日常生活中可穿戴设备测量步态参数的有效性

黄永超，翟美玲，赵玉琪，冯嘉韵，文 立

(1.天津体育学院 社会体育与健康科学学院，天津 301617;2.天津体育学院 运动训练科学学院，天津 301617;3.南京体育学院 运动健康学院，江苏 南京 210014)

0 前 言

定量步态分析是一种寻找病理、损伤或其他步态特征重要的临床工具[1]，对于异常步态的诊断和治疗至关重要，可以为外科手术提供信息，评估治疗效果[2-4]。一些论文通过对儿童步态的发展[5]、步态与跌倒风险联系的分析[6]以及它与成人痴呆症的关系[7]的研究中表明步态测量在整个生命过程中的重要性。正确量化安全有效的步态对于老人和存在运动障碍的人来说至关重要，相关调查显示以上人群由于摔倒风险过高其独立性受到影响[8]，而且摔倒是导致他们受伤和死亡的主要原因[9]。

有研究使用3D运动分析系统和/或测力板在标准化的实验室条件下检查了大量样本的运动学和动力学数据[10]。虽然这些方法可以客观地对步态的进行评价，但由于这些技术需要测试人员的专业技术，而且测量非常耗时，故在临床中并不适用。

随着电子元件小型化技术的进步，推动了可穿戴设备在步态研究和临床辅助上的应用[11]。由于该技术在日常生活使用中需要依赖于微型网络，所以该设备可以整合到人们的生活环境中，并且佩戴时不会影响人的步态[12]。加速度计在评估人体运动和步态方面变得越来越受欢迎，设备体积小，价格实惠，具有准确性高和储存数据能力，是研究和临床评估的有效工具，基于加速度计的步态分析逐渐成为传统步态分析的潜在替代方法[13,14]。

当受试者在临床接受步态检查时，他们可能会更加认真，人为地提高表现，在家里测量的步态比在临床测量的步态更慢、更多变，这表明在临床以“习惯性步速”测量的步态可能反映了最佳的步态表现[15]，这种环境下进行的步态分析不一定能捕捉到受试者在日常生活中的习惯步态[16]。

为了避免改变受试者的习惯，在日常活动监测过程中必须将最小数量的传感器放置在最不引人注意的位置。由于最近的技术进步，基于惯性测量单元(IMU)的可穿戴传感器已经成为捕获连续步态数据的理想选择，使步态分析从专业步态实验室进行的传统评估过渡到日常生活监测[11]。

评估可穿戴设备的有效性将有助于了解日常生活中的步态模式，因此，本文的目的是总结在日常生活中，使用可穿戴设备检测健康人、亨廷顿病患者、帕金森病患者以及中风患者步态参数的有效性。

1 可穿戴设备

可穿戴设备包括惯性传感器、计步器、GPS系统、脚踏开关、压力感应鞋垫和心率监测器等，其中使用最常见的是惯性传感器。惯性传感器包括加速度计、陀螺仪和磁力计等，惯性传感器中使用最常见的是加速度计。

最近对步态研究的综述表明加速度计、陀螺仪和磁力仪[17]这样的传感器，单独或联合都可以作为重要的测量单元[18]，已经成为严格基于实验室的步态特征量化方法的一种常见的替代方法[17,18]。

从加速度计信号中提取的信息可以转换成运动量、时空步态参数、变异性或有关步态对称性和步态质量的高级度量。运动量包括步数或步行次数[6,15,19-22]、步行距离[20]和步行时间[19-22]，步行距离包括步长和步幅[20,21]，步行时间包括步长时间[21,22]、步幅时间[21]和步态周期特点阶段的时间[22]。频率包括峰值1min和30min频率[23,24]，以及双峰频率[6,15]。与速度相关的参数包括速度[15,19,20,22]和加速度[25-28]，加速度通常使用加速度的平均值[25,26]或均方根值[27,28]。传统的变异性测量是以时空步态参数和加速度变量的标准差或变异系数来计算的。最常见的变异性测量是步长时间变异性[15,22,29]和步幅时间变异性[27,29,30]，其次是加速度变异性[25]、距离变异性[22]、时间变异性[22,29]、频率变异性[22]和速度变异性[15,22,28]。除上述的基本变量外，对称性[21,27,28]也是加速度计信号中可提取的信息，与步长规律性[21]和步幅规律性[21,27,28]密切相关。

陀螺仪和/或磁力计可以确定关节和运动环节的角度和角速度[25,31]，气压计确定高度的变化[15]，GPS记录的速度[32]，计步器[23]、压力感应鞋垫[29]和脚踏开关[33]产生步数。

加速度计、3D陀螺仪、3D磁力计和气压计通常共同存在于同一设备中，而计步器、GPS系统、脚踏开关、压力感应鞋垫和心率监测器都是独立设备。

可穿戴设备通常用带子或粘合剂直接附着在人体上[34]以提高准确率[35]。 放置可穿戴设备的位置应根据研究问题确定[36,37]。例如，在脚上放置可能适合于研究脚的触地模式[38]，而在腰背部的放置可以用来描述整个身体的运动模式与刚度、冲击和衰减的关系[39]。单个三轴加速度计常用于腰部的位置[2]，该位置的研究方法可以简单而有效的记录运动过程中质心的运动模式[3]。

只有当可穿戴设备以足够大的频率连续采样时，方能确保数据的高精度(例如，100个数据点/s)时，其采集数据的功能才是可用的，这需要可穿戴设备的电池寿命具有较高的品质标准[40]。

2 可穿戴设备检测日常生活中步态的有效性

可穿戴设备使我们能够在传统步态实验室之外分析步态。这些设备在大规模研究和临床环境中使用之前，需要详细评估它们在不同人群中的性能。此外，大多数相关研究都是在实验室环境中进行的，与日常生活相比，步行道更小更短，这造成了异常行走条件[10]。此外，单程步幅分析限制了步态变异性和对称性的确定，而这两个参数是评价病理性步态的重要参数。

2.1 健康人群

Senden R等人研究了利用加速度计测量步态参数的重复性和观测者间的可靠性，并分析了年龄和性别对敏感度的影响[41]。步频和步速等基本参数表现出较高的重复性和观察者间的可靠性，这与Mackey等人[14]的测量结果一致。对称性仅有良好的重复性和可靠性，出现这一现象的原因可能是由于对称性的方差系数较低，微小的变化就会导致较大的差异，100Hz的采样频率不足以更加精确地采集对称性数据。基本步态参数在年龄和性别上的变化与其他实验室步态研究的结果一致，男性步长较大，步频较低[10,42]，老年人步速较慢、步长较短、步长时间较长[42,43]。Storm FA[43]等人利用放置腰部和腿部的惯性传感器来对比实验室和现实生活中识别步态事件的准确性，其结果显示无论是在实验室环境还是日常生活中，腿部放置的惯性传感器比腰部传感器识别步态事件的准确性高，这与Trojaniello等人[44]的研究结果一致，在实验室和现实生活两种环境下，设备测量数据的准确性差异极小，所以日常生活行走过程中的步态参数影响不大，表明可穿戴设备在日常生活中检测步态参数的有效性。

2.2 亨廷顿病患者

测量亨廷顿病(HD)运动损伤的主要方法是统一的亨廷顿病评定量表(UHDRS)运动总评分[45]。尽管该量表很有价值，但它具有主观性和特异性[46,47]，需要经过大量的培训才能正确使用，且只能在临床上针对损伤进行评估。Andrzejewski[48]等人使用可穿戴设备对健康受试者和亨廷顿病患者在临床和日常生活两种环境下进行步态测量，以评价可穿戴设备在日常生活中测量亨廷顿病患者运动障碍的可行性和能力，其结果显示HD患者的步长时间变异性高于对照组，这符合之前的临床研究得出的结果——HD患者的步长时间变异性随疾病严重程度的增加而增加[49,50]，除此之外，HD患者与对照组的其他步态参数差异值较小，在这项研究中初步证实了在家中使用可穿戴传感器是可行的，耐受性良好。Adams JL等人[51]使用可穿戴设备测量帕金森、亨廷顿病患者和准亨廷顿病患者(携带亨廷顿病遗传基因，但尚未表现出性状)，分别在临床和家庭环境中的步态，得出结论——可穿戴设备可以识别出有运动障碍的人和没有运动障碍的人在步态上的显着差异，此外，连续、客观地监测可以揭示临床上未能检测到的疾病特征，证实了在有运动障碍的个体中，使用可穿戴设备测量日常生活中步态参数是有效的，后来的研究也进一步证明了这一结论[52]。

2.3 帕金森病患者

在帕金森病(PD)的运动症状中，姿势不稳和步态障碍的特征十分明显，因此这类人群的摔倒风险高、灵活性低。由于对步态障碍患者的经典临床评估不能充分反映他们在日常生活中的实际状况，所以在日常生活活动期间对患者进行动态评估，有可能成为一种量化临床外步态和运动质量的方法。

一般来说，帕金森病患者不能以一致的步态模式行走，因此步态模式的步幅波动(例如，步幅时间)比健康组大很多，因此，步态变异性可作为衡量帕金森病患者步态质量的一个衡量标准[53]。Weiss A[54]等人使用腰部佩戴的3D加速度计测量健康老年人和帕金森病患者在临床和日常生活中的步态变异性，结果表明患者和对照组在临床和日常生活中的步态变异性有明显不同，而患者服用抗帕金森药物后其步态变异性有所改善，根据步态障碍的测量，步态变异性也与步态障碍的严重程度有着特定的相关性。已有研究在实验室条件下，基于时间和频率的测量也显示出同样的结果[55,56]，这些发现都表明可穿戴设备测量出的步态变异性，可以用来评估帕金森病患者在日常生活中的行走能力。

2.4 中风患者

针对中风患者的研究，在实验室进行的运动测量仅限于短距离定时步行[57]、残疾和生活质量的顺序量表[58]。而对日常活动类型和运动量的持续监测以及进一步的分析可以提供有关日常表现的直观情况，包括日常护理和临床试验期间锻炼的有效性和技能实践的情况。

Dobkin BH[59]等人使用双侧踝关节加速度计评估中风后活动和步行速度中的可靠性和有效性，中风患者和健康对照组在户外自由行走，将加速度计计算的步态速度与秒表计算的步态速度和算法推导的步态速度进行对比，秒表测量的室外步行速度与算法计算速度(皮尔逊系数0.98；p=0.001)和算法推导的步行速度的重复测量(p=0.01)之间存在高度相关性。在日常生活中，该算法能够正确识别出超过5步的步行、步行速度的变化、骑行、爬楼梯和腿部锻炼等活动。

3 结 论

目前可穿戴设备类型多样且在临床和日常生活中得到了广泛的应用，并且在日常生活中使用可以实时检测健康人群和一些病理患者步态参数，与在临床和研究中测的步态参数相比，这些参数更接近受试者真实的步态情况，这些实时监控的数据可以直接发送到监护人或者医生的手里，并根据数据情况提供预警，进而减少摔倒和死亡的风险，提高生活质量。

在监测步态参数中，可穿戴设备仍存在一些局限性。首先，目前的研究表明可穿戴设备的采样频率必须在足够大，否则无法精确地测量出步态参数，这对可穿戴设备续航能力提出较高的要求，未来的研究应该进一步提高可穿戴设备的续航能力及其数据采集能力。其次，由于使用可穿戴设备大多都是老人和运动障碍患者，在一些特殊情况下，比如洗浴或者给设备充电，他们将可穿戴设备从身上摘下来后，很难自行将设备穿戴在正确的位置上，故在以后的研究中，应该提高可穿戴设备的易用性。