譚穎 郝紅琳 李延峰

帕金森病(Parkinson disease，PD)又稱為震顫麻痹，是中老年人常見的一種神經(jīng)變性疾病，以黑質(zhì)內(nèi)多巴胺能神經(jīng)元丟失為病理標(biāo)志[1]。目前PD的確切致病機(jī)制尚不清楚。研究表明基因突變、蛋白表達(dá)異常、氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙參與其發(fā)病[2-3]。我國(guó)人群PD患病率為190/10萬(wàn)[2]。2005年中國(guó)PD患者約為200萬(wàn)，至2030年將達(dá)500萬(wàn)[3]。PD的臨床異質(zhì)性很強(qiáng)，目前僅能通過(guò)有限的臨床評(píng)分系統(tǒng)，并根據(jù)評(píng)估結(jié)論進(jìn)行藥物調(diào)整干預(yù)。但上述評(píng)估系統(tǒng)均基于醫(yī)生和患者的主觀判斷，重復(fù)性不佳。評(píng)估發(fā)生的地點(diǎn)、時(shí)間均受限制，因此有必要尋找更為客觀的途徑來(lái)排除PD患者情緒、醫(yī)生主觀因素等的干擾。隨著醫(yī)療行業(yè)的變革，醫(yī)療保健模式也在向診療個(gè)體化、智能化的方向轉(zhuǎn)變[4]。新型的可穿戴技術(shù)(wearable technology，wT)是實(shí)現(xiàn)個(gè)體化醫(yī)療的有力補(bǔ)充手段。近些年，便攜式可穿戴醫(yī)療設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PD患者姿勢(shì)運(yùn)動(dòng)、肌張力、睡眠時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，建立了很多數(shù)據(jù)模型，成功地對(duì)PD患者的身體狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了多元化監(jiān)測(cè)。該技術(shù)的發(fā)展也提高了患者參與疾病管理的積極性，同時(shí)有助于發(fā)現(xiàn)更多新的基因、新的生物標(biāo)記物，貫徹和執(zhí)行新的治療技術(shù)；有助于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療，實(shí)現(xiàn)立足于社區(qū)、家庭的醫(yī)療監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程評(píng)估方式[5]。如何將收集的大量生物數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識(shí)，并有力支撐臨床決策是非常關(guān)鍵的問(wèn)題。另外，技術(shù)的變革帶來(lái)的一些隱私保護(hù)也是目前法律和社會(huì)爭(zhēng)論的難點(diǎn)和熱點(diǎn)[6]。本文現(xiàn)對(duì)可穿戴設(shè)備在PD中的應(yīng)用，如何將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為循證證據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)與醫(yī)療結(jié)合的潛力方面進(jìn)行闡述。

1 可穿戴設(shè)備的概念

wT最早是20世紀(jì)60年代由美國(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室提出的創(chuàng)新技術(shù)[7]。該技術(shù)的核心是將體感探測(cè)器、傳輸系統(tǒng)整合到衣物中，支持手勢(shì)、觸碰等多種交互方式，具有低負(fù)荷、可移動(dòng)、續(xù)航能力強(qiáng)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)快速發(fā)展，逐漸在醫(yī)療、體育、工程、教育、娛樂(lè)等領(lǐng)域體現(xiàn)了較高的應(yīng)用價(jià)值。醫(yī)學(xué)生物領(lǐng)域目前有兩種傳感器模式主要應(yīng)用于PD：(1)生物電傳感器，如表面肌電圖；(2)運(yùn)動(dòng)傳感器，如陀螺儀、加速度等。

2 PD標(biāo)準(zhǔn)化管理和可穿戴設(shè)備

PD的標(biāo)準(zhǔn)化管理包括標(biāo)準(zhǔn)化臨床診斷、疾病嚴(yán)重程度評(píng)分、治療決策。一些標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估體系如統(tǒng)一帕金森病評(píng)定量表(unified Parkinson disease rating scale，UPDRS)評(píng)分、Hoehn-Yahr分級(jí)、電子病歷系統(tǒng)等，為可穿戴設(shè)備的對(duì)接提供了良好的支持。借助電子化標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估手段，將紛繁復(fù)雜的醫(yī)療活動(dòng)分散到社區(qū)和家庭，可分擔(dān)成本并讓患者更積極參與疾病管理，減少定期隨訪評(píng)估的難度，打破空間時(shí)間的限制。PD癥狀在一天之中時(shí)常變動(dòng)，涉及到的臨床表現(xiàn)豐富多樣，可設(shè)計(jì)多種模塊整合到設(shè)備中。目前很多可穿戴設(shè)備應(yīng)用于PD的運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別追蹤，如識(shí)別異常步態(tài)、震顫、凍結(jié)步態(tài)、活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)等，進(jìn)而判斷跌倒?fàn)顟B(tài)并發(fā)出可被患者接受識(shí)別的預(yù)警信號(hào)?，F(xiàn)有的PD監(jiān)測(cè)設(shè)備分為可穿戴型、非可穿戴型和混合型，現(xiàn)有研究已將Ambulatory Parkinson’s Disease Monitoring(APDM)公司的移動(dòng)傳感器、Gait up公司的Physilog?、Cyma公司的StepWatch 3TM、TriTrac公司的RT3、McRoberts公司的DynaPort和Axivity(AX3)等可穿戴設(shè)備歸類為“推薦”[8]?？纱┐髟O(shè)備不僅可監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也可應(yīng)用于評(píng)估PD的睡眠、吞咽障礙、腦深部電刺激(DBS)術(shù)后癥狀變化[9-10]，亦有用于PD遠(yuǎn)程康復(fù)指導(dǎo)的報(bào)道[11-12]。

3 生物數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化分析

在生物數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展非常迅速，目的是將臨床癥狀拆解成一系列數(shù)據(jù)，通過(guò)分析和運(yùn)算來(lái)展示患者的客觀狀態(tài)。

3.1PD肌張力識(shí)別肌張力增高是貫穿PD全病程的癥狀，經(jīng)常從一側(cè)開始，向另一側(cè)發(fā)展。及時(shí)發(fā)現(xiàn)并給予多巴胺類藥物后，該癥狀可得到一定程度的緩解。目前肌張力測(cè)量法有直接法和間接法。直接法是通過(guò)表面肌電圖(surface electromyography，sEMG)[13]進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，sEMG較為常見的肌張力測(cè)定方式是通過(guò)表面電極記錄肌肉運(yùn)動(dòng)單位的電活動(dòng)信號(hào)，其信號(hào)形成來(lái)源于眾多外周運(yùn)動(dòng)單位電位在空間和時(shí)間上的總和。PD患者靜息時(shí)肌電活動(dòng)水平明顯高于健康者，表現(xiàn)為sEMG振幅增高，肌肉暴發(fā)放電現(xiàn)象增多。Lukhanina等[14]研究發(fā)現(xiàn)，PD患者運(yùn)動(dòng)時(shí)其主動(dòng)肌和拮抗肌平均肌電值(average EMG)高于正常，PD患者癥狀較重的一側(cè)上肢肌肉靜息肌電值與上肢肌強(qiáng)直程度和UPDRS第Ⅲ部分(運(yùn)動(dòng)功能)評(píng)分呈正相關(guān)，主動(dòng)肌/拮抗肌在運(yùn)動(dòng)中的參與程度與UPDRS第Ⅱ部分(日?；顒?dòng))和運(yùn)動(dòng)障礙評(píng)分呈正相關(guān)。另有學(xué)者對(duì)18例多系統(tǒng)萎縮(MSA)患者和21例PD患者進(jìn)行sEMG研究發(fā)現(xiàn)，盡管兩組在UPDRS 第Ⅲ部分評(píng)分上無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但通過(guò)sEMG分析顯示，MSA患者在 10～17 Hz頻帶(針對(duì)上肢肌肉)和 7～14 Hz頻帶(針對(duì)下肢肌肉)的主峰值較PD患者更大，提示sEMG對(duì)于PD和MSA的鑒別具有一定參考價(jià)值[15]。還有學(xué)者聯(lián)合應(yīng)用sEMG和全皮層腦磁圖(magnetoencephalography，MEG)或聯(lián)合sEMG和丘腦電位記錄儀探討了震顫發(fā)生時(shí)中樞的調(diào)控受損機(jī)制[16-17]。間接法是通過(guò)加速度、角速度[18]和肌肉力量[19]，通過(guò)多維傳感器傳輸至處理終端，經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換，間接反映肌張力增高的狀態(tài)。Summa等[20]通過(guò)陀螺計(jì)速儀從6個(gè)方向記錄了PD患者上肢運(yùn)動(dòng)軌跡，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)速度的均方根與UPDRS量表評(píng)分具有相關(guān)性，可反映肢體強(qiáng)直的狀態(tài)。

3.2PD運(yùn)動(dòng)狀態(tài)PD因缺乏多巴胺遞質(zhì)，其運(yùn)動(dòng)存在一定的衰退現(xiàn)象，可出現(xiàn)動(dòng)作遲緩、靜止性震顫、重復(fù)單一動(dòng)作困難表現(xiàn)。用可穿戴設(shè)備評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的過(guò)程一般分為數(shù)據(jù)的采集提取、數(shù)據(jù)分析。大部分研究采用的是加速器測(cè)量原理，其應(yīng)用方便，其設(shè)備可置入智能手環(huán)、智能手表、手套、鞋墊、腰帶、跑步機(jī)內(nèi)等等。數(shù)據(jù)采集分成抖動(dòng)幅度、步幅長(zhǎng)度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、凍結(jié)狀態(tài)[21]、擺腿強(qiáng)度[22]、靜止力量，甚至圖像[23]等，數(shù)據(jù)處理包括隨機(jī)森林、決策樹[24]等機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對(duì)PD患者的室內(nèi)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)反映。目前通過(guò)加速度儀測(cè)定的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)包括：(1)步長(zhǎng)：Sayeed 等在PD患者腰部佩戴三軸加速度儀，采用Sliding Window Averaging Technique(SWAT)技術(shù)獲得步長(zhǎng)參數(shù)，再經(jīng)過(guò)下背部其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)校正，獲得最終步長(zhǎng)估值[25]。(2)開關(guān)狀態(tài)：在一項(xiàng)研究中，通過(guò)給PD患者佩戴加速度儀，結(jié)果顯示其對(duì)運(yùn)動(dòng)波動(dòng)的擬合靈敏度達(dá)94%，特異度達(dá)96%[26]。(3)凍結(jié)步態(tài)：Tripoliti等利用放置在患者身體上的可佩戴傳感器(6個(gè)加速度計(jì)和兩個(gè)陀螺儀)所接收的信號(hào)檢測(cè)PD患者凍結(jié)步態(tài)，其檢測(cè)敏感度為81.94%，特異度為98.74%，準(zhǔn)確度為96.11%，曲線下面積(AUC)達(dá)98.74%[27]。(4)跌倒風(fēng)險(xiǎn)：有研究給PD患者和健康人在下背部放置傳感器(3D加速度儀)，采集了3 d內(nèi)步態(tài)信息(步行總數(shù)量和步態(tài)變化信息)，并隨訪1年，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PD的步態(tài)變異程度和跌倒風(fēng)險(xiǎn)具有相關(guān)性[28]。(5)DBS手術(shù)適應(yīng)證的把握：藥物療效明顯下降或出現(xiàn)嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)波動(dòng)或異動(dòng)癥，是DBS術(shù)的一項(xiàng)手術(shù)適應(yīng)證。智能穿戴設(shè)備中的加速度儀通過(guò)評(píng)估初始左旋多巴反應(yīng)性以及后期運(yùn)動(dòng)波動(dòng)和異動(dòng)癥，有可能協(xié)助臨床醫(yī)生握住DBS治療的最佳時(shí)機(jī)[29]。設(shè)計(jì)特定運(yùn)動(dòng)模式需要結(jié)合?？婆R床經(jīng)驗(yàn)，并需要患者具備一定的配合能力，而可穿戴設(shè)備可將最長(zhǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)至1周[22]，從而降低了患者配合的難度[23]。隨著可穿戴設(shè)備的應(yīng)用范圍擴(kuò)展，相關(guān)技術(shù)得到快速發(fā)展：在機(jī)器感知的維度上，尤其為了適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)佩戴，研發(fā)了多種新型通信技術(shù)(如藍(lán)牙、WI-FI、GPS、人體通信技術(shù)、ZigBee[18，30])、芯片技術(shù)(如模擬前端芯片、主控芯片等[31])、傳感技術(shù)(多軸運(yùn)動(dòng)傳感儀[32])等；從機(jī)器應(yīng)用的維度上，出現(xiàn)了豐富的交互模式，如手勢(shì)、語(yǔ)音交互等，也出現(xiàn)了適用于不同場(chǎng)景下的操作模式。未來(lái)隨著技術(shù)的成熟，可穿戴設(shè)備將作為智能終端，結(jié)合移動(dòng)通信技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)提供更為便利和個(gè)體化的醫(yī)療服務(wù)。

3.3PD其他癥狀除對(duì)運(yùn)動(dòng)癥狀的個(gè)體化診斷和觀察外，應(yīng)用可穿戴設(shè)備還可對(duì)睡眠、自主神經(jīng)功能、吞咽功能[32]等指標(biāo)進(jìn)行醫(yī)院外的補(bǔ)充觀察。一份來(lái)自于患者自我報(bào)告的文獻(xiàn)提示，可穿戴設(shè)備的應(yīng)用可滿足其真實(shí)需求，并提升幸福感[32]；另外，藥物觀察、DBS術(shù)后隨訪[33]也可從中獲益。長(zhǎng)程、穩(wěn)定、正確的數(shù)據(jù)解讀，可幫助對(duì)藥物治療方案進(jìn)行微調(diào)，也可幫助對(duì)圍手術(shù)期患者進(jìn)行精準(zhǔn)觀察。該技術(shù)對(duì)于PD的個(gè)體化分型、藥物干預(yù)下生物學(xué)指標(biāo)的變化、新劑型藥物的使用以及新手術(shù)方式的應(yīng)用提供前期最實(shí)時(shí)可靠的生物信息學(xué)證據(jù)。

4 醫(yī)療和物聯(lián)網(wǎng)的將來(lái)

醫(yī)療模式的變革正在鼓勵(lì)多模式、開放性、包容性的醫(yī)療服務(wù)手段出現(xiàn)?；颊吆图覍偻ㄟ^(guò)手機(jī)、社交軟件等方式參與到疾病管理中來(lái)，患者教育和醫(yī)患交流活動(dòng)發(fā)生變動(dòng)，打破了傳統(tǒng)當(dāng)面訪談的模式。物聯(lián)網(wǎng)正在快速發(fā)展，可穿戴設(shè)備的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，尤其在行動(dòng)不便和經(jīng)濟(jì)水平有限的患者中具有很大應(yīng)用潛力。這些新型設(shè)備和包容性平臺(tái)的建立和使用，使不同背景、不同地域的人能夠參與到診療甚至醫(yī)療研究中來(lái)。同時(shí)，通過(guò)這種模式獲得的高質(zhì)量健康數(shù)據(jù)，將有助于制定更為人性化的政策，使患者受益。隨著可穿戴設(shè)備的發(fā)展，新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也受到了關(guān)注，但在一項(xiàng)對(duì)PD患者使用電子日記隨訪的觀察發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備的應(yīng)用與傳統(tǒng)紙質(zhì)日記相比并無(wú)特殊優(yōu)勢(shì)[32]，而可穿戴設(shè)備能將PD的臨床特點(diǎn)抽象為一系列數(shù)據(jù)，整合到中心平臺(tái)上，再于后臺(tái)將其轉(zhuǎn)化為臨床信息，其優(yōu)勢(shì)更為突出。

一項(xiàng)回顧性研究提出，商業(yè)類的可穿戴設(shè)備顯示出了更經(jīng)濟(jì)的成本和更舒適的體感，而科研型的可穿戴設(shè)備顯示出了更高的精準(zhǔn)度[8]?，F(xiàn)有的可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)方向集中在震顫、姿勢(shì)、步態(tài)、速度等運(yùn)動(dòng)的識(shí)別分析，建議未來(lái)的研究更多關(guān)注其他非運(yùn)動(dòng)癥狀例如睡眠、自主神經(jīng)、吞咽甚至認(rèn)知方面。另外，由于在同一組受試者中，設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)及患者自行上傳的數(shù)據(jù)質(zhì)量均與個(gè)人的認(rèn)知程度有關(guān)[34]，因此可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)出更多的個(gè)體化元素，建議未來(lái)研究時(shí)也需要關(guān)注到PD受試者的認(rèn)知體系和生活背景。

隨著可穿戴設(shè)備、人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，可預(yù)見到不僅PD，其他疾病也可從該技術(shù)革新中獲益[35-36]。在這些技術(shù)革新中，患者的中心地位將得到強(qiáng)化，所有來(lái)自于患者的醫(yī)療信息將傳至終端，得到合理的建模分析。而患者是否能掌握合理的解讀方式、患者之間能否共享信息、個(gè)人信息的隱私性仍是在未來(lái)需要討論的問(wèn)題。