朱吉鴿，李進飛，徐國政

1.江蘇衛(wèi)生健康職業(yè)學院，江蘇南京市 210029；2.南京同仁醫(yī)院康復醫(yī)學科，江蘇南京市 211102；3.南京郵電大學自動化學院、人工智能學院，江蘇南京市 210023

隨著社會老齡化的加劇，在老年人中因腦血管血栓或腦血管破裂出血而導致的腦卒中患者逐漸增多。根據《2016年腦卒中流行病學報告》統(tǒng)計數據，我國現(xiàn)有腦卒中患者7000 萬，每年新發(fā)腦卒中200 萬?，F(xiàn)代神經康復醫(yī)學理論表明，腦卒中患者通過積極有效的康復治療，可在一定程度上恢復肢體功能[1?3]。

運動功能康復評估，作為治療過程中必不可少的環(huán)節(jié)，對治療師康復方案的確定起著至關重要的作用[4]?，F(xiàn)有臨床運動功能康復評估方法大多采用量表形式進行，代表性的有Brunnstrom 分期[5]、Fugl?Mey?er評定量表(Fugl?Meyer Assessment,FMA)[6]、Barthel指數[7]和Wolf 運動功能測試等[8]。上述量表大多需要治療師采用半定量形式計分，受治療師主觀臨床經驗制約明顯，且難以實時反映患者的康復進展，具有一定的局限性[9?10]。

本文設計一種運動姿態(tài)與肌電融合的腦卒中患者上肢運動功能評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)運用姿態(tài)與肌電傳感器，分別實時檢測康復評估動作完成過程中患肢的姿態(tài)和肌電數據，并運用隱馬爾科夫模型計算患側相對健側的歸一化運動功能對數似然概率數值，進而評估患者上肢運動功能恢復程度。

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)院康復醫(yī)學中心，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)個月；腦梗死6 例，腦出血4 例。所有患者均符合1995年全國第四屆腦血管病學術會議通過的診斷標準[11]，并經CT或MRI證實。

納入標準：①年齡35～65 歲；②單側腦梗死或腦出血，初次發(fā)作，病程＞6 個月；③患側肢體有不同程度的運動功能障礙(Brunnstrom Ⅲ期及以上)；④意識清楚、心肺功能良好，生命體征平穩(wěn)，能很好地配合訓練；⑤無精神疾病，無認知和心理障礙。

排除標準：①腦卒中再發(fā)及其他神經系統(tǒng)疾?。虎谥囟纫钟?；③嚴重認知、行為及語言障礙；④心肺功能、生命體征不穩(wěn)定。

本研究已經南京同仁醫(yī)院倫理委員會審批通過。

1.2 方法

1.2.1系統(tǒng)設計

運動姿態(tài)與肌電融合的腦卒中患者上肢運動功能評估系統(tǒng)主要運用慣性測量[12]和表面肌電[13]傳感器，分別測量康復評估動作完成過程中患肢相應運動姿態(tài)和肌力變化特征，并進一步根據這些特征，運用隱馬爾科夫模型實時評估患者動作的分值[14]。設計流程見圖1。

1.2.2評估方法

患者在接受系統(tǒng)評估前，需當面簽訂知情同意書，并告知評估流程。為檢驗評估系統(tǒng)在患者上肢運動功能評價中的效度，患者首先接受治療師Fugl?Meyer 評定量表上肢部分(Fugl?Meyer Assessment?Up?per Extremities,FMA?UE)評估，然后再接受本系統(tǒng)評估。

錄入患者一般信息后，患者坐位，在大屏幕上選取康復動作，并觀看每組動作的標準示范。動作一：肘伸直，上肢上舉過頭。動作二：肘伸直，肩前屈30°前臂旋轉。動作三：手指觸鼻。根據不同評估動作，在患側肢體相應部位佩戴慣性測量傳感器和表面肌電傳感器，每個動作連續(xù)重復5 次，每次均采集患肢相應運動姿態(tài)和肌電數據。評估動作結束后，系統(tǒng)直接輸出在當前評估動作下患側相對健側上肢運動功能的歸一化對數似然概率值。

1.3 統(tǒng)計學分析

圖1 運動姿態(tài)與肌電融合的腦卒中患者上肢運動功能評估系統(tǒng)流程

采用SPSS 22.0 進行分析。對每種條件下評估系統(tǒng)的三種康復評估動作評分進行求和后，與患者FMA?UE 分數進行Spearson 相關性分析[15]，與單純基于運動姿態(tài)或肌電的評估系統(tǒng)效度進行比較；對運動姿態(tài)與肌電融合的評估系統(tǒng)按照動作分別進行系統(tǒng)信度評估[16]，由同一名醫(yī)師在2 周內分別對每位患者進行前后兩次評估，運用Pearson 相關分析獲取每個動作前后兩次評估的相關系數，并進一步同單純基于運動姿態(tài)或肌電評估系統(tǒng)信度進行比較。顯著性水平α=0.05。

2 結果

運動姿態(tài)與肌電融合后的系統(tǒng)評估結果，根據評估系統(tǒng)輸出的歸一化對數似然概率數值，可將患者上肢FMA?UE 評分大致分為“55/52/62”“48/44/41/37”和“24/21/17”三個階段，能較好地匹配患者運動功能變化。單純基于運動姿態(tài)的系統(tǒng)評估結果主要集中于“55/52/41/62”、“37/21/44/48”和“17/24”三個階段，與患者FMA?UE 評分變化趨勢不能呈現(xiàn)較好地一致性。單純基于肌電的系統(tǒng)評估結果，三類不同動作對患者FMA?UE 分數不能做出一致有效地的劃分。三種條件下評估系統(tǒng)的統(tǒng)計分析結果均與FMA?UE 評分呈現(xiàn)出不同程度正相關(P＜0.05)，其中運動姿態(tài)與肌電融合相關性最高。見表1～表3。

運動姿態(tài)、肌電及運動姿態(tài)與肌電融合的評估系統(tǒng)對三類康復動作的評估信度均值分別為0.852、0.772、0.885。見表4。

表1 基于運動姿態(tài)的上肢運動功能評估結果

表2 基于肌電的上肢運動功能評估結果

3 討論

現(xiàn)有腦卒中患者運動功能康復大多采用量表進行評估。這種評估方法存在以下不足：首先，依賴于治療師的主觀臨床經驗，測量結果不夠客觀；其次，每次評估均需治療師參與，不利于居家康復治療；最后，評估只能在治療前后進行，缺乏實時性。

表3 運動姿態(tài)與肌電融合的上肢運動功能評估結果

為在一定程度上解決上述問題，國內外學者開始研究基于可穿戴傳感器的腦卒中患者上肢運動功能評價系統(tǒng)，并已成為近年來康復醫(yī)療領域的一個研究熱點[17?18]。相關研究成果主要集中在構建基于標記點、Kinect 和慣性測量單元的運動功能康復評價系統(tǒng)。標記點，主要是讓患者在肢體關鍵部位穿戴特殊反光的光學標記點，并通過紅外相機記錄運動過程中患肢的運動姿態(tài)信息[19?20]；Kinect，主要是通過紅外深度攝像頭實時捕捉運動過程中肢體的運動姿態(tài)，本質是一種無標記點的動作捕捉系統(tǒng)[21?22]；慣性測量單元，是一種融合三軸加速度、三軸陀螺和三軸地磁的運動姿態(tài)檢測系統(tǒng)，可以實時檢測運動過程中患者肢體的運動姿態(tài)[23?24]。在上述三類運動功能評價系統(tǒng)中，基于光學標記點的評估系統(tǒng)價格昂貴；基于Kinect 的運動功能康復評估系統(tǒng)價格雖便宜，但姿態(tài)檢測精度不夠；慣性測量單元除需要進行標定外[25]，充分結合了其他兩類系統(tǒng)的優(yōu)點。

上述三類運動功能評估系統(tǒng)雖能在一定程度上解決傳統(tǒng)臨床評估方法存在的不足，但腦卒中患者康復過程不僅涉及關節(jié)活動范圍訓練，更重要的還有患肢肌力的訓練，以使患者能在一定程度上恢復日常生活技能。因此，腦卒中患者運動功能康復評估不僅需要監(jiān)測患肢關節(jié)活動范圍(姿態(tài))，還需要監(jiān)測患肢肌力恢復狀態(tài)?，F(xiàn)有基于可穿戴傳感器的運動功能康復評價系統(tǒng)大多僅通過姿態(tài)檢測來實現(xiàn)關節(jié)活動能力評估，仍具有一定的局限[26]。

本文在康復評估過程中除檢測患肢運動姿態(tài)外，進一步融入了康復過程中患肢的表面肌電數據，并以患者健側為參考，通過構建健側運動功能隱馬爾科夫模型，較好地實現(xiàn)了腦卒中患者的上肢運動功能評估。該系統(tǒng)以患者健側運動功能模型為參考，通過采集康復評估過程中患者的運動姿態(tài)與表面肌電數據，并進一步提取姿態(tài)與肌電相關特征，來計算患側相對健側運動功能的歸一化對數最大似然概率數值，該數值反映的是患側相對健側運動功能的百分比。初步的實驗結果表明，所設計的基于運動姿態(tài)與肌電的上肢運動功能評估系統(tǒng)，在腦卒中患者上肢運動功能評估方面具有一定的可行性，且對康復評估動作具有較好的信度；此外，姿態(tài)與肌電融合后的評估系統(tǒng)較單純運動姿態(tài)或肌電評估系統(tǒng)，具有更好的效度與信度。

本文開發(fā)的基于運動姿態(tài)與肌電融合的腦卒中患者上肢運動功能評估軟件，除具有較好的效度與信度外，還具有良好的實時性，患者可在沒有治療師參與情況下，隨時通過康復評估動作獲取到運動功能評價。該軟件系統(tǒng)目前已經在南京同仁醫(yī)院康復醫(yī)學科開始使用，系統(tǒng)參考FMA?UE，已經設計15類康復評估動作，本研究僅給出其中三個動作。該系統(tǒng)仍存在以下不足：測試患者數量需要進一步增加，以提高健側運動功能評估模型的準確度；康復評估動作數量需要進一步增加；姿態(tài)與肌電特征提取需要進一步優(yōu)化，以提高所遴選特征與運動功能之間的相關性。隨著臨床康復評估數據的進一步匯聚，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。

表4 運動姿態(tài)、肌電及運動姿態(tài)與肌電融合的系統(tǒng)評估信度