便攜式設(shè)備光線視覺提示改善帕金森病患者凍結(jié)步態(tài)的數(shù)字化評估

丁 航， 吳 曦， 袁心一， 沈林勇， 胡小吾

1.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072 2.海軍軍醫(yī)大學附屬長海醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 200433

便攜式設(shè)備光線視覺提示改善帕金森病患者凍結(jié)步態(tài)的數(shù)字化評估

丁 航1△， 吳 曦2△， 袁心一1， 沈林勇1， 胡小吾2*

1.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072 2.海軍軍醫(yī)大學附屬長海醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 200433

目的通過可穿戴設(shè)備分析雙腳運動參數(shù)，評估光線視覺提示對帕金森病患者凍結(jié)步態(tài)的影響。方法選擇10例表現(xiàn)凍結(jié)步態(tài)癥狀的帕金森病患者，其中男性5例，女性5例，平均年齡(62.3±7.8)歲，H&Y評分為3級?；颊叽┐鞅銛y式設(shè)備在引導光線開和關(guān)兩種狀態(tài)下直線行走，并記錄步長、步頻、步速、最大凍結(jié)指數(shù)(FImax)和平均FI(FIavr)等步態(tài)特征參數(shù)。結(jié)果引導光線開時，有凍結(jié)步態(tài)的帕金森病患者步長、步頻、步速、FImax和FIavr等特征參數(shù)較引導光線關(guān)時有明顯改善，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.01)。結(jié)論可穿戴設(shè)備可用于評估凍結(jié)步態(tài)，光線視覺提示可顯著改善帕金森病患者的凍結(jié)步態(tài)。

帕金森病; 凍結(jié)步態(tài); 視覺提示; 可穿戴設(shè)備

帕金森病是一種常見于中老年的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，臨床上以靜止性震顫、運動遲緩、肌強直和姿勢步態(tài)障礙為主要特征[1]。其中，凍結(jié)步態(tài)是發(fā)生于帕金森病中晚期的一種典型的步態(tài)障礙癥狀，其主要的臨床表現(xiàn)為患者在行走時出現(xiàn)瞬變性的短暫停滯或起步困難等，患者感覺自己腳像“粘”在地面上無法邁步，同時伴有雙腿的抖動，整個過程持續(xù)幾秒鐘到幾分鐘。由于凍結(jié)步態(tài)是一種突發(fā)性、瞬變性的運動異常，其極易導致患者在行走時突然摔倒，嚴重影響患者身體健康和生活質(zhì)量[2-3]。

凍結(jié)步態(tài)患者雖然在平地上難以行走，但是大部分早期患者能夠正常的上下樓梯。此外，若患者行走時其腳前方出現(xiàn)提示性光標，能夠很好地改善凍結(jié)步態(tài)癥狀[4-5]。視覺提示光線改善帕金森患者凍結(jié)步態(tài)的可能機制在于外部視覺提示對患者的視神經(jīng)有一定的刺激作用，增強了運動前區(qū)信息流，從而激活患者控制肢體運動生物電信號的傳遞神經(jīng)通路[6]。

目前，帕金森病患者凍結(jié)步態(tài)多由醫(yī)師通過量表和問卷評估，具有較大的主觀性。此外，既往報道的凍結(jié)步態(tài)數(shù)字化評估方法往往在特定的試驗條件下，需要復雜的大型設(shè)備來采集運動參數(shù)，導致難以在復雜條件下測量凍結(jié)步態(tài)。因此，本研究采用便攜式可穿戴設(shè)備采集相關(guān)的運動參數(shù)，對比帕金森病患者外部光線提示前后的步態(tài)差異，分析外部光線提示對于患者凍結(jié)步態(tài)的影響，以期為在多種復雜條件下對凍結(jié)步態(tài)進行評估提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料 帕金森病患者由海軍軍醫(yī)大學附屬長海醫(yī)院神經(jīng)外科2016年4月招募，經(jīng)過長海醫(yī)院倫理委員會批準，簽署知情同意書后自愿參加本研究。由獲得統(tǒng)一帕金森病評分量表(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。用凍結(jié)步態(tài)評估表(freezing of gait questionnaire, FOG)進行凍結(jié)步態(tài)評分[7]。入組標準：診斷符合英國腦庫臨床標準的原發(fā)性帕金森??；H&Y分級為3級；FOG量表第3項評分等于4分。排除標準：有明顯的下肢肌張力障礙、平衡不穩(wěn)導致站立及行走困難，肢體僵硬導致抬腿和邁步困難，異動癥導致的步態(tài)障礙。入選10例患者，分別編號1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。其中男性5例，女性5例；年齡為47～73歲，平均(62.3±7.8)歲；患病時間為6～20年，平均(11.6±4.6)年；H&Y評分平均為(3.2±0.7)分。另選擇同期進行健康體檢的6例健康人作為對照組，其中男性3例，女性3例；年齡55～68歲，平均(61.17±1.17)歲。

1.2 裝置及應用 用于為患者提供引導光線提示并采集相關(guān)運動參數(shù)的裝置分為左右腳兩個，被穿戴于患者腳踝附近，同時保證設(shè)備的超聲傳感器垂直于地面(慣性傳感器的Y軸數(shù)據(jù)代表加速度)。當患者一腳落地時，位于另一只腳上的裝置通過一字型激光器在前方照射出一條引導光線，提示并引導患者行走。同時裝置采用九軸加速度計(JY901，深圳君悅智控科技有限公司)采集患者的運動數(shù)據(jù)，采樣頻率32 Hz，利用藍牙4.0模塊傳輸?shù)街悄苁謾C中，APP將數(shù)據(jù)記錄到手機SD卡上用于之后的步態(tài)分析(圖1)。出現(xiàn)凍結(jié)步態(tài)的帕金森病患者和健康人通過在8 m長的走廊行走采集凍結(jié)步態(tài)特征(圖2)。健康對照在約3 Hz處存在較大的峰值，而凍結(jié)步態(tài)患者除了在3 Hz處存在振幅峰值，且5～10 Hz處也存在較大的振幅峰值。健康人行走時的加速度頻率通常為0.5～3 Hz；而有凍結(jié)步態(tài)的帕金森病患者由于癥狀發(fā)生時其單腳和雙腳會出現(xiàn)高頻無規(guī)律的抖動現(xiàn)象，因此出現(xiàn)高頻加速度數(shù)據(jù)。因此，將0.5～3 Hz定義為運動頻率帶[18]，代表正常的行走運動；將3～8 Hz定義為凍結(jié)頻率帶，代表凍結(jié)步態(tài)發(fā)生。

圖1 運動數(shù)據(jù)采集裝置及應用

圖2 有凍結(jié)步態(tài)的PD患者和健康對照加速度時域和頻域?qū)Ρ葓D

1.3 凍結(jié)指數(shù)(FI) 由于凍結(jié)步態(tài)是一種突發(fā)性及瞬時性的運動癥狀，其凍結(jié)持續(xù)時間幾秒鐘到幾分鐘，如果僅使用離散傅里葉變換(DFT)對所采集的加速度信號進行分析，只能反映凍結(jié)步態(tài)的整體情況，而忽略了其時間特性，并且代表凍結(jié)步態(tài)的高頻數(shù)據(jù)也會被0.5～5 Hz運動頻率帶的能量所覆蓋。因此，參考既往文獻[8]采用FI，其基于短時傅里葉變換(STFT)數(shù)據(jù)，反映凍結(jié)步態(tài)嚴重程度，定義為凍結(jié)頻率帶中的能量與運動頻率帶中的能量之比(公式如下)。

X(t,f): 加速度信號x(t)的STFT。

通過選取合適的滑動窗口(實驗中，t=2 s)，利用STFT在時頻域下求取的FI可以反映患者凍結(jié)步態(tài)嚴重程度在整個測試時間段中的變化情況。FI越大說明患者凍結(jié)步態(tài)越嚴重。當患者凍結(jié)步態(tài)發(fā)生時，F(xiàn)I在該時間段上會出現(xiàn)一個峰值?？梢赃x取合適的閾值以判定凍結(jié)步態(tài)的發(fā)生。為了準確反映受試者使用可穿戴設(shè)備進行步態(tài)訓練時凍結(jié)步態(tài)的嚴重程度的整體變化情況，取最大FI值(FImax)和平均FI值(FIavr)作為特征值。

參與者在長為8 m的走廊上行走兩次：第1次在沒有引導光線提示的情況下行走；第2次在有引導光線提示的條件下，跨過前方的引導光線行走。測量并采集這兩種情況下患者的步態(tài)加速度數(shù)據(jù)，進行對比分析。

1.4 數(shù)據(jù)采集示例 以4號患者的加速度數(shù)據(jù)為例。當引導光線關(guān)時，在加速度信號中，0～7 s時的加速度信號呈現(xiàn)規(guī)律性波動，且較為平穩(wěn)；而7～13 s時加速度信號改變，呈現(xiàn)高頻波動，且波動幅值更大(圖3A)，同時反映在FI變化(圖3B)中。以0.5為閾值，7～13 s時的FI都大于0.5，且有較大的峰值出現(xiàn)(圖3B)，說明4號對象在這一時間段出現(xiàn)凍結(jié)步態(tài)。當引導光線開時，在加速度信號中，整個時間段中的加速度信號呈現(xiàn)規(guī)律性波動，且沒有突變信號產(chǎn)生(圖3C)；同時，以0.5為閾值，整個時間段中的FI小于或接近于0.5，波動平穩(wěn)，沒有較大的峰值出現(xiàn)(圖3D)，說明患者行走正常，在引動光線提示下凍結(jié)步態(tài)有所改善。

圖3 4號患者引導光線開關(guān)下的數(shù)據(jù)分析

1.5 統(tǒng)計學處理 采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析。由于受試者人數(shù)較少，且所獲得的凍結(jié)步態(tài)相關(guān)測試參數(shù)為計量資料，故采用配對t檢驗。檢驗水準 (α，雙側(cè))為0.01。

2 結(jié) 果

引導光線關(guān)時，受試者平均步長為10.04 cm，平均步頻為103.3步/min，平均步速為11.20 m/min；而引導光線開時，受試者平均步長為27.33 cm，平均步頻為71.62步/min，平均步速為19.94 m/min。引導光線開時各運動參數(shù)較引導光線關(guān)時改善，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.01，表1、表2)。5號患者由于起步困難(完全邁不開步)，使其光線關(guān)狀態(tài)時的步頻較小。

表1 各受試者引導光線開關(guān)時運動參數(shù)值

FImax：最大凍結(jié)指數(shù)； FIavr：平均凍結(jié)指數(shù)

表2 受試者各運動引導光線開關(guān)時比較

3 討 論

本研究通過一種便攜式可穿戴設(shè)備收集運動參數(shù)，進而分析外部光線提示對帕金森病患者凍結(jié)步態(tài)的影響。結(jié)果顯示，外部引導光線開時，有凍結(jié)步態(tài)的帕金森病患者的步長、步頻、步速、FImax、FIavr均較引導光線關(guān)時改善(P<0.01)。其中，引導光線開時患者的步長與引導光線距離患者腳前方的距離可能有一定相關(guān)性。由于凍結(jié)步態(tài)患者在凍結(jié)發(fā)生時會有明顯的抖動和碎步現(xiàn)象，而在外部光線開時碎步現(xiàn)象明顯減少，因此步頻減小。5號患者由于起步困難(完全邁不開步)，使其光關(guān)狀態(tài)時的步頻較小。FImax和FIavr在光線開時減小說明患者在該狀態(tài)下起步猶豫和行走抖動等癥狀減輕。

研究光線提示對凍結(jié)步態(tài)的影響時，可采用不同的參數(shù)：Egerton等[9]根據(jù)脛骨前肌和內(nèi)側(cè)腓腸肌的肌電數(shù)據(jù)及足底壓力中心的變化分析了激光手杖對凍結(jié)步態(tài)患者的影響；Donovan等[10]采用凍結(jié)步態(tài)問卷及摔跤頻率評估長期光線提示訓練對凍結(jié)步態(tài)的影響；Velik等[11]通過對比使用光線提示設(shè)備前后凍結(jié)步態(tài)發(fā)生的時間長短及次數(shù)來反映光線提示對凍結(jié)步態(tài)的效用。另外，可采用不同的視覺提示設(shè)備來研究光線提示對凍結(jié)步態(tài)的影響：Ferrarin等[12]采用光刺激眼鏡來改善凍結(jié)步態(tài)，并通過前后步態(tài)參數(shù)的變化來驗證其改善效果；Janssen等[13]用智能眼鏡提供虛擬的3D視覺提示。上述研究中所采用的視覺提示設(shè)備只提供光線，從而輔助患者行走。而本研究設(shè)計的可穿戴設(shè)備不僅能提供光線，還能通過傳感器實時采集患者的運動數(shù)據(jù)，且更全面，因而有利于進行步態(tài)評估。本研究結(jié)果與上述研究一致，說明視覺提示的存在比提示的內(nèi)容和形式更加重要。

綜上所述，本研究初步反映了光線提示對帕金森病患者凍結(jié)步態(tài)有一定的改善作用。本試驗的局限性是樣本量較小，且僅測試了患者直線行走時的運動參數(shù)，后期將進一步增加樣本量，并將UPDRS評分中的凍結(jié)評分項與患者FIavr等參數(shù)進行回歸分析，以驗證數(shù)字化評估結(jié)果與臨床醫(yī)師評估結(jié)果之間的相關(guān)性，以提高臨床評估水平。

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Improvement on freezing of gait in Parkinson disease patients by light visual cue:digital evaluation methods with portable motion sensors

DING Hang1△, WU Xi2△, YUAN Xin-yi1, SHEN Lin-yong1, HU Xiao-wu2*

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

Objective： To analyze the effect of light visual cue on freezing of gait (FOG) in Parkinson disease (PD) patients by using wearable device.MethodsTotally 10 PD patients with FOG, including 5 male and 5 female, were enrolled. These patients were (62.3±7.8) years and the Hoehn-Yahr scales were all grade 3. The data of straight walking were recorded and analyzed by wearable device, including step length, step frequency, step velocity, the max freezing index (FImax), and average freezing index (FIavr) with lighting visual cue on or off.ResultsThe step length, step frequency, FImax, and FIavr were significantly improved when the light visual cue was on (P<0.01).ConclusionsLight visual cue can significantly improve FOG in PD patients, which can be evaluated by the wearable device.

Parkinson disease; freezing of gait; visual cue; wearable device

2016-12-19接受日期2017-09-12

國家自然科學基金(51275282)，教育部博士點基金(20123108110009), 國家重點研發(fā)計劃“數(shù)字診療裝備研發(fā)”試點專項課題(2016YFC0105900). Supported by National Nature 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).

丁 航,碩士生.E-mail：dinghang_shu@163.com 吳 曦,博士, 講師、主治醫(yī)師. E-mail：wuxi_smmu@sina.com

△共同第一作者(Co-first authors).

*通信作者(Corresponding author). Tel: 021-31161787, E-mail: huxiaowu_smmu@sina.com

10.12025/j.issn.1008-6358.2017.20161162

R 742.5

A

[本文編輯] 姬靜芳