運動傳感設備在衰弱老年人中的應用進展

姚露，陳雪萍，劉欣，陳姬，汪夢鑫

（1.杭州師范大學醫學部，浙江 杭州311121；2.杭州師范大學科技園，浙江 杭州311121）

衰弱（frailty）是以多系統功能受損及儲備能力降低為特征的老年綜合征， 常與跌倒、 認知功能減退、死亡等不良健康結局有關[1-3]，給“健康老齡化”帶來沉重負擔。肌少癥被認為是衰弱的核心要素，導致患者活動能力下降，獨立性受到漸進性限制[4]。 因此，開發具有監測、評估、改善患者活動能力的療護技術尤為必要。 運動傳感設備是基于電磁、慣性、光學等原理，依托傳感元件或其組合，探測物理運動獲得運動特征參數的電子裝置， 并且能夠進行信號轉換、數據處理和報告，完成人體動作和姿勢識別[5-7]。以是否與人體直接接觸， 運動傳感設備主要分為穿戴式、非接觸式和混合式設備。 在老年衰弱領域，該設備能夠提供基于測量的患者活動信息， 有助于立足在醫院、社區、家庭三方聯合照護模式的延續性衰弱監測，是實現個體化護理的有力助手[8]。 同時，傳感技術的發展支持了虛擬現實、物聯網醫療的開發，促進了新型運動工具的出現， 為衰弱老年人的干預和管理提供了新的方法， 有助于提高護理質量。 目前，我國這一領域的研究尚處于萌芽階段，筆者參閱運動傳感設備在衰弱老年人中應用的相關研究，重點從有效篩查衰弱老年人、 輔助運動干預過程并為效果評價提供依據、 監測日常活動反映疾病變化及防止急性事件3 個方面， 綜述運動傳感設備在臨床應用中發揮的功能， 以期為國內衰弱老年人的智能化護理提供參考。

1 運動傳感設備的操作者與應用對象

應用于衰弱領域的運動傳感設備， 操作者一般為研究人員或者醫護人員， 還包括照料和支持的社會服務團隊[9-12]。 目前，操作者的資質尚無國際或地區的認證標準， 主要的形式為應研究的需要招募醫護人員入組接受培訓，通過考核后，相應機構對能夠執行特定操作的人員的能力給予認可。 運動傳感設備種類繁多，但培訓覆蓋面并不廣，存在培訓內容、考核指標不統一的問題。設備應用對象包括在醫院、養老機構、社區環境中處于衰弱前期、衰弱期和有衰弱風險的老年人[11，13-14]。

2 運動傳感設備在衰弱老年人護理中發揮的功能

2.1 運動傳感設備對衰弱老年人的篩查功能 一般而言， 護士篩查衰弱老年人的工具有自陳型評定量表和測量型篩查工具[15-16]。 但是，不同量表篩查結果異質性較大，且存在回憶偏倚、測量目的和工具內容缺乏一致性、測量過程復雜等不足；而測量型篩查工具，如傳統的步態速度測試、起立—行走計時測試等需要護士自行觀察、計算結果，系統誤差較大。 運動傳感設備作為衰弱篩查的客觀工具， 可以在一定程度上克服上述限制。

2.1.1 測量步態參數，有效篩查衰弱 研究證明，步態變化是評估衰弱的有力標志[17-18]。運動傳感設備步態篩查功能的研究大部分是基于慣性傳感測量原理， 探測衰弱老年人由于下肢力量減弱而出現的步速降低、跨步時間延長、不對稱性步態等步態參數的改變， 通過設備處理器完成模型和數據迭代或者通過醫護自行分析所獲數據，得出衰弱篩查結果。傳感元件可置入鞋墊、足環、吊墜中，經濟便攜。 Pradeep等[19]使用吊墜式傳感器PAMSys，量化監測48 h 內，處于不同衰弱亞型的126 例老年人日常行走時的步態， 分析了60 s 連續行走的步態參數。 結果顯示，PAMSys 對衰弱篩查的靈敏度和特異性分別為76.8%和80.0%，ROC 曲線下面積為0.84， 能夠較準確地評定參與者是否存在衰弱。 該裝置監測老年人的自然行走狀態， 適合應用在家庭和社區護理中。Rahemi 等[20]研究納入了161 例佩戴腿部傳感器的老年人，通過提取和建模傳感器衍生的步態參數，區分不同的衰弱階段， 并建立人工神經網絡模型（artifificial neural network, ANN）來評估算法的準確性。 模型篩查衰弱前期的準確率為83.2%，篩查衰弱的準確率為95.8%。 研究結果支持了開發傳感鞋類的可行性， 但所有數據都是在結構化的單一步行任務和一個可控的實驗室環境下收集的， 因而需補充自然行走狀態的研究。

2.1.2 測量非步態參數， 輔助篩查衰弱 鑒于部分衰弱老年人活動受限，步態測試執行困難，國外學者設計了無需借助步行測試的替代篩查方法。 非步態篩查原理與步態篩查類似， 但是數據采集的指標多為關節旋轉速度、活動范圍、彎曲時間等關節運動參數而非常用的步態參數。 Lee 等[14]研發了衰弱腕表，在100 例住院的衰弱和非衰弱的老年人中進行測試。 參與者在仰臥位進行持續20 s 重復的全肘關節快速屈伸運動， 腕表即可自動評估參與者衰弱狀況和程度。研究結果表明，衰弱智能腕表的篩查結果的靈敏度為79.6%，特異度為89.2%，ROC 曲線下面積為0.88，該設備為老年衰弱提供了快捷的篩查方法。Zhou 等[11]借助計算機平臺，篩查61 例處于不同衰弱期的老年人，參與者佩戴踝部傳感器，旋轉踝關節進行虛擬任務測試， 踝關節的三維旋轉會實時控制光標在計算機屏幕上五個任務圓之間的定向運動。 其衰弱檢測的敏感性為83%， 特異性為67%，ROC 曲線下面積為0.83。 該平臺用自動化和客觀的過程代替傳統的衰弱步行測試，縮短了篩查時間。雖然非步態篩查類的替代設備對于無法完成傳統的步行測試的老年人較實用，但是，替代設備尚缺乏與步態監測的直接比較結果，也未從用戶的角度評估其可行性。因此，對于能夠正常活動的老年人，護士應該謹慎行事。

2.2 運動傳感設備對衰弱老年人的運動干預功能運動干預是目前衰弱最有效的干預方法之一[21-22]。2017 年，中國專家達成關于老年患者衰弱評估與干預的共識，指出在可耐受的范圍內，即使是最衰弱的老年人也可以從任一體力活動中獲益， 提高生活質量和功能[23]。 衰弱老年人自我效能感較低[24-25]，低自我效能不利于遵循良好的健康行為， 如按既定目標進行鍛煉。 而運動傳感設備為衰弱老年人運動干預的成功實施提供了多方面支持。

2.2.1 作為運動鍛煉的工具， 促進實現高質量干預運動傳感設備作為鍛煉工具，根據工作原理的不同，目前典型的有2 類：（1）力學傳感運動裝置。此類裝置主要將慣性傳感器、 位置傳感器等作為主要的外傳感設備探測力學量， 通過電纜或者無線傳輸數據，實現人機動作交互。 如Ozaki 等[26]使用融合運動傳感器的平衡訓練機器人BEAR 對衰弱老年人進行虛擬網球游戲訓練， 參與者在機器人運動端的傾倒動作可控制虛擬運動員的移動。結果顯示，BEAR 在改善衰弱老年人步速、功能延伸測試（functional reach test, FRT）、增強髖關節和踝關節周圍的肌肉力量上較傳統運動更有效。 （2）三維光學傳感運動裝置。 此類裝置是通過接收投射到三維場景中運動者身上的反射脈沖光，進行三維多點探測獲得骨骼數據，達到動作識別和追蹤的目的。相比較力學傳感運動裝置，光學傳感運動裝置參與者的活動范圍更大。 Liao 等[27]使用Kinect 紅外傳感設備，對干預組的衰弱老年人進行運動游戲干預；對照組選擇聯合阻力、有氧和平衡訓練的綜合運動干預。 經過每周3 次，為期12 周的干預后，2 組參與者衰弱得分、行走速度、活動水平皆有所提高； 但是2 組間比較衰弱逆轉率并無明顯差異，由此推測，基于Kinect 的游戲干預與綜合運動的效果可能相當。究其原因，可能與對照組選擇綜合運動有關， 這是衰弱運動干預最有效的類型之一[28]。 Pedroli 等[29]研發了一款虛擬場景的騎行裝置，基于光電原理設置運動傳感跟蹤系統， 對衰弱老年人進行運動和識物的雙重任務干預。 此設備通過了可用性、參與者投入程度及專家評估，獲得了良好的結果。 運動傳感技術的發展推動了新工具在衰弱老年人運動干預中的應用， 提高了衰弱老年人的運動積極性。但是針對中重度運動障礙的衰弱老年人，此類設備的難度大、臨床可操作性低，研究的重點應轉向更簡單的動作訓練。

2.2.2 作為運動監測的工具， 為調整運動計劃和評價運動效果提供依據 運動傳感設備， 除了作為運動鍛煉的工具， 還可以收集參與者運動過程中的骨骼、肌肉的運動參數，作為估計運動負荷，調整運動計劃和進行運動效果評價的依據。（1）提供調整運動計劃的依據。運動傳感設備對運動參數進行監測，有助于護理人員適時對運動計劃進行改進， 避免運動不足導致鍛煉效果不佳或者運動過量造成損傷，確保參與者的運動效果和安全。 如Ozaki 等[26]設計的衰弱老年人運動任務的難度以參與者運動速度和身體傾斜度為評價指標， 并通過運動傳感器收集的參數信息進行自動調整， 確保任務難度設置在參與者可耐受范圍內。 （2）提供評價運動效果的依據。 護理人員通過運動傳感設備收集、 比較運動干預前后特定參數的變化， 可以作為運動效果評價的依據。Garcia 等[30]的研究用借助踝部加速度傳感器監測衰弱老年人運動強度， 分析執行自我監測綜合干預和居家運動干預的2 組參與者在基線期及干預第十周的日均熱量消耗是否存在差異， 以此作為運動效果評價指標之一。 Santos 等[31]使用運動傳感設備進行等速度測試， 比較不同強度的運動干預后衰弱老年人肌肉力量和功能能力的改變。通過此類設備，護理人員可以有效簡化數據收集過程， 快速獲取準確的結果并進行評價。

2.3 運動傳感設備對衰弱老年人的日常監測功能衰弱是一個動態變化的過程，自然狀態下呈現進行性發展趨勢， 但在早期識別及合理干預的作用下呈現可逆轉的特點[32]。 應用運動傳感設備對衰弱老年人進行常態化的監測， 有助于護理人員關注疾病的進展，及時發現不良風險，為制定延續性護理計劃提供依據。 日常監測應盡可能保持參與者在自然狀態下的三維人體姿態持續跟蹤， 在復雜動作下反映運動過程的特殊性質。因而，這類運動傳感裝置多非只有傳感零部件的智慧單品， 更多的研究將混合式運動傳感設備與通信、 網絡等設備連接， 并融入家居、監測平臺甚至城市基建中，成為構建醫療物聯網的關鍵。

2.3.1 監測行為變化， 分析疾病進展 隨著病情的進展，衰弱老年人會出現行為變化，如睡眠行為、活動模式等。 監測異常行為有助于分析疾病的發展。Wai 等[33]系統綜述結果顯示，衰弱和睡眠障礙呈正相關。 我國余雅靜等[34]的Meta 分析也驗證了這一結果。所以，有研究將衰弱老年人日常行為監測的重點放在睡眠行為上。 Gokalp 等[10]開發了一套慢性疾病伴衰弱患者的智能家居監測平臺， 通過非接觸紅外傳感器捕捉身體運動， 通過壓力傳感器持續監測臥床、久坐行為、起床次數分析異常睡眠狀態。 低于閾值平臺會自動報警， 醫護人員經過后續分析活動警報的原因， 明確疾病狀況， 制定臨床訪問和干預計劃。 西班牙馬德里打造了結合傳感設備和市政開放平臺的智能城市基礎設施， 持續監測普通老年人發生衰弱的風險， 收集了老年人在城市中活動的定量數據（身體活動、社交、休閑和交通行為模式），通過分析行為變化， 預測和發現衰弱的早期癥狀及可能對老年人的身體或認知狀態產生負面影響的事件，采取干預措施延緩功能下降[12]。 這些研究結果表明了此類設備在監測異常行為方面的潛力， 輔助醫護人員及早發現病情變化，并采取針對性措施。但需要注意，步態、睡眠、活動模式等改變并非衰弱進展的特異性癥狀，因此需排除多病共存的可能（如阿爾茨海默病、帕金森）。

2.3.2 收集活動數據， 監測跌倒和走失 衰弱老年人的活動能力下降，認知功能減退，容易發生跌倒、走失等急性事件。 衰弱老年人跌倒的發生率在6.7%～44.0%[35]，而跌倒前的緩沖時間極短（700 ms 內），因此在跌倒瞬間提示患者作出反應并不現實。 Xi等[36]使用下肢粘貼式傳感器來檢測跌倒過程中的肌肉收縮活動，檢測時間縮短到200 ms 內，并能夠精確區分跌倒和站-蹲-起的姿勢變化，實現對跌倒的監測。 但是此項研究缺乏在真實環境下的跌倒檢測系統試驗，且衰弱老年人反應速度下降，難以依靠在極短的預警時間內， 作出調控姿勢的反應來減少跌倒的次數。因此，此設備在護士對衰弱老年人的跌倒后的緊急處理中發揮的作用更大。 Zacharaki 等[9]開發了衰弱老年人實時監測平臺， 其中慣性傳感器收集衰弱老年人居家活動的動作數據， 識別個人難以感知的不穩定步態， 對可能會發生跌倒的情況作出預判，提前發出跌倒預警；位置傳感器監測受試者在室內和室外的行為模式和地理位置， 并借助定位系統提供了一個多邊形坐標， 作為參與者的地理隔離安全邊界，在其跨越設置的邊界時會觸發突破警報，監測漫游和走失。

運動傳感設備通過監測日常數據在識別衰弱潛在的危險因素，輔助疾病早期發現，監測疾病進展，急性事件預警、處理中發揮了作用。 但是，設備發生錯誤警報率較高， 這可能與傳感器的安裝類型、數量、位置，信號質量，以及來訪者打破觀察者的日常生活規律等原因有關。此外，研究人員還需要分析如何更好地解讀數據， 將呈現給醫護人員的信息從獨立的習慣性數據轉換成展現疾病發展趨勢的臨床數據，更好預測疾病的規律。

3 展望

在國外， 運動傳感設備作為一種醫療輔助工具受到越來越多關注， 適用于衰弱的篩查、 干預和管理。我國相關的研究尚起步，而目前科技部啟動實施了國家“主動健康和老齡化科技應對”重點專項，圍繞運動健康隨身監控技術、 穿戴式健康檢測技術等進行系統性布局[37]。 因此我國研究人員和護理人員可以順勢而為， 將適于我國衰弱老年人使用的運動傳感設備投入護理實踐。 后續的研究可從以下幾方面進一步探索和發展。 （1）擴展研究范圍：衰弱相關的不良健康結局嚴重影響老年人后期生活質量，運動傳感設備在預測衰弱相關并發癥等領域的功能有待開發。（2）重視設備調試：針對國外引入的設備，有一些關鍵問題， 如不同種族之間的運動特征存在差異[38]，因此需進行設備調試，否則容易出現偏倚。 （3）規范培訓流程： 機構應定期開展衰弱知識和設備使用培訓和考核，規范認可機制。（4）防止隱私外泄：部分設備連續監測老年人的活動受爭議。 故可設計隱私保護模塊， 由參與者根據需要選擇合理的監測時段，設置數據私密模式。（5）增強普適性：設備對操作者和應用者的信息素養有一定要求， 為使設備更具推廣價值，研究者應簡化操作流程。（6）控制成本：大多數的運動傳感設備價格較高， 限制了其使用。 因而，今后應朝著經濟、實用方向發展。