可穿戴設備在運動障礙疾病定量評估中的研究進展

蔣頂 龔大偉 章文斌

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是一種常見的退行性神經系統疾病,目前全球約有500萬名PD病人,患病率在發達國家約占總人口的0.3%,在超過60歲的人中大約占1%[1]。PD病程長,需要長期管理與康復的病人人數眾多,長期以來,臨床上主要依靠醫生檢查、統一帕金森病評定量表(UPDRS)以及Hoen-Yahr分期等量表進行運動功能評估。但是這些方法敏感性較低,不能發現輕微的運動功能異常,不利于PD的早期診斷;而且存在較多的人為因素,難以消除不同檢測者主觀差異造成的影響,不利于醫生對病人病情的縱向觀察和對疾病進展的評價,這樣既不客觀也不準確[2]。

可穿戴設備即為可以穿戴在人身體上或安置在衣服內的輔助電子設備,可以輔助監測某個時間點或一段時間內病人的各種狀態與活動,并借助軟件算法反映狀態與活動的差別,可為臨床決策提供指導和參考。可穿戴設備由傳感器、信號處理器和顯示器組成,收集到的數據不僅客觀,而且能克服量表有限分級的“天花板效應”,敏感性與可靠性更高。近年來,可穿戴設備在PD及相關運動障礙疾病的預測、輔助診斷、評估等方面的應用越來越多,隨著智能手機和互聯網+技術的發展,可穿戴技術及設備成為研究和產品開發的熱點。在已問世的可穿戴設備中,大約有67%采用加速度計,21%采用加速度計和陀螺儀的組合。

1 加速度計監測運動幅度

相對簡單的可穿戴設備是單軸加速度計組成的模塊組,有學者發現該設備傳感器收集的數據中,反映速度的角速度均方根的對數值與UPDRS評分相關性較好,反映運動幅度的偏移角均方根與評分密切相關,變異系數與運動節律評分密切相關,因此認為運動傳感器可以客觀地反映速度、幅度、節律,與臨床表現相符合,并可以反映藥物開期與關期的不同狀態。通過對不同時間點數據的分析,臨床醫生可以比較明確地區分藥物的開、關期,從而指導藥物的調整甚至腦深部刺激(deep brain stimulation, DBS)手術后參數的調整[3]。Ryu等[4]使用綁在兩個小臂上的三軸加速度傳感器來測量記錄病人日常生活中的運動情況,發現有跌倒者與無跌倒者相比,步距較小且行走形式變化較少,因此認為基于加速度計的傳感器在預測跌倒和評估跌倒的危險因素中有重要的作用[5]。Dai等[6]將六軸加速度慣性傳感器測量裝置固定在中指上檢測病人的運動遲緩癥狀,發現該裝置可以較好反映震顫幅度和運動角度。Stepwatch 3(SAM)是一款尋呼機大小、固定在腳踝上使用的腳步運動監控器,可以用來計算步數、活動時間、活動次數、每分鐘活動的可變性和每分鐘波動的隨機性及每日平均數值[7]。利用SAM監測PD病人步行和捕捉動態活動下降,具有較好的有效性、可靠性和靈敏度,將步行活動監測數據根據年齡和功能區分,可以用來監測運動活動的差別[8]。

2 加速度計與陀螺儀組合監測運動幅度與旋轉

Physilog是一款可以通過慣性傳感器獲取肢體運動的對稱性參數,利用陀螺儀獲取有關步態、肢體擺動、軀干運動、震顫及動作遲緩的時空參數設備,具有體積小、使用方便、無需校準等特點,震顫檢測算法與視頻對比敏感性高達99.5%，特異性達94.2%。研究發現,使用Physilog設備行走時,上、下肢的對稱性參數在鑒別早、中期PD病人與健康者有很高的敏感性、特異性及良好的可靠性,該設備也可以用來對PD病人肢體震顫及運動遲緩進行量化,其中震顫幅度與UPDRS震顫分項評級有很高的相關性[9]。Salarian等[10]利用Physilog設備發現,通過測量重復站立-坐下動作參數,可以客觀反映軀干運動特點,在區分PD組與正常對照組方面有較高的敏感性和特異性,并可以鑒別DBS開、關機狀態,對運動功能分級可能有一定幫助。同時研究發現,早期PD組與正常對照組在擺臂角速度、轉身時間及轉身坐下時間存在顯著差異,而且步行節律也有顯著差異,認為步長與UPDRS有比較高的相關性(r=0.90),步態周期和相關步態事件有很高的敏感性(96%)和陽性預測值(98%),在鑒別早期PD方面有很高的可靠性,并可獲取有關DBS治療的步態參數,指導治療[11]。

McRoberts DynaPort設備是由一個三軸加速度計和三軸角速度計組成的六軸傳感器,利用藍牙技術與主機連接,進行數據傳輸、分析。該設備體積小,穿戴方便,可以測量步行次數的總數,步行的時間百分比,具有良好檢出率和識別出特異性的踏錯事件。研究發現踏錯檢測與跌倒狀態相關,在日常生活環境中,PD 跌倒者和非跌倒者的步態質量不同,跌倒者比非跌倒者有多達23%的踏錯次數,借此發現PD病人在日常行走過程中的踏錯,可用于臨床監測和促進身體活動,也可以用來評估病人在家或在社區活動時的跌倒風險,從而提供有針對性的預防措施[12]。

汪豐等[13]設計了一套基于三軸加速度和三軸角速度傳感器的運動功能評價系統,將傳感器采集節點分別佩戴在人體的上下肢和軀干中心部位,采集人體行走過程中的加速度和角速度數據。在對比分析了PD病人和健康老人2組人群的運動數據后,發現在行走過程中,人體手臂擺動的幅度、對稱性和軀干轉彎所用的時間等參數對人體運動功能的評價具有重要作用。PD病人的參數波動明顯大于健康老人,說明PD病人動作的連續性和穩定性較差,這也是導致病人容易跌倒的重要原因。

李亮等[14]開發的可穿戴設備內部包含三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計,腕表大小,利用wifi無線組網技術實現大范圍、多節點數據無線傳輸。由專門開發的定量評估算法實時分析病人的震顫和運動遲緩等癥狀的嚴重程度,同時獲取受試者上肢、下肢和腰部的運動信息,不僅能監測震顫等局部運動癥狀, 還能監測運動遲緩等整體性運動癥狀,具有多信息、微負荷、長時程、大活動范圍監測能力,精確感知病人手部和腳部的運動。

APDM設備是由APDM公司開發的一款可穿戴設備,手表大小,擁有六個傳感器(加速度計、角速度計和磁力計),可連續使用16 h,實現了多個節點的加速度數據采集,收集人體運動的多部位加速度數據。基于電腦的家庭環境的監測設備可以用于監測早期未進行藥物治療PD病人的震顫,在分析了大量數據后發現震顫是預測UPDRS變化的重要預測因素[15]。

Lin等[16]設計開發了可穿戴背心用于姿勢和活動能力的檢測,以5個加速度傳感器分別置于下頸部、胸部中間、腰3椎體部位(代表身體中心部位)、腰部兩側,背心下擺為彈性,以使兩側腰部傳感器與身體更好貼合,增加傳感器精度。這些傳感器以高科技導電織物相連接,共同組成姿勢監控背心,可用于心臟參數的監控。

3 基于大數據基礎的可穿戴智能手表監測運動功能

近年來,隨著可穿戴設備的微型化、一體化、網絡化、數字化和標準化的趨勢,智能手表成為可穿戴設備的新寵。智能手表作為健康管理的平臺,可以持續進行健康監測且對日常生活沒有任何影響,由于緊貼體表,可以采集更多的生理數據,可用于PD病人的運動功能監測,甚至用于輔助病人的聲音和語言能力的評估。“智能手機-PD”全球觀察研究項目招募了457例PD病人和健康對照受試者,采集6個月他們使用下載到自己的Android智能手機上軟件的原始數據,通過智能手機機器學習算法,反映病人對等效左旋多巴藥物劑量的不同反應并指導治療[17]。在美國進行的基于iPhone手機的mPower研究也有同樣的結果,提示藥物劑量和服藥時間這些在PD病人中難以把握的問題,可以通過實時、客觀并經過驗證的數據分析的方法得到大幅度的改善[18]。

Personal KinetiGraph(PKG)設備可以記錄PD病人的主要癥狀,對病人的要求只是配帶一只腕表,一般連續7 d,可以監測震顫、運動遲緩、運動障礙、睡眠中與運動相關的活動。PKG設備可以提供運動遲緩評分、運動障礙評分、運動波動評分、震顫時間百分比、運動不能時間百分比，并具備病人服藥提醒功能,以直觀和相對正常數據的格式呈現PD的狀態,自動生成服藥時間和次數的報告,已獲得美國食品藥品監督管理局和歐盟食品藥品監督管理局的認證。PKG所提供的病人的綜合病史信息使得病人和臨床醫師綜合考慮一周時間內病情的重要臨床關注點和標記,甚至能發現病人自己忽略的重要信息,提高了診斷效率,并且可以不間斷地隨訪治療后的效果和可能發生的不良反應,不間斷的客觀監測能夠使病人的癥狀全程得到更好的控制,并可以長期追蹤疾病的進展。PKG同樣可以應用于DBS術前評估和術后的跟蹤隨訪。DBS術前2～3周,病人開始佩戴PKG腕表,開機后6個月繼續佩戴,在此期間可對程控參數和藥物進行方案優化,及時的 PKG 數據能夠指導臨床人員精準而有效地調整/優化IPG的參數輸出和聯合口服藥物的滴定。PKG腕表放置到充電樁之后,運動數據會被自動上傳到安全的云端服務器,PKG云處理器可通過算法實時生成報告,臨床人員可通過專用的醫用終端查收和瀏覽報告[19-20]。

4 可穿戴設備輔助運動功能

凍結步態是PD經常出現的突然性行走邁步障礙,Mazilu等[21]設計了一款幫助PD病人克服凍結步態的可穿戴裝置“Gait-Assist”,通過置于腳踝上的加速度傳感器自動檢測病人是否存在凍結步態。如果發生了凍結步態,裝置通過藍牙將狀態信息發送給智能手機,手機接收到狀態信息后通過耳機播放有節奏的聲音提示帕金森病人邁出步伐,克服凍結步態情況。Ferrarin等[22]設計了一套可穿戴眼鏡,眼鏡左右兩側各安裝一個7×10的LED陣列,通過安裝在腳踝上的加速度傳感器自動檢測凍結步態,將檢測結果無線發送給眼鏡,眼鏡控制相應邁步的腳一側的LED發光,指示病人邁步。有學者基于凍結步態的閾值模型,采用慣性感測器識別并定量分析凍結步態前期病人的步態特征,發現了凍結步態前期的一些特征如步態退化、左右交叉相關步態的明顯降低,并據此開發了識別凍結前期的分級算法,用于預測和預防凍結步態[23]。進展期PD病人往往出現跌倒,而可穿戴設備同樣可用于跌倒的監測甚至預防,監測跌倒的探測器往往放置在軀干的上部和下部,最常用的部位是腰部,隨著微型化智能手表的出現,跌倒檢測的軟件算法也將很快有廣泛的應用[24]。

5 結語

對于PD運動癥狀評估的可穿戴技術及設備的研究方興未艾,可穿戴技術應用于以PD為代表的運動障礙疾病，在醫院內外對病人進行健康監護、精確給藥治療、運動輔助、優化和改善臨床工作流程、病人的遠程治療和管理、收集大健康數據等,已成為創新的一個熱點方向,隨著智能手機和互聯網+技術的發展,可穿戴設備成為基于大數據和云計算基礎上的便攜設備,在PD及運動障礙疾病的評估、治療中必將發揮更大的作用。