日常生活中可穿戴設備測量步態參數的有效性

黃永超，翟美玲，趙玉琪，馮嘉韻，文 立

(1.天津體育學院 社會體育與健康科學學院，天津 301617;2.天津體育學院 運動訓練科學學院，天津 301617;3.南京體育學院 運動健康學院，江蘇 南京 210014)

0 前 言

定量步態分析是一種尋找病理、損傷或其他步態特征重要的臨床工具[1]，對于異常步態的診斷和治療至關重要，可以為外科手術提供信息，評估治療效果[2-4]。一些論文通過對兒童步態的發展[5]、步態與跌倒風險聯系的分析[6]以及它與成人癡呆癥的關系[7]的研究中表明步態測量在整個生命過程中的重要性。正確量化安全有效的步態對于老人和存在運動障礙的人來說至關重要，相關調查顯示以上人群由于摔倒風險過高其獨立性受到影響[8]，而且摔倒是導致他們受傷和死亡的主要原因[9]。

有研究使用3D運動分析系統和/或測力板在標準化的實驗室條件下檢查了大量樣本的運動學和動力學數據[10]。雖然這些方法可以客觀地對步態的進行評價，但由于這些技術需要測試人員的專業技術，而且測量非常耗時，故在臨床中并不適用。

隨著電子元件小型化技術的進步，推動了可穿戴設備在步態研究和臨床輔助上的應用[11]。由于該技術在日常生活使用中需要依賴于微型網絡，所以該設備可以整合到人們的生活環境中，并且佩戴時不會影響人的步態[12]。加速度計在評估人體運動和步態方面變得越來越受歡迎，設備體積小，價格實惠，具有準確性高和儲存數據能力，是研究和臨床評估的有效工具，基于加速度計的步態分析逐漸成為傳統步態分析的潛在替代方法[13,14]。

當受試者在臨床接受步態檢查時，他們可能會更加認真，人為地提高表現，在家里測量的步態比在臨床測量的步態更慢、更多變，這表明在臨床以“習慣性步速”測量的步態可能反映了最佳的步態表現[15]，這種環境下進行的步態分析不一定能捕捉到受試者在日常生活中的習慣步態[16]。

為了避免改變受試者的習慣，在日常活動監測過程中必須將最小數量的傳感器放置在最不引人注意的位置。由于最近的技術進步，基于慣性測量單元(IMU)的可穿戴傳感器已經成為捕獲連續步態數據的理想選擇，使步態分析從專業步態實驗室進行的傳統評估過渡到日常生活監測[11]。

評估可穿戴設備的有效性將有助于了解日常生活中的步態模式，因此，本文的目的是總結在日常生活中，使用可穿戴設備檢測健康人、亨廷頓病患者、帕金森病患者以及中風患者步態參數的有效性。

1 可穿戴設備

可穿戴設備包括慣性傳感器、計步器、GPS系統、腳踏開關、壓力感應鞋墊和心率監測器等，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、陀螺儀和磁力計等，慣性傳感器中使用最常見的是加速度計。

最近對步態研究的綜述表明加速度計、陀螺儀和磁力儀[17]這樣的傳感器，單獨或聯合都可以作為重要的測量單元[18]，已經成為嚴格基于實驗室的步態特征量化方法的一種常見的替代方法[17,18]。

從加速度計信號中提取的信息可以轉換成運動量、時空步態參數、變異性或有關步態對稱性和步態質量的高級度量。運動量包括步數或步行次數[6,15,19-22]、步行距離[20]和步行時間[19-22]，步行距離包括步長和步幅[20,21]，步行時間包括步長時間[21,22]、步幅時間[21]和步態周期特點階段的時間[22]。頻率包括峰值1min和30min頻率[23,24]，以及雙峰頻率[6,15]。與速度相關的參數包括速度[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]。傳統的變異性測量是以時空步態參數和加速度變量的標準差或變異系數來計算的。最常見的變異性測量是步長時間變異性[15,22,29]和步幅時間變異性[27,29,30]，其次是加速度變異性[25]、距離變異性[22]、時間變異性[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，對稱性[21,27,28]也是加速度計信號中可提取的信息，與步長規律性[21]和步幅規律性[21,27,28]密切相關。

陀螺儀和/或磁力計可以確定關節和運動環節的角度和角速度[25,31]，氣壓計確定高度的變化[15]，GPS記錄的速度[32]，計步器[23]、壓力感應鞋墊[29]和腳踏開關[33]產生步數。

加速度計、3D陀螺儀、3D磁力計和氣壓計通常共同存在于同一設備中，而計步器、GPS系統、腳踏開關、壓力感應鞋墊和心率監測器都是獨立設備。

可穿戴設備通常用帶子或粘合劑直接附著在人體上[34]以提高準確率[35]。 放置可穿戴設備的位置應根據研究問題確定[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身體的運動模式與剛度、沖擊和衰減的關系[39]。單個三軸加速度計常用于腰部的位置[2]，該位置的研究方法可以簡單而有效的記錄運動過程中質心的運動模式[3]。

只有當可穿戴設備以足夠大的頻率連續采樣時，方能確保數據的高精度(例如，100個數據點/s)時，其采集數據的功能才是可用的，這需要可穿戴設備的電池壽命具有較高的品質標準[40]。

2 可穿戴設備檢測日常生活中步態的有效性

可穿戴設備使我們能夠在傳統步態實驗室之外分析步態。這些設備在大規模研究和臨床環境中使用之前，需要詳細評估它們在不同人群中的性能。此外，大多數相關研究都是在實驗室環境中進行的，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變異性和對稱性的確定，而這兩個參數是評價病理性步態的重要參數。

2.1 健康人群

Senden R等人研究了利用加速度計測量步態參數的重復性和觀測者間的可靠性，并分析了年齡和性別對敏感度的影響[41]。步頻和步速等基本參數表現出較高的重復性和觀察者間的可靠性，這與Mackey等人[14]的測量結果一致。對稱性僅有良好的重復性和可靠性，出現這一現象的原因可能是由于對稱性的方差系數較低，微小的變化就會導致較大的差異，100Hz的采樣頻率不足以更加精確地采集對稱性數據。基本步態參數在年齡和性別上的變化與其他實驗室步態研究的結果一致，男性步長較大，步頻較低[10,42]，老年人步速較慢、步長較短、步長時間較長[42,43]。Storm FA[43]等人利用放置腰部和腿部的慣性傳感器來對比實驗室和現實生活中識別步態事件的準確性，其結果顯示無論是在實驗室環境還是日常生活中，腿部放置的慣性傳感器比腰部傳感器識別步態事件的準確性高，這與Trojaniello等人[44]的研究結果一致，在實驗室和現實生活兩種環境下，設備測量數據的準確性差異極小，所以日常生活行走過程中的步態參數影響不大，表明可穿戴設備在日常生活中檢測步態參數的有效性。

2.2 亨廷頓病患者

測量亨廷頓病(HD)運動損傷的主要方法是統一的亨廷頓病評定量表(UHDRS)運動總評分[45]。盡管該量表很有價值，但它具有主觀性和特異性[46,47]，需要經過大量的培訓才能正確使用，且只能在臨床上針對損傷進行評估。Andrzejewski[48]等人使用可穿戴設備對健康受試者和亨廷頓病患者在臨床和日常生活兩種環境下進行步態測量，以評價可穿戴設備在日常生活中測量亨廷頓病患者運動障礙的可行性和能力，其結果顯示HD患者的步長時間變異性高于對照組，這符合之前的臨床研究得出的結果——HD患者的步長時間變異性隨疾病嚴重程度的增加而增加[49,50]，除此之外，HD患者與對照組的其他步態參數差異值較小，在這項研究中初步證實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]使用可穿戴設備測量帕金森、亨廷頓病患者和準亨廷頓病患者(攜帶亨廷頓病遺傳基因，但尚未表現出性狀)，分別在臨床和家庭環境中的步態，得出結論——可穿戴設備可以識別出有運動障礙的人和沒有運動障礙的人在步態上的顯著差異，此外，連續、客觀地監測可以揭示臨床上未能檢測到的疾病特征，證實了在有運動障礙的個體中，使用可穿戴設備測量日常生活中步態參數是有效的，后來的研究也進一步證明了這一結論[52]。

2.3 帕金森病患者

在帕金森病(PD)的運動癥狀中，姿勢不穩和步態障礙的特征十分明顯，因此這類人群的摔倒風險高、靈活性低。由于對步態障礙患者的經典臨床評估不能充分反映他們在日常生活中的實際狀況，所以在日常生活活動期間對患者進行動態評估，有可能成為一種量化臨床外步態和運動質量的方法。

一般來說，帕金森病患者不能以一致的步態模式行走，因此步態模式的步幅波動(例如，步幅時間)比健康組大很多，因此，步態變異性可作為衡量帕金森病患者步態質量的一個衡量標準[53]。Weiss A[54]等人使用腰部佩戴的3D加速度計測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變異性，結果表明患者和對照組在臨床和日常生活中的步態變異性有明顯不同，而患者服用抗帕金森藥物后其步態變異性有所改善，根據步態障礙的測量，步態變異性也與步態障礙的嚴重程度有著特定的相關性。已有研究在實驗室條件下，基于時間和頻率的測量也顯示出同樣的結果[55,56]，這些發現都表明可穿戴設備測量出的步態變異性，可以用來評估帕金森病患者在日常生活中的行走能力。

2.4 中風患者

針對中風患者的研究，在實驗室進行的運動測量僅限于短距離定時步行[57]、殘疾和生活質量的順序量表[58]。而對日常活動類型和運動量的持續監測以及進一步的分析可以提供有關日常表現的直觀情況，包括日常護理和臨床試驗期間鍛煉的有效性和技能實踐的情況。

Dobkin BH[59]等人使用雙側踝關節加速度計評估中風后活動和步行速度中的可靠性和有效性，中風患者和健康對照組在戶外自由行走，將加速度計計算的步態速度與秒表計算的步態速度和算法推導的步態速度進行對比，秒表測量的室外步行速度與算法計算速度(皮爾遜系數0.98；p=0.001)和算法推導的步行速度的重復測量(p=0.01)之間存在高度相關性。在日常生活中，該算法能夠正確識別出超過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。

3 結 論

目前可穿戴設備類型多樣且在臨床和日常生活中得到了廣泛的應用，并且在日常生活中使用可以實時檢測健康人群和一些病理患者步態參數，與在臨床和研究中測的步態參數相比，這些參數更接近受試者真實的步態情況，這些實時監控的數據可以直接發送到監護人或者醫生的手里，并根據數據情況提供預警，進而減少摔倒和死亡的風險，提高生活質量。

在監測步態參數中，可穿戴設備仍存在一些局限性。首先，目前的研究表明可穿戴設備的采樣頻率必須在足夠大，否則無法精確地測量出步態參數，這對可穿戴設備續航能力提出較高的要求，未來的研究應該進一步提高可穿戴設備的續航能力及其數據采集能力。其次，由于使用可穿戴設備大多都是老人和運動障礙患者，在一些特殊情況下，比如洗浴或者給設備充電，他們將可穿戴設備從身上摘下來后，很難自行將設備穿戴在正確的位置上，故在以后的研究中，應該提高可穿戴設備的易用性。