一种基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统

技术领域

本发明属于认知功能障碍评估领域，尤其是涉及一种基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统。

背景技术

随着当前全球人口老龄化形势的日益严峻，老年人口规模和比重的快速增加，老年人会出现的一系列健康问题，尤其是占比较大的痴呆问题引起了人们的重视。在至今为止尚未发现有效治疗痴呆方法的背景下，关注痴呆的早期阶段，及时检测出介于正常衰老和痴呆之间的轻度认知障碍，并进行有效的干预训练，是当前广受关注的方法。

轻度认知障碍是指认知功能低于当前年龄和实际教育水平的应有认知状态，存在一个或多个认知功能领域的障碍，复杂的日常活动功能减退，但具有能够执行日常功能的功能。

目前，世界各国广泛使用MoCA量表作为认知功能障碍快速筛查工具，但该量表主要基于文本答题方式，比较抽象，与日常生活中的认知活动有较大差异，与老人真正关注的现实生活认知功能测试的需求脱节，并且目前文本形式的量表存在数据收集整理不便，部分内容评分主要依据评估人员主观判定，容易受评估人员主观影响。

此外，在认知障碍的训练方面，目前认知训练系统，大多属于医疗器械范畴，费用相对较高，同时大多在医院使用，做认知训练通常都需要用户去医院在医生的指导和认知训练人员的帮助下完成认知训练，并且认知训练一般都需要进行多次，每次都需要患者去医院进行排队挂号，步骤繁琐，这种方式不适合出行不便的人或区域，尤其是患有认知障碍需要训练的老人。

为了解决上述技术问题，人们进行了长期的探索，如中国专利公开了一种认知障碍训练与训练系统和方法[申请号：CN111081373A]，该方法提出了基于神经认知心理量表的Web+移动端的认知障碍训练与评估方式，用户通过客户端连接Web层，向后台服务层发起认知障碍训练评估的请求，获取认知障碍评估量表，再将量表答题数据保存在数据存储模块。该方案将计算机技术与认知康复训练治疗相结合，取代了传统的纸质量表，有利于训练和量表测试的结果进行管理分析。但是上述方案还是存在一定的缺点，例如上述方案仍然采用文本形式量表，虽然依托于计算机技术，但是仍然与日常生活脱节，存在认知理论与实际认知需求略微偏差的问题。并且得到的认知功能评估训练结果是对整体的认知水平的训练评估，尚未做到选择性的对各项认知功能的独立评估训练。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统，包括用于训练用户各项认知功能的训练系统，所述的训练系统包括主控模块和连接于所述主控模块的场景交互模块、输入输出模块，所述的主控模块包括认知训练模块和数据分析模块，其中，

认知训练模块，用于根据训练方案提供引导用户完成各项任务以供用户进行相应一项或多项认知功能训练的虚拟现实场景；

场景交互模块，用于呈现包含各项任务的虚拟现实场景及接收用户的任务执行数据；

数据分析模块，用于根据任务执行数据给出训练结果；

输入输出模块，用于供用户输入基本信息和输出训练结果。

在上述的基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统中，所述的虚拟现实场景包括用于训练视空间与执行功能的视空间与执行功能训练场景，用于训练命名功能的命名功能训练场景，用于训练抽象思维的抽象思维功能训练场景，用于训练注意力功能的注意力训练场景，用于训练计算功能的计算功能训练场景，用于训练语言功能的语言功能训练场景，用于训练记忆功能的记忆功能训练场景，用于训练延迟回忆功能的延迟回忆功能训练场景和用于训练定向功能的定向功能训练场景中的任意一种或多种的组合。

在上述的基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统中，所述的认知训练模块根据训练方案针对性地提供用于训练视空间与执行功能、命名功能、抽象思维，注意力功能、计算功能、语言功能、记忆功能、延迟回忆功能和定向功能中任意一种或多种功能的虚拟现实场景。

在上述的基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统中，所述的主控模块还连接有常数数据库，所述的常数数据库中存储有供参考的标准得分；

所述的数据分析模块根据任务执行数据给出训练分数，并与常数数据库中相应的标准得分进行比对以给出训练结果。

在上述的基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统中，本系统还包括用于评估用户各项认知功能的评估系统，且所述的训练方案由评估系统根据相应用户的评估结果制定以供用户对薄弱认知项进行针对性训练。

在上述的基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统中，所述的评估系统包括与训练系统共用的主控模块及报告生成模块和报告分析模块，且所述的主控模块包括认知评估模块，

认知评估模块，用于提供供用户执行各项认知功能测试任务的虚拟现实场景，并通过数据分析模块根据评估阶段的任务执行数据给出评估得分，并与常数数据库中相应的标准得分进行比对以获得评估结果；

报告生成模块，用于根据评估结果生成认知评估报告，并通过输入输出模块输出；

报告分析模块，用于对评估报告进行评估分析并制定所述的训练方案。

在上述的基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统中，本系统包括本地系统和云上系统，所述的本地系统包括所述的主控模块、场景交互模块和输入输出模块；所述的云上系统包括通过网络连接于所述主控模块的数据云处理模块，且所述的数据云处理模块包括所述的报告分析模块、常数数据库和报告生成模块。

在上述的基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统中，所述的数据云处理模块还包括档案数据库，用于根据用户的基本信息建立的个人认知障碍评估档案。

在上述的基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统中，所述的基本信息包括用户的姓名、年龄、性别和/或受教育程度。

在上述的基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统中，所述的常数数据库中存储有不同年龄、不同性别和/或不同教育程度用户的的标准得分；

所述的标准得分包括单项认知功能标准得分和总标准得分；

所述的数据分析模块用于给出参与训练的一项或多项认知功能的训练分数，并分别与相应的单项认知功能标准得分进行比对以给出训练结果；以及用于根据任务执行数据分别给出各项认知功能的单项认知功能评估得分和总评估得分，并分别与各项单项认知功能标准得分和总标准得分进行比对以分析用户的认知功能障碍情况。

本发明的优点在于：

1、采用虚拟现实技术，通过对视觉和听觉的感知模拟，能够逼真地模拟人类熟悉的生活场景，如超市购物生活场景，将平面不连续的认知测试内容，如MoCA量表的测试内容情境化成超市购物中的各项促销活动等连续、多维、可视虚拟现实场景，使得认知测试问题更立体，形象，且贴近现实生活化；

2、实现自动化、标准化的测试，不受地域、天气等客观因素的影响，可自动生成认知评估报告，并且便于保存收集测试过程的参数，能够实现智能量化数据分析和管理，便于后期大数据相关工作的介入；

3、本系统终端为小型化、便携的可穿戴式设备，能够迅速开展训练，并具有良好的经济性，可大大降低训练费用，时刻锻炼认知功能，从而能够增强接近实际生活的认知功能水平和和任务处置应变功能；

4、能够分别对各项认知功能进行评估并根据各项认知功能的评估结果，针对薄弱项的认知功能来制定个性化认知训练任务，具有更高的针对性和更强的适应性。

附图说明

图1是本发明基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统的系统结果框图；

图2是本发明基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统中分别对各项功能进行测试的流程示意图。

附图标记：本地系统1；主控模块11；场景交互模块12；输入输出模块13；认知训练模块14；数据分析模块15；认知评估模块16；云上系统2；数据云处理模块20；常数数据库21；报告生成模块22；报告分析模块23；档案数据库24。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本方案提出了一种基于虚拟现实的认知功能障碍训练系统，包括本地系统1和云上系统2，所述的本地系统1包括主控模块11和连接于主控模块11的场景交互模块12和输入输出模块13；所述的云上系统2包括通过网络连接于所述主控模块11的数据云处理模块20，且所述的数据云处理模块20包括报告生成模块22、报告分析模块23、档案数据库24以及常数数据库21。主控模块11包括认知训练模块14、认知评估模块16和数据分析模块15；

进一步地，本系统包括用于训练用户各项认知功能的训练系统和用于评估用户各项认知功能的评估系统，训练系统和评估系统共用本地系统1和云上系统2。

其中，场景交互模块12包括包含有高保真耳机的虚拟现实头显、手柄模块和语音采集及识别模块等虚拟现实设备，用于呈现包含各项任务的虚拟现实场景及接收用户的任务执行数据，如用户通过场景交互模块12输入计算结果数据、复述的语句等，对于用户能够口述输入的执行结果，如计算结果，本方案优选可以直接通过语音采集及识别的方式采集和识别用户的口述信息，以使情境更贴近现实。

输入输出模块13用于供用户输入基本信息，输出训练结果及认知评估报告，基本信息包括姓名、性别、年龄、联系电话、受教育程度等，用于线上查询评估结果，便于档案数据库24建立个人认知障碍评估训练档案，便于建立完整的认知障碍训练评估数据库。

常数数据库21中存储有不同年龄、不同性别用户的标准得分，主要存储了认知正常人群使用本系统收集和统计的各项认知水平参数，如各年龄段、性别、教育程度的空间与执行功能标准得分、命名标准得分、抽象思维标准得分、注意力标准得分、计算标准得分、语言标准得分、记忆标准得分、延迟回忆标准得分和定向标准得分的各项单项认知功能标准得分及总标准得分；该常数数据库21按照年龄和性别区分，从10岁至18岁作为一个统计数据段，从19到39作为一个统计数据段，从40到79每10年一个统计数据段，从79以上一个数据段。以上按照年龄和性别划分为基础，此外，为了避免教育程度的影响，可以进一步按照教育程度区分，如小学及以下一个统计数据段，初中一个统计数据段，高中一个统计数据段，大学本科及以上为一个统计数据段。

报告生成模块22用于根据用户的评估结果生成认知评估报告，主要实现自动将用户基于虚拟现实的认知水平评估结果按照一定的图文结构，PDF文档展示，对各项认知参数的意义及得分情况做进一步分析解释。

认知评估模块16用于提供供用户执行各项认知功能测试任务的虚拟现实场景，本实施例优选提供基于MoCA量表的认知测试内容，融合日常生活认知需求的虚拟现实超市购物场景，通过场景交互模块12完成认知测试任务的视听觉信息呈现，如呈现分别用于测试视空间与执行功能、命名功能、抽象思维，注意力功能、计算功能、语言功能、记忆功能、延迟回忆功能和定向功能的视空间与执行功能测试场景、命名功能测试场景、抽象思维功能测试场景、注意力功能测试场景、计算功能测试场景、语言功能测试场景、记忆功能测试场景、延迟回忆功能测试场景和定向功能测试场景，主要实现视空间与执行功能、命名、抽象思维，注意力、计算、语言、记忆延迟回忆和定向等认知功能的测试；

数据分析模块15用于根据用户的任务执行数据，即任务完成情况给出评估得分或训练分数，并与常数数据库21中同年龄段、同性别，或者进一步同教育程度的对应的标准得分进行比对给出训练结果或评估结果；

认知训练模块14用于根据训练方案提供引导用户完成各项任务以供用户进行相应一项或多项认知功能训练的虚拟现实场景；训练任务由用户自行建立或由评估系统根据相应用户的评估结果制定以供用户对薄弱认知项进行针对性训练。

训练用的虚拟现实场景包括用于训练视空间与执行功能的视空间与执行功能训练场景，用于训练命名功能的命名功能训练场景，用于训练抽象思维的抽象思维功能训练场景，用于训练注意力功能的注意力训练场景，用于训练计算功能的计算功能训练场景，用于训练语言功能的语言功能训练场景，用于训练记忆功能的记忆功能训练场景，用于训练延迟回忆功能的延迟回忆功能训练场景和用于训练定向功能的定向功能训练场景。

认知训练模块14根据训练方案针对性地提供用于训练视空间与执行功能、命名功能、抽象思维，注意力功能、计算功能、语言功能、记忆功能、延迟回忆功能和定向功能中任意一种或多种功能的虚拟现实场景。

针对同一认知功能，认知训练模块14和认知评估模块16提供相同或不同任务的虚拟现实场景。例如认知训练模块14提供用于训练用户记忆功能的“射箭塔”场景，用于训练用户记忆力和抽象思维的“圣诞堡”场景，用于训练语言功能和记忆功能的“汉字英雄”场景，用于训练计算功能的“计算”场景和用于训练视空间训练的“连线训练”场景，还包括一些其他的训练项目等等，认知评估模块16针对各项认知功能可以提供以上相同或不同的场景。

以上场景中，“射箭塔”场景中要求用户根据刚刚出现过的数字抽离相应的层数；“圣诞堡”场景中要求用户拿出具有相同特征的东西；“汉字英雄”场景中要求用户读出出现的文字；“计算”场景中要求用于进行计算；“连线训练”场景中要求用户进行数量与数字的连线匹配等。针对每个认知功能优选存储多个相应的虚拟现实场景以供用户通过不同的场景多次训练同一个认知功能，每个虚拟现实场景可以用于专门针对一个认知功能，也可以用于专门针对两个或多个认知功能。

具体地，评估得分包括单项认知功能评估得分和总评估得分，具体到本实施例，单项认知功能评估得分包括空间与执行功能标评估分、命名评估得分、抽象思维评估得分、注意力评估得分、计算评估得分、语言评估得分、记忆评估得分、延迟回忆评估得分和定向评估得分，数据分析模块15给出参与训练的一项或多项认知功能的训练分数，并分别与相应的单项认知功能标准得分进行比对以给出训练结果；同时用于根据任务执行数据分别给出各项认知功能的单项认知功能评估得分和总评估得分，并分别与各项单项认知功能标准得分和总标准得分进行比对以分析用户的认知功能障碍情况。

报告分析模块23用于对用户认知水平评估测试的报告结果进行进一步的分析。本实施例在报告结果显示用户的各项认知功能及总体认知水平均达到同年龄段同性别组的标准值，则仅生成报告，若某项认知功能或总评分未达到相应的标准值，则进入该报告分析模块23，对报告结果进行进一步的分析，标记评分较低的认知功能，具体为标记评分低于相应标准值的认知功能，若所有评分均高于相应的标准值，但是总分低于相应总分的标准值，则标记评分高出相应标准值少于20％的认知功能或标记评分与相应标准值的差小于3的认知功能。报告分析模块23对评估报告进一步分析完成后参照用户的年龄和性别等限制，为用户制定相应的训练方案以供用户对薄弱认知项进行针对性训练。例如，参考用户的年龄安排训练计划，如果年龄在59岁及以下，每次可安排3节训练，每周安排3次；如果年龄在60～69岁，每次可安排2节训练，每周安排3次；如果年龄在70岁及以上，每次可安排2节训练，每周安排2-3次训练，训练计划的设计既要保证训练效果，也要顾忌使用者的承受能力。训练项目场景优选不同于评估场景，当然训练场景也针对各项功能分别设计以满足针对各项功能的分别训练。

下面对本系统的评估方法进行详细说明：

首先，用户戴上虚拟现实头显等虚拟现实设备，进入开始界面后，先填写个人基本信息，然后进入测试界面。本实施例的整个认知水平测试都是在超市购物场景下实现的，用户根据场景内虚拟人物的引导，跟随超市购物流程，完成被虚拟情境化成各项超市活动的认知功能测试，评估阶段针对部分功能的功能测试场景示例如下：

视空间与执行功能评估：首先场景音指示在进超市前首先需要对超市各区域顺序进行连线，即完成交替连线测试，提示用户需要将视野前的“12345”和“甲乙丙丁戊”按照从数字到汉字并逐渐升高的顺序画一条连线即交替连线测试，并且解释完成后无论用户是否听懂要求，都要求其开始执行任务，一旦开始测试则不能再提示。进入超市后出现一个男孩请求用户帮助他参与超市活动获取礼物，第一个活动是构建一个立方体，场景提示用户需要参照已有的立方体图形，用已有的线条摆放成一样的立方体，即立方体构建测试；第二个活动要求是画一个时间是9点10分的钟表，用户先画一个圆形的表盘，再将12个时间数字摆在表盘上合适的位置，再给表盘添上指针和分针，指向时间9点10分，即钟表绘制测试；活动完成后，帮助男孩获得超市礼物卡，并在男孩陪同下继续购物。

视空间与执行功能的评估结果能表明用户的视觉空间感觉、视觉整合、执行和计划等的认知功能是否良好，在某一方面能体现用户地图、说明书等材料的理解能力，以及对周边物体的观察、判断能力，和操作的计划性、精细度、准确性。

命名功能：购物时经过超市的玩具区，男孩询问其中的3个动物玩偶的名字各是什么，即名称识别测试，用户依次作出回答。

命名功能的评估结果能表明用户的视觉特征分析能力、对事物的语义和概念性理解部分等部分的认知功能水平是否良好，可以体现出用户的视觉识物识图能力水平。

记忆功能：又来到了超市兑换礼物的区域，超市广播提示获得超市礼物卡的顾客可在超市礼物兑换区兑换某些物品，男孩请求用户帮忙记住物品名称，即物品记忆测试，用户听过一遍物品名称后，在超市礼品柜上选出来，不要求按照顺序；男孩又提出他将兑换礼物和其他物品混淆了，需要用户再选出一次；用户听第二遍后，再从超市礼品柜选择一次，同样不要求按照顺序；男孩担心自己会再一次混淆，请求用户帮忙记住物品名称，最后逛完超市后需要再次选择一遍。

对记忆功能的评估测试选择不计分。

注意力与计算功能：男孩提示兑换礼物需要输入卡号和密码，即完成注意力的广度测试。先听一遍男孩口述的卡号后，用户输入卡号，然后听一遍男孩倒着口述的密码，用户再按照正确的顺序输入密码，即数字复述测试。男孩又参与了超市击鼓活动，即完成注意力的警惕性测试。超市广播会播放一系列数字，要求用户每当听到数字“1”时，就控制男孩击鼓一下，即目标数字识别测试。男孩提出计算一下参与众多活动后的获得的折扣力度，即注意力的维持和计算测试，用户根据男孩所说的折扣一次一个的计算，每个折扣都会减去7元，购物总价是100，一直减到男孩说完折扣为止，即连续计算测试。

注意力与计算功能的评估结果能表明用户的注意力广度、警惕和维持性以及计算等认知功能水平是否良好，可以体现出用户对周围事物的关注度以及判断的准确性和心算能力。

语言功能：继续购物，男孩又发现一个促销活动展板，展板上第一个活动规则是重复机器人说的话，即语句复述测试，可以享受折扣，即复述功能测试，用户听一遍机器人的播报后，将视野内的词按照机器人说的话进行组合。第二个促销活动规则是在规定时间内，尽可能多的选择出图片中出现的蔬菜，即词类联想测试，选中的越多，折扣越多，用户在视野内滚动的各种图片中，选中蔬菜类的图片。

语言功能的评估结果能表明用户的语言能力、语义流畅性、注意和瞬时记忆力等认知功能水平是否良好，可以体现出用户的语言沟通能力和语言组织能力。

抽象思维：男孩听到朋友说起香蕉和橘子相类似的方面是它们都是水果，因此想向用户询问其他的一些词语的共性问题，即词语共性描述测试，用户先回答了火车和自行车相类似的方面，又回答了手表和尺子相类似的方面。

抽象功能的评估结果能表明用户的抽象思维及语义知识等能力水平是否良好，可以体现出用户的语言归纳能力。

延迟回忆功能：最后购物已经完成了，男孩又再次提问之前兑换的礼物名称，即物品回忆测试，用户再次回答，不要求按照顺序。

延迟回忆的评估结果能表明用户的短时记忆和回忆能力水平是否良好。

定向功能：男孩表示了感谢，并且决定要将今天购物发生的事情写一篇日记，向用户询问今天的确切时间地点，即时间地点问答测试。用户依次回答测试当日的年份、月份、日期、周几、城市、场所，完成测试。

本方案基于MoCA量表，将其中的认知功能测试内容融入到超市购物的虚拟生活场景中，构建一套用于认知功能障碍评估以及各项认知功能训练的虚拟现实应用系统。用户可以通过进入构建的虚拟超市场景，根据场景内虚拟人物的引导，跟随超市购物流程，完成被虚拟情境化成各项促销活动的认知功能测试，采集到视空间与执行功能、命名、抽象思维，注意力、计算、语言、记忆和定向力等用于评估用户各项认知能力的客观参数，一方面能够用来客观的评定用户与同年龄段同性别相比下的整体认知功能水平，及时筛查轻度认知障碍，另一方面可作为针对性认知功能训练的依据，评估结束后给出具有针对性的训练方案，使用户针对自己的薄弱项进行专门的训练，针对同一认知功能训练使用的场景可以与上述评估使用的场景一致，也可以不一致。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了本地系统1；主控模块11；场景交互模块12；输入输出模块13；认知训练模块14；数据分析模块15；认知评估模块16；云上系统2；数据云处理模块20；常数数据库21；报告生成模块22；报告分析模块23；档案数据库24等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。