可穿戴設(shè)備在運(yùn)動(dòng)障礙疾病定量評(píng)估中的研究進(jìn)展

蔣頂 龔大偉 章文斌

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是一種常見(jiàn)的退行性神經(jīng)系統(tǒng)疾病,目前全球約有500萬(wàn)名PD病人,患病率在發(fā)達(dá)國(guó)家約占總?cè)丝诘?.3%,在超過(guò)60歲的人中大約占1%[1]。PD病程長(zhǎng),需要長(zhǎng)期管理與康復(fù)的病人人數(shù)眾多,長(zhǎng)期以來(lái),臨床上主要依靠醫(yī)生檢查、統(tǒng)一帕金森病評(píng)定量表(UPDRS)以及Hoen-Yahr分期等量表進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估。但是這些方法敏感性較低,不能發(fā)現(xiàn)輕微的運(yùn)動(dòng)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(cè)者主觀差異造成的影響,不利于醫(yī)生對(duì)病人病情的縱向觀察和對(duì)疾病進(jìn)展的評(píng)價(jià),這樣既不客觀也不準(zhǔn)確[2]。

可穿戴設(shè)備即為可以穿戴在人身體上或安置在衣服內(nèi)的輔助電子設(shè)備,可以輔助監(jiān)測(cè)某個(gè)時(shí)間點(diǎn)或一段時(shí)間內(nèi)病人的各種狀態(tài)與活動(dòng),并借助軟件算法反映狀態(tài)與活動(dòng)的差別,可為臨床決策提供指導(dǎo)和參考?？纱┐髟O(shè)備由傳感器、信號(hào)處理器和顯示器組成,收集到的數(shù)據(jù)不僅客觀,而且能克服量表有限分級(jí)的“天花板效應(yīng)”,敏感性與可靠性更高。近年來(lái),可穿戴設(shè)備在PD及相關(guān)運(yùn)動(dòng)障礙疾病的預(yù)測(cè)、輔助診斷、評(píng)估等方面的應(yīng)用越來(lái)越多,隨著智能手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的發(fā)展,可穿戴技術(shù)及設(shè)備成為研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。在已問(wèn)世的可穿戴設(shè)備中,大約有67%采用加速度計(jì),21%采用加速度計(jì)和陀螺儀的組合。

1 加速度計(jì)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)幅度

相對(duì)簡(jiǎn)單的可穿戴設(shè)備是單軸加速度計(jì)組成的模塊組,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)該設(shè)備傳感器收集的數(shù)據(jù)中,反映速度的角速度均方根的對(duì)數(shù)值與UPDRS評(píng)分相關(guān)性較好,反映運(yùn)動(dòng)幅度的偏移角均方根與評(píng)分密切相關(guān),變異系數(shù)與運(yùn)動(dòng)節(jié)律評(píng)分密切相關(guān),因此認(rèn)為運(yùn)動(dòng)傳感器可以客觀地反映速度、幅度、節(jié)律,與臨床表現(xiàn)相符合,并可以反映藥物開(kāi)期與關(guān)期的不同狀態(tài)。通過(guò)對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析,臨床醫(yī)生可以比較明確地區(qū)分藥物的開(kāi)、關(guān)期,從而指導(dǎo)藥物的調(diào)整甚至腦深部刺激(deep brain stimulation, DBS)手術(shù)后參數(shù)的調(diào)整[3]。Ryu等[4]使用綁在兩個(gè)小臂上的三軸加速度傳感器來(lái)測(cè)量記錄病人日常生活中的運(yùn)動(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)有跌倒者與無(wú)跌倒者相比,步距較小且行走形式變化較少,因此認(rèn)為基于加速度計(jì)的傳感器在預(yù)測(cè)跌倒和評(píng)估跌倒的危險(xiǎn)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(cè)量裝置固定在中指上檢測(cè)病人的運(yùn)動(dòng)遲緩癥狀,發(fā)現(xiàn)該裝置可以較好反映震顫幅度和運(yùn)動(dòng)角度。Stepwatch 3(SAM)是一款尋呼機(jī)大小、固定在腳踝上使用的腳步運(yùn)動(dòng)監(jiān)控器,可以用來(lái)計(jì)算步數(shù)、活動(dòng)時(shí)間、活動(dòng)次數(shù)、每分鐘活動(dòng)的可變性和每分鐘波動(dòng)的隨機(jī)性及每日平均數(shù)值[7]。利用SAM監(jiān)測(cè)PD病人步行和捕捉動(dòng)態(tài)活動(dòng)下降,具有較好的有效性、可靠性和靈敏度,將步行活動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)年齡和功能區(qū)分,可以用來(lái)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)活動(dòng)的差別[8]。

2 加速度計(jì)與陀螺儀組合監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)幅度與旋轉(zhuǎn)

Physilog是一款可以通過(guò)慣性傳感器獲取肢體運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性參數(shù),利用陀螺儀獲取有關(guān)步態(tài)、肢體擺動(dòng)、軀干運(yùn)動(dòng)、震顫及動(dòng)作遲緩的時(shí)空參數(shù)設(shè)備,具有體積小、使用方便、無(wú)需校準(zhǔn)等特點(diǎn),震顫?rùn)z測(cè)算法與視頻對(duì)比敏感性高達(dá)99.5%，特異性達(dá)94.2%。研究發(fā)現(xiàn),使用Physilog設(shè)備行走時(shí),上、下肢的對(duì)稱性參數(shù)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(shè)備也可以用來(lái)對(duì)PD病人肢體震顫及運(yùn)動(dòng)遲緩進(jìn)行量化,其中震顫幅度與UPDRS震顫分項(xiàng)評(píng)級(jí)有很高的相關(guān)性[9]。Salarian等[10]利用Physilog設(shè)備發(fā)現(xiàn),通過(guò)測(cè)量重復(fù)站立-坐下動(dòng)作參數(shù),可以客觀反映軀干運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),在區(qū)分PD組與正常對(duì)照組方面有較高的敏感性和特異性,并可以鑒別DBS開(kāi)、關(guān)機(jī)狀態(tài),對(duì)運(yùn)動(dòng)功能分級(jí)可能有一定幫助。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),早期PD組與正常對(duì)照組在擺臂角速度、轉(zhuǎn)身時(shí)間及轉(zhuǎn)身坐下時(shí)間存在顯著差異,而且步行節(jié)律也有顯著差異,認(rèn)為步長(zhǎng)與UPDRS有比較高的相關(guān)性(r=0.90),步態(tài)周期和相關(guān)步態(tài)事件有很高的敏感性(96%)和陽(yáng)性預(yù)測(cè)值(98%),在鑒別早期PD方面有很高的可靠性,并可獲取有關(guān)DBS治療的步態(tài)參數(shù),指導(dǎo)治療[11]。

McRoberts DynaPort設(shè)備是由一個(gè)三軸加速度計(jì)和三軸角速度計(jì)組成的六軸傳感器,利用藍(lán)牙技術(shù)與主機(jī)連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、分析。該設(shè)備體積小,穿戴方便,可以測(cè)量步行次數(shù)的總數(shù),步行的時(shí)間百分比,具有良好檢出率和識(shí)別出特異性的踏錯(cuò)事件。研究發(fā)現(xiàn)踏錯(cuò)檢測(cè)與跌倒?fàn)顟B(tài)相關(guān),在日常生活環(huán)境中,PD 跌倒者和非跌倒者的步態(tài)質(zhì)量不同,跌倒者比非跌倒者有多達(dá)23%的踏錯(cuò)次數(shù),借此發(fā)現(xiàn)PD病人在日常行走過(guò)程中的踏錯(cuò),可用于臨床監(jiān)測(cè)和促進(jìn)身體活動(dòng),也可以用來(lái)評(píng)估病人在家或在社區(qū)活動(dòng)時(shí)的跌倒風(fēng)險(xiǎn),從而提供有針對(duì)性的預(yù)防措施[12]。

汪豐等[13]設(shè)計(jì)了一套基于三軸加速度和三軸角速度傳感器的運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)系統(tǒng),將傳感器采集節(jié)點(diǎn)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(guò)程中的加速度和角速度數(shù)據(jù)。在對(duì)比分析了PD病人和健康老人2組人群的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)后,發(fā)現(xiàn)在行走過(guò)程中,人體手臂擺動(dòng)的幅度、對(duì)稱性和軀干轉(zhuǎn)彎所用的時(shí)間等參數(shù)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)功能的評(píng)價(jià)具有重要作用。PD病人的參數(shù)波動(dòng)明顯大于健康老人,說(shuō)明PD病人動(dòng)作的連續(xù)性和穩(wěn)定性較差,這也是導(dǎo)致病人容易跌倒的重要原因。

李亮等[14]開(kāi)發(fā)的可穿戴設(shè)備內(nèi)部包含三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸磁力計(jì),腕表大小,利用wifi無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大范圍、多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。由專門(mén)開(kāi)發(fā)的定量評(píng)估算法實(shí)時(shí)分析病人的震顫和運(yùn)動(dòng)遲緩等癥狀的嚴(yán)重程度,同時(shí)獲取受試者上肢、下肢和腰部的運(yùn)動(dòng)信息,不僅能監(jiān)測(cè)震顫等局部運(yùn)動(dòng)癥狀, 還能監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)遲緩等整體性運(yùn)動(dòng)癥狀,具有多信息、微負(fù)荷、長(zhǎng)時(shí)程、大活動(dòng)范圍監(jiān)測(cè)能力,精確感知病人手部和腳部的運(yùn)動(dòng)。

APDM設(shè)備是由APDM公司開(kāi)發(fā)的一款可穿戴設(shè)備,手表大小,擁有六個(gè)傳感器(加速度計(jì)、角速度計(jì)和磁力計(jì)),可連續(xù)使用16 h,實(shí)現(xiàn)了多個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度數(shù)據(jù)采集,收集人體運(yùn)動(dòng)的多部位加速度數(shù)據(jù)?；陔娔X的家庭環(huán)境的監(jiān)測(cè)設(shè)備可以用于監(jiān)測(cè)早期未進(jìn)行藥物治療PD病人的震顫,在分析了大量數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)震顫是預(yù)測(cè)UPDRS變化的重要預(yù)測(cè)因素[15]。

Lin等[16]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了可穿戴背心用于姿勢(shì)和活動(dòng)能力的檢測(cè),以5個(gè)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?jī)蓚?cè),背心下擺為彈性,以使兩側(cè)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(dǎo)電織物相連接,共同組成姿勢(shì)監(jiān)控背心,可用于心臟參數(shù)的監(jiān)控。

3 基于大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的可穿戴智能手表監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)功能

近年來(lái),隨著可穿戴設(shè)備的微型化、一體化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢(shì),智能手表成為可穿戴設(shè)備的新寵。智能手表作為健康管理的平臺(tái),可以持續(xù)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)且對(duì)日常生活沒(méi)有任何影響,由于緊貼體表,可以采集更多的生理數(shù)據(jù),可用于PD病人的運(yùn)動(dòng)功能監(jiān)測(cè),甚至用于輔助病人的聲音和語(yǔ)言能力的評(píng)估?！爸悄苁謾C(jī)-PD”全球觀察研究項(xiàng)目招募了457例PD病人和健康對(duì)照受試者,采集6個(gè)月他們使用下載到自己的Android智能手機(jī)上軟件的原始數(shù)據(jù),通過(guò)智能手機(jī)機(jī)器學(xué)習(xí)算法,反映病人對(duì)等效左旋多巴藥物劑量的不同反應(yīng)并指導(dǎo)治療[17]。在美國(guó)進(jìn)行的基于iPhone手機(jī)的mPower研究也有同樣的結(jié)果,提示藥物劑量和服藥時(shí)間這些在PD病人中難以把握的問(wèn)題,可以通過(guò)實(shí)時(shí)、客觀并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)分析的方法得到大幅度的改善[18]。

Personal KinetiGraph(PKG)設(shè)備可以記錄PD病人的主要癥狀,對(duì)病人的要求只是配帶一只腕表,一般連續(xù)7 d,可以監(jiān)測(cè)震顫、運(yùn)動(dòng)遲緩、運(yùn)動(dòng)障礙、睡眠中與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的活動(dòng)。PKG設(shè)備可以提供運(yùn)動(dòng)遲緩評(píng)分、運(yùn)動(dòng)障礙評(píng)分、運(yùn)動(dòng)波動(dòng)評(píng)分、震顫時(shí)間百分比、運(yùn)動(dòng)不能時(shí)間百分比，并具備病人服藥提醒功能,以直觀和相對(duì)正常數(shù)據(jù)的格式呈現(xiàn)PD的狀態(tài),自動(dòng)生成服藥時(shí)間和次數(shù)的報(bào)告,已獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局和歐盟食品藥品監(jiān)督管理局的認(rèn)證。PKG所提供的病人的綜合病史信息使得病人和臨床醫(yī)師綜合考慮一周時(shí)間內(nèi)病情的重要臨床關(guān)注點(diǎn)和標(biāo)記,甚至能發(fā)現(xiàn)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(fā)生的不良反應(yīng),不間斷的客觀監(jiān)測(cè)能夠使病人的癥狀全程得到更好的控制,并可以長(zhǎng)期追蹤疾病的進(jìn)展。PKG同樣可以應(yīng)用于DBS術(shù)前評(píng)估和術(shù)后的跟蹤隨訪。DBS術(shù)前2～3周,病人開(kāi)始佩戴PKG腕表,開(kāi)機(jī)后6個(gè)月繼續(xù)佩戴,在此期間可對(duì)程控參數(shù)和藥物進(jìn)行方案優(yōu)化,及時(shí)的 PKG 數(shù)據(jù)能夠指導(dǎo)臨床人員精準(zhǔn)而有效地調(diào)整/優(yōu)化IPG的參數(shù)輸出和聯(lián)合口服藥物的滴定。PKG腕表放置到充電樁之后,運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)會(huì)被自動(dòng)上傳到安全的云端服務(wù)器,PKG云處理器可通過(guò)算法實(shí)時(shí)生成報(bào)告,臨床人員可通過(guò)專用的醫(yī)用終端查收和瀏覽報(bào)告[19-20]。

4 可穿戴設(shè)備輔助運(yùn)動(dòng)功能

凍結(jié)步態(tài)是PD經(jīng)常出現(xiàn)的突然性行走邁步障礙,Mazilu等[21]設(shè)計(jì)了一款幫助PD病人克服凍結(jié)步態(tài)的可穿戴裝置“Gait-Assist”,通過(guò)置于腳踝上的加速度傳感器自動(dòng)檢測(cè)病人是否存在凍結(jié)步態(tài)。如果發(fā)生了凍結(jié)步態(tài),裝置通過(guò)藍(lán)牙將狀態(tài)信息發(fā)送給智能手機(jī),手機(jī)接收到狀態(tài)信息后通過(guò)耳機(jī)播放有節(jié)奏的聲音提示帕金森病人邁出步伐,克服凍結(jié)步態(tài)情況。Ferrarin等[22]設(shè)計(jì)了一套可穿戴眼鏡,眼鏡左右兩側(cè)各安裝一個(gè)7×10的LED陣列,通過(guò)安裝在腳踝上的加速度傳感器自動(dòng)檢測(cè)凍結(jié)步態(tài),將檢測(cè)結(jié)果無(wú)線發(fā)送給眼鏡,眼鏡控制相應(yīng)邁步的腳一側(cè)的LED發(fā)光,指示病人邁步。有學(xué)者基于凍結(jié)步態(tài)的閾值模型,采用慣性感測(cè)器識(shí)別并定量分析凍結(jié)步態(tài)前期病人的步態(tài)特征,發(fā)現(xiàn)了凍結(jié)步態(tài)前期的一些特征如步態(tài)退化、左右交叉相關(guān)步態(tài)的明顯降低,并據(jù)此開(kāi)發(fā)了識(shí)別凍結(jié)前期的分級(jí)算法,用于預(yù)測(cè)和預(yù)防凍結(jié)步態(tài)[23]。進(jìn)展期PD病人往往出現(xiàn)跌倒,而可穿戴設(shè)備同樣可用于跌倒的監(jiān)測(cè)甚至預(yù)防,監(jiān)測(cè)跌倒的探測(cè)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(xiàn),跌倒檢測(cè)的軟件算法也將很快有廣泛的應(yīng)用[24]。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于PD運(yùn)動(dòng)癥狀評(píng)估的可穿戴技術(shù)及設(shè)備的研究方興未艾,可穿戴技術(shù)應(yīng)用于以PD為代表的運(yùn)動(dòng)障礙疾病，在醫(yī)院內(nèi)外對(duì)病人進(jìn)行健康監(jiān)護(hù)、精確給藥治療、運(yùn)動(dòng)輔助、優(yōu)化和改善臨床工作流程、病人的遠(yuǎn)程治療和管理、收集大健康數(shù)據(jù)等,已成為創(chuàng)新的一個(gè)熱點(diǎn)方向,隨著智能手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的發(fā)展,可穿戴設(shè)備成為基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算基礎(chǔ)上的便攜設(shè)備,在PD及運(yùn)動(dòng)障礙疾病的評(píng)估、治療中必將發(fā)揮更大的作用。