基于可穿戴系統(tǒng)的PD病人運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)系統(tǒng)

鄒亞，汪豐，高帥鋒，

喬子晏1，毛成潔2，張惠鈞2

基于可穿戴系統(tǒng)的PD病人運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)系統(tǒng)

鄒亞1，汪豐1，高帥鋒1，

喬子晏1，毛成潔2，張惠鈞2

1. 東南大學(xué) 生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2. 蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院 神經(jīng)內(nèi)科，江蘇 蘇州215004

背景 隨著我國(guó)帕金森患者人數(shù)的不斷上升，帕金森病的防御和治療已成為社會(huì)各界熱切關(guān)注的焦點(diǎn)。目的 設(shè)計(jì)一套基于穿戴式的慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，來(lái)評(píng)價(jià)帕金森患者的運(yùn)動(dòng)功能。方法 采用ZigBee技術(shù)組建短距離無(wú)線人體傳感器網(wǎng)絡(luò)，使用慣性傳感器采集帕金森患者完成特定實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作時(shí)的加速度和角速度數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析計(jì)算評(píng)估指標(biāo)，評(píng)價(jià)患者的運(yùn)動(dòng)功能。結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)性能穩(wěn)定，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作具有很好的代表性，能夠滿足系統(tǒng)評(píng)價(jià)患者運(yùn)動(dòng)功能的要求。

帕金森?。贿\(yùn)動(dòng)功能；慣性傳感器；可穿戴系統(tǒng)；ZigBee

0 前言

帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）又稱震顫麻痹，是多發(fā)于中老年人的慢性神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病。帕金森病患者的臨床特征主要包括靜止性震顫、肌肉僵直、運(yùn)動(dòng)遲緩和姿勢(shì)異常等[1]。帕金森病不僅嚴(yán)重影響了患者的日常生活水平，而且給家人和社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，帕金森患者人數(shù)呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)，帕金森病的治療和防御已成為社會(huì)各界熱切關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。

由于帕金森病對(duì)患者運(yùn)動(dòng)功能影響較大，所以運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)是臨床診斷帕金森病的重要內(nèi)容，其對(duì)評(píng)估藥物效果，指導(dǎo)制定治療方案和輔助診斷等具有重要作用。目前，臨床上廣泛使用量表評(píng)定法進(jìn)行患者的運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)。雖然量表評(píng)定法評(píng)價(jià)的視角比較全面，但依賴醫(yī)護(hù)人員的主觀判斷，評(píng)價(jià)工作量較大，且病程發(fā)展過(guò)程中的細(xì)微功能變化不易被發(fā)現(xiàn)及評(píng)價(jià)。許多研究者探索客觀運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)的方法。其中，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的方法[3]采用多個(gè)高速攝像頭記錄患者的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)對(duì)患者身體主要關(guān)節(jié)處標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)視頻分析，評(píng)價(jià)患者的運(yùn)動(dòng)功能。由于基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的方法成本高，受環(huán)境因素和設(shè)備場(chǎng)地限制的影響嚴(yán)重而不利于在臨床進(jìn)行推廣使用。隨著電子器件微型化和低功耗技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)興起的基于體域傳感網(wǎng)（Body Sensor Network，BSN）的運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)技術(shù)越來(lái)越引起人們的關(guān)注[4]。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于慣性傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)系統(tǒng)包括：基于BSN的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)和基于PC機(jī)的數(shù)據(jù)采集及運(yùn)動(dòng)功能分析軟件兩大部分。

基于BSN的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)包括5個(gè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端和1個(gè)數(shù)據(jù)接收終端，采用ZigBee通訊協(xié)議。其中5個(gè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端分別佩戴在患者的腰部中心部位、左右手的手腕背側(cè)和左右腳的腳踝部（圖1）；數(shù)據(jù)接收終端通過(guò)USB接口與電腦相連，在PC機(jī)軟件控制下，通過(guò)ZigBee協(xié)議向5個(gè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端獲取運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?；赑C機(jī)的數(shù)據(jù)采集及運(yùn)動(dòng)功能分析軟件提供人機(jī)界面，用于管理患者的基本信息和控制患者的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程；運(yùn)動(dòng)功能分析則可分析患者以下運(yùn)動(dòng)功能：平衡協(xié)調(diào)功能、姿勢(shì)控制、震顫、步態(tài)特征、關(guān)節(jié)柔軟性和活動(dòng)度等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 基于BSN的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于BSN的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括；運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)兩部分。其中，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分由5個(gè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端和1個(gè)數(shù)據(jù)接收終端組成；運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分主要是編程實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)命令的收發(fā)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳輸。由于數(shù)據(jù)接收終端主要由CC2530芯片構(gòu)成，與運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端的無(wú)線通信模塊相同，因此，硬件設(shè)計(jì)部分不再進(jìn)行單獨(dú)描述。

2.1 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端主要由電源模塊、傳感器模塊、無(wú)線通信模塊、中央控制模塊和存儲(chǔ)器模塊組成；數(shù)據(jù)接收終端主要由電源模塊和無(wú)線通訊模塊組成。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端和數(shù)據(jù)接收終端的具體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。

圖2 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 傳感器模塊

針對(duì)帕金森患者運(yùn)動(dòng)功能障礙的臨床表現(xiàn)，本文選用三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器采集患者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來(lái)評(píng)價(jià)患者的運(yùn)動(dòng)功能。本系統(tǒng)選用MPU-6050傳感器，該傳感器為全球首例整合性六軸運(yùn)動(dòng)處理組件[5]，它集成了三軸MEMS陀螺儀和三軸MEMS加速度計(jì)，相對(duì)于多組件的方案，免除了陀螺儀與加速度傳感器組合時(shí)坐標(biāo)軸之間差值的問(wèn)題，而且減少了大量的包裝空間。MPU-6050的角速度測(cè)量量程包括±250o/s、±500o/s、±1000o/s與±2000o/s，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作；加速度的測(cè)量量程包括為±2 g、±4 g、±8 g、16 g（g為重力加速度）。根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作和患者完成實(shí)驗(yàn)動(dòng)作的實(shí)際情況可知，采集到的加速度和角速度信號(hào)屬于低頻、低速信號(hào)。因此，系統(tǒng)選用MPU-6050傳感器的加速度量程為±4 g，角速度量程為±1000o/s，信號(hào)采樣率統(tǒng)一為100 Hz，傳感器模塊的電路圖，見(jiàn)圖3。

圖3 傳感器模塊電路圖

2.1.2 無(wú)線通信模塊

本文的無(wú)線通訊模塊選擇采用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線通信方式。ZigBee是ZigBee聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的可靠、高性價(jià)比、短距離、低復(fù)雜度和低功耗的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)，其通信距離可達(dá)幾十米至幾百米，通信速率可達(dá)250 kbps。ZigBee技術(shù)的這些優(yōu)勢(shì)特征，決定了它可以滿足短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)囊骩6]。另外，和其他幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)可以對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行多點(diǎn)同時(shí)控制，而且隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)的增加，其成本不會(huì)大幅增加。因此，采用ZigBee技術(shù)組建簡(jiǎn)單短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是經(jīng)濟(jì)有效的選擇。

運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端和數(shù)據(jù)接收終端均包括無(wú)線模塊，而且它們的電路設(shè)計(jì)方案一致。該無(wú)線模塊選用IT公司生產(chǎn)的最新一代ZigBee芯片CC2530，它優(yōu)良的無(wú)線傳輸可靠性和強(qiáng)大的抗干擾能力能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，無(wú)線模塊的具體電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

2.1.3 中央控制模塊

運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端的中央控制模塊選擇MSP430F149單片機(jī)芯片（德州儀器公司生產(chǎn)），它以其超低的功耗成為本系統(tǒng)的首選。另外，選擇使用該芯片還考慮到它的片內(nèi)資源豐富、工作電壓范圍和方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境等因素。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端無(wú)線模塊接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)UART傳遞到MSP430中央控制模塊，中央控制模塊通過(guò)該數(shù)據(jù)解析出命令，然后控制傳感器模塊和存儲(chǔ)器模塊進(jìn)行相應(yīng)的操作。

圖4 無(wú)線模塊電路圖

2.1.4 電源模塊

電源模塊作為整個(gè)硬件系統(tǒng)的動(dòng)力源，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓輸入和合適的工作電流。本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端和數(shù)據(jù)接收終端均包括電源模塊，但它們的電路設(shè)計(jì)卻相差甚遠(yuǎn)。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端的電源模塊采用鋰電池供電方式，且鋰電池具有USB充電功能。系統(tǒng)選擇的充電芯片為 LTC4054，該芯片預(yù)設(shè) 4.2 V 的充電電壓，精度高達(dá)±1%。最大額定輸出電流 850 mA。為了避免電源電壓的變化引起系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定，電源電壓需要經(jīng)過(guò)線性穩(wěn)壓器輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓?？紤]到鋰電池標(biāo)稱電壓與系統(tǒng)所需電壓之間的壓差略小，系統(tǒng)選用低壓差線性穩(wěn)壓器TLV70030，將系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定在+3.0 V。由于數(shù)據(jù)接收終端與PC機(jī)通過(guò)USB相連，因此數(shù)據(jù)接收終端的電源模塊可通過(guò)PC機(jī)的USB接口提供。

2.1.5 存儲(chǔ)器模塊

考慮到系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間采集患者運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的需要，本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端還包括外接Flash存儲(chǔ)模塊（圖5）。該模塊選用W25Q256 芯片，該芯片擁有 256 Mb 的存儲(chǔ)空間，可支持雙線和四線的SPI模式讀寫數(shù)據(jù)。根據(jù)本系統(tǒng)慣性傳感器的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率，該芯片可以連續(xù)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)達(dá)15 h。

2.2 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是基于IAR Embedded Workbench開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端MSP430中央控制模塊與ZigBee無(wú)線模塊程序的編寫和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)接收終端ZigBee無(wú)線模塊程序的編寫。根據(jù)ZigBee協(xié)議可知，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備節(jié)點(diǎn)有3種類型：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)所組建的ZigBee慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)中的5個(gè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端屬于終端節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)接收終端屬于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

圖5 存儲(chǔ)器模塊電路圖

運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端的ZigBee無(wú)線模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，即把接收到的中央控制模塊的數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送到數(shù)據(jù)接收終端和把接收到的數(shù)據(jù)接收終端的數(shù)據(jù)傳遞到中央控制模塊。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端的MSP430中央控制模塊主要通過(guò)UART的中斷方式接收來(lái)自ZigBee無(wú)線模塊的信號(hào)，然后根據(jù)所接收到的信號(hào)解析出對(duì)應(yīng)的命令，進(jìn)而控制傳感器模塊和存儲(chǔ)器模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、上傳和清空Flash等操作。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端的中央控制模塊和無(wú)線模塊的具體程序流程圖，見(jiàn)圖6(a)和圖6(b)。

數(shù)據(jù)接收終端ZigBee無(wú)線模塊的功能主要包括：接收來(lái)自PC上運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件的命令并轉(zhuǎn)發(fā)給每個(gè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端，接收每個(gè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)終端的上傳的數(shù)據(jù)并通過(guò)USB接口傳送到PC機(jī)。數(shù)據(jù)接收終端無(wú)線模塊的具體流程圖，見(jiàn)圖6(c)。

3 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集及分析軟件設(shè)計(jì)

本文運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集及分析軟件的設(shè)計(jì)基于Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用MFC軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)來(lái)完成，主要包括運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

圖6 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

3.1 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件由患者信息管理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制三部分組成。其中，患者信息管理主要包括：患者基本信息的登記注冊(cè)、患者基本信息的增刪改查、患者的分類管理等；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理主要包括：實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的維護(hù)等；實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制主要包括：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始、實(shí)驗(yàn)結(jié)束、實(shí)驗(yàn)暫停、數(shù)據(jù)上傳和實(shí)驗(yàn)過(guò)程描述等功能。

3.2 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計(jì)

分析帕金森患者的臨床特征，設(shè)計(jì)一套能夠反映患者運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作是進(jìn)行患者運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)的前提和基礎(chǔ)，本文的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計(jì)由實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)兩部分組成。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作設(shè)計(jì)

在聽(tīng)取醫(yī)院專家建議的基礎(chǔ)上，參照臨床上普遍使用的評(píng)分量表（UPDRS、Berg、Tinetti、Fugl-Mcyer等），針對(duì)帕金森患者的臨床表現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一套行之有效的實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作。主要包括：擺臂行走，連續(xù)翻腕，靜坐抬腿，靜止站立和反復(fù)起坐。

擺臂行走：測(cè)試對(duì)象以最快的速度，按照實(shí)驗(yàn)要求完成10 m折返行走實(shí)驗(yàn)。根據(jù)所采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文主要分析直線行走和轉(zhuǎn)彎兩個(gè)過(guò)程。其中，直線行走過(guò)程主要從步態(tài)特征，擺臂對(duì)稱性和上下肢的協(xié)調(diào)平衡性分析。

連續(xù)翻腕：首先測(cè)試對(duì)象按照要求平舉雙臂，然后以最快的速度左右手同時(shí)完成20次左右的連續(xù)翻腕動(dòng)作。這個(gè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)作主要是針對(duì)患者手部的運(yùn)動(dòng)功能減退進(jìn)行設(shè)計(jì)的，利用所獲得加速度和角速度數(shù)據(jù)，本文主要從左右手的對(duì)稱性和活動(dòng)度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能的評(píng)估。

靜坐抬腿：首先測(cè)試對(duì)象靜坐在高度適中的椅子上，然后以最快的速度完成20次左右的反復(fù)抬腿動(dòng)作，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中左右腿交替進(jìn)行，抬腿高度固定。這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)腳踝和膝關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的，根據(jù)腳踝部的周期性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析左右腳的協(xié)調(diào)性和關(guān)節(jié)活動(dòng)靈敏性等。

靜止站立：測(cè)試對(duì)象分別完成睜眼靜止站立和閉眼靜止站立實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試對(duì)象雙臂自然下垂，身體不接觸任何物體。該實(shí)驗(yàn)主要是為了評(píng)價(jià)測(cè)試對(duì)象的靜態(tài)平衡能力而設(shè)計(jì)的，動(dòng)態(tài)平衡的評(píng)估主要根據(jù)擺臂行走實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。

反復(fù)起坐：測(cè)試對(duì)象雙手交叉于胸前，以最自然的速度連續(xù)完成5次由坐到站和由站到坐實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)帕金森患者身體僵直和動(dòng)態(tài)平衡能力減退的臨床表現(xiàn)而設(shè)計(jì)的。

圖7 運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)框圖

3.2.2 運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所采集的患者完成以上實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作的加速度和角速度數(shù)據(jù)，分析計(jì)算患者不同部位的評(píng)估指標(biāo)，進(jìn)而做出系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)，本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)圖，見(jiàn)圖7。人體運(yùn)行功能評(píng)價(jià)方法的分類有多種，本文采用按照身體不同部位進(jìn)行評(píng)價(jià)分類，共分為上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)、下肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)以及軀干和整體運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)3種。

3.2.2.1 上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)

研究表明，運(yùn)動(dòng)時(shí)人體上肢有規(guī)律地?cái)[動(dòng)可以起到抵消身體沿中軸扭轉(zhuǎn)力的作用，從而有利于維護(hù)身體的協(xié)調(diào)與穩(wěn)定，而且上肢擺動(dòng)幅度頻率的變化可以調(diào)整人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重心的偏移從而增加運(yùn)動(dòng)效率，減少不必要的能量消耗。針對(duì)上肢擺動(dòng)的重要作用，系統(tǒng)分析計(jì)算的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)主要包括：擺動(dòng)幅度、擺動(dòng)速度、擺動(dòng)角度、擺動(dòng)節(jié)律性、左右手?jǐn)[動(dòng)的對(duì)稱性和手腕的震顫程度等[7-8]。

3.2.2.2 下肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)

下肢運(yùn)動(dòng)功能的評(píng)價(jià)主要分析下肢的運(yùn)動(dòng)異常情況，目前主流技術(shù)就是基于步態(tài)參數(shù)的計(jì)算和分析。本系統(tǒng)針對(duì)帕金森患者下肢的臨床表現(xiàn)，主要分析計(jì)算的運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)包括：步幅、步態(tài)節(jié)律性、步態(tài)對(duì)稱性、跨步角度、步態(tài)相位檢測(cè)、凍結(jié)步態(tài)和步態(tài)周期等[9-10]。

3.2.2.3 軀干及整體運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)

軀干的評(píng)價(jià)主要是指身體在靜止站立、旋轉(zhuǎn)和伸曲時(shí)維持平衡的能力，一般情況下，軀干的評(píng)價(jià)在全身的整體運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)之中。根據(jù)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作，系統(tǒng)評(píng)價(jià)的參數(shù)包括：軀干旋轉(zhuǎn)的角度、擺動(dòng)的面積、擺動(dòng)的軌跡、擺動(dòng)的頻率、擺動(dòng)的范圍程度、動(dòng)作轉(zhuǎn)換的靈敏度、上下肢的協(xié)調(diào)性等[11-12]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的帕金森患者運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，選用了加速度和角速度傳感器采集患者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、采用了基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線通信方式傳輸患者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了5個(gè)實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作來(lái)反映患者的運(yùn)動(dòng)功能。經(jīng)實(shí)際測(cè)量使用，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了患者運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，滿足了系統(tǒng)對(duì)患者上下肢、軀干和整體運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)的要求。另外，該系統(tǒng)體積輕巧，簡(jiǎn)單高效，功能實(shí)用，不受環(huán)境和場(chǎng)地的限制，值得推廣使用。

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Movement Function Assessment System for Parkinson’s Patients Based on Wearable System

ZOU Ya1, WANG Feng1,

GAO Shuai-feng1, QIAO Zi-yan1, MAO Cheng-J ie2,

ZHANG Hui-jun2

1. School of Biological Science and Medical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China; 2. Department of Neurology, The Second Hospital Affiliated to Suzhou University, Suzhou Jiangsu 215004, China

Background With the rising number of Parkinson's patients, prevention and treatment of Parkinson's disease have become the focus of academic study. Objective This paper designs a movement function system based on wearable sensor networks, to assist the rehabilitation and treatment of patients with Parkinson's. Methods The system uses ZigBee technology to build a short-range wireless sensor network, utilizes inertial sensors to collect the acceleration and angular velocity data of patients during exercise, then analyzes and calculates the evaluation parameters, finally, evaluates the movement function. Results Experimental results show that the system has stable performance to meet the requirements of movement function assessment, and the experimental actions are representative.

Parkinson’s disease; movement function; inertial sensor; wearable system; ZigBee

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.01.003

1674-1633(2015)01-0010-05

2014-10-05

本文作者：鄒亞，東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院碩士研究生。通訊作者：汪豐，東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院副教授。

江蘇省臨床醫(yī)學(xué)科技專項(xiàng)(BL2014042)；蘇州市臨床重點(diǎn)病種診療技術(shù)專項(xiàng)(LCZX201304)；蘇州市科技發(fā)展計(jì)劃(SZS201205)。通訊作者郵箱：feng.wang@seu.edu.cn