丁 航， 吳 曦， 袁心一， 沈林勇， 胡小吾

1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072 2.海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)海醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 200433

便攜式設(shè)備光線視覺提示改善帕金森病患者凍結(jié)步態(tài)的數(shù)字化評(píng)估

丁 航1△， 吳 曦2△， 袁心一1， 沈林勇1， 胡小吾2*

1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072 2.海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)海醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 200433

目的通過可穿戴設(shè)備分析雙腳運(yùn)動(dòng)參數(shù)，評(píng)估光線視覺提示對(duì)帕金森病患者凍結(jié)步態(tài)的影響。方法選擇10例表現(xiàn)凍結(jié)步態(tài)癥狀的帕金森病患者，其中男性5例，女性5例，平均年齡(62.3±7.8)歲，H&Y評(píng)分為3級(jí)。患者穿戴便攜式設(shè)備在引導(dǎo)光線開和關(guān)兩種狀態(tài)下直線行走，并記錄步長(zhǎng)、步頻、步速、最大凍結(jié)指數(shù)(FImax)和平均FI(FIavr)等步態(tài)特征參數(shù)。結(jié)果引導(dǎo)光線開時(shí)，有凍結(jié)步態(tài)的帕金森病患者步長(zhǎng)、步頻、步速、FImax和FIavr等特征參數(shù)較引導(dǎo)光線關(guān)時(shí)有明顯改善，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。結(jié)論可穿戴設(shè)備可用于評(píng)估凍結(jié)步態(tài)，光線視覺提示可顯著改善帕金森病患者的凍結(jié)步態(tài)。

帕金森病; 凍結(jié)步態(tài); 視覺提示; 可穿戴設(shè)備

帕金森病是一種常見于中老年的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，臨床上以靜止性震顫、運(yùn)動(dòng)遲緩、肌強(qiáng)直和姿勢(shì)步態(tài)障礙為主要特征[1]。其中，凍結(jié)步態(tài)是發(fā)生于帕金森病中晚期的一種典型的步態(tài)障礙癥狀，其主要的臨床表現(xiàn)為患者在行走時(shí)出現(xiàn)瞬變性的短暫停滯或起步困難等，患者感覺自己腳像“粘”在地面上無法邁步，同時(shí)伴有雙腿的抖動(dòng)，整個(gè)過程持續(xù)幾秒鐘到幾分鐘。由于凍結(jié)步態(tài)是一種突發(fā)性、瞬變性的運(yùn)動(dòng)異常，其極易導(dǎo)致患者在行走時(shí)突然摔倒，嚴(yán)重影響患者身體健康和生活質(zhì)量[2-3]。

凍結(jié)步態(tài)患者雖然在平地上難以行走，但是大部分早期患者能夠正常的上下樓梯。此外，若患者行走時(shí)其腳前方出現(xiàn)提示性光標(biāo)，能夠很好地改善凍結(jié)步態(tài)癥狀[4-5]。視覺提示光線改善帕金森患者凍結(jié)步態(tài)的可能機(jī)制在于外部視覺提示對(duì)患者的視神經(jīng)有一定的刺激作用，增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)前區(qū)信息流，從而激活患者控制肢體運(yùn)動(dòng)生物電信號(hào)的傳遞神經(jīng)通路[6]。

目前，帕金森病患者凍結(jié)步態(tài)多由醫(yī)師通過量表和問卷評(píng)估，具有較大的主觀性。此外，既往報(bào)道的凍結(jié)步態(tài)數(shù)字化評(píng)估方法往往在特定的試驗(yàn)條件下，需要復(fù)雜的大型設(shè)備來采集運(yùn)動(dòng)參數(shù)，導(dǎo)致難以在復(fù)雜條件下測(cè)量?jī)鼋Y(jié)步態(tài)。因此，本研究采用便攜式可穿戴設(shè)備采集相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)比帕金森病患者外部光線提示前后的步態(tài)差異，分析外部光線提示對(duì)于患者凍結(jié)步態(tài)的影響，以期為在多種復(fù)雜條件下對(duì)凍結(jié)步態(tài)進(jìn)行評(píng)估提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料 帕金森病患者由海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)海醫(yī)院神經(jīng)外科2016年4月招募，經(jīng)過長(zhǎng)海醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，簽署知情同意書后自愿參加本研究。由獲得統(tǒng)一帕金森病評(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。用凍結(jié)步態(tài)評(píng)估表(freezing of gait questionnaire, FOG)進(jìn)行凍結(jié)步態(tài)評(píng)分[7]。入組標(biāo)準(zhǔn)：診斷符合英國腦庫臨床標(biāo)準(zhǔn)的原發(fā)性帕金森??；H&Y分級(jí)為3級(jí)；FOG量表第3項(xiàng)評(píng)分等于4分。排除標(biāo)準(zhǔn)：有明顯的下肢肌張力障礙、平衡不穩(wěn)導(dǎo)致站立及行走困難，肢體僵硬導(dǎo)致抬腿和邁步困難，異動(dòng)癥導(dǎo)致的步態(tài)障礙。入選10例患者，分別編號(hào)1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。其中男性5例，女性5例；年齡為47～73歲，平均(62.3±7.8)歲；患病時(shí)間為6～20年，平均(11.6±4.6)年；H&Y評(píng)分平均為(3.2±0.7)分。另選擇同期進(jìn)行健康體檢的6例健康人作為對(duì)照組，其中男性3例，女性3例；年齡55～68歲，平均(61.17±1.17)歲。

1.2 裝置及應(yīng)用 用于為患者提供引導(dǎo)光線提示并采集相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的裝置分為左右腳兩個(gè)，被穿戴于患者腳踝附近，同時(shí)保證設(shè)備的超聲傳感器垂直于地面(慣性傳感器的Y軸數(shù)據(jù)代表加速度)。當(dāng)患者一腳落地時(shí)，位于另一只腳上的裝置通過一字型激光器在前方照射出一條引導(dǎo)光線，提示并引導(dǎo)患者行走。同時(shí)裝置采用九軸加速度計(jì)(JY901，深圳君悅智控科技有限公司)采集患者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，采樣頻率32 Hz，利用藍(lán)牙4.0模塊傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)中，APP將數(shù)據(jù)記錄到手機(jī)SD卡上用于之后的步態(tài)分析(圖1)。出現(xiàn)凍結(jié)步態(tài)的帕金森病患者和健康人通過在8 m長(zhǎng)的走廊行走采集凍結(jié)步態(tài)特征(圖2)。健康對(duì)照在約3 Hz處存在較大的峰值，而凍結(jié)步態(tài)患者除了在3 Hz處存在振幅峰值，且5～10 Hz處也存在較大的振幅峰值。健康人行走時(shí)的加速度頻率通常為0.5～3 Hz；而有凍結(jié)步態(tài)的帕金森病患者由于癥狀發(fā)生時(shí)其單腳和雙腳會(huì)出現(xiàn)高頻無規(guī)律的抖動(dòng)現(xiàn)象，因此出現(xiàn)高頻加速度數(shù)據(jù)。因此，將0.5～3 Hz定義為運(yùn)動(dòng)頻率帶[18]，代表正常的行走運(yùn)動(dòng)；將3～8 Hz定義為凍結(jié)頻率帶，代表凍結(jié)步態(tài)發(fā)生。

圖1 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置及應(yīng)用

圖2 有凍結(jié)步態(tài)的PD患者和健康對(duì)照加速度時(shí)域和頻域?qū)Ρ葓D

1.3 凍結(jié)指數(shù)(FI) 由于凍結(jié)步態(tài)是一種突發(fā)性及瞬時(shí)性的運(yùn)動(dòng)癥狀，其凍結(jié)持續(xù)時(shí)間幾秒鐘到幾分鐘，如果僅使用離散傅里葉變換(DFT)對(duì)所采集的加速度信號(hào)進(jìn)行分析，只能反映凍結(jié)步態(tài)的整體情況，而忽略了其時(shí)間特性，并且代表凍結(jié)步態(tài)的高頻數(shù)據(jù)也會(huì)被0.5～5 Hz運(yùn)動(dòng)頻率帶的能量所覆蓋。因此，參考既往文獻(xiàn)[8]采用FI，其基于短時(shí)傅里葉變換(STFT)數(shù)據(jù)，反映凍結(jié)步態(tài)嚴(yán)重程度，定義為凍結(jié)頻率帶中的能量與運(yùn)動(dòng)頻率帶中的能量之比(公式如下)。

X(t,f): 加速度信號(hào)x(t)的STFT。

通過選取合適的滑動(dòng)窗口(實(shí)驗(yàn)中，t=2 s)，利用STFT在時(shí)頻域下求取的FI可以反映患者凍結(jié)步態(tài)嚴(yán)重程度在整個(gè)測(cè)試時(shí)間段中的變化情況。FI越大說明患者凍結(jié)步態(tài)越嚴(yán)重。當(dāng)患者凍結(jié)步態(tài)發(fā)生時(shí)，F(xiàn)I在該時(shí)間段上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值。可以選取合適的閾值以判定凍結(jié)步態(tài)的發(fā)生。為了準(zhǔn)確反映受試者使用可穿戴設(shè)備進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練時(shí)凍結(jié)步態(tài)的嚴(yán)重程度的整體變化情況，取最大FI值(FImax)和平均FI值(FIavr)作為特征值。

參與者在長(zhǎng)為8 m的走廊上行走兩次：第1次在沒有引導(dǎo)光線提示的情況下行走；第2次在有引導(dǎo)光線提示的條件下，跨過前方的引導(dǎo)光線行走。測(cè)量并采集這兩種情況下患者的步態(tài)加速度數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析。

1.4 數(shù)據(jù)采集示例 以4號(hào)患者的加速度數(shù)據(jù)為例。當(dāng)引導(dǎo)光線關(guān)時(shí)，在加速度信號(hào)中，0～7 s時(shí)的加速度信號(hào)呈現(xiàn)規(guī)律性波動(dòng)，且較為平穩(wěn)；而7～13 s時(shí)加速度信號(hào)改變，呈現(xiàn)高頻波動(dòng)，且波動(dòng)幅值更大(圖3A)，同時(shí)反映在FI變化(圖3B)中。以0.5為閾值，7～13 s時(shí)的FI都大于0.5，且有較大的峰值出現(xiàn)(圖3B)，說明4號(hào)對(duì)象在這一時(shí)間段出現(xiàn)凍結(jié)步態(tài)。當(dāng)引導(dǎo)光線開時(shí)，在加速度信號(hào)中，整個(gè)時(shí)間段中的加速度信號(hào)呈現(xiàn)規(guī)律性波動(dòng)，且沒有突變信號(hào)產(chǎn)生(圖3C)；同時(shí)，以0.5為閾值，整個(gè)時(shí)間段中的FI小于或接近于0.5，波動(dòng)平穩(wěn)，沒有較大的峰值出現(xiàn)(圖3D)，說明患者行走正常，在引動(dòng)光線提示下凍結(jié)步態(tài)有所改善。

圖3 4號(hào)患者引導(dǎo)光線開關(guān)下的數(shù)據(jù)分析

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于受試者人數(shù)較少，且所獲得的凍結(jié)步態(tài)相關(guān)測(cè)試參數(shù)為計(jì)量資料，故采用配對(duì)t檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn) (α，雙側(cè))為0.01。

2 結(jié) 果

引導(dǎo)光線關(guān)時(shí)，受試者平均步長(zhǎng)為10.04 cm，平均步頻為103.3步/min，平均步速為11.20 m/min；而引導(dǎo)光線開時(shí)，受試者平均步長(zhǎng)為27.33 cm，平均步頻為71.62步/min，平均步速為19.94 m/min。引導(dǎo)光線開時(shí)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)較引導(dǎo)光線關(guān)時(shí)改善，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01，表1、表2)。5號(hào)患者由于起步困難(完全邁不開步)，使其光線關(guān)狀態(tài)時(shí)的步頻較小。

表1 各受試者引導(dǎo)光線開關(guān)時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)值

FImax：最大凍結(jié)指數(shù)； FIavr：平均凍結(jié)指數(shù)

表2 受試者各運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)光線開關(guān)時(shí)比較

3 討 論

本研究通過一種便攜式可穿戴設(shè)備收集運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)而分析外部光線提示對(duì)帕金森病患者凍結(jié)步態(tài)的影響。結(jié)果顯示，外部引導(dǎo)光線開時(shí)，有凍結(jié)步態(tài)的帕金森病患者的步長(zhǎng)、步頻、步速、FImax、FIavr均較引導(dǎo)光線關(guān)時(shí)改善(P<0.01)。其中，引導(dǎo)光線開時(shí)患者的步長(zhǎng)與引導(dǎo)光線距離患者腳前方的距離可能有一定相關(guān)性。由于凍結(jié)步態(tài)患者在凍結(jié)發(fā)生時(shí)會(huì)有明顯的抖動(dòng)和碎步現(xiàn)象，而在外部光線開時(shí)碎步現(xiàn)象明顯減少，因此步頻減小。5號(hào)患者由于起步困難(完全邁不開步)，使其光關(guān)狀態(tài)時(shí)的步頻較小。FImax和FIavr在光線開時(shí)減小說明患者在該狀態(tài)下起步猶豫和行走抖動(dòng)等癥狀減輕。

研究光線提示對(duì)凍結(jié)步態(tài)的影響時(shí)，可采用不同的參數(shù)：Egerton等[9]根據(jù)脛骨前肌和內(nèi)側(cè)腓腸肌的肌電數(shù)據(jù)及足底壓力中心的變化分析了激光手杖對(duì)凍結(jié)步態(tài)患者的影響；Donovan等[10]采用凍結(jié)步態(tài)問卷及摔跤頻率評(píng)估長(zhǎng)期光線提示訓(xùn)練對(duì)凍結(jié)步態(tài)的影響；Velik等[11]通過對(duì)比使用光線提示設(shè)備前后凍結(jié)步態(tài)發(fā)生的時(shí)間長(zhǎng)短及次數(shù)來反映光線提示對(duì)凍結(jié)步態(tài)的效用。另外，可采用不同的視覺提示設(shè)備來研究光線提示對(duì)凍結(jié)步態(tài)的影響：Ferrarin等[12]采用光刺激眼鏡來改善凍結(jié)步態(tài)，并通過前后步態(tài)參數(shù)的變化來驗(yàn)證其改善效果；Janssen等[13]用智能眼鏡提供虛擬的3D視覺提示。上述研究中所采用的視覺提示設(shè)備只提供光線，從而輔助患者行走。而本研究設(shè)計(jì)的可穿戴設(shè)備不僅能提供光線，還能通過傳感器實(shí)時(shí)采集患者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，且更全面，因而有利于進(jìn)行步態(tài)評(píng)估。本研究結(jié)果與上述研究一致，說明視覺提示的存在比提示的內(nèi)容和形式更加重要。

綜上所述，本研究初步反映了光線提示對(duì)帕金森病患者凍結(jié)步態(tài)有一定的改善作用。本試驗(yàn)的局限性是樣本量較小，且僅測(cè)試了患者直線行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，后期將進(jìn)一步增加樣本量，并將UPDRS評(píng)分中的凍結(jié)評(píng)分項(xiàng)與患者FIavr等參數(shù)進(jìn)行回歸分析，以驗(yàn)證數(shù)字化評(píng)估結(jié)果與臨床醫(yī)師評(píng)估結(jié)果之間的相關(guān)性，以提高臨床評(píng)估水平。

[ 1 ] CONNOLLY B S, LANG A E.Pharmacological treatment of Parkinson disease: a review[J].JAMA,2014,311(16):1670-1683.

[ 2 ] SCHAAFSMA J D, BALASH Y, GUREVICH T, et al. Characterization of freezing of gait subtypes and the response of each to levodopa in Parkinson’s disease[J]. Eur J Neurol, 2003, 10(4): 391-398.

[ 3 ] OKUMA Y, YANAGISWA N. The clinical spectrum of freezing of gait in Parkinson’s disease[J]. Mov Disord, 2008, 23 Suppl 2: S426-S430.

[ 4 ] AHLRICHS C, SAMA, LAWO M, et al. Detecting freezing of gait with a tri-axial accelerometer in Parkinson’s disease patients[J]. Med Biol Eng Comput, 2016, 54(1):223-233.

[ 5 ] 汪 豐,鄒 亞,喬子晏,等. 帕金森患者步行運(yùn)動(dòng)的定量分析[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 45(2):266-269.

[ 6 ] BUTTING-PERRY L, SPINDLER M, ROBINSON K M, et al. Laser light visual cueing for freezing of gait in Parkinson disease: a pilot study with male participants[J]. J Rehabil Res Dev, 2013, 50(2): 223-230.

[ 7 ] GILADI N, TAL J, AZULAY T, et al. Validation of the freezing of gait questionnaire in patients with Parkinson’s disease[J]. Mov Disord, 2009, 24(5):655-661.

[ 8 ] MOORE S T, MACDOUGALL H G, ONDO W G. Ambulatory monitoring of freezing of gait in Parkinson’s disease[J]. J Neurosci Methods, 2008, 167(2): 340-348.

[ 9 ] EGERTON C J, MCCANDLESS P, EVANS B, et al.Laserlight visual cueing device for freezing of gait in Parkinson’s disease: a case study of the biomechanics involved[J]. Physiother Theory Pract, 2015, 31(7):518-526.

[10] DONOVAN S, LIM C, DIAZ N, et al.Laserlight cues for gait freezing in Parkinson’s disease: an open-label study[J]. Parkinsonism Relat Disord,2011, 17(4):240-245.

[11] VELIK R, HOFFMANN U, ZABALETA H, et al. The effect of visual cues on the number and duration of freezing episodes in Parkinson’s patients[C]//Engineering in Medicine and Biology Society. Piscataway, USA: IEEE, 2012: 4656-4659.

[12] FERRARIN M, BRAMBILLA M, GARAVELLO L, et al. Microprocessor-controlled optical stimulating device to improve the gait of patients with Parkinson’s disease[J]. Med Biol Eng Comput, 2004, 42(3): 328-332.

[13] JANSSEN S, BOLTE B, NONNEKES J, et al. Usability of three-dimensional augmented visual cues delivered by smart glasses on (freezing of) gait in Parkinson’s disease[J]. Front Neurol, 2017, 8: 279.

Improvement on freezing of gait in Parkinson disease patients by light visual cue:digital evaluation methods with portable motion sensors

DING Hang1△, WU Xi2△, YUAN Xin-yi1, SHEN Lin-yong1, HU Xiao-wu2*

1. Mechanical and Electrical Engineering and Automation College, Shanghai University, Shanghai 200072, China 2. Department of Neurosurgery, Changhai Hospital, Navy Military Medical University, Shanghai 200433, China

Objective： To analyze the effect of light visual cue on freezing of gait (FOG) in Parkinson disease (PD) patients by using wearable device.MethodsTotally 10 PD patients with FOG, including 5 male and 5 female, were enrolled. These patients were (62.3±7.8) years and the Hoehn-Yahr scales were all grade 3. The data of straight walking were recorded and analyzed by wearable device, including step length, step frequency, step velocity, the max freezing index (FImax), and average freezing index (FIavr) with lighting visual cue on or off.ResultsThe step length, step frequency, FImax, and FIavr were significantly improved when the light visual cue was on (P<0.01).ConclusionsLight visual cue can significantly improve FOG in PD patients, which can be evaluated by the wearable device.

Parkinson disease; freezing of gait; visual cue; wearable device

2016-12-19接受日期2017-09-12

國家自然科學(xué)基金(51275282)，教育部博士點(diǎn)基金(20123108110009), 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“數(shù)字診療裝備研發(fā)”試點(diǎn)專項(xiàng)課題(2016YFC0105900). Supported by National Nature Science Foundation of China (51275282), Doctoral Program of the Ministry of Education of China (20123108110009), and “Digital Equipment of Diagnosis and Treatment” Special Program of National Key Research and Development Plan (2016YFC0105900).

丁 航,碩士生.E-mail：dinghang_shu@163.com 吳 曦,博士, 講師、主治醫(yī)師. E-mail：wuxi_smmu@sina.com

△共同第一作者(Co-first authors).

*通信作者(Corresponding author). Tel: 021-31161787, E-mail: huxiaowu_smmu@sina.com

10.12025/j.issn.1008-6358.2017.20161162

R 742.5

A

[本文編輯] 姬靜芳