目的定量帕金森病神经运动症状:便携式计算机测量工具的实现

摘要

以器械为基础的量化神经运动症状为临床评估提供了有益的补充。使用CATSYS的研究已经确立了其作为计算机测量系统的效用，以量化神经运动功能。本研究的主要目的是为CATSYS在帕金森病(PD)中的应用提供技术指导。前瞻性地招募了44名特发PD患者和28名健康对照者，并使用CATSYS进行评估。CATSYS是一种便携式、基于windows的系统，由一个数据记录器和四个不同的传感器(震颤笔、触摸记录板、反应时间手柄和用于平衡记录的力板)组成，用于量化神经运动功能。CATSYS在休息/姿势震颤、旋前/旋后、手指敲击、简单反应时间、姿势摇摆强度和速度等方面区分了PD和对照组。使用拟议的测试组进行的CATSYS测量与相关的临床医生评定的统一帕金森病评级量表(UPDRS)项目有关，该量表评估震颤和运动迟缓。利用所提议的技术方法，将CATSYS作为运动障碍的诊断/监测工具，需要进行更多的工作。

1.背景

使用客观的、基于器械的方法对神经运动症状如震颤、运动迟缓和不平衡进行量化，为临床评估提供了有用的补充。使用协调能力测试系统(CATSYS，丹麦产品开发有限公司，丹麦)的研究已建立其作为一个敏感的计算机测量系统的实用性，以量化正常和异常(临床和亚临床)神经运动功能。已经获得了来自5个年龄组的150名健康男性和女性的标准数据，所有这些人在测试时都被证明没有神经缺陷[1］．Catsys已被用来评估暴露于有毒剂的微妙神经系统影响[2，3.］．在一组男性工业工人中，它还被证明可以检测出烟草使用者和非吸烟者的显性和非显性手震颤强度的差异[4］．最近，CATSYS已越来越多地用于神经系统和神经退行性疾病的研究。对帕金森病(PD)患者的初步研究表明，CATSYS能够区分PD患者与健康对照组的病理和生理(正常)震颤[5］．使用CATSYS进行的双边测量，Farkas等人[6]能够区分两种最常见的震颤类型，帕金森型震颤和特发性震颤(ET)，即使在较低的震颤强度下。本课题组发表了一项初步研究结果，该研究使用永久性植入丘脑下核的脑电极治疗PD，在高频深部脑刺激(DBS)期间对帕金森症状进行术前和术中客观量化[7］．通过目前的工作，我们旨在为我们的读者提供CATSYS测量帕金森症状的技术指导。我们还提出了PD患者和对照组的比较和参考测量。

2.方法

2.1。样本

我们评估了来自迈阿密米勒大学医学院的运动障碍诊所招募了患有特发性帕金森病（PD）的患者。根据英国PD社会脑银行标准进行PD的诊断[8］．我们还招募了28名健康志愿者作为对照组。由于在部门诊所连续招募的性质，对照组参与者与PD参与者不匹配。但是，我们努力招募50岁以上的健康对照组。所有参与者都接受了CATSYS神经运动电池(PD和运动波动的参与者在“ON”状态下进行评估)，并接受了全面的神经评估。帕金森病患者的临床评估还包括统一帕金森病分级量表(UPDRS) III [9](电机检查)在“ON”状态。PD患者接受稳定的抗帕金森治疗，并接受运动障碍神经学家的定期护理。当地机构审查委员会批准了这项研究，所有参与者都给予了书面知情同意。人口学和临床特征见表1．

2．2.设备

协调能力测试系统(CATSYS 2000)丹麦Snekkersten产品开发有限公司，丹麦，http://www.catsys.dk)是一种便携式的、基于微软windows的系统，由一个数据记录器和四个不同的传感器组成:一个震颤笔、一个触摸记录板、一个反应时间手柄和一个用于平衡(静态姿势)记录的力板。该系统可量化许多神经运动功能，包括震颤(休息和姿势/动作)、反应时间、运动迟缓和姿势摇摆。所有收集到的数据都可以很容易地传输到PC上，直观地显示给考官，并方便地导出用于统计分析。该系统是高度便携的，可以装在总重量小于10公斤的公文包中(见图)1）.整个CATSYS评估可以在30分钟内完成。

2．3.颤抖的笔

震颤笔(12厘米)0.8厘米)包含一个双轴微加速度计，并在垂直于笔轴的平面上敏感。通过笔与数据记录仪的连接，病人四肢的振动被实时记录和显示。快速傅里叶变换分析确定了地震在0.9 ~ 15.0 Hz频段的归一化功率分布。由加速度数据产生的量化是基于傅里叶幂的。使用CATSYS软件计算四个关键变量:(a)震颤强度，(b)中心频率，(c)频散和(d)谐波指数。震颤强度(TI)是在0.9到15赫兹波段记录的加速度均方根。TI的测量值为；数值越大，表示地震越剧烈。中心频率(F50)是0.9 ~ 15hz频段内加速度的中值频率。典型的PD静息性震颤在4 - 6 Hz之间[10］．频率分散（SF50）或中心频率的标准偏差（SD）表示震颤的不规则程度。常规震颤具有很小的频率色散，表明大多数振荡都在窄频带内。谐波指数（HI）将震颤频率模式与单个谐波振荡的震颤频率模式进行比较;单次谐波振荡有1.0的HI。当震颤由频繁，不规则的振荡组成时，嗨降低。对于典型的，均匀的帕金森休息震颤，嗨接近1.0。震颤笔可用于测量休息和姿势/动作震颤。

2．4．联系记录板

圆形触控记录板(直径10厘米)是一个圆鼓，连接到数据记录仪，并通过一个灵敏的麦克风记录与记录板的每次接触。使用CATSYS软件，计算每个任务的(a)触碰平均频率(Hz) (MFT)和(b)平均频率(MFT-SD)的SD。MFT计算为总命中数除以记录时间，并以Hz测量。MFT-SD是节拍器命中计算的平均频率的偏离。一个人谁能够保持相同的击中速度将有一个小的偏离平均频率相对于一个人在击中速度变化。触摸记录板可用于测量旋前/旋后和手指轻叩动作迟缓，如下所述。

2.5。反应时间把手

反应时间手柄(17厘米长，直径2.4厘米)连接到数据记录仪，记录黑色按钮的按下/释放。一个机械的点击响应也提供作为一个成功的回应与每次点击的主题的反馈。在固定的时间周期内，从数据记录仪上的扬声器发出随机间隔的声音信号。响应，这是简单的点击与拇指，记录的时间间隔之间的声音信号和手柄点击。小于0.10秒的反应时间被认为是无效的，并被软件打折。大于用户指定的“最大反应时间”的反应时间也被排除在外。允许的最大反应时间是一个预定义的等待时间。在每次刺激之后，系统会等待一定的时间来点击反应时间手柄。如果没有发生点击，则下一个刺激随机释放的周期开始。使用CATSYS软件，(a)平均反应时间(RT; measured in seconds) and the (b) SD of the reaction time (RT-SD) are calculated for the task. This device can be used to measure simple reaction time, as will be described below.

2．6．力板

力板是一个矩形的静态姿势板(长40厘米，宽29厘米)，连接到数据记录仪，记录垂直力的变化。盘子上记录着以公斤为单位的重量。垂直平面上的力记录在三个点上，以确定力的重心在板上的位置。及时记录力中心在力板表面定义的xy平面内的运动，并进行分析，提供关键变量。横向摇摆(TS)和矢状摇摆(SS)的测量单位是mm，并被定义为平均值和在平均力中心位置为的坐标系中力中心的轴值，．通常以MM测量，定义为从中心位置到所有记录力位置的几何平均值的简单平均值。被定义为由沿着力的变化产生的最小多边形区域的摇摆区域（SA）。和轴，包括力中心在水平力板平面上的总轨迹。SA是通过观察通过网格的力中心轨迹来计算的。这个单位的单位是毫米²。横移速度(SV)是力中心在水平受力板平面上的平均移动速度，用力中心轨迹总长度(mm)除以记录周期长度(s)计算得到，单位为mm/s。摇摆强度(SI)是通过取0.1 Hz到10.1 Hz频段中记录的加速度的均方根来计算的。SI的测量单位是．力板可以用来测量姿势稳定性，下面将详细定义。

3.CATSYS评估协议

3.1。静止震颤

在手处于放松状态的情况下，将震颤笔插入食指和中指之间，并与另一侧的拇指相邻。作为一项分散注意力的任务，参与者被要求倒着数。连续测量每只手静息性震颤8.2秒。

３．２．姿势震颤

在拇指上平躺时，将震颤笔插入食指和中指之间。参与者被要求水平握笔，与眼睛水平，距离鼻子约10厘米，肘关节呈直角，脱离身体。作为一项分散注意力的任务，参与者被要求倒着数。每只手连续测量体位性震颤8.2秒。

3．3．内翻/旋后

触摸记录板被放置在病人旁边的一个平面上。要求参与者在板上用手敲击板上的交替的伸出/索取图案，尽可能快地与桌子上的桌子上的录音板一起快速。对于主导和非显着手，测量最大频率打字/索取任务的性能10秒。

3．4．手指敲击

触摸记录板被放置在病人旁边的一个平面上。当参与者将录音盘放在他们面前的桌子上时，他们被要求将拇指和中指叉开放在录音盘上，手腕放在桌子上。参与者被要求用食指尽可能快地轻敲盘子，同时在每次轻敲之间将食指举得离盘子越远越好。在10秒内测量惯用手和非惯用手在最大频率手指敲击任务中的表现。

3．5.简单反应时间

反应时间手柄放在患者的手上，拇指位于黑色的“点击”区域。参与者被要求对一系列随机排列的可听到的音调做出反应，越快越好，方法是点击手柄上的黑色区域。在40秒的时间内，主用手和非主用手对9个随机间隔的音调的简单反应时间的表现进行了测量。

3.6。姿势稳定

将力板置于平坦的，坚硬的表面上，并要求参与者在板上矗立在板上80.5秒的时间。在10秒的运行期后录制开始。还有五秒的跑步时期，因此PI的录音时间为65.5秒。此任务仅在门诊设置中完成。

4.统计分析

使用Spearman相关系数检验UPDRS-III运动评分与CATSYS测量值之间的关系。Mann-WhitneyU检验用于PD组和健康对照组之间的组间比较，因为PD组的CATSYS测量违反了正态假设。在所有上肢测量中，将PD参与者(每个任务中确定的)最受影响的一侧(即任务表现最差的一侧)与健康对照组表现最差的一侧进行比较。概率值()0.05被认为是显著的用于所有分析。使用SPSS for Windows 17.0 (SPSS Inc.， Chicago, IL)进行统计分析。

5.结果

5．1.CATSYS与UPDRS的关系

收集Catsys值，用于上肢震颤（休息和姿势），Bradykinesia（校牙/索取和手指敲击）和反应时间。为PD参与者的子集收集姿势摇摆数据（)及健康控制(）.

5.2。静止震颤

休息的右和左猫头索与updrs项目20的右侧和左值显着相关（右，；左，）.

5.3。姿势震颤

左、右CATSYS体位TI评分均与UPDRS项目21(右、左)评分显著相关，；左，）.

5.4。动作迟缓

CATSYS旋前/旋后的平均值([RL]/2)，且与UPDRS项目31 (，）.左、右手的CATSYS手指轻击值与UPDRS运动迟缓项目没有关系(全部)）.

5.5。CATSYS区分PD和控制对象

PD组显示更大的静息TI (，)及较高的HI (，)而不是健康对照组。姿势TI (，)在帕金森病中也更明显。PD组的旋前/旋后运动较慢(，)和较低的旋前/旋后频率标准差(，)而不是健康对照组。手指敲击(，)及反应时间(，)在PD组中较对照组慢。在接受静态姿势描记评估的参与者中，PD组的矢状面显示出更多的摇摆(，)，并显示较大的整体摇摆强度(，)和速度(，)而不是健康对照组。所有其他标准Catsys测量都未能区分PD和健康控制。表中显示所有Catsys值的手段和标准偏差2．

6.讨论

这项研究为CATSYS的使用提供了技术指导，并提出了一系列测试，以帮助研究人员获得统一/标准化的数据。与UPDRS相比，CATSYS系统在临床上证明了选定帕金森症状的测量可行性。这些初步数据表明，CATSYS系统能够区分PD患者和没有运动紊乱迹象的健康个体。当前研究的目的不是评估CATSYS系统的诊断效用，而是描述如何使用它来提供帕金森症状的客观测量。CATSYS提供了一个客观量化几种帕金森运动症状的机会，并补充临床医生的观察。与使用分类评分的传统临床评分量表不同，CATSYS在一个连续体上量化运动表现，允许更精确地记录PD运动症状学的细微变化。

6．1.CATSYS与其他计算机化评估工具

其他方法是可行的，允许客观评估运动症状。至少有8个已发表的系统，其数据表明有能力量化PD运动症状[7，11- - - - - -17］．每个系统使用不同的方法和独特的优缺点集。与其他可用的工具相比，CATSYS提供了评估更广泛的症状的能力，是迄今为止唯一可用的用于测量下肢症状的系统[18］．CATSYS还提供了量化姿势不稳定性的能力，这是其他可用系统无法测量的高级PD的关键特征。CATSYS的其他主要优势包括规范性数据的可用性、可移植性和易于管理。

7.结论

使用一种无创、简单、敏感的症状记录电子方法，我们能够客观地量化帕金森神经运动症状，并为区分患者与对照组提供参考价值。利用所提议的技术方法，将CATSYS作为运动障碍的诊断或监测工具，需要进行更多的工作

致谢

这项工作是在B. K.斯坎伦博士在迈阿密大学的研究生培训期间进行的，在博士的指导下。B. E. Levin和S. Papapetropoulos。斯坎伦博士现在是VA帕洛阿尔托卫生保健系统精神疾病研究和治疗高级奖学金项目的成员。斯坎伦博士目前是由学术附属办公室，精神疾病研究和治疗高级奖学金计划，退伍军人事务部，退伍军人事务部帕洛阿尔托医疗保健系统的医学研究服务，退伍军人事务部西拉太平洋精神疾病研究，教育，和临床中心(MIRECC)。Papapetropoulos博士目前就职于Biogen Idec Inc. (Cambridge, MA)。

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