利用2D動作評估系統(tǒng)評估早期帕金森病患者步態(tài)

劉志佳，于寧波，楊宇辰，于洋，劉培培，韓建達(dá)，巫嘉陵，3，4

(1.天津市環(huán)湖醫(yī)院a.神經(jīng)內(nèi)科,b.康復(fù)醫(yī)學(xué)科,天津 300350； 2.南開大學(xué)人工智能學(xué)院 天津市智能機器人技術(shù)重點實驗室，天津 300350； 3.天津市腦血管與神經(jīng)變性重點實驗室，天津 300350； 4.天津市神經(jīng)外科研究所，天津 300350)

帕金森病是一種主要影響中老年人的神經(jīng)退行性病變，主要的運動系統(tǒng)癥狀為震顫、僵直以及行走困難。隨著疾病進(jìn)展及運動癥狀的加重，帕金森病患者的上肢及步行功能受損，跌倒風(fēng)險增加，進(jìn)而影響患者的生存質(zhì)量。因此，客觀、量化的步態(tài)分析可能有助于協(xié)助診斷、癥狀監(jiān)控、治療管理、康復(fù)訓(xùn)練以及跌倒風(fēng)險的評估及預(yù)防等。目前，步態(tài)異常的客觀評估方法及技術(shù)較多，包括加速器[1]、3D動作捕捉[2]、步態(tài)分析儀[3]，這些先進(jìn)技術(shù)費用較高，相關(guān)設(shè)備的操作及數(shù)據(jù)分析需要特殊培訓(xùn)，無法實現(xiàn)臨床廣泛普及。OpenPose是一種學(xué)習(xí)型的2D動作評估系統(tǒng)[4]，動作視頻可由智能手機錄制，不需要其他專業(yè)設(shè)備，可能更適合在臨床工作中開展，將來可能為帕金森病患者的居家日常活動監(jiān)測與評估提供幫助。本研究旨在通過2D動作評估系統(tǒng)量化評估早期帕金森病患者的步態(tài)特點及步態(tài)參數(shù)，探索左旋多巴類藥物改善帕金森病異常步態(tài)的情況。

1 資料及方法

1.1一般資料 選擇2019年10月至2021年8月在天津市環(huán)湖醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科就診的21例帕金森病患者作為帕金森病組，其中男15例，女6例，年齡49～71歲，身高155～180 cm，蒙特利爾認(rèn)知評估量表(Montreal cognitive assessment,MoCA)評分24～30分，病程1～11年。選取上述帕金森病患者的配偶或同期在天津市環(huán)湖醫(yī)院體檢的18名同年齡段健康志愿者作為健康對照組，其中男8例，女10例。兩組性別比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.088，F(xiàn)isher確切概率法)。兩組年齡、身高、MoCA評分比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，見表1。

表1 帕金森病組與健康對照組一般資料比較

入組標(biāo)準(zhǔn)：①符合2015年國際運動障礙協(xié)會帕金森病診斷標(biāo)準(zhǔn)[5]；②修訂的Hoehn-Yahr分級[6]≤2.5級的早期帕金森病患者；③無須借助任何輔助器具可獨立行走者；④智力正常者。排除標(biāo)準(zhǔn)：①對多巴絲肼過敏者；②直立性低血壓者；③合并帕金森疊加綜合征、繼發(fā)帕金森綜合征者。本研究經(jīng)天津市環(huán)湖醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，所有受試者均簽署了知情同意書。

1.2方法

1.2.1試驗環(huán)境及方法 所有的臨床測試在天津市環(huán)湖醫(yī)院完成，試驗環(huán)境為5 m長的行走區(qū)域，使用智能手機記錄受試者矢狀方向的行走情況。記錄3次受試者在行走區(qū)域往返行走一趟的情況。為確保記錄的受試者行走狀態(tài)正常，只保留行走區(qū)域中心3 m的記錄。通過受試者骨骼端點的坐標(biāo)獲取視頻的每一幀中的所有動作特征，數(shù)據(jù)由人工測量得出。分別記錄帕金森病組關(guān)期、開期行走時癥狀重側(cè)與輕側(cè)的步態(tài)參數(shù)，記錄健康對照組對應(yīng)側(cè)的行走情況。本研究關(guān)期測評時間為停服左旋多巴及其他抗帕金森病藥物12 h后，開期測評時間為口服多巴絲肼60～90 min后，劑量根據(jù)之前每天早上第1次服用的抗帕金森病藥物換算為左旋多巴等效劑量的1.5倍，再換算成等效劑量的多巴絲肼。

1.2.2數(shù)據(jù)處理 OpenPose是一個2D多點監(jiān)測方法，包括25個身體和足部的端點，OpenPose的示意圖見圖1。與行走相關(guān)的主要骨骼被標(biāo)出，并用不同顏色表示。對應(yīng)關(guān)系為0-鼻、1-頸部、2-右肩、3-右肘、4-右腕、5-左肩、6-左肘、7-左腕、8-髖正中、9-髖右端、10-右膝、11-右踝、12-髖左端、13-左膝、14-左踝、15-右眼、16-左眼、17-右耳、18-左耳、19-左側(cè)第一足趾、20-左側(cè)第5足趾、21-左踝、22-右側(cè)第一足趾、23-左側(cè)第5足趾、24-右踝、25-背景。

圖1 OpenPose多點監(jiān)測示意圖

1.2.3步態(tài)周期記錄方法 一個完整的步態(tài)周期由支撐相及擺動相組成，在從擺動相轉(zhuǎn)換成支撐相時，足跟的橫坐標(biāo)迅速變化，之后保持相對穩(wěn)定。相反，第1足趾的橫坐標(biāo)在支撐相基本恒定，而在進(jìn)入擺動相時變化迅速，據(jù)此特點可以得到支撐相及擺動相時間[7-8]。

步長指行走時兩足跟之間的距離(左右足跟水平坐標(biāo)的絕對差)。實際步長(dr)計算公式如下：

dp是像素步長，dp neck-hip和dr neck-hip是頸部到髖的像素距離和實際距離。

步速=行走距離/時間，行走距離為3 m。步頻為每分鐘行走步數(shù)。擺臂角度定義為手臂與軀干之間角度，在身體前方擺動時為正，向背部擺動時為負(fù)。在視頻中，手臂用肩膀到肘的連線表示，軀干用頸部到髖的連線表示。擺臂速度為相鄰擺臂角度最大值與最小值除以其之間的時間差。以上參數(shù)只記錄距離相機較近時的手臂活動，以避免被身體阻擋。以上所有參數(shù)的變異系數(shù)=平均值/標(biāo)準(zhǔn)差。

偏側(cè)性的計算采用Zifchock 等[9]提出的方法，Xmore是較大一側(cè)的均值，Xless是較小一側(cè)的均值，結(jié)果絕對值越大，兩側(cè)肢體活動的不對稱性越明顯。計算公式為：

2 結(jié) 果

2.1帕金森病組關(guān)期與健康對照組行走時步態(tài)參數(shù)比較 帕金森病組關(guān)期重側(cè)和輕側(cè)步長小于正常對照組，重側(cè)擺臂角度及擺臂速度低于健康對照組(P<0.05)，而帕金森病組關(guān)期雙側(cè)步長變異性、重側(cè)擺臂角度變異性、擺臂角度偏側(cè)性、重側(cè)擺臂速度變異性、擺臂速度偏側(cè)性、重側(cè)擺動相均高于健康對照組(P<0.05)。兩組步頻、步長偏側(cè)性、步速、輕側(cè)擺臂角度及擺臂角度變異性、輕側(cè)擺臂速度及擺臂速度變異性、輕側(cè)擺動相比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，見表2。

表2 帕金森病組關(guān)期與健康對照組行走時步態(tài)參數(shù)比較

2.2帕金森病組關(guān)期與開期步態(tài)參數(shù)比較 帕金森病關(guān)期輕側(cè)步長、步速、輕側(cè)和重側(cè)擺臂角度及擺臂速度均低于帕金森病開期(P<0.05)；帕金森病開期與關(guān)期步頻、重側(cè)步長、輕側(cè)和重側(cè)步長變異性、步長偏側(cè)性、重側(cè)和輕側(cè)擺臂角度變異性和擺臂速度變異性、擺臂角度偏側(cè)性、擺臂速度偏側(cè)性、重側(cè)和輕側(cè)擺動相比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，見表3。

表3 帕金森病組關(guān)期與開期步態(tài)參數(shù)比較 (n=21)

3 討 論

帕金森病患者通常有行動遲緩、肌強直癥狀，其步態(tài)異常包括擺臂幅度減小、活動欠流暢、肢體活動不對稱及活動速度下降、步長減小等[10]。帕金森病患者的有些步態(tài)異常相對特異，且隨著疾病進(jìn)展逐漸加重，因此需要早期識別及干預(yù)。在臨床工作中，最常應(yīng)用的評價步態(tài)的方法是改良帕金森病量表評分[11]，但該量表無法對步態(tài)不同方面進(jìn)行細(xì)節(jié)和定量觀察，且結(jié)果相對主觀，不同醫(yī)師評價結(jié)果可能不完全一致，所以需要新的評估方法更細(xì)致地記錄帕金森病患者的步態(tài)障礙以及步態(tài)隨病程進(jìn)展的動態(tài)變化。OpenPose是一種學(xué)習(xí)型2D評估系統(tǒng)，通過視頻分析能夠量化帕金森患者的步態(tài)參數(shù)，對疾病的診治起輔助作用。

本研究中的OpenPose分析顯示，與健康對照組相比，帕金森病組患者的步長、癥狀重側(cè)擺臂角度及擺臂速度較小，而癥狀重側(cè)擺臂角度及擺臂速度偏側(cè)性較大。步長減小在許多疾病所致的步態(tài)障礙中均可出現(xiàn)，但帕金森病患者的步長減小能夠反映疾病的嚴(yán)重程度，在疾病后期步長減小較疾病早期更明顯[12]。與步長減小相比，擺臂角度減小及肢體活動不對稱性是帕金森病患者步態(tài)異常的相對特異方面[10,13-15]，其中擺臂角度減小是帕金森病患者中最常見的運動功能異常[16]。雙側(cè)肢體運動的不對稱性也是早期帕金森病的重要步態(tài)特點，這與基底節(jié)區(qū)不對稱的病理基礎(chǔ)相關(guān)，擺臂不對稱性被認(rèn)為是獨立于步速的早期診斷帕金森病的重要參數(shù)，早期帕金森病患者的擺臂角度不對稱可能較擺臂幅度不對稱更早地提示疾病發(fā)生[17]。本研究結(jié)果與上述研究相符，但本研究中帕金森病組癥狀重側(cè)的參數(shù)與健康對照組存在差異，而癥狀輕側(cè)的參數(shù)與健康對照組比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義，其原因可能是早期帕金森病患者輕側(cè)的偏側(cè)性癥狀(即運動障礙)不明顯。

運動節(jié)律的改變也是特異性診斷帕金森病的重要方面[18-19]。既往研究發(fā)現(xiàn)，步態(tài)節(jié)律的改變可能預(yù)測帕金森病[3]。但是以往研究所選參數(shù)多為步長、擺動相、跨步時間的變異性，很少描述擺臂角度及速度的變異性，本研究結(jié)果顯示，帕金森病組患者癥狀重側(cè)擺臂角度及擺臂速度變異性大于健康對照組，提示疾病早期上肢運動節(jié)律也有改變。

本研究進(jìn)一步探討了多巴胺類藥物對早期帕金森病患者步態(tài)的改善，結(jié)果顯示，多巴胺類藥物可改善步長、步速、擺臂角度及擺臂速度。既往研究發(fā)現(xiàn)，左旋多巴能明顯改善擺臂角度、擺臂速度以及步速、步長[8,13]，本研究結(jié)果與其一致，提示上述參數(shù)可能作為服藥過程中開關(guān)期波動的監(jiān)測指標(biāo)。此外，在本研究中，帕金森病組開期和關(guān)期運動的變異性及偏側(cè)性無明顯變化，說明多巴胺能藥物只能改善步態(tài)障礙的某些方面，提示除中樞神經(jīng)系統(tǒng)多巴胺缺乏參與帕金森病步態(tài)異常的發(fā)生外，也可能存在其他機制，但仍需要進(jìn)一步探索。

雙重任務(wù)、轉(zhuǎn)彎以及日常生活等復(fù)雜情況的評估有助于早期發(fā)現(xiàn)帕金森病患者的行走困難[20-23]。未來，OpenPose2D評估系統(tǒng)可能有助于監(jiān)測帕金森病患者居家或社區(qū)活動，并能觀察患者在雙重任務(wù)、社交接觸或情緒影響等不同情形下的步態(tài)變化，進(jìn)一步加深對帕金森病患者步態(tài)障礙的認(rèn)識，以早期進(jìn)行藥物、康復(fù)等干預(yù)，幫助帕金森病患者回歸正常的生活。