可穿戴設(shè)備數(shù)字化評(píng)估多巴絲肼對(duì)不同站姿條件下帕金森病患者平衡穩(wěn)定性的影響

李常青, 吳 曦, 沈林勇, 胡小吾, 錢晉武*

1.上海大學(xué)智能機(jī)械與系統(tǒng)研究室,上海 200072 2.海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院神經(jīng)外科,上海 200433

可穿戴設(shè)備數(shù)字化評(píng)估多巴絲肼對(duì)不同站姿條件下帕金森病患者平衡穩(wěn)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(xué)智能機(jī)械與系統(tǒng)研究室,上海 200072 2.海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院神經(jīng)外科,上海 200433

目的采用可穿戴設(shè)備評(píng)估多巴絲肼對(duì)帕金森病(PD)患者服藥前后平衡穩(wěn)定性的影響。方法選取Hoehn & Yahr(H&Y)3級(jí)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(tài)及藥物關(guān)期狀態(tài)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(shí)的平衡能力。比較兩組受試者在不同姿態(tài)下的前后/左右擺動(dòng)位移(重心擺動(dòng)參數(shù))。結(jié)果12例H&Y 3級(jí)PD患者及12例健康受試者入組，兩組年齡、性別、蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表(MoCA)評(píng)分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。健康對(duì)照組閉眼自然站立時(shí)搖擺位移較睜眼自然站立時(shí)減小(P<0.05)。PD患者藥物開期和藥物關(guān)期的搖擺位移差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。睜眼自然站立狀態(tài)下，PD組患者藥物關(guān)期前后搖擺位移小于健康對(duì)照組(P<0.05)；閉眼自然站立狀態(tài)下，PD組患者藥物開期左右搖擺位移大于健康對(duì)照組(P<0.05)。結(jié)論數(shù)字化可穿戴設(shè)備可有效評(píng)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(diào)節(jié)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(shè)備; 多巴絲肼

帕金森病(Parkinson disease, PD)是常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，臨床主要表現(xiàn)為靜止性震顫、肌強(qiáng)直、動(dòng)作遲緩及姿勢平衡障礙等。姿勢穩(wěn)定性是在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下保持平衡的能力，如靜態(tài)站立[1-2]、對(duì)抗姿勢的擾動(dòng)[3]或運(yùn)動(dòng)之前的姿勢準(zhǔn)備[4]。

量化姿勢穩(wěn)定性的方法是測量穩(wěn)定性極限[3]。穩(wěn)定性極限定義為在未摔倒和邁步的情況下，身體對(duì)抗外界干擾時(shí)重心的最大偏移量。目前臨床上常由醫(yī)師通過量表評(píng)估平衡穩(wěn)定性，有個(gè)體差異性和主觀性，而尚缺乏客觀性、標(biāo)準(zhǔn)化、高精度的測量方法。重心平衡檢測儀、動(dòng)態(tài)姿態(tài)平衡檢測儀等量化性儀器為醫(yī)師評(píng)估姿勢穩(wěn)定性提供了便利。為了提高臨床測試的應(yīng)變性，增加操作的靈活性，可穿戴式傳感器逐漸應(yīng)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(duì)患者平衡能力的改善效果仍有爭議，其他多巴胺能藥物對(duì)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(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，對(duì)比分析PD患者服藥前后的靜態(tài)姿態(tài)平衡穩(wěn)定性差異，以期量化評(píng)估左旋多巴制劑對(duì)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(píng)估 PD患者由海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院神經(jīng)外科招募。本研究經(jīng)過長海醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，受試者簽署知情同意書后自愿參加。由獲得統(tǒng)一PD評(píng)分量表(the unified Parkinson disease rating scale, UPDRS)評(píng)估證書的評(píng)分者對(duì)所有患者進(jìn)行H&Y(The Hoehn and Yahr Scale)分級(jí)量表評(píng)分和UPDRS評(píng)分。入組標(biāo)準(zhǔn)：診斷符合英國腦庫臨床標(biāo)準(zhǔn)的原發(fā)性PD[7]；H&Y分級(jí)3級(jí)。排除標(biāo)準(zhǔn)：不是由PD引起的姿態(tài)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(fā)性帕金森綜合征；存在其他原因引起的平衡和步態(tài)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(nèi)腫瘤、多發(fā)腦梗死等影響患者平衡感知與平衡調(diào)節(jié)能力的因素。

同時(shí)選取年齡相匹配的健康受試者作為對(duì)照組。對(duì)照組均無任何身體平衡性和步態(tài)障礙、神經(jīng)系統(tǒng)疾病。PD患者和健康受試者均接受蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表( Montreal cognitive assessment, MoCA)評(píng)估，排除認(rèn)知異常引起的試驗(yàn)偏倚。

1.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)提取方法與評(píng)估 試驗(yàn)當(dāng)天測量得到受試者的基本數(shù)據(jù)：姓名、性別、年齡、身高、小腿長(踝關(guān)節(jié)到膝關(guān)節(jié)的距離)、大腿長(膝關(guān)節(jié)到髖關(guān)節(jié)的距離)。人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)采用Noraxon三維關(guān)節(jié)角度采集系統(tǒng)(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(gè)傳感器通過彈性綁帶固定在5個(gè)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(cè))、兩小腿(中間外側(cè))。傳感器采集的數(shù)據(jù)包括每個(gè)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(hào)。對(duì)站立時(shí)人體下肢進(jìn)行簡化，并建立剛體模型(圖1)，由COM處傳感器所產(chǎn)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(shí)際高度。但是，人體站立時(shí)，是通過踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的不斷調(diào)整來保持身體的平衡。因此，HCOM是一個(gè)不斷調(diào)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(duì)HCOM的值進(jìn)行補(bǔ)償(圖2，公式1)。

圖1 簡化人體下肢剛體模型

圖2 補(bǔ)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(huán)視、不移動(dòng)四肢等，雙手要求自然下垂放在身體兩側(cè)，腿、軀干和頭盡量保持豎直。在3個(gè)站立試驗(yàn)中，通過Noraxon角度采集系統(tǒng)采集患者的身體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。當(dāng)指導(dǎo)醫(yī)師發(fā)出相關(guān)指令后，患者執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，在此期間如有不符合要求的動(dòng)作，需要重新開始指定動(dòng)作。

1.4 分 組 將受試者分為3組：健康對(duì)照組、藥物開期狀態(tài)PD患者組(藥物開期PD組)、藥物關(guān)期狀態(tài)PD患者組(藥物關(guān)期PD組)。藥物用量和周期與平時(shí)醫(yī)囑相同。藥物關(guān)期為停藥12 h后，無藥物作用時(shí)期；藥物開期為服藥后0.5～2 h患者狀態(tài)達(dá)最佳的時(shí)期。

2 結(jié) 果

2.1 PD患者組與健康對(duì)照組基本數(shù)據(jù)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(píng)分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表1)。

2.2 PD患者藥物開關(guān)期運(yùn)動(dòng)功能比較 PD患者服藥后UPDRS-Ⅲ總評(píng)分、下肢評(píng)分(左右腿靈活性、起立、姿勢、步態(tài)、姿勢穩(wěn)定性、身體運(yùn)動(dòng)遲緩和減少)、項(xiàng)30評(píng)分(姿勢穩(wěn)定性)均較服藥前減小(P<0.01)，說明多巴絲肼對(duì)PD患者的運(yùn)動(dòng)功能改善明顯(表2)。

表1 PD組與健康對(duì)照組基本數(shù)據(jù) n=12

表2 PD患者藥物開關(guān)期UPDRS-Ⅲ評(píng)分 n=12

采用1998年版UPDRS評(píng)分. 下肢評(píng)分：第16～31項(xiàng)總分，包括左右腿靈活性、起立、姿勢、步態(tài)、姿勢的穩(wěn)定性、身體運(yùn)動(dòng)遲緩和減少；項(xiàng)30評(píng)分：第30項(xiàng)評(píng)分，即姿勢平衡評(píng)分

2.3 藥物開關(guān)期PD患者組與健康對(duì)照組平衡性參數(shù)分析 藥物關(guān)期PD組睜眼自然站立狀態(tài)下前后搖擺位移較健康對(duì)照組減小，藥物開期PD組閉眼狀態(tài)下左右搖擺位移較健康對(duì)照組減小，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,表3)。睜眼并腳站立狀態(tài)下，搖擺位移組內(nèi)及與其他組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表3 PD組與健康對(duì)照組不同狀態(tài)下的搖擺數(shù)據(jù) n=12, l/cm

*P<0.05與同組睜眼狀態(tài)時(shí)相比；△P<0.05與同狀態(tài)健康對(duì)照組相比

3 討 論

本研究建立的評(píng)估方法針對(duì)靜態(tài)平衡穩(wěn)定性，采用人體下肢剛體模型，并通過膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)對(duì)人體搖擺重心進(jìn)行補(bǔ)償，提高測量精度。而以往大部分實(shí)驗(yàn)中，研究者認(rèn)為膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)角度變化較小，對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了簡化，只采用簡化人體下肢剛體模型對(duì)受試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。重心平衡檢測儀、動(dòng)態(tài)姿態(tài)平衡檢測儀則通過人體晃動(dòng)導(dǎo)致腳底壓力的變化，從而計(jì)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(dòng)程度。因此，本研究數(shù)據(jù)的精度相對(duì)較高。既往研究[10]認(rèn)為，人體搖擺的位移可以反映人體的平衡能力。但本研究發(fā)現(xiàn)，健康人在睜眼和閉眼這兩個(gè)狀態(tài)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(diào)節(jié)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(gè)體實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身平衡(圖3)。而本研究忽略了人體平衡感知能力對(duì)平衡調(diào)節(jié)能力的影響。因此使用這種方法評(píng)估人體平衡能力的時(shí)候，要保證測量環(huán)境和條件相同。

圖3 平衡調(diào)節(jié)能力、平衡感知能力與站立時(shí)身體搖擺的關(guān)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(dá)成共識(shí)。Mancini等[11-12]通過足底壓力中心的搖擺圖發(fā)現(xiàn)，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(shè)備進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，左旋多巴藥物對(duì)部分PD患者的姿態(tài)平衡和步態(tài)有改善作用，也有部分患者反而惡化。因此，該課題組認(rèn)為左旋多巴對(duì)PD患者的平衡和步態(tài)是把雙刃劍[13]。該課題組進(jìn)一步闡述了步態(tài)和平衡由不同的神經(jīng)通路控制，左旋多巴對(duì)這些神經(jīng)通路的作用不同[14]。而另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)采用可穿戴慣性測量單元測量原發(fā)性PD患者的平衡能力，發(fā)現(xiàn)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(duì)患者的平衡能力并沒有顯著效果[15]。

本研究發(fā)現(xiàn)，睜眼狀態(tài)下PD患者服用多巴絲肼前的Dx明顯小于健康對(duì)照組(P<0.05)；但是，在睜眼或閉眼狀態(tài)下，PD患者服藥前后的Dx和Dy差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，未能說明多巴絲肼改善患者的平衡調(diào)節(jié)能力。而UPDRS-Ⅲ評(píng)分中的第30項(xiàng)“后拉試驗(yàn)”顯示，患者的平衡調(diào)節(jié)能力顯著提高(P<0.001)。我們認(rèn)為，多巴絲肼對(duì)于平衡調(diào)節(jié)能力和平衡感知能力可能有不同的作用，而后拉試驗(yàn)中人體對(duì)抗的橫向外力較大，加之評(píng)分具有主觀性，因此容易產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。今后應(yīng)在保證受試者安全的基礎(chǔ)上，增加水平方向上的外力，以更好地區(qū)分平衡調(diào)節(jié)能力的細(xì)微差別。

本研究中，閉眼狀態(tài)下的PD患者無論在藥物開期還是藥物關(guān)期，Dx和Dy均未較睜眼狀態(tài)下減??；而在閉眼狀態(tài)下，藥物開期狀態(tài)時(shí)的Dy明顯小于健康對(duì)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(yùn)用系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)，檢測PD患者平衡控制中的對(duì)稱性關(guān)系，結(jié)果表明PD患者在沒有意識(shí)到自身不對(duì)稱性情況下，在承重方面表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱，說明患者的本體感覺已經(jīng)出現(xiàn)了問題。我們推測，健康人在睜眼時(shí)通過視覺協(xié)助平衡，本體感覺平衡被抑制，而閉眼時(shí)本體感覺平衡能力恢復(fù)正常，因此搖擺幅度減小。本研究中，藥物關(guān)期，PD組閉眼狀態(tài)下?lián)u擺位移與健康對(duì)照組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明PD患者的本體感覺能力未受損，而睜眼狀態(tài)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(tài)下左右搖晃位移增加，說明藥物增強(qiáng)了PD患者的本體感覺能力，而在睜眼時(shí)位移與對(duì)照組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明患者視覺平衡感知能力恢復(fù)。結(jié)論尚需要剔除平衡調(diào)節(jié)能力因素后驗(yàn)證。

綜上所述，雖然UPDRS-Ⅲ評(píng)分顯示，多巴絲肼可以改善PD患者的平衡調(diào)節(jié)能力，但是平衡能力測試未能證實(shí)這一結(jié)果。H&Y 3級(jí)PD患者可能存在視覺與體感平衡感覺信號(hào)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(xué)基金(51275282), 教育部博士點(diǎn)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