何娟娟 ，姚志明，李波陳 ，王建國(guó)，楊先軍

1 中國(guó)科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 合肥智能機(jī)械研究所，合肥市，230031

2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥市，230026

0 引言

世界帕金森病協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示中國(guó)（Parkinson's Disease,PD）患者超過(guò)250萬(wàn)，而且以每年10萬(wàn)的速度遞增。然而PD的發(fā)病病因尚不明確，其主要病理特點(diǎn)為中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元嚴(yán)重缺失和紋狀體多巴胺神經(jīng)遞質(zhì)減少[1-2]，其臨床運(yùn)動(dòng)特征主要為震顫、肌強(qiáng)直、運(yùn)動(dòng)遲緩和姿勢(shì)不穩(wěn)。

運(yùn)動(dòng)遲緩是PD典型運(yùn)動(dòng)障礙癥狀，也是PD確診的必要癥狀，對(duì)藥物治療敏感。作為PD的最典型特征，運(yùn)動(dòng)遲緩影響所有PD患者并干擾其日?；顒?dòng)，其主要臨床表現(xiàn)為動(dòng)作變慢，行動(dòng)困難，主動(dòng)運(yùn)動(dòng)能力喪失[3]。

傳統(tǒng)的PD評(píng)估主要依賴于臨床觀察和主觀量表。近年來(lái)出現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)傳感器的可穿戴的PD運(yùn)動(dòng)障礙量化評(píng)估方法。本文將對(duì)運(yùn)動(dòng)遲緩評(píng)估方法進(jìn)行綜述，重點(diǎn)闡述近年來(lái)國(guó)內(nèi)外可穿戴設(shè)備用于運(yùn)動(dòng)遲緩量化評(píng)估的方法及技術(shù)。

1 運(yùn)動(dòng)遲緩量表評(píng)估

傳統(tǒng)的PD臨床評(píng)估主要依賴量表來(lái)實(shí)現(xiàn)PD嚴(yán)重程度的評(píng)估。表1列舉出了國(guó)內(nèi)外使用較多的評(píng)估量表。

表1 PD運(yùn)動(dòng)癥狀評(píng)估量表及用途Tab.1 Parkinson's exercise symptom assessment scale and its use

目前運(yùn)動(dòng)遲緩的評(píng)估量表中應(yīng)用最為廣泛的為UPDRS量表，該量表包含四個(gè)部分：第一部分為心理活動(dòng)，行為和情緒評(píng)估；第二部分為日常生活活動(dòng)的自我評(píng)估；第三部分為運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估；第四部分為治療并發(fā)癥評(píng)估。運(yùn)動(dòng)遲緩的評(píng)估主要用到第三部分運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估。UPDRS通常與Hoehn&Yahr量表和ADLS一起使用。

依靠量表的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)評(píng)估方式主要依據(jù)病人對(duì)自身情況的描述和醫(yī)生的主觀觀察，從而進(jìn)行評(píng)分診斷。醫(yī)生采用這種診斷方式無(wú)法得到較為準(zhǔn)確且長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)作為評(píng)分依據(jù)，存在主觀性強(qiáng)，診斷誤差大的弊端。

2 運(yùn)動(dòng)遲緩可穿戴設(shè)備評(píng)估

近年來(lái)研究出了多種智能評(píng)估方法用于PD的運(yùn)動(dòng)障礙評(píng)估領(lǐng)域，例如，一些研究人員利用了紅外線攝像機(jī)或激光傳感器客觀地測(cè)量運(yùn)動(dòng)遲緩[4-5]。然而大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)（例如光學(xué)跟蹤）是為實(shí)驗(yàn)室使用而設(shè)計(jì)的，并且對(duì)于家庭使用來(lái)說(shuō)太笨重，復(fù)雜且昂貴。其他系統(tǒng)，如活動(dòng)記錄儀，重點(diǎn)是監(jiān)測(cè)整體活動(dòng)，而不是量化特定的癥狀嚴(yán)重程度[6-8]。相較而言，可穿戴設(shè)備重量輕，成本低，且可隨時(shí)隨地進(jìn)行癥狀的量化評(píng)估，便于制定個(gè)性化治療方案和遠(yuǎn)程療效評(píng)估及監(jiān)護(hù)。因此一些研究人員致力于可穿戴設(shè)備進(jìn)行PD量化評(píng)估的研究。

如NIAZMAND等[9]使用兩個(gè)金屬接觸件作為觸摸傳感器，結(jié)合加速度計(jì)和壓力傳感器測(cè)量PD患者手指敲擊的間隔。KIM等[10]使用陀螺儀在手指輕拍期間量化運(yùn)動(dòng)遲緩。HELDMAN等[11]利用慣性傳感器開(kāi)發(fā)出下肢運(yùn)動(dòng)遲緩的評(píng)估系統(tǒng)。PRINTY等[12]提出了一個(gè)量化手指運(yùn)動(dòng)遲緩的智能手機(jī)應(yīng)用程序。ZWARTJES等[13]設(shè)計(jì)了基于加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)遲緩的嚴(yán)重程度進(jìn)行分類。

可穿戴設(shè)備中常用的傳感器有加速度傳感器、陀螺儀以及壓力傳感器，除此之外，表面肌電傳感器、磁運(yùn)動(dòng)傳感器等[14-17]也可用于量化運(yùn)動(dòng)遲緩，如表2所示，列舉了常用傳感器的放置位置以及測(cè)量參數(shù)。

表2 常見(jiàn)的傳感器類型、放置位置及測(cè)量參數(shù)Tab.2 Common sensor types,placement position and parameters

2.1 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集

在運(yùn)動(dòng)遲緩數(shù)據(jù)采集方面，研究人員根據(jù)研究目標(biāo)與實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，包括對(duì)受試者的選取和實(shí)驗(yàn)任務(wù)的設(shè)計(jì)。

（1）受試者

選取老年P(guān)D組和年齡匹配的健康對(duì)照組作為受試者，為防止受試者可能患有的其他運(yùn)動(dòng)障礙疾病對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾，受試者的選取一般需要額外滿足以下要求：無(wú)癡呆（遵循國(guó)際疾病分類ICD-10癡呆的定義）或精神異常，不同時(shí)患有其他運(yùn)動(dòng)障礙疾?。ㄈ缟现C形、關(guān)節(jié)炎等），PD患者能獨(dú)立完成運(yùn)動(dòng)任務(wù)[20]。

（2）實(shí)驗(yàn)任務(wù)

通常根據(jù)UPDRS量表的第3部分來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，即量表的運(yùn)動(dòng)檢查部分。常規(guī)的方案是指導(dǎo)病人按照量表完成測(cè)試動(dòng)作，例如手指開(kāi)合與抓取、手臂快速交替旋前-旋后，坐站轉(zhuǎn)換，行走等。

如MEMAR等[26]的運(yùn)動(dòng)任務(wù)如圖1所示，受試者首先被要求坐在椅子上，然后從椅子上起立，以自己舒適的行走速度連續(xù)走一圈17 m長(zhǎng)的橢圓形走道，連續(xù)行走五圈，完成最后一圈后，受試者回到椅子上坐了下來(lái)。稍事休息后，受試者以盡可能快的步行速度執(zhí)行相同的任務(wù)。

圖1 MEMAR等的運(yùn)動(dòng)任務(wù)Fig.1 Motion tasks of MEMAR et al.

NIAZMAND等[9]的運(yùn)動(dòng)任務(wù)如圖2所示，讓受試者盡可能快速地執(zhí)行手指敲擊動(dòng)作30 s，以手指敲擊的運(yùn)動(dòng)頻率來(lái)量化運(yùn)動(dòng)遲緩。

圖2 NIAZMAND等的運(yùn)動(dòng)任務(wù)Fig.2 Motion tasks of NIAZMAND et al.

2.2 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中容易受到外界噪聲的干擾，PD患者的不自主震顫也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾，通過(guò)數(shù)據(jù)濾波預(yù)處理可有效地改善噪聲和震顫的影響。常用的濾波算法包括算數(shù)平均值濾波、滑動(dòng)平均值濾波、中值濾波、復(fù)合數(shù)字濾波、防脈沖干擾平均濾波、程序判斷濾波、限幅濾波、限速濾波。傳感器ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換）采樣，可優(yōu)先采用算數(shù)平均值濾波和滑動(dòng)平均值濾波。此外，卡爾曼濾波器、數(shù)字巴特沃斯濾波器、互補(bǔ)濾波器在傳感器濾波中也有應(yīng)用，其中互補(bǔ)濾波器適用于兩種傳感器進(jìn)行融合的場(chǎng)合，可應(yīng)用于陀螺儀數(shù)據(jù)和加速度傳感器數(shù)據(jù)的融合。

加速度傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)信號(hào)是運(yùn)動(dòng)加速度與重力加速度的疊加，可以通過(guò)FIR高通濾波器剔除重力加速度分量，或是通過(guò)IIR低通濾波器得到重力加速度分量。如SALARIAN等[27]對(duì)測(cè)量信號(hào)使用截止頻率為3.5 Hz的八度低通IIR濾波器，濾除噪聲和消除震顫影響。ENDO等[28]使用2.5 Hz低通濾波器來(lái)平滑EMG（肌電信號(hào)）波形。HELDMAN等[11]使用10 Hz的二階巴特沃斯濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波以去除高頻噪聲。

（2）特征提取與識(shí)別分類

目前運(yùn)動(dòng)遲緩沒(méi)有特定的量化評(píng)估參數(shù)，當(dāng)前使用較多的特征參數(shù)為幅度、頻率、速度[9-13]等時(shí)域特征，頻域特征可提取快速傅里葉變換系數(shù)、信號(hào)能量、頻域熵，如表3所示為當(dāng)前常用傳感器可提取的特征參數(shù)。

表3 常用傳感器可提取的特征參數(shù)Tab.3 Features that can be extracted by common sensors

在運(yùn)動(dòng)遲緩的量化方面，研究人員們多采用機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別分類的方法，其中算法模型包括支持向量機(jī)、多元線性回歸、隨機(jī)森林、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隱馬爾可夫模型等，此外還有峰值檢測(cè)算法以及閾值檢測(cè)算法法，如HELDMAN等[11]使用多元線性回歸模型將定量特征與臨床醫(yī)師MDS-UPDRS評(píng)分相關(guān)聯(lián)：

R為臨床醫(yī)師的評(píng)分，b0和Bj是回歸系數(shù)，Pj的n值是從運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)中提取的量化變量。對(duì)新數(shù)據(jù)的泛化使用留一法交叉驗(yàn)證，此模型計(jì)算得出的輸出分?jǐn)?shù)與平均臨床醫(yī)師MDS-UPDRS分?jǐn)?shù)的平均相關(guān)系數(shù)和RMS誤差分別為0.86和0.47。

PRINTY等[12]在具有徑向基函數(shù)（RBF）核的C-支持向量分類公式下構(gòu)建的支持向量機(jī)（SVM）模型和具有500棵樹(shù)的隨機(jī)森林模型分別作為分類模型對(duì)PD患者進(jìn)行識(shí)別分類。SVM分類器的平均錯(cuò)誤率為0.055，AUC（Area Under Curve）為0.916 6，隨機(jī)森林分類器平均錯(cuò)誤率為0.111，AUC為0.916 6。

ZWARTJES等[13]使用決策樹(shù)對(duì)活動(dòng)進(jìn)行分類，在特定節(jié)點(diǎn)上使用加速度傳感器輸出的絕對(duì)值積分(IAA)來(lái)檢測(cè)靜態(tài)活動(dòng)和動(dòng)態(tài)活動(dòng)：

ax，ay，az分別表示x，y，z軸的加速度信號(hào)。該方法對(duì)PD患者的活動(dòng)分類總體準(zhǔn)確度達(dá)到98.9%，對(duì)健康對(duì)照組活動(dòng)分類總體準(zhǔn)確度為99.3%。對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行識(shí)別后提取步長(zhǎng)、步速等特征值，利用峰值檢測(cè)算法量化運(yùn)動(dòng)遲緩，得出此方法輸出得分與UPDRS得分顯著相關(guān)。

SAMà等[20]通過(guò)Relief算法將最適合檢測(cè)步行的特征識(shí)別為最大化類間距離并最小化類內(nèi)距離的特征，識(shí)別出可用于檢測(cè)行走的特征，設(shè)定相應(yīng)閾值來(lái)檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)遲緩和非運(yùn)動(dòng)遲緩，在第n次行走回合中檢測(cè)到的步幅由一組表示從分析中排除步行第一步和最后兩步，將運(yùn)動(dòng)遲緩分析為自由運(yùn)動(dòng)。因此，排除了對(duì)應(yīng)于步態(tài)開(kāi)始和步態(tài)終止的步幅，步幅的子集

3 存在的問(wèn)題及展望

3.1 存在的問(wèn)題

目前關(guān)于可穿戴設(shè)備在運(yùn)動(dòng)遲緩量化評(píng)估的研究方面依然存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）當(dāng)前大部分的PD運(yùn)動(dòng)障礙測(cè)量設(shè)備使用的是單個(gè)的陀螺儀或加速度傳感器等對(duì)單一動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，評(píng)估局限性大，且可能存在誤差較大，評(píng)估精度不夠的問(wèn)題。

（2）缺乏大量數(shù)據(jù)樣本，在目前的研究中，樣本數(shù)據(jù)基本為研究人員自行采集，數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量和質(zhì)量都參差不齊，用于量化的樣本量較少，所得出的研究結(jié)論可能不具有普適性且存在地域差異性。

（3）缺少對(duì)研究對(duì)象長(zhǎng)期連續(xù)不斷的跟蹤調(diào)查，目前的研究基本都是招募幾十個(gè)受試者，采集一定量的數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析得出相應(yīng)結(jié)論，但PD具有逐漸進(jìn)展的特點(diǎn)，需要對(duì)PD患者進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤調(diào)查與評(píng)估驗(yàn)證。

3.2 展望

當(dāng)前仍需研究運(yùn)動(dòng)遲緩自動(dòng)檢測(cè)及量化分級(jí)方法，為PD客觀定量診療和日常監(jiān)測(cè)提供新途徑，降低檢測(cè)成本，讓患者可以隨時(shí)隨地檢測(cè)病癥。另外，應(yīng)盡可能增大PD患者數(shù)據(jù)樣本量，并且收集分析不同地區(qū)PD患者數(shù)據(jù)樣本，以增大研究結(jié)果的普適性和降低地域差異。