帕金森病凍結(jié)步態(tài)的智能檢測和干預(yù)研究

孫奕 榮哲 汪豐 徐暢 鄭慧芬

PD是最常見的神經(jīng)退行性疾病,表現(xiàn)為運(yùn)動遲緩、靜止性震顫、強(qiáng)直和姿勢步態(tài)異常等運(yùn)動癥狀和睡眠障礙、認(rèn)知損害、嗅覺減退等非運(yùn)動癥狀[1-2]。凍結(jié)步態(tài)(freezing of gait,FOG)是PD病人常見的步態(tài)障礙,表現(xiàn)為運(yùn)動過程中步伐短暫、突然的中止。有研究表明,中晚期PD病人FOG的發(fā)生率高達(dá)60%[3]。FOG不僅嚴(yán)重影響病人的生活能力,而且極易導(dǎo)致病人發(fā)生跌倒,具有很高的致殘性。

盡管目前已有一些針對FOG的干預(yù)設(shè)備,但多為單一干預(yù),需要手動開啟,而且多在醫(yī)院內(nèi)進(jìn)行研究使用,無法滿足病人日常生活需求。可穿戴式慣性傳感器能進(jìn)行時域、頻域分析,獲得PD病人的躺、坐、站、走和跑等運(yùn)動特征,能對步頻、步幅、軀干傾角、起立行走試驗(timed up and go,TUG)時間以及運(yùn)動對稱性、協(xié)調(diào)性等特征性運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行實時、精準(zhǔn)、可靠的檢測和定量分析,相較于臨床量表,具有更高的靈敏度和準(zhǔn)確性[4-5]。本研究旨在利用可穿戴式慣性傳感器,針對PD病人的FOG,開發(fā)實時檢測及智能干預(yù)系統(tǒng),觀察視覺、聽覺和視聽覺聯(lián)合干預(yù)FOG的效果,以降低病人跌倒風(fēng)險。

1 資料與方法

1.1 研究對象 納入2020 年5月至 2021 年12月在江蘇省老年病醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科就診的具有FOG 的PD病人。入選標(biāo)準(zhǔn):(1)年齡60～85歲;(2)符合2015年國際運(yùn)動障礙學(xué)會原發(fā)性PD的診斷標(biāo)準(zhǔn);(3)門診或住院的Hoehn-Yahr分級(H-Y)2～4級,主訴存在FOG或FOG問卷量表第3項得分≥1分。排除標(biāo)準(zhǔn):(1)無獨立行走和站立能力的病人;(2)有外傷或行走障礙的骨科疾病病人;(3)認(rèn)知功能障礙、嚴(yán)重視力和聽力受損不能配合的病人。所有病人均簽署知情同意書。最終29例病人參加本研究,其中男17例,女12例,年齡60～83歲,平均(72.87±5.37)歲,病程(10.67±4.39)年,MMSE評分(25.64±1.23)分,H-Y分級2級3例,3級22例,4級4例。

1.2 研究方法

1.2.1 一般臨床資料:收集病人的性別、年齡、病程等一般資料,并進(jìn)行MMSE評分和H-Y分級評估。

1.2.2 FOG的檢測:采用東南大學(xué)蘇州醫(yī)療器械研究院開發(fā)的可穿戴慣性傳感器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,該系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集終端(可穿戴傳感器設(shè)備)和數(shù)據(jù)接收終端(上位機(jī)軟件)兩部分[6]。傳感器佩戴在病人的腰部正前方,病人檢測動作包括:(1)起立-行走和10 m折返二重任務(wù);(2)嘈雜環(huán)境下的隨意走動任務(wù);(3)模擬日常生活中的步行活動任務(wù)。對采集到的信號進(jìn)行時域、頻域分析,提取3個時域特征和4個頻域特征,結(jié)合這些時域、頻域特征設(shè)計一個融合表征FOG發(fā)作概率的指數(shù):凍結(jié)指數(shù)(FOG Score),當(dāng)FOG Score的值大于報警閾值(根據(jù)每個特征參數(shù)與其對應(yīng)的閾值進(jìn)行比較得出)時,提示檢測到FOG或過渡階段信號(圖1);檢測的同時拍攝視頻[7-8]。

1.2.3 FOG的智能干預(yù)系統(tǒng):系統(tǒng)的下位機(jī)軟件基于Keil uVision 5開發(fā)環(huán)境,使用C語言實現(xiàn)FOG的實時檢測、干預(yù)裝置的智能控制以及FOG事件標(biāo)記等功能。根據(jù)系統(tǒng)實時檢測病人的腰部運(yùn)動信號,通過計算時域及頻域特征判斷病人當(dāng)前是否發(fā)生FOG,并與同步視頻標(biāo)記的FOG做比較。如果存在FOG,則開啟視覺及聽覺干預(yù)裝置。視覺干預(yù)裝置:將視覺干預(yù)模塊佩戴在病人腰部正前方,在病人前方1～2個步長距離的地面上投射出一條較細(xì)且有足夠亮度的“一”字型紅色光線,激光射線長度約1 m,寬度從0.4 mm到幾厘米不等,方向垂直于病人行走方向。聽覺干預(yù)裝置:聽覺干預(yù)模塊選取S8550三極管驅(qū)動的有源蜂鳴器模塊,通過定時器設(shè)置好的頻率給模塊提供交替的高、低電頻,使蜂鳴器模塊約每秒發(fā)出一次滴滴聲。

1.2.4 智能干預(yù)方案:選取在起立-行走和10 m折返二重任務(wù)中出現(xiàn)FOG的病人進(jìn)入智能干預(yù)部分的研究。(1)入選病人分別完成僅視覺干預(yù)(1倍步長)、僅聽覺干預(yù)(1倍病人正常步頻提示音)以及視聽覺聯(lián)合干預(yù)(1倍步長聯(lián)合1倍病人正常步頻提示音)三種不同干預(yù)方式下的起立-行走和10 m折返二重任務(wù)。對比無干預(yù)、僅視覺干預(yù)、僅聽覺干預(yù)以及視聽覺聯(lián)合干預(yù)后,病人FOG的改善效果和步態(tài)質(zhì)量變化,評估不同干預(yù)方式的有效性。(2)選取在第一部分干預(yù)中視覺干預(yù)效果顯著優(yōu)于聽覺干預(yù)的病人,進(jìn)行不同激光線間距的視覺干預(yù)比較,激光線距離分別為1倍、1.5倍、2倍步長。(3)選取在第一部分干預(yù)中聽覺干預(yù)效果顯著優(yōu)于視覺干預(yù)的病人,進(jìn)行不同提示音頻的聽覺干預(yù)比較,蜂鳴器分別發(fā)出約0.9倍、1.0倍、1.1倍病人正常步頻的提示音。

1.2.5 主要觀察指標(biāo):包括兩個類別,一類為凍結(jié)評價指標(biāo),包括FOG發(fā)生次數(shù)、凍結(jié)平均持續(xù)時間、最大凍結(jié)指數(shù)、平均凍結(jié)指數(shù);另一類為步態(tài)評價指標(biāo),包括步態(tài)啟動時間、轉(zhuǎn)身時間、平均步頻、平均步長。

2 結(jié)果

2.1 病人FOG數(shù)據(jù) 本研究29例病人全部完成FOG的檢測,其中有18例病人發(fā)生FOG,總計發(fā)生90次FOG。病人發(fā)生FOG的次數(shù)為2～26次,平均(5.13±2.85)次;每次FOG持續(xù)時間為1～25 s,平均(7.60±3.54)s。病人在轉(zhuǎn)身時發(fā)生FOG的次數(shù)最多(25次),其次是啟動(18次)和通過狹窄通道(15次)時,繞過障礙物(11次)和二重任務(wù)(8次)次之,還有少數(shù)FOG事件發(fā)生于接近目的地(7次)和正常行走(6次)時。

2.2 FOG自動檢測有效性 本研究采集18例發(fā)生FOG病人的90次FOG數(shù)據(jù),使用融合特征進(jìn)行FOG的檢測,發(fā)現(xiàn)存在1次漏報(1.11%),2次誤報(2.22%),準(zhǔn)確率達(dá)96.67%,平均延遲預(yù)警時間為(1.23±0.36)s,平均預(yù)測時間為(0.96±0.15)s。

2.3 FOG的智能干預(yù)效果 對18例發(fā)生FOG的病人進(jìn)行的干預(yù)結(jié)果表明,視覺干預(yù)組病人的FOG發(fā)生次數(shù)及最大凍結(jié)指數(shù)較無干預(yù)組下降,平均步長增加,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);聽覺干預(yù)組病人與無干預(yù)組相比,FOG發(fā)生次數(shù)減少,轉(zhuǎn)身時間縮短,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);與無干預(yù)組比較,視聽覺聯(lián)合干預(yù)組病人的FOG發(fā)生次數(shù)明顯減少,FOG平均持續(xù)時間縮短,最大凍結(jié)指數(shù)和平均凍結(jié)指數(shù)顯著降低,轉(zhuǎn)身時間、平均步頻和平均步長均有所改善,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05或P<0.01)。見表1。

2.4 6例視覺干預(yù)效果更顯著的病人不同激光線間距干預(yù)效果比較 與1.5倍步長相比,1倍步長時病人凍結(jié)發(fā)生次數(shù)減少,平均凍結(jié)指數(shù)降低,平均步長增加,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);與2倍步長相比,1倍步長時凍結(jié)評價指標(biāo)及步態(tài)評價指標(biāo)均有改善,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),見表2。

表2 不同激光線間距對FOG干預(yù)效果比較

2.5 6例聽覺干預(yù)效果更顯著的病人不同聽覺步頻干預(yù)效果比較 與0.9倍步頻相比,1.1倍步頻FOG發(fā)生次數(shù)及持續(xù)時間減少,最大及平均凍結(jié)指數(shù)降低,轉(zhuǎn)身時間縮短,平均步長和步頻增加(P<0.05)。與1.0倍步頻相比,1.1倍步頻FOG發(fā)生次數(shù)減少,平均凍結(jié)指數(shù)降低,平均步頻和步長增加,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),見表3。

3 討論

FOG是PD運(yùn)動癥狀中發(fā)病率較高的步態(tài)障礙,常合并跌倒的發(fā)生,嚴(yán)重影響病人的生活質(zhì)量。目前已有一些FOG自動檢測和干預(yù)研究,多為視覺或聽覺的單一干預(yù)手段,尚無兩者結(jié)合的研究。Morris等[9]將激光發(fā)射器佩戴在病人的胸部中央,投射出兩條長度約50 cm、間距約一個步長的激光射線,能有效解除FOG。Sweeney等[10]通過無線耳片和一個基于智能手機(jī)的節(jié)拍器應(yīng)用程序提供聽覺提示,病人按照聽覺提示的節(jié)拍邁步,可以有效解除FOG。丁航等[11]提出一種基于引導(dǎo)光線提示的FOG干預(yù)技術(shù),利用慣性傳感器和超聲傳感器采集數(shù)據(jù),對有FOG的PD病人的步長、步頻、步速等均有所改善。

本研究基于可穿戴慣性傳感器設(shè)備,設(shè)計了一套FOG自動檢測及智能干預(yù)系統(tǒng),視覺干預(yù)模塊選取一字型激光發(fā)射器,聽覺干預(yù)模塊選取有源蜂鳴器模塊。結(jié)果表明,系統(tǒng)能實時檢測到絕大多數(shù)FOG事件,準(zhǔn)確率達(dá)96.67%;視覺干預(yù)和聽覺干預(yù)均能顯著改善病人的FOG,視聽覺聯(lián)合干預(yù)的療效更佳。其機(jī)制為PD病人FOG的發(fā)生是由于運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)皮層和皮層下區(qū)域之間的結(jié)構(gòu)發(fā)生病變,導(dǎo)致功能連接中斷,進(jìn)而皮層的高級功能參與了FOG的發(fā)生。視覺或聽覺干預(yù)時,外界提供的視覺刺激可以使信息傳遞繞過病人受損的基底神經(jīng)節(jié),信號經(jīng)由視覺或聽覺區(qū)域抵達(dá)小腦區(qū)域,從而達(dá)到改善FOG的目的。

本研究只有1例病人存在1次漏報,2例病人出現(xiàn)誤報。對比分析視頻和檢測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)該漏報病人在FOG發(fā)作期間,下肢有輕微抖動,且凍結(jié)程度不嚴(yán)重,不到2 s即解除,因此系統(tǒng)未檢測到該次短暫且較輕微的FOG。2次誤報病人,是病人姿勢穩(wěn)定性較差,系統(tǒng)誤將病人在行走過程中身體的晃動識別為FOG。

當(dāng)前,針對PD病人FOG的治療手段主要包括藥物治療、手術(shù)治療和康復(fù)治療等。臨床醫(yī)生常采用打拍子或“跨越”地面線條方式指導(dǎo)病人緩解或解除FOG,很多時候并不能滿足病人日常生活需求。而且,由于不同病人對視覺和聽覺干預(yù)效果存在差異,單一的干預(yù)手段無法滿足所有病人的需求。本研究提出了基于可穿戴設(shè)備的視覺、聽覺智能干預(yù)方法,病人可以在家庭環(huán)境下使用,能有效地減少病人跌倒,降低受傷甚至骨折風(fēng)險,提高生活質(zhì)量,減輕病人及家屬的負(fù)擔(dān)。

當(dāng)然,本研究還存在一些局限性,首先,研究樣本相對較小且為單中心研究,需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量以驗證方法的可靠性和普適性;其次,研究采用的干預(yù)方式雖然對于大多數(shù)病人較為有效,但干預(yù)效果有明顯的異質(zhì)性,在后續(xù)研究中需要考慮個體化的干預(yù)方式。