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上海交通大学科技成果——帕金森病冻结步态的可
穿戴智能检测与助行设备
技术背景
本项目将研制具备自主知识产权的智能监测帕金森患者冻结步态的可穿戴医疗设备，实现在移动终端上跟踪监测冻结步态发生状况，包括发生次数、持续时间及跌倒次数的实时跟踪监测，为冻结步态的临床评估与诊断创造新途径。
在开发智能监测技术的基础上，研制了具有自动探测冻结步态发生，即时开启激光引导提示的可穿戴激光助行设备，有效改善患者症状，达到康复训练效果。
技术水平
领先的步态生物力学分析方法；
人工智能的病理步态识别技术；
可穿戴智能监测和视觉引导。
产业化基础
帕金森是一种严重影响中老年的神经系统变性疾病，冻结步态是帕金森的常见运动障碍症状，其临床表现是患者在行走中的突然出现瞬间步行中断，因此冻结步态成为帕金森患者跌倒的主要危险因素。
本项目集成了无限传感、病理步态人工智能识别、移动终端软件开发等多项技术，已完成原理验证和实验样机开发。
基于人工智能的帕金森病步态障碍分析系统的研究与应用一、引言帕金森病是一种常见的神经系统疾病，其主要症状之一是步态障碍。
传统的步态分析方法通常需要专业医生进行观察和评估，不仅耗费时间且存在主观性较强的问题。
而基于的帕金森病步态障碍分析系统可以通过大数据和智能算法快速准确地分析患者的步态，为医生提供科学的诊断依据。
本课题将对基于的帕金森病步态障碍分析系统进行深入研究与应用，并针对现状进行分析、存在问题进行探讨，最后提出相应的对策和建议。
二、现状分析1. 帕金森病步态障碍分析方法目前，传统的帕金森病步态分析方法主要依靠医生的观察和评估，通过观察患者的步态特征来判断是否存在步态障碍。
这种方法存在以下几个问题：一是主观性较强，不同的医生可能会得出不同的结论；二是耗时，需要大量的观察和记录工作；三是对医生的技术水平和经验要求较高。
2. 基于的步态分析技术随着技术的发展，基于机器学习和深度学习的步态分析技术逐渐应用于帕金森病的诊断和治疗。
这些技术可以通过收集大量的步态数据，训练智能算法模型，从而实现对帕金森病步态特征的自动化识别和分析。
目前，已有一些研究将这些技术应用于临床实践中，取得了一定的成果。
三、存在问题1. 数据采集与隐私保护问题基于的步态分析系统需要大量的步态数据进行模型训练，但目前数据采集工作存在一些问题。
一方面，由于步态数据的采集需要特定的设备和环境，不具有足够的普及性；另一方面，患者的个人隐私可能会受到侵犯。
2. 精度与可靠性问题虽然基于的步态分析技术在帕金森病的诊断中取得了一定的成果，但其精度和可靠性仍有待提高。
一方面，智能算法模型需要足够的数据进行训练，对于少数样本数量较少的特殊情况，模型的效果可能会下降；另一方面，模型的泛化能力有限，可能无法适应不同的患者和不同的环境。
四、对策建议1. 数据采集与隐私保护为了解决数据采集与隐私保护问题，可以采取以下对策：一是开发更简便易用的步态数据采集设备，提高数据采集的普及性；二是加强对患者隐私的保护，采取数据加密和匿名化处理等措施，确保患者数据的安全性。
用于改善帕金森病冻结步态的可穿戴技术丁航;沈林勇;吴曦;胡小吾【摘要】冻结步态是帕金森病中一种常见的步态障碍症状,表现为患者在行走过程中的短暂停滞或起步困难等,严重影响患者的生活质量.提出一种基于引导光线提示的用于改善帕金森病冻结步态的可穿戴技术,该技术通过在患者脚前方产生一条标志光线引导患者行走,同时利用惯性传感器采集患者行走时的加速度数据,并采用冻结指数和曼-惠特尼U检验等方法分析研究引导光线提示对冻结步态的改善作用.结果表明,在0.01的显著性水平下,引导光线提示能够显著改善冻结步态.%Freezing of gait is a common motor complication in Parkinson's Disease. It can perform as stop during walking or start-hesitation,and significantly affect the quality of PD patients' life. To improve the freezing of gait,a kind of wearable technology with light cueing is proposed.This technology takes advantage of a marking light in front of the feet to guide the patient. At the same time,it use an inertial sensor for acceleration data collection and the a-nalysis method including freezing index and Man-Whitney U test to study the effect of light cueing on freezing of gait. The result shows that light cueing can improve freezing of gait under a 0.01 significance level.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2017(030)006【总页数】7页(P807-813)【关键词】冻结步态;引导光线;可穿戴;冻结指数;曼-惠特尼U检验【作者】丁航;沈林勇;吴曦;胡小吾【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072;长海医院,上海 200433;长海医院,上海 200433【正文语种】中文【中图分类】TP212.9帕金森病是一种常见于中老年的神经系统变性疾病,临床上以静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势步态障碍为主要特征[1]。
帕金森病冻结步态的智能检测和干预研究孙奕;荣哲;汪丰;徐畅;郑慧芬【期刊名称】《实用老年医学》【年(卷),期】2024(38)2【摘要】目的观察视觉、听觉智能干预对帕金森病病人冻结步态(FOG)的干预效果。
方法本研究基于可穿戴惯性传感器设备,使用融合特征进行FOG的检测,通过视觉、听觉和视听觉联合三种不同干预方式,观察病人FOG的发生次数、FOG的解除和步态质量改善情况;进一步采用不同距离视觉干预及不同步频听觉干预对优势病人的FOG进行干预并比较。
结果可穿戴惯性传感器设备系统能实时检测到绝大多数FOG事件,检测率达96.67%。
与无干预组相比,视觉干预组病人的FOG发生次数及最大冻结指数明显下降,平均步长增加;听觉干预组病人的FOG发生次数减少,转身时间缩短;视听觉联合干预组病人的FOG发生次数明显减少,FOG平均持续时间缩短,最大冻结指数和平均冻结指数显著降低,转身时间、平均步频和平均步长均有所改善。
进一步将6例视觉干预效果更显著的病人使用不同激光线间距干预,结果显示,与1.5倍步长相比,1倍步长时FOG发生次数减少,平均冻结指数降低,平均步长增加;与2倍步长相比,1倍步长时冻结评价指标及步态评价指标均改善。
6例听觉干预效果更显著的病人采用不同听觉步频干预,结果显示,与0.9倍步频相比,1.1倍步频FOG发生次数及持续时间减少,最大冻结指数、平均冻结指数降低,转身时间缩短,平均步频、步长增加;与1.0倍步频相比,1.1倍步频FOG发生次数减少,平均冻结指数降低,平均步频、步长增加。
结论视觉、听觉智能干预均能显著改善帕金森病病人的FOG,FOG持续时间显著缩短,转身速度、步频和步幅也有一定改善。
【总页数】5页(P123-127)【作者】孙奕;荣哲;汪丰;徐畅;郑慧芬【作者单位】江苏卫生健康职业学院全科教研室;江苏省老年病医院神经内科;东南大学生物科学与医学工程学院【正文语种】中文【中图分类】R742.5【相关文献】1.基于惯性测量单元的帕金森病患者冻结步态检测系统2.绿色激光线辅助视觉干预训练在帕金森病患者冻结步态中的应用3.绿光视觉干预与听觉干预对帕金森病冻结步态的影响研究4.短时视觉提示干预后24小时对于帕金森病冻结步态患者的影响5.静息态功能MRI脑网络用于研究帕金森病伴冻结步态进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
可穿戴设备在帕金森病患者围手术期运动功能检测中的应用季稳;黄宽明;陈家冲;邹重九;田晓娇;张相华【期刊名称】《中国医学工程》【年(卷),期】2024(32)6【摘要】目的探索可穿戴设备在帕金森患者围手术期中运动功能检测的作用。
方法对2020年12月1日至2022年12月31日在十堰市太和医院接受脑深部电刺激(DBS)手术的17例患者进行回顾性研究,采用GraphPad Prism 9统计学软件对患者运动数据进行统计学分析,对患者手术前后运动检测的各数据进行t检验,手术前后运动检测的数据中各项指标与手术前后的帕金森病评定量表第Ⅲ部分(UPDRS-Ⅲ)评分采用Pearson相关系数进行线性回归分析。
结果17例帕金森病(PD)患者UPDRS-Ⅲ评分由术前的(40.88±7.98)分降低为术后的(22.65±3.84)分(P<0.001),步长由术前的(32.25±6.25)cm增长为术后的(51.88±7.38)cm(P<0.001);5 m往返实验时间由术前的(17.14±3.61)s缩短为术后的(9.68±1.68)s(P<0.001);转圈实验时间由术前的(35.00±7.69)s缩短为术后的(16.60±2.48)s(P<0.001)。
患者术前UPDRS-Ⅲ评分与步长呈负相关(r=-0.8843,P<0.001)、5 m往返实验时间呈正相关(r=0.8678,P<0.001)、转圈实验时间呈正相关(r=0.9080,P<0.001);术后UPDRS-Ⅲ评分与步长呈负相关(r=-0.9168,P<0.001)、5 m往返实验时间呈正相关(r=0.8695,P<0.001)、转圈实验时间呈正相关(r=0.8744,P<0.001)。
结论可穿戴设备对PD患者进行运动功能检测的数据与患者UPDRS-Ⅲ评分具有较高一致性及强相关性,可以将可穿戴设备作为UPDRS-Ⅲ评分量表的补充项目,在PD患者围手术期对其进行更加精确、客观及定量的运动功能检测。
可穿戴设备评估帕金森病患者丘脑底核脑深部电刺激术后短期步态变化何婧1，杜危1，崔壮2，杨玉明2，陈海波1，苏闻1摘要：目的 应用可穿戴设备评估帕金森病患者丘脑底核脑深部电刺激术后短期的步态变化。
方法 在未服药/未开机、服药/未开机和未服药/开机3种不同的治疗状态下，让患者佩戴可穿戴传感器完成计时起立行走测试，收集并分析时空运动参数。
结果 共13例平均病程（8.00±1.38）年的接受双侧丘脑底核脑深部电刺激的帕金森病患者被纳入研究。
与未服药/未开机状态相比，脑深部电刺激使患者的起立行走测试总用时由（30.63±17.58） s 缩短至（19.50±5.78）s（P=0.003），步长由（39.44±14.34）cm增加至（49.46±13.41）cm（P=0.004）、步速由（0.68±0.27）m/s增加至（0.91±0.25）m/s（P=0.005），躯干前倾最大角度由（-25.32°±10.83°）减少至（-17.32°±12.49°）（P= 0.047），躯干后倾最大角度由（-22.03°±11.24°）减少至（-13.16°±12.83°）（P=0.022），差异均有统计学意义。
结论 在术后短期内，丘脑底核脑深部电刺激可以缩短帕金森病患者起立行走测试用时，显著增加患者步长及步速，减少患者行走过程中躯干前倾角度。
关键词：可穿戴设备；帕金森病；脑深部电刺激；步态中图分类号：R742 文献标识码：AApplication of wearable devices in assessing the short-term effect of subthalamic nucleus deep brain stimulation on gait in patients with Parkinson disease HE Jing，DU Wei，CUI Zhuang，et al.（Department of Neurology， Beijing Hospital，National Center of Gerontology，Institute of Geriatric Medicine，Chinese Academy of Medical Sciences，Beijing 100730， China）Abstract：Objective To evaluate the short-term effect of subthalamic nucleus deep brain stimulation （STN-DBS）on gait in patients with Parkinson disease （PD） using wearable devices.Methods Patients were required to wear wear⁃able sensors to perform timed up and go test （TUG）in the three different states of medication-off/stimulation-off，medication-on/stimulation-off，medication-off/stimulation-on，and spatiotemporal motion parameters were collected and analyzed.Results A total of 13 PD patients with a mean disease course of（8.00±1.38） years who underwent bilateral STN-DBS were included. Compared with the medication-off/stimulation-off state，STN-DBS shortened the total duration of TUG from （30.63±17.58）seconds to （19.50±5.78）seconds （P=0.003），increased step length from （39.44±14.34）cm to （49.46±13.41）cm （P=0.004）， increased step speed from （0.68±0.27）m/s to （0.91±0.25）m/s （P=0.005）， reduced the maximum trunk anteversion angle from （-25.32°±10.83°）to （-17.32°±12.49°）（P=0.047），and reduced the maximum trunk retroversion angle from （-22.03°±11.24°） to （-13.16°±12.83°）（P=0.022），all of which were statistically significant. Conclusion Within the short term after surgery，STN-DBS can shorten the total duration of TUG test，increase step length and speed，and reduce trunk anteversion angle during walking.Key words：Wearable devices；Parkinson disease；Deep brain stimulation；Gait脑深部电刺激（deep brain stimulation，DBS）是治疗帕金森病（Parkinson disease，PD）的一种有效方法，可以显著提高患者生活质量。
基于可穿戴式步行引导仪的可视化步行训练对帕金森病冻结步态患者步行能力的影响韩允;史媛媛;宋文静;崔桂云;高修明;项洁【期刊名称】《中国康复医学杂志》【年(卷),期】2024(39)1【摘要】目的:探讨基于可穿戴式步行引导仪的可视化步行训练对帕金森病冻结步态患者步行能力的影响。
方法:选取23例帕金森病冻结步态患者为试验组,同时选取20例性别、年龄等匹配的健康者为对照组。
试验组给予利用可穿戴式步行引导仪的可视化步行训练,20min/次,2次/日,训练1周。
利用Vicon三维步态分析系统收集试验组训练前后和对照组时空参数、非优势侧及优势侧运动学参数、非优势侧及优势侧地面反作用力参数(包括前-后侧峰值、内-外侧峰值及纵向第一峰值)。
结果:(1)训练后,试验组患者步速及双侧步长均明显增加,步频、双支撑期明显减小,与训练前相比,差异均有显著性意义(P<0.05);训练后,试验组患者优势侧步长、步频及双支撑期与对照组比较,差异均无显著性意义(P>0.05)。
(2)训练后,试验组患者双侧髋关节着地角度、踝背屈及跖屈最大角度及下肢关节活动范围均明显增加,膝关节着地角度减小,踝关节第一峰值出现的阶段延迟,与训练前相比,差异均有显著性意义(P<0.05);训练后,试验组患者双侧(膝关节着地角度、踝背屈最大角度、踝关节第一峰值出现阶段、下肢关节活动范围)和优势侧(髋关节着地角度、踝跖屈最大角度)与对照组比较,差异均无显著性意义(P>0.05)。
(3)干预后,试验组患者双侧地面反作用力前-后侧峰值及纵向第一峰值明显提高,地面反作用力内-外侧峰值明显下降,差异均有显著性意义(P<0.05)。
与对照组相比,非优势侧后侧峰值、内侧峰值及优势侧各项参数均无显著性差异(P>0.05)。
结论:基于可穿戴式步行引导仪的可视化步行训练可有效提高帕金森病冻结步态患者步行平衡稳定性及步伐连贯性。
【总页数】8页(P45-52)【作者】韩允;史媛媛;宋文静;崔桂云;高修明;项洁【作者单位】徐州医科大学第二临床医学院;徐州医科大学附属医院康复科【正文语种】中文【中图分类】R493;R742.5【相关文献】1.减重活动平板步态训练和传统步态训练对脑卒中偏瘫患者平衡功能和步行能力的影响2.减重步行训练对脑源性步态异常患者步行能力的影响3.减重步行训练配合节律性听觉刺激及视觉刺激对帕金森病患者步态的影响4.基于步态分析研究美多芭联合平衡功能训练对帕金森病患者平衡及步行能力的影响因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
可穿戴步态测量装置（MIMUs）在帕金森病人步态研究中的应用作者：王斯煜来源：《中国科技博览》2018年第08期[摘要]基于磁性和惯性感应装置的可穿戴测量技术正在不断发展，得以从实验室走向日常生活。
本文验证对于步态事件的探测及其时间参数的估计中的两种机制，分别是基于绑在腰部和小腿部的感应装置，应用于在帕金森患者和健康人群中。
此外，感应器得到的数据会与地面压力感应装置（GaitRite）探测的数据进行对比，从而验证感应器探测数据的准确性和可靠性。
实验结果证明基于小腿感应器的方法在探测步伐的初接触时间点时表现出了很高的准确性，它在健康人群探测中的平均绝对误差小于27ms，在帕金森患者的探测中的平均绝对误差小于40ms。
此外，此方法在步长时间的估算上更加准确，其平均绝对误差达到了1.5ms，而且这个误差值是在现有相关研究中最小的。
但是基于腰部感应器的方法的精准性相对较低，其中在探测中有大约2%的步态事件被忽略，从而导致它对于初接触时间点和末接触时间点的错误判断，但其对于步态事件参数的估算的精确度是可以的。
两种方法都在步态事件的探测和步态参数的估算中表现出较好的精确度和可靠性，尤其对于帕金森患者而言。
这个结论证明了可穿戴磁性和惯性测量装置（MIMUs）在不同步态模式研究中的可靠性。
[关键词]惯性和磁性感应器；步态事件；步态时间参数；帕金森患者中图分类号：S238 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）08-0227-04[Abstract]Body-worn sensors technology based on magnetic and inertial measurements units （MIMUs） is being improved and validated， escaping from the laboratory-based environment and moving to gait monitoring for various walking patterns in daily life.The purpose of this project is to verify two proposed algorithms for the detection of gait events and the estimation of temporal-gait parameters during free-walking in an experimental environment： one based on shank-worn inertial sensors， with the other based on waist-based sensor. The algorithms were applied to healthy subjects and Parkinson’ patients. The data that achieved by the inertial sensors were compared to those from an Instrumented mat （GaitRite） as the golden standard.The shank-based method shows a high accuracy in terms of the determination of Initial Contact （IC） timings， with mean absolute errors at less than 27 ms for the controls and no more than 40 ms for the patients. Furthermore， the precision of the step-time estimation was even higher， with mean absolute error of 1.5 ms for controls. These figures were the most accurate estimations that can be found in the existing literature. The accuracy of the detection of gait events using the waist method was not as precise as that of the shank method， as about 2% of gait events were missed for the control group and even more for the Parkinson’s patients. This led to poorer determinations of IC and FC timings.Both methods showedhigh precision and validity in the detection of step events and in the estimation of temporal gait parameters， especially for pathological walking patterns. This proved the robustness of these algorithms and the effectiveness of the Magnetic and Inertial Measurement Units （MIMUs） in the analysis of any walking patterns.[Key words]inertial sensor； gait event； gait temporal parameters；Parkinson’s disease0 引言对于日常肢体活动的探测金和记录的日益增长的需求促进了便携式可穿戴感应探测装置的发展和应用[1]。
在人体步态特征的研究中，步态参数的确定是必不可少的，其参数包括步长时间，站立时间，摇摆时间，应用于中风病人的研究[2]。
步态参数以及它们的相关变量都可通过数据分析的方法得到。
目前，磁性与惯性感应装置（MIMUs）在人类步态探测方面十分盛行，不同于仅适用于实验室中的装置，MIMUs具有造价低以及便于携带的优点。
步态事件的精确探测对于步态事件参数的确实是至关重要的。
应用于佩戴在人体下肢单一MIMUs的初末接触时间的探测机制被提出[3，4]，并且用于分析正常步态和病态的步态。
在现有的少量研究文献中，应用于人体下肢的同步MIMUs的探测机制也被提出了，结果证明基于小腿部的感应装置具有最高的精确度和可靠性[5，6]。
但现存的步态探测研究文献大多局限于实验环境中，其结果可能会与应用于日常环境的探测结果表现出差异，因为加速度与角速度可能不会呈现出严格的周期性变化模式。
基于[7，8]的结论，在长距离行走中，步速的变化程度较在短距离行走中大，重复的步伐相较于连续行走可以产生更小的步态参数变化。
步态参数对于评估人体运动具体很高的参考价值，而且可以用于分析帕金森病人的行走稳定程度，从而预测他们跌倒的可能性，从而可以进一步对帕金森病的治疗做出贡献。
本文的目的是验证可穿戴式MIMUs在探测人类步态方面，尤其针对于帕金森病人，的精确度和稳定程度，也包括确定利于步态探测的最佳佩戴位置。
最后，MIMUs探测的步态结构会与地面压力感应装置得到的结果相对照，从而确定它们之间的变量差异来分析MIMUs的准确性。
1 实验装置和方法20组健康人群和帕金森患者参与了实验数据收集。
在步态数据收集过程中，每个参与者都要求佩戴三个MIMUs，其结构图如图1所示。
其中一个MIMUs放置在参与者的腰部，另外两个MIMUs放置在参与者的两个小腿部。
本文利用压力感应装置来获取初接触时间和末接触时间的参考值，其中只有一段路径覆盖了压力感应装置，此外，地面压力感应装置的抽样频率也被设置为128Hz，从而可以匹配MIMUs的抽样频率，参与者被要求在规定路径匀速行走，从而获得相应数据。
1.1 基于腰部的步态探测方法本文利用最近提出的“双求导”法则[9]对基于腰部感应器的探测数据进行分析和步态事件的确定。
在此方法中，在感应器参考框中测量的垂直加速度信号通过积分然后通过高斯连续小波变换的微分处理。
初接触时间点由处理后加速度信号的波谷确定，末接触时间点由进一步微分后的加速度信号的波峰确定，如图3和图4所示。
根据最近的步态探测研究结果表明[10，11，12]，基于腰部感应器的“双求导”法则在步态时间点探测和步态时间参数的估算上面表现出了很高的精准度，但是，大多数研究都是针对于健康人群的正常步态，而患病人群的非正常步态并没有得到很好的验证。
因此，本文着重验证此方法在帕金森人群中的探测精度和可靠性。
1.2 基于胫部的步态探测方法此步态探测机制在[4]中被提出，探测原理如图4所示。
初接触时间点由探测窗口中矢状平面的角速度信号的波谷确定，末接触时间点由探测窗口中前后平面中的加速度信号的波谷确定。
2 基于腰部与基于胫部感应器的比较表1显示，当使用基于腰部感应器的方法时，两组被检测者的所有步态参数的绝对检测误差显示，对照组检测产生的步态参数比帕金森组检测产生的步态参数具有更准确的结果。
这是个符合预期的结果，因为帕金森患者缺乏一个自我控制机制，难以保证整个测试过程中的稳定行走。
在这种情况下，从步态事件检测中继承的错误导致其他步态参数（步长时间，摇摆时间和站立时间）的错误加剧。
此外，在使用基于腰部感应器的方法时，探测IC和FC时产生的绝对误差相似；这可能是由于该算法对信号施加了更严格的滤波。
表2显示，当使用基于胫部感应器的方法时，MIMUs可以更精确地检测对照组的步态事件；这与使用腰部方法时获得的结果相符。
此外，在精确度方面，所有测试条件的FC都不及IC。
根据有关室内控制条件下步态检测的相关文献，可能是由于在FC期间发生更平稳的运动，使得步态事件不太明显并且难以检测[6]。
总体来说，基于胫部的传感器总是能产生比放置在腰部上的感应器更准确的步态检测结果。
这是一个符合预期的发现，因为在步态事件检测中基于胫部的传感器更接近脚-地接触点[6]。
然而，使用基于胫部感应器的方法时，对照组和帕金森组的结果之间的差异更为显著；这可能是由于使用两个不同的信号来分别确定IC和FC，而不是使用一个信号进行整个步态事件检测导致的。
3 讨论本文的目标是评估使用便携式MIMUs在步态检测时采用基于腰部和基于胫部的方法的准确性和可靠性。
