利用2D动作评估系统评估早期帕金森病患者步态

刘志佳，于宁波，杨宇辰，于洋，刘培培，韩建达，巫嘉陵，3，4

(1.天津市环湖医院a.神经内科,b.康复医学科,天津 300350； 2.南开大学人工智能学院 天津市智能机器人技术重点实验室，天津 300350； 3.天津市脑血管与神经变性重点实验室，天津 300350； 4.天津市神经外科研究所，天津 300350)

帕金森病是一种主要影响中老年人的神经退行性病变，主要的运动系统症状为震颤、僵直以及行走困难。随着疾病进展及运动症状的加重，帕金森病患者的上肢及步行功能受损，跌倒风险增加，进而影响患者的生存质量。因此，客观、量化的步态分析可能有助于协助诊断、症状监控、治疗管理、康复训练以及跌倒风险的评估及预防等。目前，步态异常的客观评估方法及技术较多，包括加速器[1]、3D动作捕捉[2]、步态分析仪[3]，这些先进技术费用较高，相关设备的操作及数据分析需要特殊培训，无法实现临床广泛普及。OpenPose是一种学习型的2D动作评估系统[4]，动作视频可由智能手机录制，不需要其他专业设备，可能更适合在临床工作中开展，将来可能为帕金森病患者的居家日常活动监测与评估提供帮助。本研究旨在通过2D动作评估系统量化评估早期帕金森病患者的步态特点及步态参数，探索左旋多巴类药物改善帕金森病异常步态的情况。

1 资料及方法

1.1一般资料 选择2019年10月至2021年8月在天津市环湖医院神经内科就诊的21例帕金森病患者作为帕金森病组，其中男15例，女6例，年龄49～71岁，身高155～180 cm，蒙特利尔认知评估量表(Montreal cognitive assessment,MoCA)评分24～30分，病程1～11年。选取上述帕金森病患者的配偶或同期在天津市环湖医院体检的18名同年龄段健康志愿者作为健康对照组，其中男8例，女10例。两组性别比较差异无统计学意义(P=0.088，Fisher确切概率法)。两组年龄、身高、MoCA评分比较差异均无统计学意义(P>0.05)，见表1。

表1 帕金森病组与健康对照组一般资料比较

入组标准：①符合2015年国际运动障碍协会帕金森病诊断标准[5]；②修订的Hoehn-Yahr分级[6]≤2.5级的早期帕金森病患者；③无须借助任何辅助器具可独立行走者；④智力正常者。排除标准：①对多巴丝肼过敏者；②直立性低血压者；③合并帕金森叠加综合征、继发帕金森综合征者。本研究经天津市环湖医院伦理委员会批准，所有受试者均签署了知情同意书。

1.2方法

1.2.1试验环境及方法 所有的临床测试在天津市环湖医院完成，试验环境为5 m长的行走区域，使用智能手机记录受试者矢状方向的行走情况。记录3次受试者在行走区域往返行走一趟的情况。为确保记录的受试者行走状态正常，只保留行走区域中心3 m的记录。通过受试者骨骼端点的坐标获取视频的每一帧中的所有动作特征，数据由人工测量得出。分别记录帕金森病组关期、开期行走时症状重侧与轻侧的步态参数，记录健康对照组对应侧的行走情况。本研究关期测评时间为停服左旋多巴及其他抗帕金森病药物12 h后，开期测评时间为口服多巴丝肼60～90 min后，剂量根据之前每天早上第1次服用的抗帕金森病药物换算为左旋多巴等效剂量的1.5倍，再换算成等效剂量的多巴丝肼。

1.2.2数据处理 OpenPose是一个2D多点监测方法，包括25个身体和足部的端点，OpenPose的示意图见图1。与行走相关的主要骨骼被标出，并用不同颜色表示。对应关系为0-鼻、1-颈部、2-右肩、3-右肘、4-右腕、5-左肩、6-左肘、7-左腕、8-髋正中、9-髋右端、10-右膝、11-右踝、12-髋左端、13-左膝、14-左踝、15-右眼、16-左眼、17-右耳、18-左耳、19-左侧第一足趾、20-左侧第5足趾、21-左踝、22-右侧第一足趾、23-左侧第5足趾、24-右踝、25-背景。

图1 OpenPose多点监测示意图

1.2.3步态周期记录方法 一个完整的步态周期由支撑相及摆动相组成，在从摆动相转换成支撑相时，足跟的横坐标迅速变化，之后保持相对稳定。相反，第1足趾的横坐标在支撑相基本恒定，而在进入摆动相时变化迅速，据此特点可以得到支撑相及摆动相时间[7-8]。

步长指行走时两足跟之间的距离(左右足跟水平坐标的绝对差)。实际步长(dr)计算公式如下：

dp是像素步长，dp neck-hip和dr neck-hip是颈部到髋的像素距离和实际距离。

步速=行走距离/时间，行走距离为3 m。步频为每分钟行走步数。摆臂角度定义为手臂与躯干之间角度，在身体前方摆动时为正，向背部摆动时为负。在视频中，手臂用肩膀到肘的连线表示，躯干用颈部到髋的连线表示。摆臂速度为相邻摆臂角度最大值与最小值除以其之间的时间差。以上参数只记录距离相机较近时的手臂活动，以避免被身体阻挡。以上所有参数的变异系数=平均值/标准差。

偏侧性的计算采用Zifchock 等[9]提出的方法，Xmore是较大一侧的均值，Xless是较小一侧的均值，结果绝对值越大，两侧肢体活动的不对称性越明显。计算公式为：

2 结 果

2.1帕金森病组关期与健康对照组行走时步态参数比较 帕金森病组关期重侧和轻侧步长小于正常对照组，重侧摆臂角度及摆臂速度低于健康对照组(P<0.05)，而帕金森病组关期双侧步长变异性、重侧摆臂角度变异性、摆臂角度偏侧性、重侧摆臂速度变异性、摆臂速度偏侧性、重侧摆动相均高于健康对照组(P<0.05)。两组步频、步长偏侧性、步速、轻侧摆臂角度及摆臂角度变异性、轻侧摆臂速度及摆臂速度变异性、轻侧摆动相比较差异无统计学意义(P>0.05)，见表2。

表2 帕金森病组关期与健康对照组行走时步态参数比较

2.2帕金森病组关期与开期步态参数比较 帕金森病关期轻侧步长、步速、轻侧和重侧摆臂角度及摆臂速度均低于帕金森病开期(P<0.05)；帕金森病开期与关期步频、重侧步长、轻侧和重侧步长变异性、步长偏侧性、重侧和轻侧摆臂角度变异性和摆臂速度变异性、摆臂角度偏侧性、摆臂速度偏侧性、重侧和轻侧摆动相比较差异无统计学意义(P>0.05)，见表3。

表3 帕金森病组关期与开期步态参数比较 (n=21)

3 讨 论

帕金森病患者通常有行动迟缓、肌强直症状，其步态异常包括摆臂幅度减小、活动欠流畅、肢体活动不对称及活动速度下降、步长减小等[10]。帕金森病患者的有些步态异常相对特异，且随着疾病进展逐渐加重，因此需要早期识别及干预。在临床工作中，最常应用的评价步态的方法是改良帕金森病量表评分[11]，但该量表无法对步态不同方面进行细节和定量观察，且结果相对主观，不同医师评价结果可能不完全一致，所以需要新的评估方法更细致地记录帕金森病患者的步态障碍以及步态随病程进展的动态变化。OpenPose是一种学习型2D评估系统，通过视频分析能够量化帕金森患者的步态参数，对疾病的诊治起辅助作用。

本研究中的OpenPose分析显示，与健康对照组相比，帕金森病组患者的步长、症状重侧摆臂角度及摆臂速度较小，而症状重侧摆臂角度及摆臂速度偏侧性较大。步长减小在许多疾病所致的步态障碍中均可出现，但帕金森病患者的步长减小能够反映疾病的严重程度，在疾病后期步长减小较疾病早期更明显[12]。与步长减小相比，摆臂角度减小及肢体活动不对称性是帕金森病患者步态异常的相对特异方面[10,13-15]，其中摆臂角度减小是帕金森病患者中最常见的运动功能异常[16]。双侧肢体运动的不对称性也是早期帕金森病的重要步态特点，这与基底节区不对称的病理基础相关，摆臂不对称性被认为是独立于步速的早期诊断帕金森病的重要参数，早期帕金森病患者的摆臂角度不对称可能较摆臂幅度不对称更早地提示疾病发生[17]。本研究结果与上述研究相符，但本研究中帕金森病组症状重侧的参数与健康对照组存在差异，而症状轻侧的参数与健康对照组比较差异无统计学意义，其原因可能是早期帕金森病患者轻侧的偏侧性症状(即运动障碍)不明显。

运动节律的改变也是特异性诊断帕金森病的重要方面[18-19]。既往研究发现，步态节律的改变可能预测帕金森病[3]。但是以往研究所选参数多为步长、摆动相、跨步时间的变异性，很少描述摆臂角度及速度的变异性，本研究结果显示，帕金森病组患者症状重侧摆臂角度及摆臂速度变异性大于健康对照组，提示疾病早期上肢运动节律也有改变。

本研究进一步探讨了多巴胺类药物对早期帕金森病患者步态的改善，结果显示，多巴胺类药物可改善步长、步速、摆臂角度及摆臂速度。既往研究发现，左旋多巴能明显改善摆臂角度、摆臂速度以及步速、步长[8,13]，本研究结果与其一致，提示上述参数可能作为服药过程中开关期波动的监测指标。此外，在本研究中，帕金森病组开期和关期运动的变异性及偏侧性无明显变化，说明多巴胺能药物只能改善步态障碍的某些方面，提示除中枢神经系统多巴胺缺乏参与帕金森病步态异常的发生外，也可能存在其他机制，但仍需要进一步探索。

双重任务、转弯以及日常生活等复杂情况的评估有助于早期发现帕金森病患者的行走困难[20-23]。未来，OpenPose2D评估系统可能有助于监测帕金森病患者居家或社区活动，并能观察患者在双重任务、社交接触或情绪影响等不同情形下的步态变化，进一步加深对帕金森病患者步态障碍的认识，以早期进行药物、康复等干预，帮助帕金森病患者回归正常的生活。