鄭慧芬

?

加速度計在帕金森病中的應用

鄭慧芬

帕金森病(PD)是一種常見神經(jīng)變性疾病,包括運動遲緩、靜止性震顫、強直和姿勢步態(tài)異常為主要特征的運動癥狀和睡眠障礙、認知損害、嗅覺減退等非運動癥狀[1]。患者需要長期藥物治療以控制癥狀,提高生活質(zhì)量,這就要求臨床醫(yī)師對患者病情作出客觀、精準的判斷,提高早期診斷率、根據(jù)患者病情變化及時調(diào)整治療,并對藥物和其他治療的療效做出恰如其分的評判。

目前臨床上廣泛使用統(tǒng)一帕金森病評定量表(UPDRS)、H-Y分期等對PD患者臨床癥狀嚴重程度、日常生活能力和藥物并發(fā)癥等進行診斷和評估,這些結(jié)果無可避免地會受到患者癥狀波動和評分人員主觀因素的影響,而臨床工作中往往需要醫(yī)師在較短的就診時間內(nèi)就對患者病情做出分析和判斷。中、晚期患者常常會出現(xiàn)癥狀波動,為了便于出門,患者多選擇服藥效果較好的“開期”就診,“關(guān)期”的情況和一些藥物并發(fā)癥只能由患者或陪護人員口述,這樣的信息很可能不全面,甚至是錯誤的。更為重要的是臨床醫(yī)師不能對患者日常生活環(huán)境下的癥狀進行實時及長時程連續(xù)觀察。以上這些無疑是臨床長期管理PD患者的巨大障礙。

加速度計是測量運載體線加速度的儀表,1991年即有其在PD中的應用研究[2]。近幾年,隨著技術(shù)的發(fā)展,其輕巧、便于攜帶,不僅能進行時域、頻域分析,獲得諸如躺、坐、站、走和跑等運動特征,對諸如步頻、步幅、軀干傾角、Timed Up and Go(TUG)時間、運動對稱性、協(xié)調(diào)性等PD比較敏感的特征參量進行隨時隨地更精準、更可靠的檢測和定量分析,而且可以進行日常生活的長時程觀察,從而為PD患者臨床癥狀提供更為客觀的評估。在此，本研究將分幾個方面概述其在PD中的應用,及該可穿戴技術(shù)現(xiàn)有和潛在的評估策略。

1　對PD患者運動功能進行定性、定量分析

1.1步態(tài)障礙PD患者步態(tài)障礙表現(xiàn)為慌張步態(tài)、凍結(jié)步態(tài)等。應用加速度儀和相關(guān)硬件,不僅可獲取步態(tài)不對稱和凍結(jié)等步態(tài)參數(shù),同時可將步速、步幅、擺臂等信號自動量化分析。步態(tài)不對稱的定量分析有助于提高PD診斷率;凍結(jié)步態(tài)有助于指導調(diào)整治療、減少跌倒的發(fā)生;步幅、擺臂等方面的分析有助于發(fā)現(xiàn)高危人群的臨床前運動功能改變,為修飾性治療提供時間窗。

臨床多用TUG測試評估PD患者步態(tài)、肢體平衡性、靈活度和跌倒風險。17例患者H-Y分期(2.7±0.7)(開期)和15例正常對照常規(guī)秒表TUG 結(jié)果僅顯示總時間略微增加;通過加速度計對各時間段和幅度等多方面的分析,不僅發(fā)現(xiàn)總時間差異有統(tǒng)計學意義;同時提示坐姿到站立和站立到坐下的轉(zhuǎn)化過程是較為敏感的指標[3]。

凍結(jié)步態(tài)是中、晚期PD患者的常見癥狀,主要表現(xiàn)為短暫的起步、轉(zhuǎn)身困難或遇障礙物時不能繼續(xù)行走,多見于關(guān)期。臨床醫(yī)師多通過觀察患者的臨床表現(xiàn)結(jié)合UPDRS和FOG-Q量表進行評估。近10年來,臨床醫(yī)師對患者TUG視頻分析的方法被公認為是其診斷“金標準”。對10例有凍結(jié)病史PD患者視頻分析和單一部位加速度計檢測比較,加速度計在凍結(jié)發(fā)生率和凍結(jié)時間有更高的可信度;同時還發(fā)現(xiàn)凍結(jié)步態(tài)以增加下肢高頻(3～8 Hz)震顫,減少低頻(0～3 Hz)運動為特征[4];在后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)多部位加速度計有更高的準確性、敏感性和特異性[5]。

擺臂的協(xié)調(diào)性和對稱性是正常步態(tài)的重要組成部分。對8例早期PD患者和正常對照8 m行進過程中擺臂協(xié)調(diào)性和對稱性的動態(tài)觀察,發(fā)現(xiàn)PD患者擺臂的不對稱性(ASA)明顯增加,最大互相關(guān)聯(lián)(MXC)減少;雙側(cè)手臂擺動的瞬時相對相位(IRP)分布顯著不同于對照組,PD患者和正常對照控制角的標準偏差分別為67.2°和50.6°;其中ASA與UPDRS量表評分中四肢運動癥狀方面(包括震顫、強直和運動遲緩三方面總和)的分值相關(guān),而MXC與肢體震顫方面的分值密切相關(guān)[6]。

1.2震顫靜止性震顫是PD最常見和容易識別的癥狀。由于震顫的嚴重程度在1 d內(nèi)可以有較大的變化,這對患者病情嚴重程度和藥物療效觀察造成一定的影響。利用加速度計和PDA結(jié)合可以對患者進行醫(yī)院和(或)家庭的長時間監(jiān)測,同步數(shù)據(jù)傳輸,醫(yī)師根據(jù)結(jié)果及時提出建議、調(diào)整治療。家庭生活中的監(jiān)測不僅可以減少患者住院時間、降低醫(yī)療費用;而且可以觀察日常生活中的藥物療效,以及體力活動、吸煙和飲食等對震顫的影響。通過對患者峰值頻率的幅度、功率、總功率以及低頻(1～4 Hz)和高頻(4～7 Hz)狀態(tài)下不同功率的比較,加速度計對PD的檢測達到完美的精確度(AUC=1),靈敏度和特異性均為100%[7]。

1.3姿勢平衡姿勢平衡障礙是PD患者跌倒發(fā)生的重要原因,平衡功能的綜合評估不僅包括對患者功能性平衡的評估,還需對平衡各主要成因功能的分析[8]。臨床醫(yī)師多用UPDRS量表評估患者的平衡能力,可信度和敏感性均較低,影響對患者癥狀判斷和病情進展的動態(tài)觀察。在行走過程中,易跌倒PD患者存在朝向側(cè)面方向的壓力中心(COP)位移增加。測力板對COP的檢測有較高敏感性,但其價格昂貴,臨床不能常規(guī)使用。攜帶式加速度計可替代測力板對COP進行檢測,測力板和加速度儀對13例未治療早期PD患者和12例正常對照檢測結(jié)果顯示兩者有相似的敏感性;對不同分期的17例PD患者(開期)和17例正常對照檢測結(jié)果顯示加速度計檢測具有較高的敏感性和可信度,多項時域和頻域結(jié)果與UPDRS量表中姿勢平衡障礙評分相一致[9]。臨床醫(yī)生可借助加速度計客觀、便捷地測量患者姿勢控制能力,在跌倒發(fā)生前將其識別,及時調(diào)整治療。

2　提高早期診斷率

臨床多用UPDRS量表結(jié)合美多巴沖擊試驗診斷早期PD患者,結(jié)果很大程度上受檢查者主觀影響。對于僅出現(xiàn)輕微步態(tài)改變的早期PD患者,TUG常規(guī)秒表檢測結(jié)果往往沒有明顯差異,這可能與其不能進行各時間段單獨分析有關(guān)。應用加速度計通過對各部分時間和擺臂的自動分析,顯示早期PD患者擺臂角速度、轉(zhuǎn)身時間、以及轉(zhuǎn)身至坐下時間均有顯著差異;手臂的擺動,步態(tài)的節(jié)律、軀干旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)速度是其最敏感指標[10]。PD患者起步時往往出現(xiàn)猶豫和凍結(jié),而起步前,存在COP向后和起步腿方向運動以加速身體中心向前超過站立腿的姿勢預調(diào)整(APA),APA下降是其重要癥狀,可引起嚴重的平衡和運動功能障礙。早期PD患者在步長和步速下降之前,就可出現(xiàn)APA峰值的下降[11]。這些結(jié)果也提示PD早期運動遲緩是廣義的,不是具體到身體某一部分姿勢或步態(tài)變化,患者很可能表現(xiàn)為某些參數(shù)出現(xiàn)改變,而其他一些參數(shù)完全正常。通過加速度計對各種體位轉(zhuǎn)換和步態(tài)的綜合分析,能更為敏感地發(fā)現(xiàn)早期PD患者運動功能的變化,幫助臨床醫(yī)師提高早期診斷率。

3　觀察藥物并發(fā)癥

加速度計還可應用于鑒別和評估左旋多巴治療誘發(fā)的運動障礙。長時間左旋多巴的治療,患者會出現(xiàn)癥狀波動和異動等運動并發(fā)癥。異動表現(xiàn)為四肢、軀干和頭部等部位舞蹈樣動作,目前臨床上缺乏對其的客觀評價標準。對異動運動評估最大的障礙在于如何在各種類型運動中將其和震顫等其他臨床癥狀區(qū)分開來。通過加速度計和陀螺儀對正常對照、無異動PD患者和并發(fā)不同程度異動PD患者(包括開期和關(guān)期)模擬日常生活躺、坐、行走、開門、喝水等動作過程中異動、震顫、凍結(jié)步態(tài)等觀測,發(fā)現(xiàn)異動和震顫頻率分別為2～5 Hz和5～10 Hz,震顫能量積聚在窄頻帶,一些異動患者有較寬的頻帶,異動的嚴重程度隨時間變化;并通過交叉驗證,證實該方法對異動的敏感度和陽性預測值(包括各種不同嚴重程度)分別為80.35%和76.84%[12]。

4　對臨床癥狀進行長程監(jiān)測

運動癥狀波動和藥物并發(fā)癥是中、晚期PD 患者常見癥狀,有時難以預測其發(fā)生,臨床醫(yī)師多通過UPDRS量表進行評估。雖然患者可以通過日記方式記錄服藥和癥狀波動及藥物并發(fā)癥時間,但很可能難以準確、客觀地評價自己癥狀的嚴重程度,正確區(qū)分癥狀之間的不同之處,將影響相應治療的調(diào)整。對PD患者和正常對照步態(tài)24 h監(jiān)測證實加速度計和視頻結(jié)果一致性達100%[13]。9例PD患者和10例正常對照在家庭中通過視頻指導完成UPDRS-Ⅲ中有關(guān)震顫和運動遲緩相關(guān)內(nèi)容的檢測,通過加速度計捕捉相關(guān)信息,對震顫和手部運動速度、幅度和節(jié)律變化進行 3～6 d連續(xù)分析,能較好地評估藥物對震顫和運動遲緩的療效和療效持續(xù)時間[14]。連續(xù)性監(jiān)測可以解決準確評估PD病情動態(tài)變化這一關(guān)鍵問題,對震顫、運動遲緩、運動障礙的嚴重程度以及藥物反應給出更為客觀的判斷。

5　輔助臨床評分

如前所述,可以利用加速度計對PD患者運動癥狀和藥物并發(fā)癥嚴重程度進行評估,臨床量表相關(guān)項目也可以借助此自動完成,而不受檢查者主觀影響。利用食指部位加速度計對UPDRS-Ⅲ中食指和拇指對指動作(FT)檢測,發(fā)現(xiàn)其對單個手指動作識別有99%的準確率,在此過程中觀測到多種加速和減速,和神經(jīng)專家通過視頻的分析結(jié)果相吻合[15]。

6　輔助和指導康復鍛煉

通過對33例早、中期PD患者1年前后7 d日?；顒拥倪B續(xù)監(jiān)測、比較,發(fā)現(xiàn)患者每日動態(tài)活動強度和數(shù)量有明顯下降,其頻率和持續(xù)時間無太大變化[16]。這樣PD病程自然發(fā)展數(shù)據(jù)的收集,可以為物理干預治療目標的設(shè)定提供依據(jù)。一些針對平衡、步態(tài)和力量的有氧運動有助于提高PD患者的運動功能,延緩病情進展,與單獨訓練相比較,生物反饋訓練對提高姿勢穩(wěn)定性更加有效。以加速度計連接PDA的Sensaction-AAL項目是一種以家庭為基礎(chǔ)的監(jiān)測和干預系統(tǒng),該系統(tǒng)能在患者鍛煉時提供音頻生物反饋,及時校準,同時預測跌倒的發(fā)生,指導患者康復鍛煉。有研究顯示,使用該系統(tǒng)進行1月姿勢和平衡鍛煉,患者平衡能力、生活質(zhì)量和抑郁狀態(tài)均明顯好轉(zhuǎn),患者對這種家庭式鍛煉方式也更容易接受[17]。 PD患者睡眠、認知、疼痛等非運動癥狀受到越來越多的關(guān)注,隨著研究方法多元化的發(fā)展,加速度計也參與到睡眠、認知等非運動癥狀方面。

6.1睡眠早期PD患者就可出現(xiàn)睡眠行為障礙[18],近幾年,人體運動數(shù)據(jù)的分析技術(shù)發(fā)生很大變化,如基于趨勢波動分析(DFA)的冪型自相關(guān)指數(shù)(PLE)技術(shù)應用于PD運動障礙研究,PLE可反映PD患者的運動障礙,而不受震顫或日常生活模式的影響。利用加速度計采集的數(shù)據(jù)對睡眠潛伏期(SL),睡眠效率(SE),蘇醒時間,蘇醒持續(xù)時間進行分析,可以對睡眠質(zhì)量進行定量評價[19]。研究發(fā)現(xiàn),養(yǎng)血清腦顆粒明顯減少PD患者睡眠時間的肢體活動,降低睡眠時間和清醒時間局部PLE值,改善覺醒睡眠節(jié)律, 提高患者日常生活能力[20]。微機電系統(tǒng)(MEMS)加速度計變異小,非常適合睡眠的研究。利用最初原始加速度信號,不僅可以很容易地匯集不同品牌MEMS加速度計獲得的數(shù)據(jù),還可探索新方法優(yōu)化睡眠中運動的評估[21]。在未來的研究,可結(jié)合視頻監(jiān)控,PSG和MEMS加速度計深入分析三維加速度信號對睡眠評估的靈敏度和特異性,進一步拓展其在睡眠中的應用。

6.2認知步態(tài)和認知之間的關(guān)系日益受到重視,步態(tài)不再被視為一個簡單的自動化活動,其完成需要執(zhí)行功能和注意力的配合,皮層運動中樞、基底節(jié)和丘腦以及認知和邊緣通路都參與其中[22]。認知障礙影響PD患者的運動功能,降低其日常生活能力[23]，此種運動與非運動之間緊密的相互作用提示,可以通過加速度計在運動方面的定量分析推斷出注意力、執(zhí)行功能、視覺空間功能等非運動功能狀態(tài)。有研究發(fā)現(xiàn)伴有輕度認知功能障礙的PD患者步長、擺動時間和平衡能力出現(xiàn)更為明顯的下降;而這些功能障礙只有部分可以由左旋多巴逆轉(zhuǎn)[24];在雙任務條件下(包括開期和關(guān)期)該變化更為顯著。對PD患者正常行走狀態(tài)和順次減3(或減7)狀態(tài)下行走的步速、步幅、擺臂和執(zhí)行功能的對比研究發(fā)現(xiàn),認知障礙特別是執(zhí)行功能和注意力與姿勢平衡下降和跌倒密切相關(guān)[25]。同樣步態(tài)對稱性方面的研究發(fā)現(xiàn),PD患者步態(tài)對稱性與認知功能和注意力相關(guān),一旦患者集中注意力至步態(tài)上,能明顯改善其步態(tài)障礙。與通常的行走狀態(tài)相比,PD患者在雙重任務狀態(tài)下,步態(tài)的不對稱性顯著增加[26]。對29例處于相對“關(guān)期”的PD患者,4種不同任務狀態(tài)下步態(tài)變化觀察和比較,發(fā)現(xiàn)注意力和執(zhí)行功能參與運動功能不同方面的調(diào)節(jié),在功能性行走任務的過程中,持續(xù)關(guān)注對步速影響超過執(zhí)行功能[27]。

目前有許多量表用于臨床醫(yī)師對PD患者的評估,大部分是主觀或部分客觀,不僅在一定程度上受檢查者主觀影響,而且不能定量反映疾病的嚴重程度。PD患者運動癥狀變化是廣義的,早期到中、晚期的發(fā)展過程中,每個患者異常頻譜變化也不盡相同。一個客觀、可靠的評判標準,是早期診斷、全面綜合治療和長期管理PD的必要條件。可穿戴式加速度計為臨床醫(yī)師提供更多定量、與日常生活相關(guān)的數(shù)據(jù),也可進行隨時隨地的長期動態(tài)觀察,是較理想的PD臨床癥狀評估手段。

[1] 劉潔,余能偉,李曉佳,等.帕金森病患者體液免疫功能的變化[J].臨床神經(jīng)病學雜志,2012,26(3):231-233.

[2]van Hilten JJ, Middelkoop HA, Kerkhof GA, et al. A new approach in the assessment of motor activity in Parkinson’s disease [J]. J Neurol Neurosurg Psychiatry, 1991,54(11):976-979.

[3]Weiss A, Herman T, Plotnik M, et al. Can an accelerometer enhance the utility of the Timed Up & Go Test when evaluating patients with Parkinson’s disease? [J]. Med Eng Phys, 2010,32(2):119-125.

[4]Morris TR, Dilda V, Shine JM, et al. A comparison of clinical and objective measures of freezing of gait in Parkinson’s disease [J]. Parkinsonism Relat Disord, 2012,18(5):572-577.

[5]Moore ST, Yungher DA, Morris TR, et al. Autonomous identification of freezing of gait in Parkinson’s disease from lower-body segmental accelerometry [J]. J Neuroeng Rehabil, 2013, 10:19.

[6]Huang X, Mahoney JM, Lewis MM, et al. Both coordination and symmetry of arm swing are reduced in Parkinson’s disease [J]. Gait Posture, 2012,35(3):373-377.

[7]Barroso Júnior MC, Esteves GP, Nunes TP, et al. A telemedicine instrument for remote evaluation of tremor: design and initial applications in fatigue and patients with Parkinson’s disease[J]. Biomed Eng Online, 2011, 10:14.

[8]向偉華,江鐘立.腦卒中平衡功能的評估和訓練進展.[J].實用老年醫(yī)學,2015,29(6):448-451.

[9]Mancini M, Salarian A, Carlson-Kuhta P, et al. ISway: a sensitive, valid and reliable measure of postural control[J]. J Neuroeng Rehabil, 2012, 9:59.

[10]Zampieri C, Salarian A, Carlson-Kuhta P, et al. The instrumented timed up and go test: potential outcome measure for disease modifying therapies in Parkinson’s disease [J]. J Neurol Neurosurg Psychiatry, 2010, 81(2):171-176.

[11]Mancini M, Zampieri C, Carlson-Kuhta P, et al. Anticipatory postural adjustments prior to step initiation are hypometric in untreated Parkinson’s disease: an accelerometer-based approach [J]. Eur J Neurol, 2009,16(9):1028-1034.

[12]Tsipouras MG, Tzallas AT, Rigas G, et al. An automated methodology for levodopa-induced dyskinesia: assessment based on gyroscope and accelerometer signals [J]. Artif Intell Med,2012,55(2):127-135.

[13]Moore ST, Dilda V, Hakim B, et al. Validation of 24-hour ambulatory gait assessment in Parkinson’s disease with simultaneous video observation [J]. Biomed Eng Online, 2011,10:82.

[14]Mera TO, Heldman DA, Espay AJ, et al. Feasibility of home-based automated Parkinson’s disease motor assessment[J]. J Neurosci Methods, 2012,203(1):152-156.

[15]Stamatakis J, Ambroise J, Crémers J, et al.Finger tapping clinimetric score prediction in Parkinson’s disease using low-cost accelerometers [J].Comput Intell Neurosci, 2013:717853.

[16]Cavanaugh JT, Ellis TD, Earhart GM, et al. Capturing ambulatory activity decline in Parkinson’s disease [J]. J Neurol Phys Ther, 2012,36(2):51-57.

[17]Mirelman A, Herman T, Nicolai S, et al. Audio-biofeedback training for posture and balance in patients with Parkinson’s disease [J]. J Neuroeng Rehabil, 2011, 8:35.

[18]張長國,馮耀耀,陳靜,等.早期帕金森病患者快速動眼睡眠行為障礙的研究[J].臨床神經(jīng)病學雜志,2013,26(5):369-371.

[19]孫燕,潘衛(wèi)東,馬驥,等.加速度記錄儀定量化評價運動障礙性疾病[J].中華神經(jīng)科雜志,2011,44(11):763-767.

[20]潘衛(wèi)東,郭伸,劉云,等.養(yǎng)血清腦顆粒改善帕金森病睡眠障礙療效評估[J].上海中醫(yī)藥大學學報,2010,24:38-41.

[21]Lindert BH, Van Someren EJ. Sleep estimates using microelectromechanical systems (MEMS) [J]. Sleep, 2013,36(5):781-789.

[22]Obeso JA, Marin C, Rodriguez-Oroz C, et al. The basal ganglia in Parkinson’s disease: current concepts and unexplained observations[J]. Ann Neurol, 2008, 2:S30-S46.

[23]鄭慧芬,董靖德,詹貞,等. 帕金森病伴輕度認知障礙患者生活質(zhì)量及影響因素分析 [J].實用老年醫(yī)學,2015,29(6):500-503.

[24]Amboni M, Barone P, Iuppariello L, et al. Gait patterns in Parkinsonian patients with or without mild cognitive impairment [J].Mov Disord, 2012,27(12):1536-1543.

[25]Plotnik M, Giladi N, Dagan Y, et al. Postural instability and fall risk in Parkinson’s disease: impaired dual tasking, pacing, and bilateral coordination of gait during the "ON" medication state [J]. Exp Brain Res, 2011,210(3/4):529-538.

[26]Yogev G, Plotnik M, Peretz C, et al. Gait asymmetry in patients with Parkinson’s disease and elderly fallers: when does the bilateral coordination of gait require attention? [J]. Exp Brain Res, 2007,177(3):336-346.

[27]Lord S, Rochester L, Hetherington V, et al. Executive dysfunction and attention contribute to gait interference in’ off’ state Parkinson’s Disease [J]. Gait Posture, 2010, 31(2):169-174.

210029江蘇省南京市，南京醫(yī)科大學附屬腦科醫(yī)院老年神經(jīng)科

R 742.5

Adoi:10.3969/j.issn.1003-9198.2016.04.025

2015-04-14)