自动机械周围刺激治疗前后由单惯性传感器量化的帕金森步态时空参数

抽象

这项研究旨在评估在之前和自动机械周边刺激（AMPS）治疗后与帕金森病（PD）患者的步态的时空参数的变化。三十五个科目与PD和35健康年龄匹配的科目在这项研究中的一部分。一个专门的医疗设备（缆车）用于管理该AMPS。所有PD患者在关闭左旋多巴阶段进行治疗和步态的表演是由惯性测量系统之前和之后的干预评估。的ANOVA重复测量单向进行评估前，后-AMPS和ANOVA单向之间的差异以评估PD患者和对照组之间的差异。斯皮尔曼的相关性进行评估（H＆Y）的改善步态变量的AMPS后的百分比患者之间的关联与PD临床状态和（所有的测试)。PD组步幅改善14.85%;步态速度14.77%;步态推进为29.91%。相关结果表明，H&Y分类越高，步幅改善率越高。基于AMPS干预的治疗似乎可以诱导PD患者在步态模式方面有更好的表现，主要是在中晚期。

1.简介

帕金森病(PD)最典型的步态是一种短步移动步态。其特点是步幅缩短，行走速度加快[1，2]。这些步态障碍逐渐加重，随着病情的进展，并且都涉及到Parkinsonians中掉落的危险[3]。因此，这并不奇怪在PD该步态障碍是主要贡献者患者的生活质量下降[4]。

传统上帕金森病的治疗以药物治疗为主，左旋多巴是其“金标准”治疗方法[五]。一些研究已经证明左旋多巴能够缩短步幅，提高行走速度[6]。然而，随着病情进展，慢性左旋多巴治疗可能会导致反应减弱和运动并发症的发生，包括消退发作和运动障碍[五]。

为了减少这些运动波动，基于感觉-运动系统的外周刺激的新疗法，称为自下而上刺激，已经启发了PD的新的康复方法[7，8]。最近，新的办法已经制定，以恢复步态障碍，如机械式自动外围刺激（AMPS）治疗[9，10]。的AMPS由专用设备，被称为缆车（缆车医疗技术SA，瑞士）递送，并且在于通过在四个区域的圆形的刺激提示的压力施加到被刺激（2在每个脚，其是头大脚趾和第一跖骨关节）。

Stocchi等[9评估了18例PD患者在基于AMPS的治疗6个疗程后的步态变化和临床状态。研究结果表明，AMPS处理对运动迟缓有积极的影响，并允许步行速度的改善。此外，安培对步长和步行稳定性都有积极的影响，随着步长的增加和步行过程中双倍支撑时间的减少而得到测量。这些结果是一致的，并且改善的结果是通过临床量表测量的。

最近，Galli等人[10评估了一组PD患者在AMPS之前和之后使用定时起跑(TUG)测试进行评估，这是一种广泛使用的基于临床表现的跌倒风险测量方法，使用惯性传感器进行测量。AMPS治疗改善了PD患者的行走稳定性，似乎降低了跌倒的风险。在AMPS后，患者进行拖曳试验的速度加快，并改进了一些运动学参数，如从椅子上站起来和坐下的速度。

基于这些发现，当前的研究旨在评估安培对功能性能力的影响，基于单一惯性可穿戴传感器的步态时空参数测量。最近，无线惯性传感装置也正在开发中，用于在无阻碍的户外环境中评估时空参数，从而克服了在室内实验室环境中测量的典型限制。使用这些装置在康复和恢复病人活动能力方面的应用已有所报道[11-14]，在患者更具体的与PD [五，15-17]。

本研究的目的是评估和量化AMPS是否能够促进帕金森病患者步态时空参数的变化。更具体地说，本文的目的是评估患者的临床状态与步态变量(步幅长度、速度、节奏和推进力)在安培后改善百分比的关系。本研究的假设是:AMPS刺激改善了PD患者的时空步态，患者病情越严重，自底向上康复后获益越多。

2.方法

2.1。参与者

帕金森组(PD)包括35例帕金森病患者。PD是根据临床标准诊断的[18，19]，多巴胺转运蛋白（DAT）扫描，和/或磁共振成像。所有这些患者都是在病程方面相似，都是免费的外周感觉神经病变，并根据他们的报道历史，症状，体检和临床试验等疾病。肝，肾，肺，或心脏疾病，糖尿病，或植物神经功能紊乱等原因造成患者不列入研究。

所考虑的对象的特征总结在表1。对照组(CG)由35名健康成年人组成，平均特征见表1。

这项研究已经得到了IRCCS San Raffaele研究所伦理研究委员会的批准。该试验在网上注册，网址是ClinicalTrials.gov(标识号)NCT01815281)。所有程序均向参与者解释，并在获得其书面知情同意后在其充分理解下进行。

2.2。实验步骤

在所有的干预PD患者均在关闭阶段，所有抗帕金森病治疗隔夜后停药。

2.2.1。自动机械外围刺激(安培)

治疗包括应用程序的压力通过圆形刺激技巧四个特定目标区域在病人的脚(图图1（a）)。为了进行这种机械刺激，使用了专用的医疗设备(Gondola, Gondola medical Technologies，卢加诺，瑞士)来传递电流(图)图1（b）)。该系统由脚支撑件（左和右）与激活与一个2mm直径2致动的钢条的电马达;电动机激活刺激施加机械压力每只脚的两个具体领域：拇趾的头部，左，右，和第1跖骨关节，左，右。

治疗前，设备需要调整到病人的脚上(图)1 (c)):每个单元(左、右)都插入正确大小的内底，以容纳脚;然后脚被插入两个单元和绑起来，使用三个带子每英尺;之后，正确长度的钢筋被安装在电机的轴上。下一步是定位安装在可调节平台上的马达，以便使钢条与被刺激的区域(双脚的拇指头和第一跖骨关节)相互作用。一旦设备被调整，四个马达(彼此独立工作)的偏移就被编程(使用远程控制)，目的是将正确的压力刺激应用到每个区域。增产压力通常在0.3-0.9 N/mm范围内²中，而在接触区域施加压力设置为通过检测一个liminaris收缩时在胫骨前肌的单突触反射的外观每个主题。

一旦使用此程序设置了压力值，则记录该值以管理电流。这个准备过程大约需要10分钟。

治疗包括在4个循环;一个周期包括需要24秒4个靶区域的刺激，而整体4-周期治疗持续总共96秒。在AMPS治疗后，患者放下（图1 (c))。在AMPS刺激的端部，该装置的两个单元从患者的脚除去这最后的行动是非常容易和快速（不到1分钟）。此链接显示一个前置和后置AMPS患者的步态的图像（https://www.youtube.com/watch?v=deHFpt5gk3A&feature=youtu.be)。

2.2.2。惯性传感器

单惯性传感器是一种无线惯性传感装置(GSensor, BTS Bioengineering S.p.A, Italy)，它沿着三个正交轴提供加速度:正、中、上、下。加速数据通过蓝牙传输到PC上，使用专用软件(BTS G-STUDIO，版本:2.6.12.0)进行处理。

便携式GSensor由一个用于人体运动分析的惯性传感器无线网络组成。传感器由一个数据记录器单元(最多16个元件)控制，一个ZigBee无线电类型的通信。每个传感器尺寸为62 mm×36 mm×16 mm，重量为60 g，由3轴加速度计(最大量程±6 g)、3轴陀螺仪(全量程±300°/s)和3轴磁强计(全量程±6高斯)组成。该传感装置在制造后立即用重力加速度进行校准。在这项工作中只使用了一个传感器。用半松紧带固定在受试者腰部，覆盖L4-L5椎间隙。加速度分析三个正交的解剖轴:前后轴、中外侧轴和垂直轴。

参考坐标系的-朝向前方的轴，-轴垂直向上，和-与另外两个垂直的轴，向右。该运动分析的灵敏度为F4A加速度计为3G，采样频率为50 Hz。加速数据通过蓝牙传输到PC上，并使用专用软件(BTS G-STUDIO，版本:2.6.12.0)进行处理，该软件自动提供下面描述的参数。

所有的研究参与者被要求在沿路径一个自我选择的速度行走。然后，从所收集的加速度信号，获得下列典型时空步态参数：(我)步幅长度[m]，同一只脚的两个连续脚跟撞击之间的距离。(2)步幅长度/高度[％]，由主体高度归一化的步幅长度。（ⅲ）速度[厘米/秒]，在步态周期的加速度的积分内的平均瞬时速度。（ⅳ）节奏[步幅/分钟]，在一分钟的步幅数。(v)推进力[m/s]，下肢摆动阶段前后加速度峰值。

2.3。统计分析

为了进行统计分析，首先用Kolmogorov-Smirnov检验数据的正态性。因为所有的行为表现出正态分布的数据,参数统计应用。单向ANOVAs ()比较PD组与CG组之间的人体测量数据(如年龄、体重和身高)。本试验用于比较PD组左右下肢与CG的差异。当左右肢之间无显著差异时，选择左肢代表CG和PD体进行所有步态变量的比较。

然后，所描述的参数计算了每个参与者和用于每个试验，并计算出各组显著值和所有索引的标准偏差。验证所述参数通常由Kolmogorov-Smirnov检验来分布后，ANOVA重复测量单向（）进行评估前，后AMPS之间的差异;此外，ANOVA独立措施单向（）进行评估之前和AMPS和对照组后PD之间的差异。

接下来，斯皮尔曼的相关性()被用来评估Hoehn和Yahr (H&Y)之间的关联[20]患者AMPS后PD临床状态和改善的步态变量的百分比（步幅长度，速度，韵律，和推进）。相关度的解释如下：0.9至1所示的非常高的相关性;0.7至0.9所示的高的相关性;0.5至0.7所示的中等相关性;0.3〜0.5表示的低相关性;和0至0.3小指示没有相关性。所有的测试都是双尾。SPSS（版本19，IBM，阿蒙克，纽约，美国）来进行所有的统计分析。

3.结果

数字2示出了前和后AMPS时空步态参数的结果。与PD后AMPS治疗患者呈现更长的步幅长度（图2(一个));更高速度步态（图2 (b));和更高的推进力(图2 (c))。

用于评估的35名PD患者;57.14％有H＆Y工作台4;有20％的H＆Y工作台3;5.71％有H＆ÿ阶段2和5;8.57％有H＆ÿ阶段1和5;和8.57％的H＆Y工作台;图3示出的PD患者的临床状态（H＆Y）和AMPS后的改善步幅长度百分比之间的显著和高的正相关性观察到（ρ= 0.733;)。更损害了帕金森症患者的AMPS干预后步幅改善百分比越高。

4.讨论

本研究的目的是评估安培处理PD受试者使用单一惯性传感器量化步态时空参数的效果。支持我们的假设,本研究的结果表明,安培刺激提高了时空的步态参数(步幅、行走速度和推进)患者的PD患者临床状态和显示高相关性(浩英)和改进后的步幅比例安培。

在安培方案之前，单惯性传感器所获取的时空数据与以往研究一致[五]，和PD患者中左旋多巴的截止阶段呈现比年老的匹配的对照组降低步幅长度和行走速度较慢。

尽管仍处于“停药”状态，但在一次AMPS干预后，PD组的步长改善了14.85%;步态速度14.77%;步态推进为29.91%。安培治疗似乎生成一个更稳定的PD患者的行走模式,减少了著名的步态障碍是帕金森病的典型,主要阶段。Stocchi等[9]和Galli等人[10]支持了上述结论。

此外，这项研究结果给AMPS的新见解作为一种有效的治疗的福祉，这有助于提高他们的动态的平衡，特别是在损害临床状态患者的PD患者。相关结果表明，PD患者的更严重的损害，由AMPS干预引起的步幅提高百分比越高。

这项研究有一定的局限性。被研究的参与者数量相对较少，导致统计结果的强度有限。然而，它记录了一种新的方法的使用PD患者康复:通过专用便携式设备应用的AMPS治疗。

五，结论

基于AMPS的处理导致PD患者的步态模式有更好的表现。得到的结果表明，AMPS处理代表一个有前途的康复。结果表明，PD患者可能是AMPS治疗的潜在受益者，一旦他们面临着许多神经运动障碍，主要表现在疾病的中级和高级阶段。这些结果与我们之前的由多因素量化实验室做研究的协议。此外，可穿戴式设备能够检测PD患者的典型运动波动关闭左旋多巴后和记录和以下康复技术，如AMPS处理进行量化的改进。

利益冲突

在这项工作中，没有可能导致利益冲突的商业关系。

作者的贡献

所有作者均已阅读并同意本文的全部内容。

参考文献

1. S. T. Nemanich，R. P.邓肯，L.E。Dibble的。等，“步态速度和步态速度跌倒在男性和女性帕金森病的关系的预测，”帕金森氏病卷。2013年，文章编号141720，8页，2013。查看在：出版商的网站|谷歌学者
2. M. E.莫里斯R. Iansek，J.麦克金尼，T.马加什和F Huxham，“在帕金森病三维步态生物力学：一个中枢调节幅度调节紊乱的证据，”运动障碍卷。20，没有。1，第40-50，2005。查看在：出版商的网站|谷歌学者
3. R. M. Pickering, Y. A. M. Grimbergen, U. Rigney等人，“帕金森病下降的六项前瞻性研究的荟萃分析，”运动障碍第22卷，第2期。第13页1892-1900,2007。查看在：出版商的网站|谷歌学者
4. M. A.霍伯特，W. Maetzler，K. Aminian和L.加氏，“技术和帕金森病门诊评估临床来看，”Acta Neurologica Scandinavica第130卷，no。3，第139-147页，2014。查看在：出版商的网站|谷歌学者
5. C. Curtze, J. G. Nutt, P. Carlson-Kuhta, M. Mancini, F. B. Horak，“左旋多巴对于帕金森病患者的平衡和步态是一把双刃剑，”运动障碍第30卷，no。10，第1361至1370年，2015年。查看在：出版商的网站|谷歌学者
6. J. D. Schaafsma，N. Giladi，Y.巴拉什，A. L.巴特尔斯，T古列维奇，和J. M.豪斯多夫，“帕金森病步态动态：关系帕金森病特征，跌倒和应对左旋多巴，”神经科学杂志》上,卷212,不。1-2，第47-53页，2003年。查看在：出版商的网站|谷歌学者
7. a . m . De Nunzio m·格拉索a . Nardone m . Godi和m . Schieppati”有节奏的交替振动躯干肌肉的刺激影响行走的节奏和速度在帕金森病,”临床神经生理学第121卷第2期2010年，240-247页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
8. G. Ebersbach, D. Edler, O. Kaufhold, J. Wissel，“全身振动与传统物理疗法改善帕金森病的平衡和步态，”物理医学与康复档案卷。89，没有。3，第399-403，2008。查看在：出版商的网站|谷歌学者
9. F. Stocchi，P.销售，A. F. R.公司Kleiner等人，“对患者步态与帕金森氏症的自动化机械外围刺激的长期影响，”国际康复研究杂志第38卷第2期3, 2015年第238-245页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
10. M. Galli, a . F. R. Kleiner, M. Gaglione等人，“定时和go测试和可穿戴惯性传感器:一种评估帕金森病患者在自动机械外周刺激治疗后变化的新组合工具。”国际工程和创新技术杂志卷。4，第155-163，2015。查看在：谷歌学者
11. 王建民，“步态事件检测与分析之研究”，硕士论文。医学工程与物理学第32卷，no。6，第545-552页，2010。查看在：出版商的网站|谷歌学者
12. R. Schwesig，S. Leuchte，D.费，R.乌尔曼和A. Kluttig“为健康受试者惯性基于传感器参考步态数据，”步态和姿势卷。33，没有。4，第673-678，2011。查看在：出版商的网站|谷歌学者
13. A. Godfrey, R. Conway, D. Meagher, G. O 'Laighin，《通过加速测量法直接测量人体运动》，医学工程与物理学第30卷，no。10，第1364-1386页，2008。查看在：出版商的网站|谷歌学者
14. F.霍拉克，L. King和M.曼奇尼“的人体穿戴运行监测技术，平衡和步态康复作用”物理疗法，第95卷，no。3, 2015年第461-470页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
15. S. Del Din, a . Godfrey, L. Rochester，“加速计验证健康老年人和帕金森氏症步态特征的综合组:面向临床和家庭使用，”IEEE生物医学与健康信息的,没有。2015年，第1-10页，99。查看在：出版商的网站|谷歌学者
16. P. Esser, H. Dawes, J. Collett, M. G. Feltham，和K. Howells，“帕金森病惯性步态测量的有效性和评估者间可靠性:一个初步研究”，神经科学方法杂志第205卷第2期1, 177-181页，2012年。查看在：出版商的网站|谷歌学者
17. A. Salarian，H. Russmann，F. J. G. Vingerhoets等人，“步态评估，帕金森氏症：对长期监视走动系统”IEEE生物医学工程学报第51卷，no。2004年，第1434-1443页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
18. D. J. Gelb, E. Oliver, S. Gilman，《帕金森病的诊断标准》，神经病学档案第56卷，no。1，第33-39页，1999。查看在：出版商的网站|谷歌学者
19. J. G. Nutt和G. F. Wooten，《帕金森病的诊断和初步治疗》，《新英格兰医学杂志卷。353，没有。10，页。1021年至1027年，2005年。查看在：出版商的网站|谷歌学者
20. M. M. Hoehn和M. D. Yahr，“帕金森症:发病、进展和死亡率”，神经学卷。17，没有。5，第427-442，1967。查看在：出版商的网站|谷歌学者

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