帕金森病冻结步态的智能检测和干预研究

孙奕 荣哲 汪丰 徐畅 郑慧芬

PD是最常见的神经退行性疾病,表现为运动迟缓、静止性震颤、强直和姿势步态异常等运动症状和睡眠障碍、认知损害、嗅觉减退等非运动症状[1-2]。冻结步态(freezing of gait,FOG)是PD病人常见的步态障碍,表现为运动过程中步伐短暂、突然的中止。有研究表明,中晚期PD病人FOG的发生率高达60%[3]。FOG不仅严重影响病人的生活能力,而且极易导致病人发生跌倒,具有很高的致残性。

尽管目前已有一些针对FOG的干预设备,但多为单一干预,需要手动开启,而且多在医院内进行研究使用,无法满足病人日常生活需求。可穿戴式惯性传感器能进行时域、频域分析,获得PD病人的躺、坐、站、走和跑等运动特征,能对步频、步幅、躯干倾角、起立行走试验(timed up and go,TUG)时间以及运动对称性、协调性等特征性运动参数进行实时、精准、可靠的检测和定量分析,相较于临床量表,具有更高的灵敏度和准确性[4-5]。本研究旨在利用可穿戴式惯性传感器,针对PD病人的FOG,开发实时检测及智能干预系统,观察视觉、听觉和视听觉联合干预FOG的效果,以降低病人跌倒风险。

1 资料与方法

1.1 研究对象 纳入2020 年5月至 2021 年12月在江苏省老年病医院神经内科就诊的具有FOG 的PD病人。入选标准:(1)年龄60～85岁;(2)符合2015年国际运动障碍学会原发性PD的诊断标准;(3)门诊或住院的Hoehn-Yahr分级(H-Y)2～4级,主诉存在FOG或FOG问卷量表第3项得分≥1分。排除标准:(1)无独立行走和站立能力的病人;(2)有外伤或行走障碍的骨科疾病病人;(3)认知功能障碍、严重视力和听力受损不能配合的病人。所有病人均签署知情同意书。最终29例病人参加本研究,其中男17例,女12例,年龄60～83岁,平均(72.87±5.37)岁,病程(10.67±4.39)年,MMSE评分(25.64±1.23)分,H-Y分级2级3例,3级22例,4级4例。

1.2 研究方法

1.2.1 一般临床资料:收集病人的性别、年龄、病程等一般资料,并进行MMSE评分和H-Y分级评估。

1.2.2 FOG的检测:采用东南大学苏州医疗器械研究院开发的可穿戴惯性传感器系统进行数据采集,该系统包含数据采集终端(可穿戴传感器设备)和数据接收终端(上位机软件)两部分[6]。传感器佩戴在病人的腰部正前方,病人检测动作包括:(1)起立-行走和10 m折返二重任务;(2)嘈杂环境下的随意走动任务;(3)模拟日常生活中的步行活动任务。对采集到的信号进行时域、频域分析,提取3个时域特征和4个频域特征,结合这些时域、频域特征设计一个融合表征FOG发作概率的指数:冻结指数(FOG Score),当FOG Score的值大于报警阈值(根据每个特征参数与其对应的阈值进行比较得出)时,提示检测到FOG或过渡阶段信号(图1);检测的同时拍摄视频[7-8]。

1.2.3 FOG的智能干预系统:系统的下位机软件基于Keil uVision 5开发环境,使用C语言实现FOG的实时检测、干预装置的智能控制以及FOG事件标记等功能。根据系统实时检测病人的腰部运动信号,通过计算时域及频域特征判断病人当前是否发生FOG,并与同步视频标记的FOG做比较。如果存在FOG,则开启视觉及听觉干预装置。视觉干预装置:将视觉干预模块佩戴在病人腰部正前方,在病人前方1～2个步长距离的地面上投射出一条较细且有足够亮度的“一”字型红色光线,激光射线长度约1 m,宽度从0.4 mm到几厘米不等,方向垂直于病人行走方向。听觉干预装置:听觉干预模块选取S8550三极管驱动的有源蜂鸣器模块,通过定时器设置好的频率给模块提供交替的高、低电频,使蜂鸣器模块约每秒发出一次滴滴声。

1.2.4 智能干预方案:选取在起立-行走和10 m折返二重任务中出现FOG的病人进入智能干预部分的研究。(1)入选病人分别完成仅视觉干预(1倍步长)、仅听觉干预(1倍病人正常步频提示音)以及视听觉联合干预(1倍步长联合1倍病人正常步频提示音)三种不同干预方式下的起立-行走和10 m折返二重任务。对比无干预、仅视觉干预、仅听觉干预以及视听觉联合干预后,病人FOG的改善效果和步态质量变化,评估不同干预方式的有效性。(2)选取在第一部分干预中视觉干预效果显著优于听觉干预的病人,进行不同激光线间距的视觉干预比较,激光线距离分别为1倍、1.5倍、2倍步长。(3)选取在第一部分干预中听觉干预效果显著优于视觉干预的病人,进行不同提示音频的听觉干预比较,蜂鸣器分别发出约0.9倍、1.0倍、1.1倍病人正常步频的提示音。

1.2.5 主要观察指标:包括两个类别,一类为冻结评价指标,包括FOG发生次数、冻结平均持续时间、最大冻结指数、平均冻结指数;另一类为步态评价指标,包括步态启动时间、转身时间、平均步频、平均步长。

2 结果

2.1 病人FOG数据 本研究29例病人全部完成FOG的检测,其中有18例病人发生FOG,总计发生90次FOG。病人发生FOG的次数为2～26次,平均(5.13±2.85)次;每次FOG持续时间为1～25 s,平均(7.60±3.54)s。病人在转身时发生FOG的次数最多(25次),其次是启动(18次)和通过狭窄通道(15次)时,绕过障碍物(11次)和二重任务(8次)次之,还有少数FOG事件发生于接近目的地(7次)和正常行走(6次)时。

2.2 FOG自动检测有效性 本研究采集18例发生FOG病人的90次FOG数据,使用融合特征进行FOG的检测,发现存在1次漏报(1.11%),2次误报(2.22%),准确率达96.67%,平均延迟预警时间为(1.23±0.36)s,平均预测时间为(0.96±0.15)s。

2.3 FOG的智能干预效果 对18例发生FOG的病人进行的干预结果表明,视觉干预组病人的FOG发生次数及最大冻结指数较无干预组下降,平均步长增加,差异有统计学意义(P<0.05);听觉干预组病人与无干预组相比,FOG发生次数减少,转身时间缩短,差异有统计学意义(P<0.05);与无干预组比较,视听觉联合干预组病人的FOG发生次数明显减少,FOG平均持续时间缩短,最大冻结指数和平均冻结指数显著降低,转身时间、平均步频和平均步长均有所改善,差异均有统计学意义(P<0.05或P<0.01)。见表1。

2.4 6例视觉干预效果更显著的病人不同激光线间距干预效果比较 与1.5倍步长相比,1倍步长时病人冻结发生次数减少,平均冻结指数降低,平均步长增加,差异有统计学意义(P<0.05);与2倍步长相比,1倍步长时冻结评价指标及步态评价指标均有改善,差异有统计学意义(P<0.05),见表2。

表2 不同激光线间距对FOG干预效果比较

2.5 6例听觉干预效果更显著的病人不同听觉步频干预效果比较 与0.9倍步频相比,1.1倍步频FOG发生次数及持续时间减少,最大及平均冻结指数降低,转身时间缩短,平均步长和步频增加(P<0.05)。与1.0倍步频相比,1.1倍步频FOG发生次数减少,平均冻结指数降低,平均步频和步长增加,差异有统计学意义(P<0.05),见表3。

3 讨论

FOG是PD运动症状中发病率较高的步态障碍,常合并跌倒的发生,严重影响病人的生活质量。目前已有一些FOG自动检测和干预研究,多为视觉或听觉的单一干预手段,尚无两者结合的研究。Morris等[9]将激光发射器佩戴在病人的胸部中央,投射出两条长度约50 cm、间距约一个步长的激光射线,能有效解除FOG。Sweeney等[10]通过无线耳片和一个基于智能手机的节拍器应用程序提供听觉提示,病人按照听觉提示的节拍迈步,可以有效解除FOG。丁航等[11]提出一种基于引导光线提示的FOG干预技术,利用惯性传感器和超声传感器采集数据,对有FOG的PD病人的步长、步频、步速等均有所改善。

本研究基于可穿戴惯性传感器设备,设计了一套FOG自动检测及智能干预系统,视觉干预模块选取一字型激光发射器,听觉干预模块选取有源蜂鸣器模块。结果表明,系统能实时检测到绝大多数FOG事件,准确率达96.67%;视觉干预和听觉干预均能显著改善病人的FOG,视听觉联合干预的疗效更佳。其机制为PD病人FOG的发生是由于运动网络皮层和皮层下区域之间的结构发生病变,导致功能连接中断,进而皮层的高级功能参与了FOG的发生。视觉或听觉干预时,外界提供的视觉刺激可以使信息传递绕过病人受损的基底神经节,信号经由视觉或听觉区域抵达小脑区域,从而达到改善FOG的目的。

本研究只有1例病人存在1次漏报,2例病人出现误报。对比分析视频和检测数据,发现该漏报病人在FOG发作期间,下肢有轻微抖动,且冻结程度不严重,不到2 s即解除,因此系统未检测到该次短暂且较轻微的FOG。2次误报病人,是病人姿势稳定性较差,系统误将病人在行走过程中身体的晃动识别为FOG。

当前,针对PD病人FOG的治疗手段主要包括药物治疗、手术治疗和康复治疗等。临床医生常采用打拍子或“跨越”地面线条方式指导病人缓解或解除FOG,很多时候并不能满足病人日常生活需求。而且,由于不同病人对视觉和听觉干预效果存在差异,单一的干预手段无法满足所有病人的需求。本研究提出了基于可穿戴设备的视觉、听觉智能干预方法,病人可以在家庭环境下使用,能有效地减少病人跌倒,降低受伤甚至骨折风险,提高生活质量,减轻病人及家属的负担。

当然,本研究还存在一些局限性,首先,研究样本相对较小且为单中心研究,需要进一步扩大样本量以验证方法的可靠性和普适性;其次,研究采用的干预方式虽然对于大多数病人较为有效,但干预效果有明显的异质性,在后续研究中需要考虑个体化的干预方式。