可穿戴傳感裝置對(duì)帕金森病患者上肢靜止性震顫的量化評(píng)估價(jià)值

武文豪， 吳 曦， 沈林勇， 王家莉， 錢(qián)晉武*

1. 上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072 2. 海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)海醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 200433

可穿戴傳感裝置對(duì)帕金森病患者上肢靜止性震顫的量化評(píng)估價(jià)值

武文豪1， 吳 曦2*， 沈林勇1， 王家莉2， 錢(qián)晉武1*

1. 上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072 2. 海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)海醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 200433

目的評(píng)估采用可穿戴傳感器量化評(píng)估帕金森病(Parkinson disease，PD)患者上肢靜止性震顫的可行性。方法15例PD患者和8例健康受試者雙手穿戴檢測(cè)裝置，完成統(tǒng)一帕金森病評(píng)定量表(UPDRS)中的檢測(cè)靜止性震顫的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作。對(duì)采集到的上肢靜止性震顫的加速度信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，并與UPDRS中的靜止性震顫評(píng)分進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果可穿戴設(shè)備可以良好地測(cè)定上肢靜止性震顫的加速度均值、均方根值、峰值振幅和峰值功率的對(duì)數(shù)值；震顫的加速度均值、均方根值、峰值振幅和峰值功率的對(duì)數(shù)值與UPDRS中靜止性震顫的評(píng)分高度相關(guān)(r分別為0.960、0.961、0.893、0.944)。結(jié)論可穿戴傳感裝置可準(zhǔn)確、客觀、量化地評(píng)估PD患者上肢的靜止性震顫，值得臨床推廣。

可穿戴系統(tǒng)；靜止性震顫；帕金森??；傳感器

帕金森病(Parkinson disease，PD)是一種常見(jiàn)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，主要以中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性或缺失和路易小體形成為病理特征。其發(fā)病率隨著人群的年齡增大而升高，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量[1]。

靜止性震顫通常是PD患者或其家屬發(fā)現(xiàn)的首個(gè)臨床癥狀。特征為患者的手指在靜止?fàn)顟B(tài)下搓丸樣震顫[2]。目前臨床仍主要依賴(lài)主觀評(píng)分量表來(lái)評(píng)估靜止性震顫，如統(tǒng)一帕金森病評(píng)分量表(unified Parkinson disease rating scale, UPDRS)、帕金森病Webster評(píng)分量表等[3]，評(píng)估結(jié)果主觀性強(qiáng)，存在明顯的個(gè)體差異。因此，本研究嘗試采用傳感裝置評(píng)估震顫，并探討其可行性。

1 資料與方法

1.1 受試者選擇 海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)海醫(yī)院神經(jīng)外科2016年4月至9月招募23例受試者，分為PD組和對(duì)照組。對(duì)照組包括8例健康受試者，PD組包括15例PD患者。兩組一般資料差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表1)。所有受試者均神智清楚，能配合完成評(píng)估。PD患者診斷符合英國(guó)腦庫(kù)臨床標(biāo)準(zhǔn)的原發(fā)性帕金森病，進(jìn)行UPDRS雙上肢震顫評(píng)分，確定PD患者的靜止性震顫嚴(yán)重程度。本研究經(jīng)海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)海醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有受試者知情同意并簽署知情同意書(shū)。

表1 受試者基線資料對(duì)比

1.2 數(shù)據(jù)采集 主要通過(guò)NORAXON三維關(guān)節(jié)角度采集系統(tǒng)(Noraxon U.S.A. Inc.,USA)采集數(shù)據(jù)，該儀器可以將獲得的加速度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸保存到電腦中，其采樣頻率為100 Hz。受試者將傳感器通過(guò)手套固定在手背部，通過(guò)無(wú)線傳輸將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中，采用Matlab R2014a(MathWorks, USA)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。受試者需要完成2008版UPDRS-Ⅲ中的第21項(xiàng)手部靜止性震顫項(xiàng)目，即將雙手放在大腿上，保持不動(dòng)持續(xù)15 s。

PD患者不服用抗帕金森病藥物72 h后，第2天早晨完成測(cè)量，以確保可以體現(xiàn)受試者服藥前的癥狀，由同一名醫(yī)師進(jìn)行震顫評(píng)估，得到評(píng)分。健康受試者由于無(wú)震顫癥狀，因此評(píng)分默認(rèn)為0。

1.3 靜止性震顫數(shù)據(jù)處理 針對(duì)PD患者的數(shù)據(jù)處理主要分為兩部分：震顫?rùn)z測(cè)和特征提取。首先判斷受試者是否發(fā)生震顫，當(dāng)震顫發(fā)生時(shí)，再提取震顫特征值，以量化患者癥狀的嚴(yán)重程度。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)域、頻域分析。

1.3.1 震顫?rùn)z測(cè) 對(duì)5 s窗口中的數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，判斷這5 s內(nèi)是否發(fā)生震顫。震顫的頻率多為3～8 Hz[4]，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域的分析。采用離散傅里葉變換(DFT)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)DFT變換后，判斷震顫發(fā)生的條件有2個(gè)，若2個(gè)條件都通過(guò)，說(shuō)明該時(shí)間窗內(nèi)發(fā)生震顫。條件1：由于檢測(cè)靜止性震顫，手部沒(méi)有其他運(yùn)動(dòng)，因此如果受試者有震顫，其頻譜圖中就會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值，只要x、y、z軸中有一軸上存在明顯峰值，則條件1通過(guò)。幅頻圖中的第1大峰值Pm和第2大峰值Pm2，若Pm2小于Pm的60%，則判斷存在明顯峰值。條件2：若Pm所在的頻率在3～8 Hz(3 Hz

1.3.2 特征提取 當(dāng)檢測(cè)到震顫發(fā)生后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，主要提取震顫時(shí)域、頻域、譜域特征。由于得到的數(shù)據(jù)可能受到高頻噪聲干擾，因此采用3～8 Hz的帶通濾波器將震顫信號(hào)分離出來(lái)。有限脈沖響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器是一種在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)性濾波器，其在保證任意幅頻特性的同時(shí)有嚴(yán)格的線性相頻特性。FIR濾波器下截止頻率為3 Hz，上截止頻率為8 Hz，過(guò)渡帶寬為0.2 Hz，通帶波動(dòng)小于0.1 dB。在時(shí)域、頻域、譜域中計(jì)算震顫信號(hào)的特征值，由于每個(gè)PD患者的震顫方向均不同，因此特征的提取均是基于x、y、z三軸的合加速度a(i)見(jiàn)公式1。

其中，N表示該數(shù)據(jù)段的點(diǎn)數(shù)，i表示第幾個(gè)點(diǎn)，a(i)表示在i點(diǎn)的總加速度，ax(i)、ay(i)、az(i)分別表示x、y、z三軸在i點(diǎn)的加速度。

時(shí)域：均方根(RMS)是一種統(tǒng)計(jì)量，其計(jì)算公式如下。

頻域：由于震顫是以一種固定頻率的抖動(dòng)，因此對(duì)x、y、z三軸數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT變換，可以求出震顫主頻率。震顫主頻率是一種顯示PD患者震顫特性的特征值。若三軸的主頻率不同，取三軸中最大峰值的頻率作為主頻率Pf。震顫峰值Pm為三軸在Pf處的合加速度(公式3)。

功率譜：對(duì)于常見(jiàn)的隨機(jī)信號(hào)，不可能用清楚的數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)描述，但可以利用給定的N個(gè)樣本數(shù)據(jù)估計(jì)一個(gè)信號(hào)的功率譜密度，稱(chēng)為功率譜估計(jì)(PSD)。由功率譜密度計(jì)算得出的峰值功率可以較好地反映信號(hào)的能量，與震顫的評(píng)分相關(guān)性較好[4]?？偟姆逯倒β蕿楦鱾€(gè)軸的加速度信號(hào)的峰值功率之和。各個(gè)軸的峰值功率為圍繞主頻率Pf±4 Hz的評(píng)估功率。加速度信號(hào)某一軸的峰值功率見(jiàn)公式4，三軸總的峰值功率見(jiàn)公式5。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)化的震顫嚴(yán)重模型 采用多元線性回歸模型對(duì)靜止性震顫的UPDRS分?jǐn)?shù)進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)選取特征值中相關(guān)系數(shù)較高的特征值作為回歸模型參數(shù)(公式6)。

公式6:Rank=a1×ln(F1)+a2×ln(F2)+b

其中，a1、a2、b分別回歸系數(shù)，Rank為預(yù)測(cè)的震顫評(píng)分，F(xiàn)1和F2分別為時(shí)域和頻譜域相關(guān)系數(shù)最大的兩個(gè)特征值。

2 結(jié) 果

2.1 受試者時(shí)域分析 PD患者震顫UPDRS平均評(píng)分左手為(1.33±1.23)分，右手為(1.20±1.01)分；左手或右手存在明顯波形，頻率快且幅度大，雙手震顫差異明顯(圖1A)。健康受試者雙手UPDRS均為0；左手或右手均未見(jiàn)明顯波形，幅度微小(圖1B)。

圖1 PD患者(A)和健康受試者(B)手部波形圖

2.2 受試者頻域分析 經(jīng)過(guò)DFT變化，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，可見(jiàn)PD患者震顫頻率為3～8 Hz處有明顯峰值，且幅度較大(圖2A)；健康受試者沒(méi)有明顯的峰值，且幅度較小，較為平緩(圖2B)。所有受試者加速器采集的運(yùn)動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表2。相關(guān)性分析顯示，加速度均值(MEAN)、均方根值(RMS)、峰值振幅(Pm)和峰值功率(PPeak)與上肢震顫UPDRS-Ⅲ評(píng)分相關(guān)性較好(r分別為0.850、0.850、0.864、0.763)；4種特征值的對(duì)數(shù)值與UPDRS-Ⅲ評(píng)分的相關(guān)性更好(r分別為0.960、0.961、0.893、0.944)。

圖2 PD患者(A)和健康受試者(B)手部震顫頻域圖

3 討 論

PD患者的運(yùn)動(dòng)癥狀評(píng)估長(zhǎng)久以來(lái)缺乏公認(rèn)的客觀量化指標(biāo)，評(píng)估者對(duì)癥狀的評(píng)估費(fèi)時(shí)且有主觀差異，這不利于藥物效果評(píng)估及手術(shù)效果評(píng)估。因此，越來(lái)越多的研究者探索并采用客觀測(cè)量方法來(lái)評(píng)估帕金森病癥狀。由于PD運(yùn)動(dòng)癥狀非常復(fù)雜，因此目前將運(yùn)動(dòng)癥狀分解進(jìn)行量化評(píng)估。其中，對(duì)于震顫的客觀量化評(píng)估方法包括表面肌電信號(hào)(surface electromyogram, sEMG)[5-8]、慣性傳感器[9-10]、手畫(huà)線檢測(cè)[11-12]和光學(xué)傳感器檢測(cè)等[13]。sEMG采集過(guò)程較為復(fù)雜，不利于快速檢測(cè)。光學(xué)傳感器檢測(cè)對(duì)周?chē)h(huán)境的要求較高。以上兩種方法設(shè)備都比較復(fù)雜，不適合長(zhǎng)時(shí)間記錄數(shù)據(jù)。慣性傳感器是檢測(cè)和測(cè)量加速度、傾斜、沖擊、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和多自由度運(yùn)動(dòng)的傳感器，分為角速率陀螺和加速度傳感器，其體積更小、精度更高，使用更方便，為長(zhǎng)時(shí)間的震顫?rùn)z測(cè)提供了新方法。Latt等[14]采用智能手機(jī)中的加速度軟件和陀螺儀檢測(cè)震顫，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算，但手機(jī)的傳感器精度不高，一些微弱的震顫信號(hào)無(wú)法檢測(cè)。本研究采用的設(shè)備精度較高，并且是對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行了分析，可以更好地反映震顫強(qiáng)度。

表2 加速器采集的運(yùn)動(dòng)參數(shù)特征值

MEAN: 加速度均值; RMS: 均方根值; Pf: 峰值頻率; Pm: 峰值振幅; PPeak: 峰值功率;Rank: 標(biāo)準(zhǔn)化的震顫嚴(yán)重模型所得評(píng)分

本研究中，健康受試者的加速度數(shù)據(jù)數(shù)值小且波動(dòng)小，而PD患者在3～8 Hz存在明顯波形，說(shuō)明本研究采用的方法可以檢測(cè)出靜止性震顫信號(hào)，且可以分辨出PD患者和健康者。而3～8 Hz為PD手部震顫的特征性頻率，如果患者的震顫頻率不在此范圍，則需考慮其他類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)障礙疾病，有一定的鑒別診斷價(jià)值。本研究將震顫量化數(shù)據(jù)與UPDRS-Ⅲ評(píng)分進(jìn)行相關(guān)分析，顯示相關(guān)系數(shù)達(dá)0.965，提示通過(guò)本研究方法可對(duì)上肢震顫作出客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

綜上所述，本研究中設(shè)計(jì)的可穿戴震顫數(shù)據(jù)采集裝置可以準(zhǔn)確、客觀、數(shù)字化評(píng)估PD患者上肢的靜止性震顫。本研究的不足之處在于未對(duì)其他震顫類(lèi)型評(píng)估進(jìn)行研究。后續(xù)將基于本研究，對(duì)姿勢(shì)性震顫和運(yùn)動(dòng)性震顫進(jìn)行評(píng)估，并且進(jìn)一步采用支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等更加智能的方式對(duì)其進(jìn)行量化評(píng)分。

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Quantitative assessment value of wearable sensor for rest tremor in Parkinson disease

WU Wen-hao1, WU Xi2*, SHEN Lin-yong1, WANG Jia-li2, QIAN Jin-wu1*

1. School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China 2. Department of Neurosurgery, Changhai Hospital, Navy Military Medical University, Shanghai 200433, China

Objective： To analyze the feasibility of wearable sensor for assessing the severity of tremor in patients with Parkinson disease (PD).MethodsTotally 15 PD subjects and 8 healthy subjects completed the standard action for detecting resting tremor in unified PD rating scale (UPDRS) with the detecting equipment on their hands. The time domain and frequency domain of acceleration signal collected during rest tremor were analyzed, and their correlations with rest tremor score in UPDRS were explored.ResultsThe logarithm of mean acceleration, root-mean-square roughness, peak amplitude and peak power were well assessed, which were all significantly correlated with rest tremor score in UPDRS (r=0.960，0.961，0.893，0.944).ConclusionsThe wearable tremor data acquisition device is accurate, objective and digital in evaluation of resting tremor in PD patients.

wearable system; resting tremor; Parkinson disease; sensor

2016-12-19接受日期2017-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(51275282)，教育部博士點(diǎn)基金(20123108110009)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“數(shù)字診療裝備研發(fā)”試點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)課題(2016YFC0105900).Supported by National Natural Science Foundation of China(51275282), Doctoral Program of the Ministry of Education of China (20123108110009), and “Digital Equipment of Diagnosis and Treatment” Special Program of National Key Research and Development Plan (2016YFC0105900).

武文豪，碩士. E-mail：wuwenhao1991@qq.com

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

10.12025/j.issn.1008-6358.2017.20161165

R 742.5

A

[本文編輯] 姬靜芳