運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與肌電融合的腦卒中上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估系統(tǒng)的可行性研究

朱吉鴿，李進(jìn)飛，徐國(guó)政

1.江蘇衛(wèi)生健康職業(yè)學(xué)院，江蘇南京市 210029；2.南京同仁醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，江蘇南京市 211102；3.南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院，江蘇南京市 210023

隨著社會(huì)老齡化的加劇，在老年人中因腦血管血栓或腦血管破裂出血而導(dǎo)致的腦卒中患者逐漸增多。根據(jù)《2016年腦卒中流行病學(xué)報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)現(xiàn)有腦卒中患者7000 萬(wàn)，每年新發(fā)腦卒中200 萬(wàn)?，F(xiàn)代神經(jīng)康復(fù)醫(yī)學(xué)理論表明，腦卒中患者通過積極有效的康復(fù)治療，可在一定程度上恢復(fù)肢體功能[1?3]。

運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)評(píng)估，作為治療過程中必不可少的環(huán)節(jié)，對(duì)治療師康復(fù)方案的確定起著至關(guān)重要的作用[4]?，F(xiàn)有臨床運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)評(píng)估方法大多采用量表形式進(jìn)行，代表性的有Brunnstrom 分期[5]、Fugl?Mey?er評(píng)定量表(Fugl?Meyer Assessment,FMA)[6]、Barthel指數(shù)[7]和Wolf 運(yùn)動(dòng)功能測(cè)試等[8]。上述量表大多需要治療師采用半定量形式計(jì)分，受治療師主觀臨床經(jīng)驗(yàn)制約明顯，且難以實(shí)時(shí)反映患者的康復(fù)進(jìn)展，具有一定的局限性[9?10]。

本文設(shè)計(jì)一種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與肌電融合的腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)用姿態(tài)與肌電傳感器，分別實(shí)時(shí)檢測(cè)康復(fù)評(píng)估動(dòng)作完成過程中患肢的姿態(tài)和肌電數(shù)據(jù)，并運(yùn)用隱馬爾科夫模型計(jì)算患側(cè)相對(duì)健側(cè)的歸一化運(yùn)動(dòng)功能對(duì)數(shù)似然概率數(shù)值，進(jìn)而評(píng)估患者上肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)程度。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2018年1月至2019年3月，在南京同仁醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)中心，選取腦卒中患者10 例，其中男性7 例，女性3 例；平均(61.2±7.46)歲；平均病程(58.2±21.35)個(gè)月；腦梗死6 例，腦出血4 例。所有患者均符合1995年全國(guó)第四屆腦血管病學(xué)術(shù)會(huì)議通過的診斷標(biāo)準(zhǔn)[11]，并經(jīng)CT或MRI證實(shí)。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡35～65 歲；②單側(cè)腦梗死或腦出血，初次發(fā)作，病程＞6 個(gè)月；③患側(cè)肢體有不同程度的運(yùn)動(dòng)功能障礙(Brunnstrom Ⅲ期及以上)；④意識(shí)清楚、心肺功能良好，生命體征平穩(wěn)，能很好地配合訓(xùn)練；⑤無精神疾病，無認(rèn)知和心理障礙。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①腦卒中再發(fā)及其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病；②重度抑郁；③嚴(yán)重認(rèn)知、行為及語(yǔ)言障礙；④心肺功能、生命體征不穩(wěn)定。

本研究已經(jīng)南京同仁醫(yī)院倫理委員會(huì)審批通過。

1.2 方法

1.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與肌電融合的腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估系統(tǒng)主要運(yùn)用慣性測(cè)量[12]和表面肌電[13]傳感器，分別測(cè)量康復(fù)評(píng)估動(dòng)作完成過程中患肢相應(yīng)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和肌力變化特征，并進(jìn)一步根據(jù)這些特征，運(yùn)用隱馬爾科夫模型實(shí)時(shí)評(píng)估患者動(dòng)作的分值[14]。設(shè)計(jì)流程見圖1。

1.2.2評(píng)估方法

患者在接受系統(tǒng)評(píng)估前，需當(dāng)面簽訂知情同意書，并告知評(píng)估流程。為檢驗(yàn)評(píng)估系統(tǒng)在患者上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)中的效度，患者首先接受治療師Fugl?Meyer 評(píng)定量表上肢部分(Fugl?Meyer Assessment?Up?per Extremities,FMA?UE)評(píng)估，然后再接受本系統(tǒng)評(píng)估。

錄入患者一般信息后，患者坐位，在大屏幕上選取康復(fù)動(dòng)作，并觀看每組動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)示范。動(dòng)作一：肘伸直，上肢上舉過頭。動(dòng)作二：肘伸直，肩前屈30°前臂旋轉(zhuǎn)。動(dòng)作三：手指觸鼻。根據(jù)不同評(píng)估動(dòng)作，在患側(cè)肢體相應(yīng)部位佩戴慣性測(cè)量傳感器和表面肌電傳感器，每個(gè)動(dòng)作連續(xù)重復(fù)5 次，每次均采集患肢相應(yīng)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和肌電數(shù)據(jù)。評(píng)估動(dòng)作結(jié)束后，系統(tǒng)直接輸出在當(dāng)前評(píng)估動(dòng)作下患側(cè)相對(duì)健側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)功能的歸一化對(duì)數(shù)似然概率值。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

圖1 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與肌電融合的腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估系統(tǒng)流程

采用SPSS 22.0 進(jìn)行分析。對(duì)每種條件下評(píng)估系統(tǒng)的三種康復(fù)評(píng)估動(dòng)作評(píng)分進(jìn)行求和后，與患者FMA?UE 分?jǐn)?shù)進(jìn)行Spearson 相關(guān)性分析[15]，與單純基于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)或肌電的評(píng)估系統(tǒng)效度進(jìn)行比較；對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與肌電融合的評(píng)估系統(tǒng)按照動(dòng)作分別進(jìn)行系統(tǒng)信度評(píng)估[16]，由同一名醫(yī)師在2 周內(nèi)分別對(duì)每位患者進(jìn)行前后兩次評(píng)估，運(yùn)用Pearson 相關(guān)分析獲取每個(gè)動(dòng)作前后兩次評(píng)估的相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)一步同單純基于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)或肌電評(píng)估系統(tǒng)信度進(jìn)行比較。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與肌電融合后的系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果，根據(jù)評(píng)估系統(tǒng)輸出的歸一化對(duì)數(shù)似然概率數(shù)值，可將患者上肢FMA?UE 評(píng)分大致分為“55/52/62”“48/44/41/37”和“24/21/17”三個(gè)階段，能較好地匹配患者運(yùn)動(dòng)功能變化。單純基于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果主要集中于“55/52/41/62”、“37/21/44/48”和“17/24”三個(gè)階段，與患者FMA?UE 評(píng)分變化趨勢(shì)不能呈現(xiàn)較好地一致性。單純基于肌電的系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果，三類不同動(dòng)作對(duì)患者FMA?UE 分?jǐn)?shù)不能做出一致有效地的劃分。三種條件下評(píng)估系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果均與FMA?UE 評(píng)分呈現(xiàn)出不同程度正相關(guān)(P＜0.05)，其中運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與肌電融合相關(guān)性最高。見表1～表3。

運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、肌電及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與肌電融合的評(píng)估系統(tǒng)對(duì)三類康復(fù)動(dòng)作的評(píng)估信度均值分別為0.852、0.772、0.885。見表4。

表1 基于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估結(jié)果

表2 基于肌電的上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估結(jié)果

3 討論

現(xiàn)有腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)大多采用量表進(jìn)行評(píng)估。這種評(píng)估方法存在以下不足：首先，依賴于治療師的主觀臨床經(jīng)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果不夠客觀；其次，每次評(píng)估均需治療師參與，不利于居家康復(fù)治療；最后，評(píng)估只能在治療前后進(jìn)行，缺乏實(shí)時(shí)性。

表3 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與肌電融合的上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估結(jié)果

為在一定程度上解決上述問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始研究基于可穿戴傳感器的腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并已成為近年來康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[17?18]。相關(guān)研究成果主要集中在構(gòu)建基于標(biāo)記點(diǎn)、Kinect 和慣性測(cè)量單元的運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。標(biāo)記點(diǎn)，主要是讓患者在肢體關(guān)鍵部位穿戴特殊反光的光學(xué)標(biāo)記點(diǎn)，并通過紅外相機(jī)記錄運(yùn)動(dòng)過程中患肢的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息[19?20]；Kinect，主要是通過紅外深度攝像頭實(shí)時(shí)捕捉運(yùn)動(dòng)過程中肢體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，本質(zhì)是一種無標(biāo)記點(diǎn)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)[21?22]；慣性測(cè)量單元，是一種融合三軸加速度、三軸陀螺和三軸地磁的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)過程中患者肢體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)[23?24]。在上述三類運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，基于光學(xué)標(biāo)記點(diǎn)的評(píng)估系統(tǒng)價(jià)格昂貴；基于Kinect 的運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)評(píng)估系統(tǒng)價(jià)格雖便宜，但姿態(tài)檢測(cè)精度不夠；慣性測(cè)量單元除需要進(jìn)行標(biāo)定外[25]，充分結(jié)合了其他兩類系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

上述三類運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估系統(tǒng)雖能在一定程度上解決傳統(tǒng)臨床評(píng)估方法存在的不足，但腦卒中患者康復(fù)過程不僅涉及關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍訓(xùn)練，更重要的還有患肢肌力的訓(xùn)練，以使患者能在一定程度上恢復(fù)日常生活技能。因此，腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)評(píng)估不僅需要監(jiān)測(cè)患肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍(姿態(tài))，還需要監(jiān)測(cè)患肢肌力恢復(fù)狀態(tài)?，F(xiàn)有基于可穿戴傳感器的運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)大多僅通過姿態(tài)檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)活動(dòng)能力評(píng)估，仍具有一定的局限[26]。

本文在康復(fù)評(píng)估過程中除檢測(cè)患肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)外，進(jìn)一步融入了康復(fù)過程中患肢的表面肌電數(shù)據(jù)，并以患者健側(cè)為參考，通過構(gòu)建健側(cè)運(yùn)動(dòng)功能隱馬爾科夫模型，較好地實(shí)現(xiàn)了腦卒中患者的上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估。該系統(tǒng)以患者健側(cè)運(yùn)動(dòng)功能模型為參考，通過采集康復(fù)評(píng)估過程中患者的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與表面肌電數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步提取姿態(tài)與肌電相關(guān)特征，來計(jì)算患側(cè)相對(duì)健側(cè)運(yùn)動(dòng)功能的歸一化對(duì)數(shù)最大似然概率數(shù)值，該數(shù)值反映的是患側(cè)相對(duì)健側(cè)運(yùn)動(dòng)功能的百分比。初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的基于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與肌電的上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估系統(tǒng)，在腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估方面具有一定的可行性，且對(duì)康復(fù)評(píng)估動(dòng)作具有較好的信度；此外，姿態(tài)與肌電融合后的評(píng)估系統(tǒng)較單純運(yùn)動(dòng)姿態(tài)或肌電評(píng)估系統(tǒng)，具有更好的效度與信度。

本文開發(fā)的基于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與肌電融合的腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估軟件，除具有較好的效度與信度外，還具有良好的實(shí)時(shí)性，患者可在沒有治療師參與情況下，隨時(shí)通過康復(fù)評(píng)估動(dòng)作獲取到運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)。該軟件系統(tǒng)目前已經(jīng)在南京同仁醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科開始使用，系統(tǒng)參考FMA?UE，已經(jīng)設(shè)計(jì)15類康復(fù)評(píng)估動(dòng)作，本研究?jī)H給出其中三個(gè)動(dòng)作。該系統(tǒng)仍存在以下不足：測(cè)試患者數(shù)量需要進(jìn)一步增加，以提高健側(cè)運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估模型的準(zhǔn)確度；康復(fù)評(píng)估動(dòng)作數(shù)量需要進(jìn)一步增加；姿態(tài)與肌電特征提取需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高所遴選特征與運(yùn)動(dòng)功能之間的相關(guān)性。隨著臨床康復(fù)評(píng)估數(shù)據(jù)的進(jìn)一步匯聚，此系統(tǒng)將在一定程度上助力于治療師臨床方案的確定，并有助于患者的居家康復(fù)。

表4 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、肌電及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與肌電融合的系統(tǒng)評(píng)估信度