论文部分内容阅读
慢性阻塞性肺病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease,COPD）是一种多发的呼吸系统疾病,常被简称为“慢阻肺”,这是一种可以通过药物和康复训练进行预防和治疗的疾病。处于稳定期的慢阻肺患者日常管理的最重要的部分是肺康复,有助于增强其运动能力,减少医疗及康复支出,减轻COPD患者的经济压力,提高生活质量。运动康复作为一种科学的康复方式,是COPD患者肺康复的一个重要途径。传统的康复训练通常在医院内进行,但高昂的费用让患者很难长期坚持。面向社区和家庭的肺康复干预系统可以大大提高康复效率并极大地节约成本。但目前的难题是,根据COPD患者的健康情况、肺功能指标等制定个体化的康复训练的运动方式、频率、强度等,需要消耗大量的医疗资源;另外,当患者在社区和家庭自行锻炼时,无法控制其运动量和动作准确性,而且缺少对动作有效性的评估。八段锦可用于COPD患者康复训练。本论文基于八段锦康复训练的低成本健康管理、个性化干预跟踪等方面的需求,并结合当前的研究现状和不足,提出了以下主要内容:（1）基于生理参数的慢阻肺患者肺功能评估模型研究基于人口学参数、外周血参数C-反应蛋白（C-reactive protein,CRP）、白细胞总数（White blood cells,WBC）、中性粒细胞百分比（The percentage of neutrophils,Neu%）及肺功能指标FEV1、FVC之间关系的研究,提出并验证一种基于机器学习算法的肺功能指标FEV1和FVC的预测模型,用于对COPD患者的肺功能情况进行预估。研究结果表明,评估模型可以90.24%的准确率对COPD患者的GOLD分级进行预测并评估肺功能,可以解决医疗保健机构的肺功能测试仪缺失、或初级保健中肺功能测试仪的缺失带来的COPD诊断不足的问题,为生成个性化的八段锦康复训练方案提供依据。（2）智能康复训练动作识别与评估方法研究兼顾康复训练的科学性与激励性,为患者训练任务的定制和难度分级提供了理论依据。系统提供三个难度等级,以适应具有不同患病程度和肺功能程度的慢阻肺患者。同时,在缺少专业物理师对患者的动作进行指导和纠正时,为了规范患者的康复训练动作,在每次八段锦康复训练结束时根据训练动作与标准动作的相似性给出训练评估得分。为了在普通家用级电脑（如NVIDIA GTX 1650平台）上实现基于普通RGB摄像头的动作识别与评估,采用的算法必须尽量快速高效,本研究使用MobileNetV3结构代替了原OpenPose中的VGGNet部分,实现了对OpenPose算法的改进。同时,参考了轻量级OpenPose的结构,使用共享卷积层和残差膨胀结构,在OpenPose的初始和强化阶段对网络结构进行改进。改进后的算法在普通配置的家用电脑平台上,八段锦动作识别的平均帧率可达到30FPS左右,动作的平均分类准确性达到97.3%,能够满足算法对实时性要求。在动作评估过程中,人类对动作质量评估的感知存在注意力机制,主观偏好可能显著影响判断结果。为了模拟视觉注意力机制对判断体育活动的影响,提出了基于时空注意力机制的LSTM动作评估模型,通过空间和时间注意力,自动确定和分配具有不同重要性的区别性关节和关键帧,结果表明,基于附加时空注意力机制的LSTM的动作评估方法平均准确性为94%,而传统的LSTM的评估方法平均准确性为87%,基于时空注意力机制的LSTM动作评估模型提升了八段锦动作质量评估的准确性,为面向慢阻肺患者的八段锦康复训练系统的应用提供保障。（3）面向慢阻肺患者的智能康复训练系统的应用评估和效果验证为了验证提出的面向慢阻肺患者的智能康复训练系统的有效性,首先设计面向慢阻肺患者的八段锦康复训练系统总体结构。系统服务流程包括生理参数监测、肺功能指标预测、八段锦康复监测及评估、运动干预指导等多个步骤。通过自助式的非侵入检测,获取用户的身高等多种生理参数、用于COPD评估的电子问卷信息,进而全面评估COPD患者的健康情况,评估肺功能指标。基于生理参数监测和康复训练结果反馈等关键信息,结合八段锦训练运动特点,生成个性化的八段锦康复训练方案,并提供执行情况反馈和运动方案的优化,提升运动康复的针对性。基于设计的总体结构,实现了一套八段锦康复训练系统,并进行了应用部署和分析评估。依托苏州科技城医院负责临床应用研究,在苏州市的东渚、横塘两个社区开展临床应用,构建覆盖社区、家庭和医院的肺康复干预系统体系。招募COPD患者组成实验组并筛选合适的COPD患者作为对照组,参与为期12周的应用实验;并在干预前、干预12周前后对患者进行评估。主要评估指标选取6分钟步行测试距离（6WMD）、圣乔治医院呼吸问题调查问卷（SGRQ）得分。实验结果显示,所搭建的面向慢阻肺患者的八段锦康复训练系统具有良好的干预效果,使用该智能康复系统经过12周的训练后,可以使患者的6WMD提高21.64%,使患者的SGRQ总分降低17.92%,显著改善COPD患者的有氧能力耐力,提高患者的运动功能,并有效减轻COPD患者健康受损情况,提高患者健康相关生活质量。