基于牽張反射閾值的上肢痙攣評定方法與裝置及其效度信度研究

胡保華 穆景頌 朱宗俊 趙鵬鵬 王 勇

肌肉痙攣(Spasticity)是一種伴隨中樞神經系統損傷,如腦卒中(Stroke),帕金森病(Parkinson′s disease,PD)等出現的運動功能障礙[1?2].目前國際廣泛接受的痙攣定義為:一種因牽張反射興奮性增高所致的肌肉張力增高并以腱反射亢進為特征的運動障礙[3].在臨床以及科研中,痙攣的評定均起著至關重要的作用,如康復方案的制定,緩解痙攣藥物劑量的調整,以及康復治療作用的研究等,均要求醫生對肌張力做出客觀、精確的評定[4?6].

但是長期以來,痙攣等級評定主要依靠醫生的主觀判斷,缺乏量化指標[7].目前臨床上應用最為廣泛的是改良Ashworth量表(Modi fi ed Ashworth scale,MAS),其優點是應用簡便,無需器械輔助,易于臨床實現,但MAS本身屬于定性描述且結果主觀性強,不能滿足客觀、精確評定的要求[8?11].

為解決這一問題,目前國內外主要進行了兩方面的研究.1)利用等速訓練系統或者簡易裝置聯合表面肌電儀,通過檢測肘關節屈伸過程中肘關節扭矩、表面肌電信號和關節角度,探求可定量評定痙攣的方法與裝置[12?15].2)通過研究上肢痙攣過程中肘關節阻力矩、角度等數據變化,根據上肢痙攣模型開發可模擬上肢痙攣過程的系統以供醫師訓練[16?18].方法1)雖然可以客觀評定痙攣,但其操作繁瑣、不便于臨床操作.方法2)提供了可模擬訓練系統,但其本質仍然是主觀評定,不能直接進行痙攣評估.

牽張反射是機械負荷牽引肌肉時引起相反方向的肌肉收縮反應,它的感受器為肌梭和高爾基腱器官[19].牽張反射受中樞神經系統調節,中樞神經系統損傷導致痙攣后,由于失去大腦皮質及其他高級中樞的抑制,牽張增益獲得增加,牽張反射閾值降低[2].痙攣評定中所指的牽張反射閾值是指被動牽伸過程中牽張反射獲得增加,即關節阻力矩突然變大的關節角度值[20].已有研究表明牽張反射閾值可以作為痙攣評價的重要指標之一[12,21?22].本文依據醫生根據經驗被動牽伸上肢評定肘關節痙攣時角度以及加速度數據判定牽張反射閾值,操作簡單,易于臨床推廣.

綜上所述,本文分析了上肢痙攣過程,建立了上肢痙攣簡易模型,提出了一種基于牽張反射閾值的痙攣評定方法,利用上肢肘關節從屈曲可達最大角度至伸展可達最大角度(屈肌痙攣評定)以及肘關節從伸展可達最大角度至屈曲可達最大角度(伸肌痙攣評定)過程中肘關節角加速度以及角度數據定量判斷痙攣等級,并依據此方法設計了評定裝置,通過實驗分析了該方法與MAS結果的相關性及可重復性以驗證其效度與信度.

1 上肢肘關節痙攣模型建立與分析

為了更客觀地判斷上肢痙攣病人痙攣等級,必須深刻了解上肢痙攣發生過程.針對上肢肘關節痙攣,結合MAS、實驗以及文獻[17,23?24],本文將上肢肘關節痙攣分為兩個主要過程,以牽張反射閾值為臨界點,牽張反射閾值發生以前肘關節可看作為線性彈簧阻力系統:其中,τ1表示牽張反射閾值之前的肘關節阻力矩,I表示肘關節轉動慣量,b表示系統阻尼系數,k表示系統彈性系數,θ表示肘關節運動角度.

式(1)所滿足的上肢肘關節阻力矩規律結束于上肢運動的牽張反射閾值.肘關節運動至牽張反射閾值時,牽張反射增益增加導致肘關節阻力矩出現類似階躍響應的突變.根據以上關系,可以寫出牽張反射閾值發生時肘關節阻力力矩為

其中,τ2?1表示牽張反射閾值后第一階段的阻力變化情況,τ1?end表示牽張反射閾值前一階段結束時肘關節阻力矩,Δτ表示牽張反射閾值發生時阻力力矩突變增大值.

式(2)所滿足的過程結束后,肘關節阻力矩恢復到式(1)的狀態,此時肘關節阻力矩τ2?2滿足式(1).

式(1)和(2)所反映出的痙攣過程,可以完全描述出與本文痙攣評定相關的信息,本文以此痙攣模型為基礎進行痙攣評定裝置設計.

考慮到痙攣評定結果會受到速度影響,檢測過程中需要盡量保持勻速.當肘關節做屈伸運動時,肘關節受肘關節阻力矩以及檢查者動力矩綜合作用,根據角加速度與扭矩的關系,可得肘關節角加速度為

其中,ε表示肘關節角加速度,M表示肘關節所受綜合力矩,J表示上肢轉動慣量.

在牽張反射閾值前,檢查者根據經驗牽伸肘關節最大限度使其勻速轉動,

其中,M動表示檢查者動力矩,τ阻表示被動運動過程中肘關節阻力矩.

此時,肘關節阻力矩滿足:

檢查者根據經驗最大限度確保M動=τ阻,且M動在屈伸過程中不會突變.

當肘關節被動運動到牽張反射閾值θp時,由式(2)可得此時阻力矩為Δτ+τ1?end,則肘關節角加速度值為

其中,εp表示肘關節運動至牽張反射閾值時的角加速度.

由式(1)～(6)可得角加速度變化

其中,Δε表示牽張反射閾值時角加速度變化值.

通過式(7)可以得出:1)角加速度跟隨肘關節阻力矩變化而變化,結合肘關節角度可判定出牽張反射閾值;2)角加速度變化可反映出肘關節運動至牽張反射閾值時阻力矩變化情況.

2 裝置檢測原理與本體設計

2.1 裝置檢測原理

根據上述痙攣模型建立與分析,設計了如圖1所示的痙攣檢測裝置.考慮到利用角度傳感器所得的角度信號估計計算加速度信號會造成噪聲放大,且會帶來相位延遲,數據處理較為麻煩[25?26],因此利用慣性傳感器檢測肘關節伸展以及屈曲過程中上肢前臂切向線加速度評定痙攣,其輸出與角加速度關系為

其中,aout表示慣性傳感器輸出線加速度數值,L表示慣性傳感器距離肘關節長度,g表示重力加速度,α表示檢測過程中上肢前臂與水平面夾角.

圖1 裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the device

在牽張反射閾值以前,肘關節做勻速運動,處理可得慣性傳感器輸出:

當牽伸至牽張反射閾值時,肘關節阻力矩突然增大導致肘關節角加速度突然變化,由式(6)～(9)處理可得此時慣性傳感器輸出加速度數據為

其中,ap表示運動至牽張反射閾值時的慣性傳感器輸出加速度數值.

由式(7)～(9)處理可得牽張反射閾值時慣性傳感器輸出加速度變化值為

其中,Δa表示牽張反射閾值時與角加速度變化值成正比關系的前臂線加速度變化值.

由式(7)～(11)可得:慣性傳感器輸出線加速度數據結合肘關節角度數據可判定出牽張反射閾值,且線加速度可反映出關節阻力矩變化情況.因此,利用本裝置慣性傳感器輸出線加速度數據以及角度數據即可判定牽張反射閾值和牽張反射閾值發生時肘關節阻力變化情況,從而可實現痙攣的定量評定.

2.2 裝置本體設計

設備材料選取塑料以及輕質鋁合金,最大限度地減小設備重量對實驗的影響;裝置與上肢固定部分設計依據人體工程學,弧度設計保證其與上肢輪廓相符,易與上肢貼合固定;為減少實驗設備對病人以及檢查者的干擾,慣性傳感器數據輸出采用藍牙無線技術;肘關節轉動部位使用高速軸承,同時角度檢測采用非接觸式磁電編碼器避免測量時摩擦力造成肘關節阻力變大;考慮到痙攣評測容易受到環境影響,在病人關鍵部位均有海綿防護;根據受試者不同肢體長度設計了可伸縮裝置,避免了肢體長度不同造成的不適;可伸縮防護綁帶確保運動過程中裝置不會松動.

3 研究對象與實驗過程

3.1 研究對象

22名符合入選標準的成年人(平均年齡=49歲,男性18名,女性4名,左患側14名,右患側8名,屈肌痙攣患者17名,伸肌痙攣患者5名,安徽省立醫院14名,安徽中醫藥大學第一附屬醫院8名)被招募進行實驗,每個患者在實驗前簽署了實驗研究知情同意書,受試者個人相關信息如表1所示.

入選標準:1)腦卒中及腦損傷所致上肢痙攣患者;2)可獨立保持坐位;3)肘關節屈伸范圍至少為90°;4)能夠配合檢查,完成簡單的指示.

排除標準:1)一個月前曾參加過其他臨床實驗; 2)伴有其他周圍神經或中樞神經系統疾患;3)伴隨有其他可影響上肢肘關節運動骨骼疾病;4)不適合此穿戴設備者;5)認知障礙,不能配合檢查的患者.

表1 受試者個人相關信息Table 1 Demographic characteristics of the participants

3.2 實驗過程

為減小環境因素對痙攣評定結果的影響,每次評定均在同一時間段、同一地點,每個受試者取坐姿體位確保處于放松狀態才能接受評定.如圖2和圖3所示,測試時受試者取坐姿中立位,檢查者在受試者患側上肢穿戴評定裝置,確保角度采集模塊中角度傳感器的軸心與肘關節中心(肱骨外上髁)一致,裝置固定端與上臂長軸一致,移動端與前臂長軸一致,同時固定綁帶保證運動過程中裝置不會松動,以保證裝置旋轉軸和肘關節旋轉軸同軸;需確保加速度采集模塊所測線加速度為肘關節屈伸過程中加速度傳感器所在點的前臂切向線加速度;確保防護海綿正確安裝防止肢體擦傷并保證測量過程舒適.確認受試者完全放松,方可進行痙攣評定.

檢查者根據經驗以適宜的速度對每一位受試者進行上肢MAS評分.MAS將痙攣等級由低至高分為0～4分,為方便統計分析,量表中“1+”在本文中記為“1.5”.

每家醫院分別由兩位檢查者進行痙攣評定,評定過程中檢查者之間不可交流,評估完成后獨立記錄評分結果,交予研究者進行數據統計分析.

圖2 利用本裝置進行上肢痙攣評定Fig.2 Assessment of spasticity by our device

圖3 本文實驗流程圖Fig.3 The fl ow chart of the experiment

4 數據采集與分析

4.1 數據采集系統

采集系統主控芯片采用32位ARM 單片機(STM32F103ZE),肘關節角度數據利用角速度傳感器(P3022,12位分辨率)通過12位A/D轉換器采集至主控系統板,加速度數據由慣性傳感器采集模塊采集,通過藍牙無線傳輸至主控系統板,數據采樣頻率均為1000Hz.慣性傳感器MPU6050數據采集精度高(分辨率6.1E?5g)且功耗合理(工作電流6mA),滿足實驗要求.實驗采集數據在上肢痙攣評定過程中由主控系統板實時傳輸至上位機采集系統.上位機采集系統可實時顯示肘關節角度、角速度以及加速度曲線,速度曲線可提供視覺反饋以輔助檢查者對速度的控制;并可以保存肘關節角度、角速度以及加速度數據以供研究者研究分析牽張反射閾值以及加速度數據與MAS的相關性.

4.2 痙攣判定信息提取

圖4所示為伸展評定受試者S16屈肌痙攣周期內肘關節角度變化以及線加速度變化情況.r0所示為伸展起始區域,具體表現為角度變大,加速度突然增大然后趨于平緩變化,t1?t2區域即是由于肘關節阻力突變所導致的加速度突變區域,t1表示加速度突變開始時刻,t2表示加速度突變結束時刻.r3所示為伸展結束區域,具體表現在角度變化趨于平緩且增大趨勢消失.考慮到線加速度與角加速度成正比關系,為后續計算方便,取圖4所示加速度突變區域t1?t2線加速度變化平均值(Acceleration mean variance,AMV)分析其與MAS的相關性.

圖4 一個伸展周期內肘關節運動參數變化Fig.4 Change of motion parameter during an extension period

4.2.1 牽張反射閾值

屈肌痙攣評定過程中,將屈曲最大角度定為0°,以此為起點,肘關節被動伸展至牽張反射閾值時,肘關節阻力矩突然變大,根據加速度—力矩關系,加速度會呈現如t1?t2區域所示的下降趨勢.加速度突變區域起點對應的角度即是關節阻力矩開始突變的角度,因此可取此角度為牽張反射閾值θp,對應圖4中為t1時刻角度.θrom表示檢測過程中上肢肘關節的關節活動度,定義為屈曲最大角度至伸展最大角度活動范圍,取θp/θrom定量評定痙攣.伸肌痙攣評定過程中,取伸展最大角度定為0°,以同樣的方法得到牽張反射閾值.

4.2.2 加速度信息提取

如圖4所示,慣性傳感器會受到重力影響,因此實驗過程中加速度突變區域的數據包含重力影響的成分.根據MAS,肘關節被動運動到牽張反射閾值時會突然“卡住”,此時肘關節運動范圍在很小的一個范圍,結合t1?t2加速度變化情況,以t1時刻加速度值f(t1)為基準,根據下式求出t1至t2期間加速度變化平均值分析其與MAS評分的關系.

其中,f(t1)表示t1時刻加速度值,f(t)表示t1?t2加速度突變區域加速度實際變化情況.

通過上述方法獲得22位患者第一次以及三天后的測試數據記錄,如表2所示.

表2 第一次以及三天后測試結果Table 2 Experimental result at test and at retest

表3 θp/θrom及Amv與MAS的相關性Table 3 The correlation between the MAS scores and θp/θromand between the MAS scores and AMV

4.3 統計分析

利用統計軟件SPSS21.0對評定指標進行統計學分析以驗證裝置的效度與信度.對于所有的統計分析,均采用Pearson相關性分析,顯著性水平設為P＜0.05.

4.3.1 效度分析

利用Pearson相關系數分析MAS與AMV及θp/θrom的相關性,以檢測裝置效度,驗證裝置定量評價痙攣等級的有效性.分析結果如表3及圖5和圖6所示.結果表明θp/θrom和AMV均與MAS評分顯著相關,θp/θrom與MAS評分相關性滿足(r=?0.831～?0.953,*P＜0.05),AMV與MAS評分相關性滿足(r=0.665～0.900,*P＜0.05).

圖5 每位檢查者θp/θrom與MAS評分散點圖,*P＜0.05,N表示受試者個數Fig.5 Scatterplots of the MAS vs.θp/θromof each evaluator,*P＜0.05,N is the number of the subjects

圖6 每位檢查者AMV與MAS評分散點圖,*P＜0.05,N表示受試者個數Fig.6 Scatterplots of the MAS vs.AMV of each evaluator,*P＜0.05,N is the number of the subjects

4.3.2 重測信度分析

利用Pearson相關系數對牽張反射閾值以及AMV第一次以及三天后兩次測試結果進行相關系數分析以檢驗其信度,驗證裝置定量評價痙攣等級的可重復性.

如表4及圖7和圖8所示,分析結果表明第一次和三天后裝置AMV相關系數滿足(r=0.632～0.928;*P＜0.05),θp/θrom相關系數滿足(r= 0.890～0.962;?P＜0.05),統計結果表明該裝置具有很高的重測信度,穩定性良好.

圖7 每位檢查者θp/θrom重測關系圖Fig.7 The test-retest reliability of θp/θromof each evaluator

4.3.3 統計分析結果

通過上述效度信度分析,該裝置在上肢痙攣的評定方面表現出了較好的效度和重測信度,可作為檢測上肢痙攣的有效手段.

4.3.4 裝置結果驗證實驗

隨機選取安徽省立醫院兩名上肢屈肌痙攣患者,由同一醫生采用 MAS以及本裝置進行上肢痙攣評定,以上述實驗結果為基礎,分別取為最小值時對應的痙攣等級為受試者痙攣等級,式中Δθ表示隨機抽取患者與上述受試者θp/θrom差值,Δa表示隨機抽取患者與上述受試者AMV差值,具體結果如表5所示.

結果表明牽張反射閾值數據以及加速度數據都可以在一定程度上判斷受試者的MAS評分.以本次樣本數為例,利用牽張反射閾值數據預測痙攣等級成功率為100%,加速度數據成功率為75%.

表4 θp/θrom及加速度重測相關系數Table 4 The test-retest reliability of θp/θromand AMV

圖8 每位檢查者AMV重測關系圖Fig.8 The test-retest reliability of AMV of each evaluator

表5 裝置結果驗證Table 5 Result validation of device

5 結論與討論

1)本研究的創新性是利用上肢痙攣評定過程中加速度變化判定牽張反射閾值并結合AMV定量評定痙攣,該方法可以在一個測試周期內通過角度以及加速度數據得到患者牽張反射閾值以及AMV,從而實現痙攣的定量評定.

2)利用基于該方法的實驗裝置測試了22位上肢痙攣成年患者. 實驗結果表明該系統牽張反射閾值數據θp/θrom與MAS評分顯著相關,相關性系數為(r=?0.831～?0.953,P＜0.05).本文所提出的測試系統可量化痙攣評定過程中加速度變化數據,分析AMV與MAS評分相關系數為 (r= 0.665～0.900,P＜0.05).同時比較第一次與第二次評定結果,統計結果顯示相關性分別為(r=0.890～0.962,P＜0.05)和(r=0.632～0.928,P＜0.05).說明該測試系統具有較好的信度和效度,能夠定量反映出痙攣的程度.

3)與傳統的0～4級別MAS評定相比,該方法可以更加精細地劃分痙攣等級.以本次實驗受試者S4與S6第一次評測結果為例,兩名受試者MAS評分均為1級,但是受試者S4的θp/θrom明顯小于受試者S6且AMV明顯大于S6,說明S4痙攣程度在MAS評分1的基礎上明顯高于受試者S6.

4)對比圖6與圖5:加速度數據在反應受試者痙攣等級相關性分析結果小于牽張反射閾值,且差異較大.考慮到不同受試者體質不同,基礎的牽張反射水平不同,同時長期痙攣會導致肘關節周圍軟組織粘連,造成被動活動阻力不同程度的增加,因此會出現MAS高等級痙攣患者其牽張反射增益小于低等級痙攣患者的情況,使得AMV與MAS的相關性出現圖6所示的情況.對此,課題組下一步將繼續增大統計量,并跟蹤同一受試者在不同康復期的加速度數據變化情況,進一步驗證加速度數據在痙攣評定中的信度與效度.

5)本實驗中MAS評分為3級以及3級以上受試者數目的缺少,在一定程度上削弱了本文相關性分析的說服力,在以后的研究中需要進一步完善.同時,下一步將采用被動裝置通過控制算法實現勻速牽伸,取代人工評定.

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