帕金森病凍結步態的智能檢測和干預研究

孫奕 榮哲 汪豐 徐暢 鄭慧芬

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

盡管目前已有一些針對FOG的干預設備,但多為單一干預,需要手動開啟,而且多在醫院內進行研究使用,無法滿足病人日常生活需求?？纱┐魇綉T性傳感器能進行時域、頻域分析,獲得PD病人的躺、坐、站、走和跑等運動特征,能對步頻、步幅、軀干傾角、起立行走試驗(timed up and go,TUG)時間以及運動對稱性、協調性等特征性運動參數進行實時、精準、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,開發實時檢測及智能干預系統,觀察視覺、聽覺和視聽覺聯合干預FOG的效果,以降低病人跌倒風險。

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院神經內科就診的具有FOG 的PD病人。入選標準:(1)年齡60～85歲;(2)符合2015年國際運動障礙學會原發性PD的診斷標準;(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。排除標準:(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)認知功能障礙、嚴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,并進行MMSE評分和H-Y分級評估。

1.2.2 FOG的檢測:采用東南大學蘇州醫療器械研究院開發的可穿戴慣性傳感器系統進行數據采集,該系統包含數據采集終端(可穿戴傳感器設備)和數據接收終端(上位機軟件)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;(2)嘈雜環境下的隨意走動任務;(3)模擬日常生活中的步行活動任務。對采集到的信號進行時域、頻域分析,提取3個時域特征和4個頻域特征,結合這些時域、頻域特征設計一個融合表征FOG發作概率的指數:凍結指數(FOG Score),當FOG Score的值大于報警閾值(根據每個特征參數與其對應的閾值進行比較得出)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的智能干預系統:系統的下位機軟件基于Keil uVision 5開發環境,使用C語言實現FOG的實時檢測、干預裝置的智能控制以及FOG事件標記等功能。根據系統實時檢測病人的腰部運動信號,通過計算時域及頻域特征判斷病人當前是否發生FOG,并與同步視頻標記的FOG做比較。如果存在FOG,則開啟視覺及聽覺干預裝置。視覺干預裝置:將視覺干預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。聽覺干預裝置:聽覺干預模塊選取S8550三極管驅動的有源蜂鳴器模塊,通過定時器設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出一次滴滴聲。

1.2.4 智能干預方案:選取在起立-行走和10 m折返二重任務中出現FOG的病人進入智能干預部分的研究。(1)入選病人分別完成僅視覺干預(1倍步長)、僅聽覺干預(1倍病人正常步頻提示音)以及視聽覺聯合干預(1倍步長聯合1倍病人正常步頻提示音)三種不同干預方式下的起立-行走和10 m折返二重任務。對比無干預、僅視覺干預、僅聽覺干預以及視聽覺聯合干預后,病人FOG的改善效果和步態質量變化,評估不同干預方式的有效性。(2)選取在第一部分干預中視覺干預效果顯著優于聽覺干預的病人,進行不同激光線間距的視覺干預比較,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中聽覺干預效果顯著優于視覺干預的病人,進行不同提示音頻的聽覺干預比較,蜂鳴器分別發出約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:包括兩個類別,一類為凍結評價指標,包括FOG發生次數、凍結平均持續時間、最大凍結指數、平均凍結指數;另一類為步態評價指標,包括步態啟動時間、轉身時間、平均步頻、平均步長。

2 結果

2.1 病人FOG數據 本研究29例病人全部完成FOG的檢測,其中有18例病人發生FOG,總計發生90次FOG。病人發生FOG的次數為2～26次,平均(5.13±2.85)次;每次FOG持續時間為1～25 s,平均(7.60±3.54)s。病人在轉身時發生FOG的次數最多(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(8次)次之,還有少數FOG事件發生于接近目的地(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例發生FOG病人的90次FOG數據,使用融合特征進行FOG的檢測,發現存在1次漏報(1.11%),2次誤報(2.22%),準確率達96.67%,平均延遲預警時間為(1.23±0.36)s,平均預測時間為(0.96±0.15)s。

2.3 FOG的智能干預效果 對18例發生FOG的病人進行的干預結果表明,視覺干預組病人的FOG發生次數及最大凍結指數較無干預組下降,平均步長增加,差異有統計學意義(P<0.05);聽覺干預組病人與無干預組相比,FOG發生次數減少,轉身時間縮短,差異有統計學意義(P<0.05);與無干預組比較,視聽覺聯合干預組病人的FOG發生次數明顯減少,FOG平均持續時間縮短,最大凍結指數和平均凍結指數顯著降低,轉身時間、平均步頻和平均步長均有所改善,差異均有統計學意義(P<0.05或P<0.01)。見表1。

2.4 6例視覺干預效果更顯著的病人不同激光線間距干預效果比較 與1.5倍步長相比,1倍步長時病人凍結發生次數減少,平均凍結指數降低,平均步長增加,差異有統計學意義(P<0.05);與2倍步長相比,1倍步長時凍結評價指標及步態評價指標均有改善,差異有統計學意義(P<0.05),見表2。

表2 不同激光線間距對FOG干預效果比較

2.5 6例聽覺干預效果更顯著的病人不同聽覺步頻干預效果比較 與0.9倍步頻相比,1.1倍步頻FOG發生次數及持續時間減少,最大及平均凍結指數降低,轉身時間縮短,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發生次數減少,平均凍結指數降低,平均步頻和步長增加,差異有統計學意義(P<0.05),見表3。

3 討論

FOG是PD運動癥狀中發病率較高的步態障礙,常合并跌倒的發生,嚴重影響病人的生活質量。目前已有一些FOG自動檢測和干預研究,多為視覺或聽覺的單一干預手段,尚無兩者結合的研究。Morris等[9]將激光發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的節拍器應用程序提供聽覺提示,病人按照聽覺提示的節拍邁步,可以有效解除FOG。丁航等[11]提出一種基于引導光線提示的FOG干預技術,利用慣性傳感器和超聲傳感器采集數據,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備,設計了一套FOG自動檢測及智能干預系統,視覺干預模塊選取一字型激光發射器,聽覺干預模塊選取有源蜂鳴器模塊。結果表明,系統能實時檢測到絕大多數FOG事件,準確率達96.67%;視覺干預和聽覺干預均能顯著改善病人的FOG,視聽覺聯合干預的療效更佳。其機制為PD病人FOG的發生是由于運動網絡皮層和皮層下區域之間的結構發生病變,導致功能連接中斷,進而皮層的高級功能參與了FOG的發生。視覺或聽覺干預時,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節,信號經由視覺或聽覺區域抵達小腦區域,從而達到改善FOG的目的。

本研究只有1例病人存在1次漏報,2例病人出現誤報。對比分析視頻和檢測數據,發現該漏報病人在FOG發作期間,下肢有輕微抖動,且凍結程度不嚴重,不到2 s即解除,因此系統未檢測到該次短暫且較輕微的FOG。2次誤報病人,是病人姿勢穩定性較差,系統誤將病人在行走過程中身體的晃動識別為FOG。

當前,針對PD病人FOG的治療手段主要包括藥物治療、手術治療和康復治療等。臨床醫生常采用打拍子或“跨越”地面線條方式指導病人緩解或解除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效果存在差異,單一的干預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備的視覺、聽覺智能干預方法,病人可以在家庭環境下使用,能有效地減少病人跌倒,降低受傷甚至骨折風險,提高生活質量,減輕病人及家屬的負擔。

當然,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,需要進一步擴大樣本量以驗證方法的可靠性和普適性;其次,研究采用的干預方式雖然對于大多數病人較為有效,但干預效果有明顯的異質性,在后續研究中需要考慮個體化的干預方式。