可穿戴設備數字化評估多巴絲肼對不同站姿條件下帕金森病患者平衡穩定性的影響

李常青, 吳 曦, 沈林勇, 胡小吾, 錢晉武*

1.上海大學智能機械與系統研究室,上海 200072 2.海軍軍醫大學附屬長海醫院神經外科,上海 200433

可穿戴設備數字化評估多巴絲肼對不同站姿條件下帕金森病患者平衡穩定性的影響

李常青1, 吳 曦2*, 沈林勇1, 胡小吾2, 錢晉武1*

1.上海大學智能機械與系統研究室,上海 200072 2.海軍軍醫大學附屬長海醫院神經外科,上海 200433

目的采用可穿戴設備評估多巴絲肼對帕金森病(PD)患者服藥前后平衡穩定性的影響。方法選取Hoehn & Yahr(H&Y)3級PD患者及年齡匹配的健康受試者。通過可穿戴式傳感器采集藥物開期狀態及藥物關期狀態下PD患者和健康受試者睜眼自然站立、睜眼并腳站立、閉眼自然站立時的平衡能力。比較兩組受試者在不同姿態下的前后/左右擺動位移(重心擺動參數)。結果12例H&Y 3級PD患者及12例健康受試者入組，兩組年齡、性別、蒙特利爾認知評估量表(MoCA)評分差異無統計學意義。健康對照組閉眼自然站立時搖擺位移較睜眼自然站立時減小(P<0.05)。PD患者藥物開期和藥物關期的搖擺位移差異無統計學意義。睜眼自然站立狀態下，PD組患者藥物關期前后搖擺位移小于健康對照組(P<0.05)；閉眼自然站立狀態下，PD組患者藥物開期左右搖擺位移大于健康對照組(P<0.05)。結論數字化可穿戴設備可有效評估PD患者與健康人的平衡能力；多巴絲肼未能顯著改善患者的平衡調節能力；PD患者可能存在視覺與體感平衡感覺整合異常。

帕金森病; 姿勢平衡障礙; 可穿戴設備; 多巴絲肼

帕金森病(Parkinson disease, PD)是常見的神經系統退行性疾病，臨床主要表現為靜止性震顫、肌強直、動作遲緩及姿勢平衡障礙等。姿勢穩定性是在靜態和動態情況下保持平衡的能力，如靜態站立[1-2]、對抗姿勢的擾動[3]或運動之前的姿勢準備[4]。

量化姿勢穩定性的方法是測量穩定性極限[3]。穩定性極限定義為在未摔倒和邁步的情況下，身體對抗外界干擾時重心的最大偏移量。目前臨床上常由醫師通過量表評估平衡穩定性，有個體差異性和主觀性，而尚缺乏客觀性、標準化、高精度的測量方法。重心平衡檢測儀、動態姿態平衡檢測儀等量化性儀器為醫師評估姿勢穩定性提供了便利。為了提高臨床測試的應變性，增加操作的靈活性，可穿戴式傳感器逐漸應用于臨床[5]。

左旋多巴制劑雖然是臨床治療PD的一線用藥，但其對患者平衡能力的改善效果仍有爭議，其他多巴胺能藥物對于平衡能力的改善效果同樣不佳[6]。本研究通過可穿戴式傳感器提取相關的運動學參數，對比分析PD患者服藥前后的靜態姿態平衡穩定性差異，以期量化評估左旋多巴制劑對患者平衡能力的影響。

1 資料與方法

1.1 受試者選擇與臨床評估 PD患者由海軍軍醫大學附屬長海醫院神經外科招募。本研究經過長海醫院倫理委員會批準，受試者簽署知情同意書后自愿參加。由獲得統一PD評分量表(the unified Parkinson disease rating scale, UPDRS)評估證書的評分者對所有患者進行H&Y(The Hoehn and Yahr Scale)分級量表評分和UPDRS評分。入組標準：診斷符合英國腦庫臨床標準的原發性PD[7]；H&Y分級3級。排除標準：不是由PD引起的姿態平衡障礙的疾病，如精神障礙性疾病、感染、中毒等引起的繼發性帕金森綜合征；存在其他原因引起的平衡和步態障礙，如骨折、足部肌張力障礙引起的疼痛等；磁共振成像排除腦積水、顱內腫瘤、多發腦梗死等影響患者平衡感知與平衡調節能力的因素。

同時選取年齡相匹配的健康受試者作為對照組。對照組均無任何身體平衡性和步態障礙、神經系統疾病。PD患者和健康受試者均接受蒙特利爾認知評估量表( Montreal cognitive assessment, MoCA)評估，排除認知異常引起的試驗偏倚。

1.2 運動參數提取方法與評估 試驗當天測量得到受試者的基本數據：姓名、性別、年齡、身高、小腿長(踝關節到膝關節的距離)、大腿長(膝關節到髖關節的距離)。人體運動參數采用Noraxon三維關節角度采集系統(Noraxon U.S.A. Inc, USA)采集獲得，采樣率100 Hz，以無線形式傳輸保存在電腦端，每個傳感器通過彈性綁帶固定在5個身體部位[8]：正后背腰部(COM，大概位置在從地面向上的55%身高處)、兩大腿(中間外側)、兩小腿(中間外側)。傳感器采集的數據包括每個身體部位的俯仰角、翻滾角、航偏角及其基于傳感器位置的三維加速度信號。對站立時人體下肢進行簡化，并建立剛體模型(圖1)，由COM處傳感器所產生的前后搖擺角(pitch, ω)和左右搖擺角(roll, θ)可以推算出COM處的前后搖擺距離(Dx)和左右搖擺距離(Dy)：Dx=HCOM·sin(ω)·Dy=HCOM·sin(θ)[9]。HCOM是COM處傳感器到地面的實際高度。但是，人體站立時，是通過踝關節和膝關節的不斷調整來保持身體的平衡。因此，HCOM是一個不斷調整的過程，需要通過小腿長Lshank和小腿角度θshank、大腿長Lthigh和大腿角度θthigh對HCOM的值進行補償(圖2，公式1)。

圖1 簡化人體下肢剛體模型

圖2 補償式人體下肢剛體模型

=Lthigh·COS(θthigh)

1.3 測試條件 受試者需要完成3種不同的站立姿勢。(1)自然站立：目視正前方，雙腳分開與肩平齊站立30 s；(2)并腳站立：目視正前方，雙腳并攏站立30 s；(3)閉眼站立：閉眼，雙腳分開與肩平齊站立30 s。3種站立姿勢期間患者不說話、不左右環視、不移動四肢等，雙手要求自然下垂放在身體兩側，腿、軀干和頭盡量保持豎直。在3個站立試驗中，通過Noraxon角度采集系統采集患者的身體運動數據。當指導醫師發出相關指令后，患者執行相關動作，在此期間如有不符合要求的動作，需要重新開始指定動作。

1.4 分 組 將受試者分為3組：健康對照組、藥物開期狀態PD患者組(藥物開期PD組)、藥物關期狀態PD患者組(藥物關期PD組)。藥物用量和周期與平時醫囑相同。藥物關期為停藥12 h后，無藥物作用時期；藥物開期為服藥后0.5～2 h患者狀態達最佳的時期。

2 結 果

2.1 PD患者組與健康對照組基本數據分析 共12例PD患者與12例健康受試者入組。兩組患者男女比例、年齡、身高、腰高及MoCA評分差異無統計學意義(表1)。

2.2 PD患者藥物開關期運動功能比較 PD患者服藥后UPDRS-Ⅲ總評分、下肢評分(左右腿靈活性、起立、姿勢、步態、姿勢穩定性、身體運動遲緩和減少)、項30評分(姿勢穩定性)均較服藥前減小(P<0.01)，說明多巴絲肼對PD患者的運動功能改善明顯(表2)。

表1 PD組與健康對照組基本數據 n=12

表2 PD患者藥物開關期UPDRS-Ⅲ評分 n=12

采用1998年版UPDRS評分. 下肢評分：第16～31項總分，包括左右腿靈活性、起立、姿勢、步態、姿勢的穩定性、身體運動遲緩和減少；項30評分：第30項評分，即姿勢平衡評分

2.3 藥物開關期PD患者組與健康對照組平衡性參數分析 藥物關期PD組睜眼自然站立狀態下前后搖擺位移較健康對照組減小，藥物開期PD組閉眼狀態下左右搖擺位移較健康對照組減小，差異均有統計學意義(P<0.05,表3)。睜眼并腳站立狀態下，搖擺位移組內及與其他組差異無統計學意義。

表3 PD組與健康對照組不同狀態下的搖擺數據 n=12, l/cm

*P<0.05與同組睜眼狀態時相比；△P<0.05與同狀態健康對照組相比

3 討 論

本研究建立的評估方法針對靜態平衡穩定性，采用人體下肢剛體模型，并通過膝關節與踝關節數據對人體搖擺重心進行補償，提高測量精度。而以往大部分實驗中，研究者認為膝關節與踝關節角度變化較小，對這部分數據進行了簡化，只采用簡化人體下肢剛體模型對受試者進行實驗。重心平衡檢測儀、動態姿態平衡檢測儀則通過人體晃動導致腳底壓力的變化，從而計算出人體重心的變化，而可穿戴式傳感器直接測量人體重心晃動程度。因此，本研究數據的精度相對較高。既往研究[10]認為，人體搖擺的位移可以反映人體的平衡能力。但本研究發現，健康人在睜眼和閉眼這兩個狀態下，Dx和Dy均值都明顯減小(P<0.05)，說明本研究的測量精度高。這種方法測量的搖擺位移混雜了人體平衡感知能力與平衡調節能力。平衡感知能力包含本體感覺能力和視覺平衡感知能力，而視覺平衡感知有助于個體實時動態調節自身平衡(圖3)。而本研究忽略了人體平衡感知能力對平衡調節能力的影響。因此使用這種方法評估人體平衡能力的時候，要保證測量環境和條件相同。

圖3 平衡調節能力、平衡感知能力與站立時身體搖擺的關系

多巴絲肼的主要成分是左旋多巴，而該藥物能否改善PD患者的平衡能力目前尚未達成共識。Mancini等[11-12]通過足底壓力中心的搖擺圖發現，左旋多巴藥物可改善PD患者的平衡能力；通過APDM公司的OPAL設備進一步分析發現，左旋多巴藥物對部分PD患者的姿態平衡和步態有改善作用，也有部分患者反而惡化。因此，該課題組認為左旋多巴對PD患者的平衡和步態是把雙刃劍[13]。該課題組進一步闡述了步態和平衡由不同的神經通路控制，左旋多巴對這些神經通路的作用不同[14]。而另一個研究團隊采用可穿戴慣性測量單元測量原發性PD患者的平衡能力，發現服藥前正常站立的患者若平均搖擺位移較大，服藥后仍有更大的前后搖擺范圍，表明左旋多巴對患者的平衡能力并沒有顯著效果[15]。

本研究發現，睜眼狀態下PD患者服用多巴絲肼前的Dx明顯小于健康對照組(P<0.05)；但是，在睜眼或閉眼狀態下，PD患者服藥前后的Dx和Dy差異無統計學意義，未能說明多巴絲肼改善患者的平衡調節能力。而UPDRS-Ⅲ評分中的第30項“后拉試驗”顯示，患者的平衡調節能力顯著提高(P<0.001)。我們認為，多巴絲肼對于平衡調節能力和平衡感知能力可能有不同的作用，而后拉試驗中人體對抗的橫向外力較大，加之評分具有主觀性，因此容易產生統計學差異。今后應在保證受試者安全的基礎上，增加水平方向上的外力，以更好地區分平衡調節能力的細微差別。

本研究中，閉眼狀態下的PD患者無論在藥物開期還是藥物關期，Dx和Dy均未較睜眼狀態下減小；而在閉眼狀態下，藥物開期狀態時的Dy明顯小于健康對照組(P<0.05)，說明PD患者的平衡感知能力與健康人不同。既往有研究[17]運用系統辨識技術，檢測PD患者平衡控制中的對稱性關系，結果表明PD患者在沒有意識到自身不對稱性情況下，在承重方面表現出明顯的不對稱，說明患者的本體感覺已經出現了問題。我們推測，健康人在睜眼時通過視覺協助平衡，本體感覺平衡被抑制，而閉眼時本體感覺平衡能力恢復正常，因此搖擺幅度減小。本研究中，藥物關期，PD組閉眼狀態下搖擺位移與健康對照組差異無統計學意義，說明PD患者的本體感覺能力未受損，而睜眼狀態下前后搖晃位移明顯減小，說明PD患者的視覺平衡感知能力減弱；藥物開期，PD組閉眼狀態下左右搖晃位移增加，說明藥物增強了PD患者的本體感覺能力，而在睜眼時位移與對照組差異無統計學意義，說明患者視覺平衡感知能力恢復。結論尚需要剔除平衡調節能力因素后驗證。

綜上所述，雖然UPDRS-Ⅲ評分顯示，多巴絲肼可以改善PD患者的平衡調節能力，但是平衡能力測試未能證實這一結果。H&Y 3級PD患者可能存在視覺與體感平衡感覺信號整合異常。

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Effect of levodopa and benserazide hydrochloride on static balance stability of patients with Parkinson disease under different standing positions: digital evaluation methods with wearable device

LI Chang-qing1, WU Xi2*, SHEN Lin-yong1, HU Xiao-wu2, QIAN Jin-wu1*

1. Laboratory of Intelligent Machinery and Systems, Shanghai University, Shanghai 200072, China 2. Department of Neurosurgery, Changhai Hospital, Navy Military Medical University, Shanghai 200433, China

Objective： To evaluate the effect of levodopa and benserazide hydrochloride on static balance stability patients with of Parkinson disease (PD) by using wearable device.MethodsPD patients with Hoehn & Yahr stage of grade 3 were enrolled and age-matched healthy subjects were selected as control group. The balance stability data under different positions, including natural standing with open eyes, standing on the feet with open eyes and natural standing with close eyes, were recorded by wearable sensor in ON and OFF state of drug. The swing displacements of antero-posterior/medio-lateral (the center of gravity swing parameters) under different standing positions were compared between two groups.ResultsTotally 12 PD patients with Hoehn & Yahr stage of grade 3 and 12 healthy subjects were selected. The age, gender, and score of Montreal cognitive assessment (MoCA) were not significantly different between two groups. In control group, the swing displacement under position of natural standing with open eyes was significantly less than that under position of natural standing with close eyes (P<0.05). In PD group, the swing displacement was not significantly changed in ON and OFF stage of drug. However, under position of natural standing with open eyes, the displacement of antero-posterior swing in PD group was significantly less than that in control group in OFF state of the drug (P<0.05); under naturally standing state with close eyes, the displacement of medio-lateral swing in PD group was significantly greater than that in control group (P<0.05).ConclusionsDigital wearable devices can effectively assess the balance stability of PD patients and healthy people; levodopa and benserazide hydrochloride do not improve the balance capacity of PD patients significantly; PD patients may have abnormal integration of visual and somatosensory.

Parkinson disease; static posture balance; wearable device; levodopa and benserazide hydrochloride

2017-01-19接受日期2017-09-14

國家自然科學基金(51275282), 教育部博士點基金(20123108110009). Supported by National Natural Science Foundation of China (51275282) and Doctoral Program of the Ministry of Education of China (20123108110009).

李常青,碩士，工程師. E-mail: lichangqing2611@163.com

*通信作者(Corresponding authors). Tel: 021-31161789, E-mail: wuxi_smmu@sina.com; Tel: 021-56331783, E-mail: jwqian@shu.edu.cn

10.12025/j.issn.1008-6358.2017.20170052

R 742.5

A

[本文編輯] 姬靜芳