孫奕 榮哲 汪豐 徐暢 鄭慧芬

PD是最常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病,表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)遲緩、靜止性震顫、強(qiáng)直和姿勢(shì)步態(tài)異常等運(yùn)動(dòng)癥狀和睡眠障礙、認(rèn)知損害、嗅覺(jué)減退等非運(yùn)動(dòng)癥狀[1-2]。凍結(jié)步態(tài)(freezing of gait,FOG)是PD病人常見(jiàn)的步態(tài)障礙,表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)過(guò)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(duì)FOG的干預(yù)設(shè)備,但多為單一干預(yù),需要手動(dòng)開(kāi)啟,而且多在醫(yī)院內(nèi)進(jìn)行研究使用,無(wú)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(shí)域、頻域分析,獲得PD病人的躺、坐、站、走和跑等運(yùn)動(dòng)特征,能對(duì)步頻、步幅、軀干傾角、起立行走試驗(yàn)(timed up and go,TUG)時(shí)間以及運(yùn)動(dòng)對(duì)稱(chēng)性、協(xié)調(diào)性等特征性運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、可靠的檢測(cè)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(duì)PD病人的FOG,開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)檢測(cè)及智能干預(yù)系統(tǒng),觀察視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和視聽(tīng)覺(jué)聯(lián)合干預(yù)FOG的效果,以降低病人跌倒風(fēng)險(xiǎn)。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)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(guó)際運(yùn)動(dòng)障礙學(xué)會(huì)原發(fā)性PD的診斷標(biāo)準(zhǔn);(3)門(mén)診或住院的Hoehn-Yahr分級(jí)(H-Y)2～4級(jí),主訴存在FOG或FOG問(wèn)卷量表第3項(xiàng)得分≥1分。排除標(biāo)準(zhǔn):(1)無(wú)獨(dú)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(tīng)力受損不能配合的病人。所有病人均簽署知情同意書(shū)。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(píng)分(25.64±1.23)分,H-Y分級(jí)2級(jí)3例,3級(jí)22例,4級(jí)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(píng)分和H-Y分級(jí)評(píng)估。

1.2.2 FOG的檢測(cè):采用東南大學(xué)蘇州醫(yī)療器械研究院開(kāi)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(cè)動(dòng)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(dòng)任務(wù);(3)模擬日常生活中的步行活動(dòng)任務(wù)。對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析,提取3個(gè)時(shí)域特征和4個(gè)頻域特征,結(jié)合這些時(shí)域、頻域特征設(shè)計(jì)一個(gè)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(bào)警閾值(根據(jù)每個(gè)特征參數(shù)與其對(duì)應(yīng)的閾值進(jìn)行比較得出)時(shí),提示檢測(cè)到FOG或過(guò)渡階段信號(hào)(圖1);檢測(cè)的同時(shí)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(kāi)發(fā)環(huán)境,使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)FOG的實(shí)時(shí)檢測(cè)、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(shí)時(shí)檢測(cè)病人的腰部運(yùn)動(dòng)信號(hào),通過(guò)計(jì)算時(shí)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(kāi)啟視覺(jué)及聽(tīng)覺(jué)干預(yù)裝置。視覺(jué)干預(yù)裝置:將視覺(jué)干預(yù)模塊佩戴在病人腰部正前方,在病人前方1～2個(gè)步長(zhǎng)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(zhǎng)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(tīng)覺(jué)干預(yù)裝置:聽(tīng)覺(jué)干預(yù)模塊選取S8550三極管驅(qū)動(dòng)的有源蜂鳴器模塊,通過(guò)定時(shí)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(jué)干預(yù)(1倍步長(zhǎng))、僅聽(tīng)覺(jué)干預(yù)(1倍病人正常步頻提示音)以及視聽(tīng)覺(jué)聯(lián)合干預(yù)(1倍步長(zhǎng)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(duì)比無(wú)干預(yù)、僅視覺(jué)干預(yù)、僅聽(tīng)覺(jué)干預(yù)以及視聽(tīng)覺(jué)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(píng)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(jué)干預(yù)效果顯著優(yōu)于聽(tīng)覺(jué)干預(yù)的病人,進(jìn)行不同激光線間距的視覺(jué)干預(yù)比較,激光線距離分別為1倍、1.5倍、2倍步長(zhǎng)。(3)選取在第一部分干預(yù)中聽(tīng)覺(jué)干預(yù)效果顯著優(yōu)于視覺(jué)干預(yù)的病人,進(jìn)行不同提示音頻的聽(tīng)覺(jué)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(gè)類(lèi)別,一類(lèi)為凍結(jié)評(píng)價(jià)指標(biāo),包括FOG發(fā)生次數(shù)、凍結(jié)平均持續(xù)時(shí)間、最大凍結(jié)指數(shù)、平均凍結(jié)指數(shù);另一類(lèi)為步態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo),包括步態(tài)啟動(dòng)時(shí)間、轉(zhuǎn)身時(shí)間、平均步頻、平均步長(zhǎng)。

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(cè),其中有18例病人發(fā)生FOG,總計(jì)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(shí)間為1～25 s,平均(7.60±3.54)s。病人在轉(zhuǎn)身時(shí)發(fā)生FOG的次數(shù)最多(25次),其次是啟動(dòng)(18次)和通過(guò)狹窄通道(15次)時(shí),繞過(guò)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(shí)。

2.2 FOG自動(dòng)檢測(cè)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(cè),發(fā)現(xiàn)存在1次漏報(bào)(1.11%),2次誤報(bào)(2.22%),準(zhǔn)確率達(dá)96.67%,平均延遲預(yù)警時(shí)間為(1.23±0.36)s,平均預(yù)測(cè)時(shí)間為(0.96±0.15)s。

2.3 FOG的智能干預(yù)效果 對(duì)18例發(fā)生FOG的病人進(jìn)行的干預(yù)結(jié)果表明,視覺(jué)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(wú)干預(yù)組下降,平均步長(zhǎng)增加,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);聽(tīng)覺(jué)干預(yù)組病人與無(wú)干預(yù)組相比,FOG發(fā)生次數(shù)減少,轉(zhuǎn)身時(shí)間縮短,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);與無(wú)干預(yù)組比較,視聽(tīng)覺(jué)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(shí)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(shí)間、平均步頻和平均步長(zhǎng)均有所改善,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05或P<0.01)。見(jiàn)表1。

2.4 6例視覺(jué)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(zhǎng)相比,1倍步長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)增加,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);與2倍步長(zhǎng)相比,1倍步長(zhǎng)時(shí)凍結(jié)評(píng)價(jià)指標(biāo)及步態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)均有改善,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),見(jiàn)表2。

表2 不同激光線間距對(duì)FOG干預(yù)效果比較

2.5 6例聽(tīng)覺(jué)干預(yù)效果更顯著的病人不同聽(tīng)覺(jué)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(shí)間減少,最大及平均凍結(jié)指數(shù)降低,轉(zhuǎn)身時(shí)間縮短,平均步長(zhǎng)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(zhǎng)增加,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),見(jiàn)表3。

3 討論

FOG是PD運(yùn)動(dòng)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(dòng)檢測(cè)和干預(yù)研究,多為視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)的單一干預(yù)手段,尚無(wú)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(zhǎng)度約50 cm、間距約一個(gè)步長(zhǎng)的激光射線,能有效解除FOG。Sweeney等[10]通過(guò)無(wú)線耳片和一個(gè)基于智能手機(jī)的節(jié)拍器應(yīng)用程序提供聽(tīng)覺(jué)提示,病人按照聽(tīng)覺(jué)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(duì)有FOG的PD病人的步長(zhǎng)、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(jì)了一套FOG自動(dòng)檢測(cè)及智能干預(yù)系統(tǒng),視覺(jué)干預(yù)模塊選取一字型激光發(fā)射器,聽(tīng)覺(jué)干預(yù)模塊選取有源蜂鳴器模塊。結(jié)果表明,系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)到絕大多數(shù)FOG事件,準(zhǔn)確率達(dá)96.67%;視覺(jué)干預(yù)和聽(tīng)覺(jué)干預(yù)均能顯著改善病人的FOG,視聽(tīng)覺(jué)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(dòng)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(jí)功能參與了FOG的發(fā)生。視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)干預(yù)時(shí),外界提供的視覺(jué)刺激可以使信息傳遞繞過(guò)病人受損的基底神經(jīng)節(jié),信號(hào)經(jīng)由視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)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(bào),2例病人出現(xiàn)誤報(bào)。對(duì)比分析視頻和檢測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)該漏報(bào)病人在FOG發(fā)作期間,下肢有輕微抖動(dòng),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(cè)到該次短暫且較輕微的FOG。2次誤報(bào)病人,是病人姿勢(shì)穩(wěn)定性較差,系統(tǒng)誤將病人在行走過(guò)程中身體的晃動(dòng)識(shí)別為FOG。

當(dāng)前,針對(duì)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(shí)候并不能滿足病人日常生活需求。而且,由于不同病人對(duì)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)干預(yù)效果存在差異,單一的干預(yù)手段無(wú)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(jué)、聽(tīng)覺(jué)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(xiǎn),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(duì)較小且為單中心研究,需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量以驗(yàn)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(duì)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(gè)體化的干預(yù)方式。