日常生活中可穿戴設(shè)備測(cè)量步態(tài)參數(shù)的有效性

黃永超，翟美玲，趙玉琪，馮嘉韻，文 立

(1.天津體育學(xué)院 社會(huì)體育與健康科學(xué)學(xué)院，天津 301617;2.天津體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練科學(xué)學(xué)院，天津 301617;3.南京體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)健康學(xué)院，江蘇 南京 210014)

0 前 言

定量步態(tài)分析是一種尋找病理、損傷或其他步態(tài)特征重要的臨床工具[1]，對(duì)于異常步態(tài)的診斷和治療至關(guān)重要，可以為外科手術(shù)提供信息，評(píng)估治療效果[2-4]。一些論文通過對(duì)兒童步態(tài)的發(fā)展[5]、步態(tài)與跌倒風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)系的分析[6]以及它與成人癡呆癥的關(guān)系[7]的研究中表明步態(tài)測(cè)量在整個(gè)生命過程中的重要性。正確量化安全有效的步態(tài)對(duì)于老人和存在運(yùn)動(dòng)障礙的人來說至關(guān)重要，相關(guān)調(diào)查顯示以上人群由于摔倒風(fēng)險(xiǎn)過高其獨(dú)立性受到影響[8]，而且摔倒是導(dǎo)致他們受傷和死亡的主要原因[9]。

有研究使用3D運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)和/或測(cè)力板在標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)室條件下檢查了大量樣本的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)[10]。雖然這些方法可以客觀地對(duì)步態(tài)的進(jìn)行評(píng)價(jià)，但由于這些技術(shù)需要測(cè)試人員的專業(yè)技術(shù)，而且測(cè)量非常耗時(shí)，故在臨床中并不適用。

隨著電子元件小型化技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了可穿戴設(shè)備在步態(tài)研究和臨床輔助上的應(yīng)用[11]。由于該技術(shù)在日常生活使用中需要依賴于微型網(wǎng)絡(luò)，所以該設(shè)備可以整合到人們的生活環(huán)境中，并且佩戴時(shí)不會(huì)影響人的步態(tài)[12]。加速度計(jì)在評(píng)估人體運(yùn)動(dòng)和步態(tài)方面變得越來越受歡迎，設(shè)備體積小，價(jià)格實(shí)惠，具有準(zhǔn)確性高和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)能力，是研究和臨床評(píng)估的有效工具，基于加速度計(jì)的步態(tài)分析逐漸成為傳統(tǒng)步態(tài)分析的潛在替代方法[13,14]。

當(dāng)受試者在臨床接受步態(tài)檢查時(shí)，他們可能會(huì)更加認(rèn)真，人為地提高表現(xiàn)，在家里測(cè)量的步態(tài)比在臨床測(cè)量的步態(tài)更慢、更多變，這表明在臨床以“習(xí)慣性步速”測(cè)量的步態(tài)可能反映了最佳的步態(tài)表現(xiàn)[15]，這種環(huán)境下進(jìn)行的步態(tài)分析不一定能捕捉到受試者在日常生活中的習(xí)慣步態(tài)[16]。

為了避免改變受試者的習(xí)慣，在日常活動(dòng)監(jiān)測(cè)過程中必須將最小數(shù)量的傳感器放置在最不引人注意的位置。由于最近的技術(shù)進(jìn)步，基于慣性測(cè)量單元(IMU)的可穿戴傳感器已經(jīng)成為捕獲連續(xù)步態(tài)數(shù)據(jù)的理想選擇，使步態(tài)分析從專業(yè)步態(tài)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的傳統(tǒng)評(píng)估過渡到日常生活監(jiān)測(cè)[11]。

評(píng)估可穿戴設(shè)備的有效性將有助于了解日常生活中的步態(tài)模式，因此，本文的目的是總結(jié)在日常生活中，使用可穿戴設(shè)備檢測(cè)健康人、亨廷頓病患者、帕金森病患者以及中風(fēng)患者步態(tài)參數(shù)的有效性。

1 可穿戴設(shè)備

可穿戴設(shè)備包括慣性傳感器、計(jì)步器、GPS系統(tǒng)、腳踏開關(guān)、壓力感應(yīng)鞋墊和心率監(jiān)測(cè)器等，其中使用最常見的是慣性傳感器。慣性傳感器包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)等，慣性傳感器中使用最常見的是加速度計(jì)。

最近對(duì)步態(tài)研究的綜述表明加速度計(jì)、陀螺儀和磁力儀[17]這樣的傳感器，單獨(dú)或聯(lián)合都可以作為重要的測(cè)量單元[18]，已經(jīng)成為嚴(yán)格基于實(shí)驗(yàn)室的步態(tài)特征量化方法的一種常見的替代方法[17,18]。

從加速度計(jì)信號(hào)中提取的信息可以轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)量、時(shí)空步態(tài)參數(shù)、變異性或有關(guān)步態(tài)對(duì)稱性和步態(tài)質(zhì)量的高級(jí)度量。運(yùn)動(dòng)量包括步數(shù)或步行次數(shù)[6,15,19-22]、步行距離[20]和步行時(shí)間[19-22]，步行距離包括步長(zhǎng)和步幅[20,21]，步行時(shí)間包括步長(zhǎng)時(shí)間[21,22]、步幅時(shí)間[21]和步態(tài)周期特點(diǎn)階段的時(shí)間[22]。頻率包括峰值1min和30min頻率[23,24]，以及雙峰頻率[6,15]。與速度相關(guān)的參數(shù)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]。傳統(tǒng)的變異性測(cè)量是以時(shí)空步態(tài)參數(shù)和加速度變量的標(biāo)準(zhǔn)差或變異系數(shù)來計(jì)算的。最常見的變異性測(cè)量是步長(zhǎng)時(shí)間變異性[15,22,29]和步幅時(shí)間變異性[27,29,30]，其次是加速度變異性[25]、距離變異性[22]、時(shí)間變異性[22,29]、頻率變異性[22]和速度變異性[15,22,28]。除上述的基本變量外，對(duì)稱性[21,27,28]也是加速度計(jì)信號(hào)中可提取的信息，與步長(zhǎng)規(guī)律性[21]和步幅規(guī)律性[21,27,28]密切相關(guān)。

陀螺儀和/或磁力計(jì)可以確定關(guān)節(jié)和運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)的角度和角速度[25,31]，氣壓計(jì)確定高度的變化[15]，GPS記錄的速度[32]，計(jì)步器[23]、壓力感應(yīng)鞋墊[29]和腳踏開關(guān)[33]產(chǎn)生步數(shù)。

加速度計(jì)、3D陀螺儀、3D磁力計(jì)和氣壓計(jì)通常共同存在于同一設(shè)備中，而計(jì)步器、GPS系統(tǒng)、腳踏開關(guān)、壓力感應(yīng)鞋墊和心率監(jiān)測(cè)器都是獨(dú)立設(shè)備。

可穿戴設(shè)備通常用帶子或粘合劑直接附著在人體上[34]以提高準(zhǔn)確率[35]。 放置可穿戴設(shè)備的位置應(yīng)根據(jù)研究問題確定[36,37]。例如，在腳上放置可能適合于研究腳的觸地模式[38]，而在腰背部的放置可以用來描述整個(gè)身體的運(yùn)動(dòng)模式與剛度、沖擊和衰減的關(guān)系[39]。單個(gè)三軸加速度計(jì)常用于腰部的位置[2]，該位置的研究方法可以簡(jiǎn)單而有效的記錄運(yùn)動(dòng)過程中質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)模式[3]。

只有當(dāng)可穿戴設(shè)備以足夠大的頻率連續(xù)采樣時(shí)，方能確保數(shù)據(jù)的高精度(例如，100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)/s)時(shí)，其采集數(shù)據(jù)的功能才是可用的，這需要可穿戴設(shè)備的電池壽命具有較高的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[40]。

2 可穿戴設(shè)備檢測(cè)日常生活中步態(tài)的有效性

可穿戴設(shè)備使我們能夠在傳統(tǒng)步態(tài)實(shí)驗(yàn)室之外分析步態(tài)。這些設(shè)備在大規(guī)模研究和臨床環(huán)境中使用之前，需要詳細(xì)評(píng)估它們?cè)诓煌巳褐械男阅?。此外，大多?shù)相關(guān)研究都是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行的，與日常生活相比，步行道更小更短，這造成了異常行走條件[10]。此外，單程步幅分析限制了步態(tài)變異性和對(duì)稱性的確定，而這兩個(gè)參數(shù)是評(píng)價(jià)病理性步態(tài)的重要參數(shù)。

2.1 健康人群

Senden R等人研究了利用加速度計(jì)測(cè)量步態(tài)參數(shù)的重復(fù)性和觀測(cè)者間的可靠性，并分析了年齡和性別對(duì)敏感度的影響[41]。步頻和步速等基本參數(shù)表現(xiàn)出較高的重復(fù)性和觀察者間的可靠性，這與Mackey等人[14]的測(cè)量結(jié)果一致。對(duì)稱性僅有良好的重復(fù)性和可靠性，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是由于對(duì)稱性的方差系數(shù)較低，微小的變化就會(huì)導(dǎo)致較大的差異，100Hz的采樣頻率不足以更加精確地采集對(duì)稱性數(shù)據(jù)。基本步態(tài)參數(shù)在年齡和性別上的變化與其他實(shí)驗(yàn)室步態(tài)研究的結(jié)果一致，男性步長(zhǎng)較大，步頻較低[10,42]，老年人步速較慢、步長(zhǎng)較短、步長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)[42,43]。Storm FA[43]等人利用放置腰部和腿部的慣性傳感器來對(duì)比實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)實(shí)生活中識(shí)別步態(tài)事件的準(zhǔn)確性，其結(jié)果顯示無論是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境還是日常生活中，腿部放置的慣性傳感器比腰部傳感器識(shí)別步態(tài)事件的準(zhǔn)確性高，這與Trojaniello等人[44]的研究結(jié)果一致，在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)實(shí)生活兩種環(huán)境下，設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性差異極小，所以日常生活行走過程中的步態(tài)參數(shù)影響不大，表明可穿戴設(shè)備在日常生活中檢測(cè)步態(tài)參數(shù)的有效性。

2.2 亨廷頓病患者

測(cè)量亨廷頓病(HD)運(yùn)動(dòng)損傷的主要方法是統(tǒng)一的亨廷頓病評(píng)定量表(UHDRS)運(yùn)動(dòng)總評(píng)分[45]。盡管該量表很有價(jià)值，但它具有主觀性和特異性[46,47]，需要經(jīng)過大量的培訓(xùn)才能正確使用，且只能在臨床上針對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估。Andrzejewski[48]等人使用可穿戴設(shè)備對(duì)健康受試者和亨廷頓病患者在臨床和日常生活兩種環(huán)境下進(jìn)行步態(tài)測(cè)量，以評(píng)價(jià)可穿戴設(shè)備在日常生活中測(cè)量亨廷頓病患者運(yùn)動(dòng)障礙的可行性和能力，其結(jié)果顯示HD患者的步長(zhǎng)時(shí)間變異性高于對(duì)照組，這符合之前的臨床研究得出的結(jié)果——HD患者的步長(zhǎng)時(shí)間變異性隨疾病嚴(yán)重程度的增加而增加[49,50]，除此之外，HD患者與對(duì)照組的其他步態(tài)參數(shù)差異值較小，在這項(xiàng)研究中初步證實(shí)了在家中使用可穿戴傳感器是可行的，耐受性良好。Adams JL等人[51]使用可穿戴設(shè)備測(cè)量帕金森、亨廷頓病患者和準(zhǔn)亨廷頓病患者(攜帶亨廷頓病遺傳基因，但尚未表現(xiàn)出性狀)，分別在臨床和家庭環(huán)境中的步態(tài)，得出結(jié)論——可穿戴設(shè)備可以識(shí)別出有運(yùn)動(dòng)障礙的人和沒有運(yùn)動(dòng)障礙的人在步態(tài)上的顯著差異，此外，連續(xù)、客觀地監(jiān)測(cè)可以揭示臨床上未能檢測(cè)到的疾病特征，證實(shí)了在有運(yùn)動(dòng)障礙的個(gè)體中，使用可穿戴設(shè)備測(cè)量日常生活中步態(tài)參數(shù)是有效的，后來的研究也進(jìn)一步證明了這一結(jié)論[52]。

2.3 帕金森病患者

在帕金森病(PD)的運(yùn)動(dòng)癥狀中，姿勢(shì)不穩(wěn)和步態(tài)障礙的特征十分明顯，因此這類人群的摔倒風(fēng)險(xiǎn)高、靈活性低。由于對(duì)步態(tài)障礙患者的經(jīng)典臨床評(píng)估不能充分反映他們?cè)谌粘Ｉ钪械膶?shí)際狀況，所以在日常生活活動(dòng)期間對(duì)患者進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，有可能成為一種量化臨床外步態(tài)和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的方法。

一般來說，帕金森病患者不能以一致的步態(tài)模式行走，因此步態(tài)模式的步幅波動(dòng)(例如，步幅時(shí)間)比健康組大很多，因此，步態(tài)變異性可作為衡量帕金森病患者步態(tài)質(zhì)量的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)[53]。Weiss A[54]等人使用腰部佩戴的3D加速度計(jì)測(cè)量健康老年人和帕金森病患者在臨床和日常生活中的步態(tài)變異性，結(jié)果表明患者和對(duì)照組在臨床和日常生活中的步態(tài)變異性有明顯不同，而患者服用抗帕金森藥物后其步態(tài)變異性有所改善，根據(jù)步態(tài)障礙的測(cè)量，步態(tài)變異性也與步態(tài)障礙的嚴(yán)重程度有著特定的相關(guān)性。已有研究在實(shí)驗(yàn)室條件下，基于時(shí)間和頻率的測(cè)量也顯示出同樣的結(jié)果[55,56]，這些發(fā)現(xiàn)都表明可穿戴設(shè)備測(cè)量出的步態(tài)變異性，可以用來評(píng)估帕金森病患者在日常生活中的行走能力。

2.4 中風(fēng)患者

針對(duì)中風(fēng)患者的研究，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)測(cè)量?jī)H限于短距離定時(shí)步行[57]、殘疾和生活質(zhì)量的順序量表[58]。而對(duì)日?；顒?dòng)類型和運(yùn)動(dòng)量的持續(xù)監(jiān)測(cè)以及進(jìn)一步的分析可以提供有關(guān)日常表現(xiàn)的直觀情況，包括日常護(hù)理和臨床試驗(yàn)期間鍛煉的有效性和技能實(shí)踐的情況。

Dobkin BH[59]等人使用雙側(cè)踝關(guān)節(jié)加速度計(jì)評(píng)估中風(fēng)后活動(dòng)和步行速度中的可靠性和有效性，中風(fēng)患者和健康對(duì)照組在戶外自由行走，將加速度計(jì)計(jì)算的步態(tài)速度與秒表計(jì)算的步態(tài)速度和算法推導(dǎo)的步態(tài)速度進(jìn)行對(duì)比，秒表測(cè)量的室外步行速度與算法計(jì)算速度(皮爾遜系數(shù)0.98；p=0.001)和算法推導(dǎo)的步行速度的重復(fù)測(cè)量(p=0.01)之間存在高度相關(guān)性。在日常生活中，該算法能夠正確識(shí)別出超過5步的步行、步行速度的變化、騎行、爬樓梯和腿部鍛煉等活動(dòng)。

3 結(jié) 論

目前可穿戴設(shè)備類型多樣且在臨床和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，并且在日常生活中使用可以實(shí)時(shí)檢測(cè)健康人群和一些病理患者步態(tài)參數(shù)，與在臨床和研究中測(cè)的步態(tài)參數(shù)相比，這些參數(shù)更接近受試者真實(shí)的步態(tài)情況，這些實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送到監(jiān)護(hù)人或者醫(yī)生的手里，并根據(jù)數(shù)據(jù)情況提供預(yù)警，進(jìn)而減少摔倒和死亡的風(fēng)險(xiǎn)，提高生活質(zhì)量。

在監(jiān)測(cè)步態(tài)參數(shù)中，可穿戴設(shè)備仍存在一些局限性。首先，目前的研究表明可穿戴設(shè)備的采樣頻率必須在足夠大，否則無法精確地測(cè)量出步態(tài)參數(shù)，這對(duì)可穿戴設(shè)備續(xù)航能力提出較高的要求，未來的研究應(yīng)該進(jìn)一步提高可穿戴設(shè)備的續(xù)航能力及其數(shù)據(jù)采集能力。其次，由于使用可穿戴設(shè)備大多都是老人和運(yùn)動(dòng)障礙患者，在一些特殊情況下，比如洗浴或者給設(shè)備充電，他們將可穿戴設(shè)備從身上摘下來后，很難自行將設(shè)備穿戴在正確的位置上，故在以后的研究中，應(yīng)該提高可穿戴設(shè)備的易用性。