可穿戴装置在老年跌倒防护中的应用现状.pdf
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1、可穿戴装置在老年跌倒防护中的应用现状 房鹏飞;张庆来【摘 要】通过美国 IEEE,PubMed,Medline,SpringerLINK等外文数据库以及中国知网中文数据库检索相关文献,结合当前全球传感技术与无线通信技术以及制造技术高速发展的时代背景,简述了可穿戴智能运动检测装置在老年人平衡和步态评估以及跌倒预防与治疗康复中的应用和新进展,介绍了老年人平衡和步态受损程度、轻微的平衡和步态受损问题敏感性、中移动能力测试项目,分析了可穿戴设备在老年跌倒防护中的作用.指出物理治疗师将来可运用可穿戴传感器监控家庭训练计划以完成电子康复,从而提高老年人社区生活中的活动质量.【期刊名称】广州体育学院学报【年
2、(卷),期】2017(037)002【总页数】6 页(P110-115)【关键词】可穿戴装置;老年人;跌倒;平衡;步态【作 者】房鹏飞;张庆来【作者单位】钦州学院体育教学部,广西钦州 535000;山东理工大学体育学院,山东淄博 255049【正文语种】中 文【中图分类】G818 11 预防老人跌倒研究与可穿戴设备 在物理疗法中人体移动性的量化技术应用是远落后于康复领域的其他技术手段的,比如神经和骨骼肌的康复疗法比较成熟,由于移动性具有固有的复杂特性,对于物理治疗师(Phyical Therapist,PT)来讲很难找到一种简单的技术来测量和量化人体的移动性。移动性的测量之所以复杂是因为它包括
3、了很多不同的与平衡和步态相关的神经控制系统,还有在外部条件改变时人体移动性所具有的适应机制1。平衡能力和步态异常是老年人跌倒的主要因素,对老年人进行平衡能力及步态评估并进行针对性的训练对预防老年人跌倒是十分重要的2,3。目前在临床治疗中,针对这些因素的评估主要靠评定量表完成4-6,这些评定具有天花板效应,对于一些操作者来讲由于不具备较丰富的专业知识和良好的操作经验,从而不能使用这些测验方法精确地对老年人的平衡和步态进行评估,进而对跌倒风险的判断缺乏敏感性7。近年来,国内外许多实验室开发出了新的方法对平衡和步态进行定量测量和评价,这些方法能够区分有无跌倒风险老年人群的特征,轻微的神经系统或骨骼肌
4、系统受损者与健康人群的平衡和步态差异。Hobert,Mortaza 等人目前已经将这些方法与先进的传感技术和软件通讯技术相结合,变成了可进行步态和平衡测评的可穿戴设备8,9。12 可穿戴运动检测技术的最新进展 穿戴设备分为人体活动检测仪(activity monitors,AM)和运动检测仪(movement monitors,MM)。尽管两种可穿戴设备都是基于惯性传感器来检测人体运动状态的,但两种穿戴设备还是有很大的区别。AM 的设计主要是使用的加速度计(单轴或三轴)来检测人体活动相关联的的加速度数值及大小,通常可以统计步数或是计算不同运动状态下的时间利用情况,比如运动距离、久坐或保持静止的
5、时间10,不能检测步态和平衡受损的特征,而这些特征是临床康复治疗的重要关注点。AM 产品(如StepWatch,ActivPAL,ActiGraph 等产品)在国内外都非常受欢迎,这类产品一般是以手表、手环、腰带或胸带的形式佩戴,不妨碍正常的活动,并能够记录睡眠的时间、每天运动量(如步行步数、距离、速度)、估算运动中能量消耗。但是作为临床治疗专家要谨慎使用这些设备或是利用这些设备所获取的数据对患者进行相应的诊断,因为这些设备可能没有经过专门有效的精度测试或是可靠性的检验,特别是针对患者群体,没有进行专门的效度或信度的检验。任何类型的 AM 所提供的活动模式的信息都是有限的,都不能给专业的治疗专
6、家提供运动的特性,关节的运动学以及运动单位的损伤等数据。MM 利用三个或更多的惯性传感器记录了 X,Y,Z 三个轴的运动数据。目前这些设备中同时植入加速度计、陀螺仪以及磁力计(例如,加速度计测量线性的加速度,陀螺仪测量角速度,磁力计可以测量地球磁场下的运动方位。)通过这些传感器结合人体模型同步采集的多重信号汇合后,可以精确测量人体平衡控制中身体各环节空间的运动学参数11-13。MM 的最新发展趋势,具有小型,轻便以及多传感器的同步采集特征,高频数据采集,智能检测具有无线数据传输,实时数据处理及高速分析,可以为临床患者或是老年群体提供实时的信息交流,这些检测技术逐渐在临床中得到应用。因为设备体积
7、较小,佩戴方便,对人体动作行动无干扰,这些可穿戴设备可以在临床中对受试者无约束地进行平衡和步态参数的采集。MM 能够测量人体各种运动中运动学参数的空间特征,它可以用于临床中对老年步态进行测量评估,也可以用于日常生活中对身体活动的检测。但这种运动检测装置的局限性在于它的能耗较高,电池持续供电只能在10h12h,每天需要进行一次充电,另外,相对于 AM 它的价格相对比较昂贵,所以也会限制这种检测设备的发展及平民化普及。每一种可穿戴智能检测设备都有它的优点和局限性,这主要依赖于运动治疗专家通过它想获得什么样的人体运动信息参数。一些商业的系统只有一个检测装置,穿戴在腰部环节,它可以帮助物理治疗师获得老
8、年人动态中的摇摆参数,也可以获得一些步态中的动态数据比如节奏,躯干稳定性和步数等(如表1 所示)。有些 MM 包含了双脚佩戴检测设备,可以更全面地获取步态和转身过程中空间和时间的运动学参数,相关参数可以参考表1。其中有两种可穿戴设备配备了腿部,臂部,腰部,躯干部的检测传感装置(APDM,BioSensics)(如图 1 所示),系统可以将这些部位所采集到的传感器信号进行同步分析,从而可以获得整个人体的平衡,步态以及姿势控制等全面的数据,多数的 MM 还可以用来测量运动学的关节角度。不久的将来,这些运动检测系统可以持续的来监测老年人社区家庭生活中每天和每周的身体活动状况的数据。对于物理治疗师来讲
9、,他们认为运动检测装置的关键在于系统测试数据的有效性和可靠性,并且使用方便,能生成高质量的测试报告,支持临床的常规测试手段,比如 Timed Up and Go Test(TUG),Clinical Test of Sensory Integration for Balance(CTSIB)。2.1 老年人平衡和步态受损程度测量 传统的临床诊疗中,物理治疗师常采用 BBS、berg 等量表来评估老年人步态、平衡能力及功能性活动能力。量表评定具有一定主观性,很难客观表达老年人步态、平衡能力及功能性活动能力,而可穿戴职能检测装置可以精确评估老年人平衡和步态情况,并能对其进行康复治疗。例如,MM 最
10、近已经大量应用在 TUG 和 CTSIB测试以及 2min 行走测试中15,16。这些配备了可穿戴智能检测仪器的常规测试方法,能够把很多的步态和平衡特征参数加入到仅仅靠标准时间来评价平衡步态特征的临床应用中来。这些配合可穿戴检测装置的平衡和步态测量方法能够精确测量出功能性受损的状况和原因。例如,TUG 测试中的总时间变长原因是转身功能受损,稳定步态变慢或是坐起转换功能受损。通过应用运动检测设备对患者进行临床平衡和步态测试,物理治疗师可迅速完成平衡和步态评估,制定相应的康复治疗计划17。例如,临床中的 TUG 测试能够表明是否要通过物理治疗来提升老年患者的移动能力,这种诊断只能是粗线条的结论,具
11、有跌倒风险的老年人可能在物理治疗师的建议下进行了相应的运动治疗,最终有可能 TUG 测试的总时间是减少了,但与跌倒相关的控制能力并没有提升。而配备了可穿戴检测设备的 TUG,可以命名为 ITUG,则可以明确的提示给治疗专家应该提升具有跌倒风险老年人的哪一个方面的移动能力,是姿势控制的能力,还是起动、转身的能力,还是坐-起能力等。通过 MM 测量老年人的平衡和步态能够比临床上单独用步速来评价老年人的跌倒风险更具有可靠性。然而,很多研究表明,MM 通过检测平衡和步态来预测跌倒风险的标准值还有待进一步深入研究6,15。表 1 中所列出的研究提供了一些客观区分跌倒与非跌倒患者的平衡和步态的测试方法和手
12、段以及评价方法。例如,双支撑时间和步态的变化要比用步速来预测老年人跌倒风险更客观9,18-22。另外,姿势控制中的身体摇摆比用秒表测量特别姿势下的站立时间对于预测老年人跌倒更有效27,28。用 MM 来评估跌倒风险是非常快捷的,Mancini M 等通过应用可穿戴的运动检测设备对 50 名受试者进行了平衡和步态受损的测试,总结得出一种新的跌倒风险评价方法 ISAW(Instrumented Stand and Walk Test)17。ISAW包括四个方面:(1)站立平衡中的姿势摇摆;(2)步态起动时相关预期姿势调整;(3)步态的时空组合;(4)转身 180。MM 分成几个不同的部分,来捕捉日
13、常生活的身体活动情况。陀螺仪测角仪放置在腰带上,能够检测转身角速度,安放在下肢的陀螺仪能够测量步态周期。特殊的平衡和步态受损情况可以被 MM 鉴别出来,当检测受损的原因时它有潜在的可变性。例如,Spain RI 等测试了两个不同的患者群体,他们都有轻微的移动障碍,一组是多样硬化(MS)患者,另一组是未治疗的帕金森(PD)患者,用普通的测量方法,经过秒表测量行走 7 米的时间,或用 TUG 进行测试,结论是他们步速是正常的。然而,通过可穿戴仪器测量发现两个组的平衡和步态特征都是异常的。特别是 MS 组相对于健康对照组表现出了更长的转身时间,PD 组相对于健康对照组则表现出手臂摆动的减少。有趣的是
14、,这两个组在行走中都表现出了比较严重的躯干转动受损17。然而,与健康对照组相比,PD 组患者明显出现躯干转动速度降低,MS 组患者明显出现躯干转动速度增加。因此,治疗专家对PD 组患者采取针对于增大躯干转动的方案(比如,通过增加手臂的摆动来减少躯干轴向的僵硬),然而,物理治疗师对 MS 组主要是采取如何减低步态中躯干的不稳定性,(比如,增加核心力量的练习或应用拐杖)。因此,对于物理治疗师仅仅使用 TUG 来测量评估平衡和步态是很有局限性的,表面看来,不同患者的看似正常的数据,但当需要介入治疗时,很难对其进行有效的针对性测量评估,而加入可穿戴检测装置使评价更客观有效。大量研究表明,不同的移动性受
15、损可能会反映在不同的独立神经控制系统方面。例如,站立姿势摇摆,步态起动的预前控制,步态的模式,转身的协调每个动作都包含了单独的神经回路。因此,具有跌倒风险的老年人的平衡问题会以不同情况表现出来,一些经常跌倒的老年人可能表现出站立姿势摇摆是不正常的,但他的步态起动预期控制及步态模式却表现正常,然而,有些老年人表现出转身运动特征异常,但是直线行走却是正常的1,25,27。鉴别各种类型的平衡问题要考虑到在安全移动性的约束下来进行更多的特定的康复治疗26。一个具有跌倒风险的老年人经历提升移动能力的康复过程,往往得益于对他所进行的潜在的平衡和步态受损的敏感性和定量测量与评价。像 BBS,TUG 这些操作
16、测验主要是测量受试者能否完成转一圈或走一段特定距离的任务。而 MM 可以客观的测量记录平衡受损情况,并能给受试者提供出现这种平衡问题会怎么样,以及为什么会出现这种情况的原因。然后物理治疗师就会根据这些客观的测量数据进行评估,制定科学合理且有针对性的运动治疗方案。2.2 老年人轻微的平衡和步态受损敏感性测量 当前,老龄化社会程度越来越严重,未来对于物理治疗师服务业的发展提供了巨大的空间,相对一部分老年人必定要花费在身体移动性的治疗上,这需要物理治疗师要给具有跌倒风险的老年人提供平衡问题的依据以及不断提升平衡能力的治疗方案。但是当前的平衡量表以及用秒表来监测时间的测量方法对于一些只是具有轻微平衡问
17、题的患者不具有敏感性27。利用 ITUG 这种比较客观的测评平衡和步态的评价方法在健康人和具有轻微神经控制紊乱的老年人之间更具有敏感性25。Zampicri C 等研究发现尽管接受轻微治疗的帕金森患者与同龄的健康对照组在正常的 3-m TUG 测试中并无显著性差异,但他们可能会在行走、转身、做起等动作的特性上表现出明显差异25。这可以作为早期治疗康复的证据,因此对于存在平衡和步态轻微损害的患者,利用 MM 早期检测是非常重要的。2.3 老年人日常社区生活中移动能力的测量 制约移动性评价的一个最重要的障碍是需要在一种自然状态下对老年人的身体功能进行长时间的连续性跌倒风险的监护,观察生活中每天行动
18、中的平衡和步态的波动,功能性下降或是干预介入的反应以及环境改变的影响。仅靠单次临床的移动性测量不能够准确反映日常生活中的移动能力,因为在一次的临床测试中会增加老年人对测试任务的注意力,会增加某些动作的效能,无形中会掩盖一些内隐的问题28。另外,单次间断性的测量不能评估一天内日常的或其他临床相关的变化状况,也有可能是药物治疗中引起的运动功能下降或疲劳。日常生活中的运动情况的监测能够客观地对老年人的运动功能进行临床外量化评价,就像心脏病患者佩戴心率监测仪进行几天甚至几周的全天候数据监测,进而才能准确评价心脏功能。最近,一些新的研究致力于在家庭或社区使用可穿戴且重量轻的运动监测仪对老年人进行多天的数
19、据测量评估29,30。利用这种测量方法,利用穿戴在躯干和腿上的监测仪对老年人行动中的转身和步态特征进行数据采集,能够详细地分析持续几周的身体移动的监测数据情况。以前用 AM 进行持续性测量数据的时间是受限制的,但现在 MM 能够允许对长时间的身体移动情况进行持续的监测。Fay Horak等对 19 名无跌倒史的老年人和 16 名近年来有一次或多次跌倒史的老年人(年龄867 岁)利用可穿戴设备放置在鞋内和腰带内进行了超过 7 天的指定任务的监测,包括一些 180和 90转身以及 9 英尺的行走时间,监测结果显示平均每小时转身的次数是 6317 次,平均的转身角度是 952。有跌倒史的老年人与无跌
20、倒史的老年人没有明显差别。尽管他们在 9 英尺行走时间方面没有差异,但是一些转身的特征有跌倒史和无跌倒史的老年人则存在显著差异31。这些初步的结果还需要通过大量的研究来证实,是否持续的监测能够比单次监测具有更好的评价效果。可穿戴设备可以为预防老年人跌倒提供康复生物反馈。物理治疗师的一个重要角色就是为有跌倒风险的老年人的动作效能及错误提供正确的反馈。可穿戴运动检测装备则能够极具潜力地来增大反馈,对于自身经验技术欠佳的物理治疗师可以使用MM 提供更及时更敏感的反馈。生物反馈是使用技术设备实时提供给受试者那些隐藏的生物信息32。生物反馈给临床专家提供了一种有效的工具来为患者快速准确的提供一些关于如何
21、修正运动模式的指导。因此,生物反馈可以作为正常内部反馈的一个补充,为那些感觉传递功能障碍的患者充当了一个额外的“第六感觉”或“知觉替代物”。Dozza M 的实验室已经证实了听觉生物反馈在前庭功能受损的患者站立时姿势摇摆会迅速下降33。34。应用相同的听觉生物反馈方法来检测轻微脑外伤(TBI)患者站立时的姿势摇摆。不仅仅是放置在腰带上的运动监测仪能够敏感地检测到姿势摇摆的增加,当人们站立在不稳定平面的状态下,比如站在软的泡沫垫上,即使没有进行任何的练习,但通过生物反馈装置,躯干倾斜信号能使受试者在任何情况下都能减少姿势的摇摆。因为对于物理治疗师来讲他是不可能手动来给受试者提供快速、精确的身体姿
22、势摇摆的反馈的。生物反馈可以补充性地用在平衡训练中,它可以有利于提升训练和技能学习的效果,也可以用于装备假肢。例如,20 人前庭功能有问题的患者闭眼沿线行走过天桥,分别进行佩戴和不佩戴听觉生物反馈测试35。那些带听觉生物反馈仪的能够减小躯干侧倾,明显优于不佩戴仪器的过桥过程,其中一些特殊的动作姿态生物反馈,如步长,脚的离地间隙,步态不对称等通过仪器可以反馈性的进行调整,明显的改善了步态的紊乱。然而,如何使用可穿戴生物反馈装置对步态产生长期的影响还有待于进一步深入研究。当前物理治疗师在运动监测技术介入之际是有较高的风险和责任的。理想的情况下,物理治疗师应该与研究运动监测装置的公司保持密切关联,目
23、的是可以经过物理治疗师临床的应用不断提升产品的性能。作为一个实用的临床设备,MM 必须证明它的准确性和可靠性,可以用实验室的金标准进行有效性和可靠性的检验,与临床的相关成果相吻合,比如跌倒风险和残疾的评估。MM 应该能够敏感地测量体疗专家和患者所关心的损伤,比如平衡和步态的质量,以便在老年人还具备较好的移动能力时,能够提升他们的运动功能,并防止移动能力的下降。MM 获取的数据应该能够提供受损的相关信息,利用这些数据信息可以引导物理治疗师进行有效治疗,并使运动能力有相应的改变。可行的检测系统应该能够快速便捷地给患者和物理治疗师提供平衡和步态损伤及预期发展的详细报告。尽管当前可穿戴设备已经呈现出繁
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- 穿戴 装置 老年 跌倒 防护 中的 应用 现状
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