本發(fā)明屬于康復(fù)醫(yī)學(xué)防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域,尤其是涉及一種老年人平衡能力評定方法。
背景技術(shù):
據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計,世界上每年都有大約424000例死亡與跌倒行為直接相關(guān),跌倒是世界上造成意外傷害死亡的第二大原因(僅次于交通事故)。研究表明,在65歲以上的老年人中,每年有跌1次或多次跌倒經(jīng)歷的比例高達(dá)1/3,其中20—30%的老人在跌倒事件中會造成擦傷、髖部骨折、頭部外傷等,并隨著年齡的增加而增加。在美國,每年用于跌倒的醫(yī)療總費(fèi)用超過200億美元。我國目前有約1.3億的老年人,每年約有2000萬老年人至少發(fā)生共計2500萬次跌倒事故,直接醫(yī)療費(fèi)用超過50億人民幣。由此可見,跌倒成為了威脅老年人生命安全和增加社會負(fù)擔(dān)的重要因素。
在老年人的跌倒行為中,其中約有53%是由于在行走或者坐起-站立過程中不穩(wěn)定造成的。其危險因素主要有維持平衡能力下降、反應(yīng)速度變慢、下肢肌力減弱、日常獨(dú)立活動能力降低等,而這些因素又集中體現(xiàn)在步態(tài)變化上。可以說,造成老人摔倒的本質(zhì)是人體的平衡能力下降和下肢肌肉功能受損。
平衡是指身體不論處在何種位置都能保持最大程度穩(wěn)定的一種姿態(tài),以及在運(yùn)動或受到外力作用時能自動調(diào)整并維持姿勢的一種能力。老年人身體平衡功能評定包括靜態(tài)平衡能力、姿勢控制能力和動態(tài)平衡能力評定。靜態(tài)平衡能力評定包括雙腳并攏站立、雙腳前后位站立、閉眼雙腳并攏站立及不閉眼單腿站立4個項目,根據(jù)保持姿勢的時間長短分為0-2共3個等級,滿分8分,保持姿勢時間越長,得分越低,提示靜態(tài)平衡功能越好。姿勢控制部分有4個項目,包括由站立到坐下,由坐姿到站立,由站位到蹲下及由下蹲姿勢到站立,按動作完成質(zhì)量和難度評分,滿分8分,得分越低,提示控制姿勢能力越好。在評定動態(tài)平衡能力時,實驗者在平地上直線行走10米后轉(zhuǎn)身再走回原點(diǎn),根據(jù)起步、步高、步長、腳步的勻稱性、步行的連續(xù)性、步行的直線性、走動時軀干平穩(wěn)性及走動時轉(zhuǎn)身完成動作質(zhì)量進(jìn)行評分,分0-1共2個等級,滿分8分,得分越低表示平衡及步行能力越好。總之,中國衛(wèi)生部建立的平衡能力測試評分標(biāo)準(zhǔn)為:得分為0分提示平衡能力好;得分在1至4分之間提示老年人平衡能力降低,跌倒風(fēng)險增大;得分在5至16分之間表示平衡能力受到較大的削弱,跌倒風(fēng)險較大;得分在17~24分之間提示老年人具有高跌倒風(fēng)險。利用平衡能力測試對老年人群進(jìn)行評分,分為正常組、低風(fēng)險組、中等風(fēng)險組、高風(fēng)險組共4組。
人體的足部結(jié)構(gòu)、功能及對整個身體的姿勢控制能力等可由足底壓力分布體現(xiàn)出來,常被用來研究特殊人群(如孕婦、老年、腦癱患兒等)的步態(tài)特征。有限的研究已經(jīng)證實,有跌倒史的老年人群的足底壓力分布參數(shù)以及行走時的穩(wěn)定性都有較大的差異。因此,對坐起-行走時老年人群的足底壓力數(shù)據(jù)做定量研究,對于預(yù)防老年人跌倒,制定有效的干預(yù)措施,以及相關(guān)診斷均有重要意義。
坐起-行走是平時生活中最常出現(xiàn)的動作之一。人體完成由臀部和雙腳三點(diǎn)支撐的坐位狀態(tài),過渡到雙腳站立繼而邁步行走的狀態(tài),呈現(xiàn)出有序的姿勢改變。對于下肢功能不斷衰弱的老年人而言,坐起-行走過程中常會發(fā)生跌倒,嚴(yán)重的會引起骨折等并發(fā)癥。國際上常用坐下、站起及行走這樣日常動作來評價受試者的下肢肌肉能力。通過這個方法對老年人移動能力進(jìn)行測試,結(jié)果表明不但能夠定量反映患者的平衡能力和綜合移動能力,而且不需要特殊的設(shè)備和訓(xùn)練。
相近似的實現(xiàn)方案:
1)背部支撐減重波浪方式平衡評定訓(xùn)練方法
中國專利200910197351.5提供了一種背部支撐減重狀態(tài)下,患者主動移動身體重心,使雙下肢用力中心沿波浪軌跡運(yùn)動時維持站立平衡能力的評估及訓(xùn)練方法。該方法通過一套背部支撐減重波浪方式平衡評定訓(xùn)練系統(tǒng)實現(xiàn),系統(tǒng)硬件包括訓(xùn)練床、控制箱、主控計算機(jī)、患者用顯示裝置和主顯示屏;訓(xùn)練床的傾斜角度可以調(diào)節(jié),訓(xùn)練床的一端設(shè)有左右腳踏板組件,左右腳踏板組件上分別設(shè)有足底壓力傳感裝置。
2)一種人體平衡評定及訓(xùn)練系統(tǒng)
中國專利201220058477.1公開了一種人體平衡評定及訓(xùn)練系統(tǒng),包括計算機(jī)和用于測量人體壓力波動信號的測試裝置,測試裝置的信號輸出端通過信號處理電路連接計算機(jī)的信號輸入端。本發(fā)明設(shè)置有由四個壓敏傳感器組構(gòu)成的測試裝置,用于分別測量人體四個支持點(diǎn)(即人體雙腳腳趾和腳跟)處壓力波動信號,并將采集到的信號通過計算機(jī)進(jìn)行綜合分析判斷,得出患者目前的平衡狀況。
但是在以往測定或分析人體平衡能力的壓力數(shù)據(jù)采集中,通常只測足底壓力數(shù)據(jù),且大多僅僅在站立狀態(tài)下測試,難以客觀分析老年人的動態(tài)平衡能力,也未見專門到社區(qū)采集多名老年人“足底壓力+坐墊壓力”數(shù)據(jù)并給出具體計算過程的分析方法。對于采集到的信息進(jìn)行處理,還沒有發(fā)現(xiàn)用樣本熵來分析不同類別的老年人群的足底壓力和力矩數(shù)據(jù)。先前的研究方法大都是提取一個或者幾個重要的數(shù)據(jù)點(diǎn)來反映不同類別人群的生物力學(xué)特性,這些線性特征容易受到噪聲的影響,抑制了時域演化結(jié)構(gòu),難以對老年人的跌倒風(fēng)險進(jìn)行客觀評估。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是針對上述問題,提供一種利于對老人動態(tài)平衡進(jìn)行評價的老年人平衡能力評定方法。
為達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案:本老年人平衡能力評定方法,其特征在于,本方法包括以下步驟:
A.根據(jù)老年人平衡能力測試量表對實驗對象進(jìn)行分組,分為正常組、低風(fēng)險組、中等風(fēng)險組和高風(fēng)險組共四組,通過足底壓力分布檢測系統(tǒng)檢測老人坐起時足底壓力分布,通過坐墊傳感器檢測老人坐起時的坐墊壓力;
B.老人行走在三維測力臺上,通過三維測力臺獲取老年人行走時步態(tài)的運(yùn)動學(xué)參數(shù),運(yùn)動學(xué)參數(shù)包括足垂直方向的壓力和力矩、足前后方向的壓力和力矩、足內(nèi)外側(cè)方向壓力和力矩;
C.對坐起時和行走時的足底壓力和力矩的樣本熵進(jìn)行統(tǒng)計分析,找出各變量樣本熵間相關(guān)關(guān)系的顯著性差異,得出客觀評價標(biāo)準(zhǔn);
D.將該客觀標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于對其他老年人的平衡能力的評定。
在上述的老年人平衡能力評定方法中,在步驟B中,分別采集和分析老年左足和右足足底壓力和力矩數(shù)據(jù)。
在上述的老年人平衡能力評定方法中,在步驟B中,三維測力臺的四個角上設(shè)有四個三維壓力傳感器,所述的三維壓力傳感器能夠檢測行走過程中左足內(nèi)外側(cè)方向足底壓力LFx、行走過程中左足內(nèi)外側(cè)方向足底壓力矩LMx、行走過程中左足前后方向足底壓力LFy、行走過程中左足前后方向足底壓力矩LMy、行走過程中左足地面垂直方向作用力LFz、行走過程中左足地面垂直方向作用力矩LMz、行走過程中右足內(nèi)外側(cè)方向足底壓力RFx、行走過程中右足內(nèi)外側(cè)方向足底壓力矩RMx、行走過程中右足前后方向足底壓力RFy、行走過程中右足前后方向足底壓力矩RMy、行走過程中右足地面垂直方向作用力RFz、行走過程中右足地面垂直方向作用力矩RMz。
在上述的老年人平衡能力評定方法中,在步驟A中,足底壓力分布檢測系統(tǒng)能夠檢測坐起過程中左足地面垂直方向作用力LF、坐起過程中右足地面垂直方向作用力RF。
在上述的老年人平衡能力評定方法中,在步驟C中,樣本熵的計算方法如下:
給定一個標(biāo)準(zhǔn)化的時間序列{x(j);1≤j≤N},其中N是序列數(shù)據(jù)點(diǎn)的個數(shù)。
第一步,構(gòu)建長度為m的子序列(即模板向量)Xm(1),Xm(2),…,Xm(N-m),其中Xm(i)={x(i+k);0≤k≤m-1};m為子序列的長度(即嵌入維數(shù))。
第二步,計算向量Xi和任意向量Xj之間的距離:
d(Xm(i),Xm(j))=max{|x(i+k)|;0≤k≤m-1,1≤i,j≤N-m,i≠j}.
第三步,計算任意向量Xi和任意向量Xj的相似概率:
其中ni(m,T)是和向量Xi相似的向量的數(shù)目,其中相似定義為d(Xi,Xj)≤T,即Xi和Xj之間的距離小于T。T為指定的閾值(也稱為容忍度)。如果向量Xi和Xj之間的距離小于T,則與向量Xi相似的向量的計數(shù)增加1。在以上的相似匹配計數(shù)中,不包括向量的自我匹配計數(shù)。
第四步,計算平均概率:
第五步,嵌入維數(shù)增加1,重復(fù)前面四步計算
第六步,計算樣本熵:
為了計算足底壓力各個測度變量的樣本熵值SampEn(N,m,T),首先需要選擇合適的N、m和T值。
在上述的老年人平衡能力評定方法中,在步驟C中,統(tǒng)計分析方法:Kruskal-Wallis檢驗左足、右足及左右足足底壓力和力矩變量間的統(tǒng)計特性差異,分別列出左足、右足及左右足足底壓力和力矩變量間的Spearman相關(guān)系數(shù)和對應(yīng)的p值。
在上述的老年人平衡能力評定方法中,在步驟D中,所述的客觀評定標(biāo)準(zhǔn)包括左足在內(nèi)外側(cè)方向的足底壓力LFx、行走過程中左足在前后方向的足底壓力LFy、行走過程中左足在垂直方向上的足底壓力LFz、行走過程中右足在前后方向上的足底壓力RFy、行走過程中右足在垂直方向上的足底壓力RFz、行走過程中右足在內(nèi)外側(cè)方向上的力矩RMx。
在上述的老年人平衡能力評定方法中,在步驟D中,對其他老人的LFx、LFy、LFz、RFy、RFz和RMx進(jìn)行檢測,對比客觀評定標(biāo)準(zhǔn),對老人進(jìn)行平衡能力評定。
與現(xiàn)有的技術(shù)相比,本老年人平衡能力評定方法的優(yōu)點(diǎn)在于:通過采集老年人坐起-站立時的壓力數(shù)據(jù)變化,并通過三維測力臺獲取老年人行走時步態(tài)的運(yùn)動學(xué)參數(shù)(垂直、前后、內(nèi)外側(cè)方向的壓力和力矩),對足底壓力和力矩的樣本熵進(jìn)行統(tǒng)計分析,找出各變量樣本熵間相關(guān)關(guān)系的顯著性差異,對坐起-行走時老年人群的足底壓力數(shù)據(jù)做定量研究,能夠?qū)先说膭討B(tài)平衡進(jìn)行評價,對于預(yù)防老年人跌倒,制定有效的干預(yù)措施,以及相關(guān)診斷均有重要意義。
具體實施方式
所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例,而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
本方案的某次實際驗證在馬連洼社區(qū)(北京老年人口比例最高的社區(qū)之一)進(jìn)行,共有128個實驗對象參與實驗。根據(jù)老年人平衡能力測試評分得到55個正常者,49個低風(fēng)險者,23個中等風(fēng)險者,1個高風(fēng)險者。每個實驗者都被醫(yī)生檢查,檢查結(jié)果都寫入病歷報告中,其包括:年齡,體重,跌倒史,用藥史,相關(guān)病史及感覺障礙程度等。通常,誘發(fā)老年人健康摔倒除了平衡與步態(tài)問題之外,過去一年跌倒的次數(shù)、身體所患疾病數(shù)和視力下降等因素都會增加老年人跌倒風(fēng)險。在128個實驗對象中,有14個實驗者要么在過去一年跌倒次數(shù)不小于3次,要么身體所患疾病數(shù)目不小于4個,要么視力水平較低。毫無疑問,這14個實驗對象自動歸為高風(fēng)險組。不同老年人群的基本人口特征如表1所示。
表1不同老年人群的基本人口特征
樣本熵被用來分析不同老人群的足底壓力和力矩在足內(nèi)外側(cè)、前后和垂直分量的復(fù)雜性和規(guī)整性。被分析的分量為坐起-行走過程中步態(tài)的運(yùn)動學(xué)參數(shù),包括足底壓力和力矩,其縮寫列出在表2中。在計算樣本熵前,各個變量的時間序列通過減去其均值再除以其標(biāo)準(zhǔn)差,得到歸一化后均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為1的時間序列。
表2足底壓力和力矩變量縮寫列表
采用OR6-7三維測力臺獲取老年人行走時步態(tài)的運(yùn)動學(xué)參數(shù)。三維測力臺可分別測定垂直方向、前后方向、內(nèi)外側(cè)方向的壓力和力矩。在行走過程中,老年人前后側(cè)方向的壓力用于加速或減速,水平方向的壓力用于保持身體平衡,若內(nèi)外側(cè)方向受力較大,說明走路時左右晃動。而垂直方向的壓力用于支撐身體,若足底壓力趨于平穩(wěn),說明老年人在步行時有緩沖動作不充分,存在拖拖拉拉的現(xiàn)象。采用MatScan@平板測試系統(tǒng)獲取老年人在坐-起過程中的足底壓力數(shù)據(jù)。平衡能力差的老年人完成坐起到站立動作所需要的時間長,足底壓力趨于平穩(wěn),說明老年人表現(xiàn)出保守的動作姿勢,以降低跌倒發(fā)生的風(fēng)險。
樣本熵是度量時間序列信號復(fù)雜性的檢測方法。在實際應(yīng)用中,線性特征往往是提取原始數(shù)據(jù)的一個或者幾個重要的數(shù)據(jù)點(diǎn),這些特征容易受噪聲的影響。樣本熵不需要對原始序列進(jìn)行粗粒化,對噪聲并不敏感,可以用來量化時間序列信號,得到穩(wěn)健的估計值,具有優(yōu)秀的分析效果。
在本技術(shù)方案中,計算樣本熵的步驟如下:
給定一個標(biāo)準(zhǔn)化的時間序列{x(j);1≤j≤N},其中N是序列數(shù)據(jù)點(diǎn)的個數(shù)。
第一步,構(gòu)建長度為m的子序列(即模板向量)Xm(1),Xm(2),…,Xm(N-m),其中Xm(i)={x(i+k);0≤k≤m-1};m為子序列的長度(即嵌入維數(shù))。
第二步,計算向量Xi和任意向量Xj之間的距離:
d(Xm(i),Xm(j))=max{|x(i+k)|;0≤k≤m-1,1≤i,j≤N-m,i≠j}.
第三步,計算任意向量Xi和任意向量Xj的相似概率:
其中ni(m,T)是和向量Xi相似的向量的數(shù)目,其中相似定義為d(Xi,Xj)≤T,即Xi和Xj之間的距離小于T。T為指定的閾值(也稱為容忍度)。如果向量Xi和Xj之間的距離小于T,則與向量Xi相似的向量的計數(shù)增加1。在以上的相似匹配計數(shù)中,不包括向量的自我匹配計數(shù)。
第四步,計算平均概率:
第五步,嵌入維數(shù)增加1,重復(fù)前面四步計算
第六步,計算樣本熵:
為了計算足底壓力各個測度變量的樣本熵值SampEn(N,m,T),首先需要選擇合適的N、m和T值。
其中,參數(shù)m是嵌入?yún)?shù)。參數(shù)T是有效閾值,也稱為容忍度。子序列的匹配計數(shù)隨著長度為m和m+1的增加,樣本熵的準(zhǔn)確性和置信水平會隨之增加。小的m值和大的T值將會增加匹配計數(shù)。然而,隨著T的增加,匹配概率將會趨近1,這樣量化的樣本熵值將失去鑒別能力;隨著m的減少,計算出的樣本熵也不能反映基本的物理過程。這樣用SampEn(N,m,T)來分析時間序列,就會丟失許多詳細(xì)信息。文獻(xiàn)[9]和[10]中的方法被用來確定m和T的值。在一般情況下,m可以取值1或者4,T在0.1SD~0.25SD之間能估計出比較有效的統(tǒng)計特性[11]。實際應(yīng)用中m優(yōu)先選擇2,T選擇0.25SD(SD是原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差)。
參數(shù)N是原始數(shù)據(jù)長度。樣本熵適合于處理序列長度介于100到5000之間,這樣會得到更好的統(tǒng)計分析效果。在本試驗中,單個足底壓力序列的數(shù)據(jù)點(diǎn)的個數(shù)為200。
對足底壓力和力矩應(yīng)用非參數(shù)Kruskal-Wallis檢驗以發(fā)現(xiàn)我們所評價的四類老年人群的足底壓力和力矩分量是否具有統(tǒng)計特性差異。而為了研究左右足各個變量之間的樣本熵的關(guān)系,進(jìn)行Spearman相關(guān)分析,如果相關(guān)系數(shù)|r|≥0.75,則認(rèn)為兩個變量高度相關(guān);如果相關(guān)系數(shù)0.25≤|r|≤0.75,則認(rèn)為兩個變量中等程度相關(guān);如果相關(guān)系數(shù)|r|<0.25,則認(rèn)為兩個變量弱相關(guān)[13]。
對于左右足對應(yīng)的變量,如果相關(guān)性不高,且Kruskal-Wallis秩和檢驗的統(tǒng)計特性不同,則左右足的足底壓力和力矩數(shù)據(jù)應(yīng)該分開收集和處理。對于同側(cè)足的不同變量間,如果相關(guān)性高,而且組間差異顯著,則其中之一可被用來進(jìn)行評估。所有的統(tǒng)計分析用MATLAB完成,p<0.05被認(rèn)為統(tǒng)計顯著。
表3,表4和表5分別列出左足、右足及左右足足底壓力和力矩變量間的Spearman相關(guān)系數(shù)和對應(yīng)的p值。左足的各個變量間的樣本熵的關(guān)系如下:坐起過程中左足地面垂直方向作用力(LF)與行走過程中左足的各個變量都是弱相關(guān);行走過程中,垂直方向的足底壓力(LFz)和內(nèi)外側(cè)方向的力矩(LMx)高度相關(guān)(r=0.78,p=0.00);其他變量間是中等程度相關(guān)。右足各個變量間樣本熵關(guān)系和左足具有相似的相關(guān)性:坐起過程中右足地面垂直方向作用力(LF)與行走過程中右足的各個變量都是弱相關(guān);行走過程中,垂直方向的足底壓力(RFz)和內(nèi)外側(cè)方向的力矩(RMx)高度相關(guān)(r=0.77,p=0.00);前后方向的力矩(RMy)和垂直方向的力矩(RMz)弱相關(guān)(r=0.16,p=0.02)。
行走過程中的左右足對應(yīng)變量間呈現(xiàn)中等程度相關(guān);坐起過程中左足地面垂直方向作用力(LF)與行走過程中右足的各個變量都是弱相關(guān);且坐起過程中右足地面垂直方向作用力(RF)與行走過程中左足的各個變量也都是弱相關(guān)。而坐起過程中左足地面垂直方向作用力(LF)和右足地面垂直方向作用力(RF)是中度相關(guān)(r=0.57,p=0.00)。
表3左足各個足底壓力和力矩變量的樣本熵的Spearman相關(guān)系數(shù)
表4右足各個足底壓力和力矩變量的樣本熵的Spearman相關(guān)系數(shù)
表5左右足足底壓力和力矩相應(yīng)變量的樣本熵的Spearman相關(guān)系數(shù)
表6列出了正常組、低風(fēng)險組、中等風(fēng)險組和高風(fēng)險組中各個變量的樣本熵的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和Kruskal-wallis檢驗結(jié)果。在四組老年人群中,存在顯著性差異的變量有:行走過程中左足在內(nèi)外側(cè)方向的足底壓力(LFx,p=0.049),行走過程中左足在前后方向的足底壓力(LFy,p=0.025),行走過程中左足在垂直方向上的足底壓力(LFz,p=0.036),行走過程中右足在前后方向上的足底壓力(RFy,p=0.043),行走過程中右足在垂直方向上的足底壓力(RFz,p=0.006),行走過程中右足在內(nèi)外側(cè)方向上的力矩(RMx,p=0.041)。其他變量在四組老年人群中都沒有顯著性差異。
表6正常組、低風(fēng)險組、中等風(fēng)險組和高風(fēng)險組中各個變量的樣本熵的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和Kruskal-wallis檢驗結(jié)果
用樣本熵來量化正常組、低風(fēng)險組、中等風(fēng)險組和高風(fēng)險組在坐起-行走過程中足底壓力和力矩各個方向的分量,以發(fā)現(xiàn)不同組別間各個分量是否具有統(tǒng)計特性。根據(jù)前面描述的結(jié)果,可以得到如下結(jié)論:1)根據(jù)老年人平衡能力測試量表對實驗對象進(jìn)行分組,分為正常組、低風(fēng)險組、中等風(fēng)險組和高風(fēng)險組共4組。用樣本熵量化老年人足底壓力和力矩的時間序列數(shù)據(jù),其中的參數(shù)r取0.2,m取2。
2)左腳和右腳的相關(guān)變量的樣本熵的統(tǒng)計特性不同。因此在采集和分析老年熱足底壓力和力矩數(shù)據(jù)時應(yīng)該分開處理。
3)以下變量的樣本熵在不同組別間存在顯著性差異:行走過程中左足在內(nèi)外側(cè)方向的足底壓力(LFx,p=0.049),行走過程中左足在前后方向的足底壓力(LFy,p=0.025),行走過程中左足在垂直方向上的足底壓力(LFz,p=0.036),行走過程中右足在前后方向上的足底壓力(RFy,p=0.043),行走過程中右足在垂直方向上的足底壓力(RFz,p=0.006),行走過程中右足在內(nèi)外側(cè)方向上的力矩(RMx,p=0.041)。
以上結(jié)果可以應(yīng)用到老年人身體平衡功能評估中,形成一套客觀的老年人跌倒風(fēng)險評估方法與系統(tǒng),自動分類或者指導(dǎo)老年人有針對性提高平衡能力。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。