可穿戴传感器测量帕金森病患者急性左旋多巴刺激前后踝关节的变化

抽象

背景。先前的研究发现左旋多巴可以改善帕金森病(PD)患者的踝关节活动。而踝关节运动是由四个运动区间组成的。PD四种运动范围的具体变化尚不清楚。目标。这项研究的目的是分解复杂的踝关节运动，测量前后急性左旋多巴激发试验（ALCT）后踝关节的变化，并探讨步态性能这些参数的影响。方法。29例PD患者和30例健康对照者(HC)完成了仪表化站立和行走(ISAW)测试，步态参数由步态分析系统采集。步态数据和UPDRS III在药物作用下的改善百分比(ON)相对于非药物作用下的改善百分比(OFF)。结果. 我们观察到踝关节的后跟打击角（HS）、3-足底弯曲角（3-PF）和4-背屈角（4-DF）减小。三组在离趾角（TO）、1-跖屈角（1-PF）和2-背屈角（2-DF）上均无显著性差异。步幅改善率与HS显著相关(r_年代 = 0.616， )和3-PF(r_年代 = 0.639， )提高利率。刚性项和(UPDRS电机第22项)的改善也与HS (r_年代= 0.389, )和3-PF(r_年代= 0.373, )提高利率。结论. 外源性左旋多巴能显著降低帕金森病患者的刚性，改善其踝关节3-PF和4-DF的运动参数，最终提高其步态。

1.简介

帕金森病是第二常见的神经退行性疾病。步态和平衡障碍是帕金森病患者的重要临床特征[1]。这些患者表现慢转弯，小步长，并摆臂[2]。与疾病恶化，其步态障碍可能诱发跌倒和骨折，这增加死亡率[3.]。因此，步态干预在这些患者中至关重要。补充外源性左旋多巴可改善PD患者的运动功能。左旋多巴的摄入可以改善步幅和速度[4- - - - - -7]。此外，步行时臂，步幅持续时间，双支撑时间，节奏，和躯干运动的峰值速度也可以提高[4,8]。然而，大多数研究侧重于时空的步态参数，不足以在患者​​中阐明复杂的步态特征与PD [9,10]。这些时空步态参数在PD患者中的变化仍存在争议。越来越多的研究集中于运动学参数，例如关节运动，这可能会对改善机制有更大的启发[11]。小脑性共济失调患者的步宽增加，踝关节活动范围缩小，可将小脑性共济失调与健康组区分开来[12]. 左旋多巴能改善帕金森病患者髋、膝、踝关节的活动[13,14]。左旋多巴的摄入后，只有踝关节的运动参数显示增加的规律性[15]。因此，踝关节是对PD患者具有重要意义。然而，踝关节的运动是复杂的，并与相应的功能[由四个运动范围16- - - - - -18]。已有研究表明，外源性左旋多巴补充可显著降低PD患者的刚度[19]。我们建议，与患者刚性的改善帕金森氏病，它可以释放踝关节的一些运动学参数，并最终提高他们的步态。随着微电子技术的发展，可穿戴式传感器可客观，定量评估人体的行走功能[20- - - - - -22]。在我们的研究中，我们采用最新的可穿戴设备采集的数据，该JiBuEn步态分析系统[23]. 本研究的目的是分解复杂的踝关节运动，测量踝关节在ALCT前后的变化，并探讨这些参数对步态性能的影响。这些参数可有效阐明左旋多巴改善步态的作用机制，并评价药物治疗的效果。

2.病人和方法

2.1。耐心

本研究于2018年10月至2019年7月在南京医科大学附属脑医院老年科共收治29例帕金森病患者（男18例，女11例，平均病程6.4±4.6年）。所有特发性帕金森病患者均根据运动障碍协会（MDS）标准进行诊断[24]和可以自由神经或肌肉骨骼疾病，可能会影响我们的研究结果。我们招募了来自配偶或的PD患者护理人员30个HC科目。这项研究的完整的解释后，所有的参与者签署的书面实验前知情同意书。这项研究是经南京医科大学附属脑科医院的医学伦理委员会和IRB批准文号为“2017-KY037。”

2.2。临床评价

对于PD患者和HC受试者，我们收集了以下数据:年龄、身高、体重、性别、鞋码和蒙特利尔认知评估(MoCA)。所有患者均于上午进行检查，并在ALCT前禁食。他们的抗帕金森药物停药至少24小时(控制释放型抗帕金森药物停药72小时)。将患者此时的状态定义为OFF。我们随后进行了首次统一的帕金森病分级量表(UPDRS)评估。在第一次评估之后，患者接受了1.5倍于早上常规剂量的左旋多巴治疗。大约1小时后，患者被要求描述他们对左旋多巴摄入量的主观感受。当他们感到放松等最佳反应时，被定义为[13]。我们进行了第二次UPDRS评估。由两位神经病学专家分别对每位PD患者进行两次UPDRS评估，并对最终结果进行平均。

所有参与者都完成了仪表站立和行走（ISAW）试验[25]（图1），它是步态的可靠和灵敏的度量。ISAW包括在其两侧，并期待他们的武器站在直行悄然30秒，其次是口头指令发起步态，行走5米，穿越地面上线后转180度，并返回到初始的起始位置。我们在测试之前解释ISAW的程序细节给所有与会者。另外，所有参与者事先两次走到熟悉的考验。之前并通过PD患者只有一次HC的ALCT后进行该测试两次。

2.3。设备

采用步态分析系统采集步态数据[23]. 该系统包括带惯性微电子机械系统传感器的模块和安装在智能鞋下的蓝牙模块。此外，在患者的小腿和大腿（膝关节的上下两侧）附加了四个外部模块。这些模块收集运动信号并将其传送给计算机。系统采用高阶低通滤波和六面体校正技术进行数据预处理。这种校准技术可以减少传感器设备产生的高频噪声和安装误差。此外，在零校正算法的基础上，还可以对累积误差进行校正。利用四值互补滤波技术，将加速度数据与姿态信息融合，得到最终的步态参数。通过JiBuEn步态分析系统，可以采集到时空步态参数（ISAW总步数、步幅长度、步幅时间、步速、步频、步幅时间、摆动相位时间、站姿相位时间）和运动学参数（脚跟打击角、脚趾离地角、足底弯曲角、踝关节背屈角）。

2.4。统计分析

Data were expressed as mean ± SD. For all analyses, a值<0.05为显著。对于两组的临床特征和步态参数，初步采用Kolmogorov-Smirnov检验对定量数据进行分析，以检验数据是否服从正态分布。两个示例t-检验两组数据均服从正态分布时PD患者与HC受试者的差异，否则为Mann-WhitneyU用于测试。配对t进行试验以比较OFF之间以及在PD患者的状态时的数据的两组随后正常分布的差异;否则，进行Wilcoxon符号秩检验。卡方检验进行定性数据。UPDRS评估分数和步态数据之间的关联使用Spearman相关分析探讨。使用IBM SPSS软件版本23.图用图垫Prism软件8.0.1版配置的所有数据进行了分析。

3.结果

为了与以往的研究进行比较，我们还测量了步态的时空步态参数。所有的数据都在下面的部分介绍。

3.1。与会的临床特征

五十九岁的参与者加入了这项研究，他们的临床特征见表1。所有基线数据均无统计学差异。平均病程6.4±4.6年。平均Hoehn-Yahr (H-Y)分期为2.7±0.7。总UPDRS III在OFF状态下的评分为35.8±16.9,UPDRS III改善率为39.8%±15.3%。

3.2条。左旋多巴摄入后的时空步态参数变化

我们测量时空步态参数，包括ISAW的总步数，步幅长度，步态速度，节奏，步幅时间，步态站立期时，和摆动阶段的时间。我们观察到三组在这些时空步态参数之间（显著差异表2). 然后我们计算帕金森病患者每个参数的变化率（图2). 帕金森病患者在关闭状态下的总步数为18.1步，9.7步，在打开状态下显著减少了26.52%。PD患者在ON状态下步幅较OFF状态显著增加22.22%。我们还观察到服用左旋多巴后步态速度、步频和摆动相时间增加，步态时间和站姿相时间减少。

3.3。在足关节角度参数变化左旋多巴摄取后

使用最新的JiBuEn步态分析系统，我们测量了足部关节的六个参数：TO，HS（图3.），两个跖（PF）角，和踝关节的背屈2（DF）角（图4)。这些角度很小，但它们对于正常的步态是必不可少的。我们在HS观察显著差异，3-PF，和4-DF三组之间。尤其是对于3-PF和4-DF，被关之间和ON状态，但不是HC之间和ON状态发现巨大的差异显著。这一发现表明左旋多巴的重要机制。然而，我们观察到在TO，1-PF，和2-DF三组之间（图没有显著差异5)。

3.4。客观和主观后天电机治理率之间的相关性

我们计算了左旋多巴摄入前后的步态参数和UPDRS III项目的改善率。步幅改善率与足关节运动参数改善率显著相关。刚性项和(UPDRS电机第22项)的改善也与足关节角参数改善率相关(表2)3.)。

四。讨论

我们涉及29名PD患者和30名健康成年人试验表明，外源性补充左旋多巴能显著提高时空步态参数和PD患者踝关节运动参数。我们收集了通过使用可穿戴设备在行走过程中病人的运动参数。为了与以前的研究比较，我们还收集了时空步态参数。

对于时空步态参数，新的步态分析系统显示PD患者步态比HC患者步态步长更小，步态速度更慢。这些变化反映了这些患者“运动迟缓”的特点[26]。注意，抑扬顿挫在PD和HC之间没有显著的差异，这表明缓慢的步态主要是由于小的步长，而不是小的抑扬顿挫[27]. 在帕金森病患者中，在ON状态下，节拍有较低程度的改善，这一发现与先前的研究一致[4]。在步幅长度，步态速度，节奏和摆动阶段时间的好增量被左旋多巴摄入后发现，而在步幅时间，总步数，和站立阶段时间的减少量在ON状态进行了观察。PD患者也感到了很大的改进，如感觉轻松，当问及他们接通状态行走。我们的研究表明，左旋多巴能显著改善PD患者的时空步态参数，这一发现与以前的研究结果是一致的[2,4,20,28]。

在运动学参数方面，我们的研究拓展了对PD患者踝关节的研究。踝关节的运动主要包括背屈(DF)和跖屈(PF)。虽然这些角度都很小，但每个角度都有其独特的功能，是正常行走所必需的。我们的发现证实了先前关于HS和TO角度的步态变化的研究，其中HS显著降低，但TO [29]。相关分析的结果表明，HS逐渐随着病情的发展减少。类似小步态，洗牌也是PD患者步态的一个重要特征。在HS的降低表明抬起脚，这可能导致跌倒增加了难度。然而，我们发现ON状态和HC之间的显着差异。这些结果表明，左旋多巴只能通过提高HS在一定程度上。我们发现，不PD改变。

在每一个步态周期，通过四个范围的运动，踝关节移动PF和DF之间交替。其中，第一三个角度（1-PF，2-DF，和3-PF）发生在步态站立期，而第四（4-DF）在摆动阶段期间发生。平均踝运动的范围是大约25°在每个步态周期，这是与我们的结果一致[16,17]。1-PF和2-DF没有发现变化。然而，3-PF和4-DF在患者显著降低与PD。无差异HC和ON之间发现，这左旋多巴的重要机制。在正常步态周期，脚跟先落地。此时，主体的重量也迅速转移到脚跟，导致踝关节-1-PF [第一快速跖角三十]. 这个动作可以减缓下肢的速度，从而减少身体快速骤降的影响[31]. 2-DF贯穿整个站姿阶段，在此期间身体完成重心转移[31]。足够的2-DF对于拉动胫骨向前移动身体是必不可少的。在swing阶段，2-DF也是前进的动力[32]。我们的研究结果表明，患者的PD电机性能不是来自在这两个角度HC的不同。这一发现表明，PD患者不必耽误快速身体突然下降的影响，转移身体重心的能力受损。这与以前的研究中发现的冲突，说明PD患者有转移身体重心[能力低33]。我们姑且解释这个结果病程的差异。的患者在本研究中PD的平均病程6.4年这是在以前的研究比短。随着病情发展，运动障碍逐渐恶化，稳定性会受到影响。此外，本研究只集中在踝关节运动。3-PF发生在摆动阶段的早期阶段，以制备后足的摆动相位。在我们的研究中，我们发现，PD患者的3-PF是显著降低，提示其步态周期的连接不够。然而，3-PF不是ON状态和HC之间统计学差异。3-PF的力爆发是比目鱼和腓肠肌的松弛后反弹[34,35]. 我们将这一发现归因于左旋多巴对改善硬度的作用。4-DF发生在摆动阶段的开始，有利于脚离地，完成离地间隙，促进下肢的向前运动。与3-PF相似，PD患者的4-DF显著降低。与最新研究一致，帕金森病患者的踝关节肌肉似乎很弱[36]。减少4-DF可能导致跌倒。硬度的降低可能使左旋多巴摄入后3-PF和4-DF增加。

转弯时患者轴向刚度与PD与额外的转向步骤[相关10]。PD患者具有可以归因于步幅长度的减量降低弧矢倾斜角37]。在PD患者中，踝关节PF与步态速度和步幅有关[38]。这些文章都表明运动学参数对时空的步态参数的影响。然而，在复杂的踝关节的运动，它是未知的是运动学参数会影响PD患者步态。有在我们的研究中，脚关节六个运动参数。只有三个参数，脚后跟撞击角（HS），3-跖角（3-PF），和4-背屈角（4-DF），均受损。与相比于OFF状态，步幅长度显著处于开启状态的患者增加by~22.22％与PD。因此，我们对于步幅分别改善和这三个运动学参数，进行相关性分析。结果表明，HS和3-PF的改善进行了显著与步幅的改善相关。综上所述，我们有理由提出了HS和3-PF的提高做出了时空步态参数，步幅的提高贡献。左旋多巴是治疗PD一个基本的治疗，和刚性节目到左旋多巴最好响应[39]。UPDRS III的刚性物品被外源性左旋多巴摄入后改善，从而在改进的运动学参数。

我们的研究和先前的研究证实，患者在补充外源性左旋多巴后，步态表现得到显著改善。我们的研究优势包括限制性的入学标准、一套新的、精确的步态研究设备、侧重于运动学参数的分析、复杂踝关节运动的分解以及对步态特征的主客观测量。这一发现可能对药理学和康复治疗有实际意义。左旋多巴已成为帕金森病的主要治疗方法，有利于运动症状的治疗。然而，在我们的研究中，它不能消除所有的运动参数，例如HS，因此需要进一步的研究来补充这种损伤。

我们的研究也有一定的局限性。首先，行走需要的关节和肌肉的整个身体协调运动。然而，我们的研究只集中在踝关节上。关节的运动是复杂的，不能在一篇文章中进行充分的解释和踝关节的功能是非常重要的PD患者[13,15]。Second, the mean H-Y stage of patients with PD is 2.7 ± 0.7. Our study did not include patients with late stage disease because they cannot walk independently under the OFF state. Finally, only 29 PD patients with PD were enrolled, causing difficulty in drawing general conclusions. Further research must focus on larger sample sizes and different disease stages.

五，结论

PD患者踝关节活动度的下降主要表现在HS、3-PF、4-DF角度，而不是TO、1-PF、2-DF角度。外源性左旋多巴可改善3-PF和4-DF角。然而，它只能在一定程度上改善HS。外源性左旋多巴通过降低PD患者的刚度，可显著改善患者踝关节运动参数3-PF和4-DF，最终改善患者步态。

数据可用性

支持本研究结果的数据可根据要求从通信作者处获得。

利益冲突

作者声明，这篇论文的发表没有任何利益冲突。

作者的贡献

LZ设计的研究和批判修订它的重要的知识内容。ZW进行研究，收集到的数据，并起草了手稿。XJ，MZ和BS帮助数据分析。JZ，YP和JD帮助临床数据的收集和分析。PX和WZ编辑的文件。

致谢

作者要确认由所有JiBuEn步态分析系统的研究人员给出的及时帮助。作者感谢所有的病人和他们的照顾者在这个实验中的参与和理解。由江苏省重点研究和开发项目的专项资金（批准号：BE2018610）本研究的支持，科学和技术部的KeyResearch与发展项目（批准号：2016YFC1306600），以及江苏省干部健康研究计划（不授予。BJ16001）。

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版权

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