮助患者控制周围环境和设备。基于“以患者为中心”的理念，创建医院病房的新环境管理系统，本文提出了一种病房眼控环境控制系统的设计，并进行了临床应用，致力于改善重度肢体功能障碍患者的生活状况，提升他们的生活满意度和生活质量。

1 系统硬件整合与控制软件设计

1.1 系统硬件整合

本研究采用上海青研科技有限公司研发的具有自主产权的eyecontrol眼控系统。眼控仪的核心是瞳孔位移追踪技术，相较于追踪肢体活动或者追踪其他物体，瞳孔位移追踪技术具有更大的难度[5]。眼控仪基于角膜反射原理，发出近红外线通过识别角膜反射回的光线来设定锚点[6]。眼球近似球体，当眼睛看屏幕的不同位置时眼球转动引起的锚点光斑的位移很少，而瞳孔相对光斑的位移很大，计算机通过60Hz的编码红外线反射追踪瞳孔移动，然后计算瞳孔与光斑的位移来确定视线在屏幕上所处的位置[7]。本系统眼控仪作为电脑的输入设备，使用23寸一体式电脑作为控制器，经测量四肢瘫患者的舒适距离后使眼睛到屏幕的距离需要保持在60CM±10CM之间，眼控仪可以在25-45CM平面和前后30CM深度的立体空间内准确地追踪到人眼的活动，不需经过特殊的手工调教。

病房环境布置主要应用物联网技术。利用局部网络通信技术把床面温度传感器、湿度传感器、各种电器控制器（如顶灯、病床、窗帘控制器、二便处理器、电视、空调等机器）以及护理人员等通过新的方式联系在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化网络。物联网控制器采用基于ZigBee物联网网关，基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议[8]。并兼容WLAN协议标准，支持802.11ac，最大支持64个独立的传感器接入，可以自由设置传感器触发联动功能，包括呼叫、拉响警报，基础生命体征监测，控制灯开关，控制床起降和控制窗帘开关等功能。为了使任意符合标准的家电能够使用主机网关进行遥控，就需要实现红外线信号和射频信号互相转换，我们使用红外编码转换器能有效转换红外线，通过红外线编码学习功能控制几乎所有支持红外遥控的家电。通过红外线转发器模块控制病房中的电视机和空调遥控。本系统同时具备互联网网关，当网关接入网络时，可通过远程控制监控和控制病房的终端设备并可使用微信或其他软件与外界沟通。为了实现患者对病床的控制，我们定制了专门的电脑显示器支架，从而使床头起降时保持眼控仪与患者眼睛间稳定的距离。

1.2 控制软件界面设计

目前，国内外的眼控仪在使用前均需通过5点定位的方式校准眼控位置[9]。为了使患者能更便捷地使用本系统，我们的设计采用了三点定位模式，大大降低了本系统的定位时间，经校准后，能有效降低误点击的风险。据了解，国外公司设计的环境控制人机交互模式一般需要通过3-4层界面才能完成一次环境控制操作，略显繁琐[10]。另外基于前期对患者需求的调研，我们在设计人机交互界面时严格控制操作步骤并限定于三步以内，大大节约了环境控制的操作时间，并设置了自定义热键，经过简单的设置即可把患者最需要的环境控制选项置于控制界面的顶层，达到一键开关的目的。譬如，启动软件后只需一步即能开关顶灯，控制床或电视也仅需两步，见图1。

图1

2 临床试验和疗效评定

2.1 受试对象

选取2017年4月至2018年5月在上海市养志康复医院（上海市阳光康复中心）住院康复的高位脊髓损伤患者15例，因个人原因脱落3例。其中，男9例，女3例。最小年龄27岁，最大年龄48岁，平均年龄32岁。纳入标准：①临床症状呈四肢瘫；②认知功能良好，患者被告知并能理解研究项目；③签署了知情同意书。排除标准：①临床表现并非呈四肢瘫；②认知功能受限，拒绝或无法教会应用眼控仪；③存在严重失语或精神障碍，影响信息采集。

2.2 临床评价手段

采用国际公认的客观型生存质量评估工具中文版健康调查简表SF-36量表评估四肢瘫患者入住具有眼控环境控制系统病房前后的生活质量。该中文版SF-36量表在各种疾病应用上的信度与效度已得到检测，包括截瘫患者，脊髓型颈椎病等，国外也普遍应用此量表对脊髓损伤的生存质量进行评估[11-13]。SF-36[14]量表共有36个条目分8个维度，包括生理功能(Physical Functionin, PF)、生理职能(Role Physical, RP)、躯体疼痛(Bodily Pain, BP)、总体健康(General Health, GH)、活力(Vitality, VT)、社会功能(Social Functioning,SF)、情感职能 (Role Emotional, RE)、精神健康(Mental Health, MH)和1个健康变化自评。在以上所有维度中，前4个方面被归纳为生理方面，后4个方面被归纳为心理方面[15,16]。36个条目均设有表示不同等级的备选答案，本次采用正向赋分，即生活质量评估总分越高，生活质量越好。

2.3 统计学分析

采用SPSS 23.0软件进行数据统计学分析，由于计量资料呈非正态分布，数据以中位数（第50百分位数）和四分位数间距（第25百分位数和第75百分位数之间的间距）表示。两中位数比较采用非参数秩和检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

3 临床试验结果

使用病房眼控环境控制系统后，在受试对象生活质量的比较中，其生理职能、社会功能、情感职能和精神健康四个方面均有显著提升，见表1。

表1 受试对象使用病房眼控环境控制系统前后的疗效比较（Md,n=12）

4 讨论

多数研究者[17-19]指出，生活质量是一个包含躯体功能、情感状态、经济收入及人际交往等多维度的复合概念。脊髓损伤后导致的四肢瘫属于终生残疾，不仅体现在生理方面，大多数患者都会产生焦虑抑郁情绪并在很长一段时间内难以调整心态，社会参与方面也几乎为零[20]。所以，通过辅助技术改善这类人群生活质量愈显重要。目前，生活质量已成为脊髓损伤康复的重要观察指标之一，发达国家也强烈推荐将其纳入患者常规康复系统[21]。

本设计是四肢瘫患者入住康复医院后，为他们提供的一种病房康复辅助手段。研究结果显示，四肢瘫患者入住了具有眼控环境控制系统的病房，经培训使用1个月后，其生理职能、社会功能、情感职能和精神健康四个方面均有显著提升。近几年，自动化、智能化、人工智能等概念是科技创新的新典范，这些技术亦被逐渐引入康复医学领域及医院管理系统中[22,23]。在国外，也有学者已通过眼控系统设计出了智能病床，只是彼此设计的应用范围和目的不完全相同[24]。我们的设计除了可以对病床的湿度和温度进行检测，结合床头自主调节功能使患者在受试期间通过眼控系统自主调节病床靠背的倾斜角度从而定时调整姿势，还可以通过眼控系统自主调节空调温度和窗帘等从而改善所处环境的舒适度。据临床观察，参与研究体验的四肢瘫患者在受试期间均未发生过褥疮。而本研究另一项主要设计是使患者可以通过眼控物联网系统与外界沟通，使用眼控仪打字、语音，顺利与亲友同事沟通，也能通过眼控设备完成文书等工作，虽然速度较慢，但是改善了社会功能。有学者指出，脊髓损伤患者的情绪状态与其能否与他们进行社交互动及进行社会参与呈正相关[25]。通过本系统患者虽然仍不利于大范围活动，但至少对自己所处的空间有了一定的掌控权，也能自由地与他人进行互动交流，由此患者整个情感与精神能力均有不小的提升。

5 总结与展望

本研究是针对四肢瘫患者早期康复介入的一种病房环境辅助的创新设计。经临床试验，此病房眼控环境控制系统可提升患者的生活质量，主要在其生理职能、社会功能、情感职能和精神健康四个方面。

本设计的优点在于有效地整合了眼控技术和物联网技术，经整合后降低了整套系统的成本。通过安装床头支架使眼控仪能与床头同步升降解决了患者自主控制床升降的问题。同时，在此基础上针对住院四肢瘫患者的需求定制了控制软件，使软件界面单次任务操作步骤减少，容错率提高，应用简单，可自定义等特点。在试验过程中也发现了两点不足：第一，本试验研究对象数量不足，数据未达到正态分布；第二，眼控仪使用前仍需校准，尚不能达到开机即用的目标，本系统人机界面仍有进一步改进空间。随着本试验的成功，此系统可在康复医院有需要的病区病房逐渐普及。