使用加速度计量化日常生活上肢功能表现的一种方法

摘要

本方案描述了一种使用腕戴式加速度计量化上肢在日常生活中的活动能力的方法。

摘要

中风及其他神经系统疾病患者转诊至康复服务的主要原因之一，是改善其在日常生活中的功能能力。目前，测量个体在日常生活中的实际活动情况变得尤为重要，而不仅仅局限于在诊所或实验室等结构化环境中评估其活动能力。一种现已能够实现日常运动测量的可穿戴传感器是加速度计。加速度计是一种 commercially-available（商业可获取）设备，外形类似于较大的腕表，可全天佩戴。加速度计采集的数据可用于量化个体在家庭和社区环境中使用肢体完成活动的情况。本报告介绍了一种采集加速度计数据并将其转化为具有临床意义信息的方法学。首先，让受试者在每只手腕上各佩戴一个加速度计，持续24小时或更长时间以采集数据。随后将加速度计数据下载并进行处理，生成四个描述日常生活中上肢活动关键特征的变量：使用时长（hours of use）、使用率（use ratio）、幅度比率（magnitude ratio）以及双侧幅度（bilateral magnitude）。可构建密度图，以直观呈现24小时佩戴期间的数据。这些变量及其对应的密度图在神经系统功能正常的社区居住成年人中表现出高度一致性。这种显著的一致性使其成为判断上肢日常功能表现是否偏离正常的重要工具。该方法学适用于研究中风及其他患者群体上肢功能障碍以及旨在改善其日常生活中上肢功能的干预措施的研究。由于该方法相对简便，不久可能也会被纳入临床神经康复实践中。

引言

在过去的二十年中，人们对用于测量运动的可穿戴传感器产生了极大的兴趣。在神经康复领域备受关注的一种可穿戴传感器是加速度计。^1,2,3 加速度计顾名思义，用于测量以重力单位（1 g = 9.8 m/s²）或称为活动计数（activity count）的任意单位表示的加速度（1 活动计数 = 制造商规定的重力值）。与人体运动类似，加速度通常在三个维度上进行测量和记录，对应于设备的不同轴向。这些设备为市售产品，外形类似于较大的腕表，可在日常活动中佩戴，对生活干扰极小。由于其成本合理且易于获取，加速度计的使用（称为加速度测量法）正逐步融入神经康复研究之中。

加速度计在神经康复领域的价值在于，它能够在临床或实验室环境之外，提供一种非侵入性、无偏倚且定量的上肢运动活动测量方法。³ 针对中风及其他神经系统疾病患者的康复服务，其关键目标是提升个体在日常生活中的功能能力，而不仅仅是在临床或实验室环境中的表现。世界卫生组织的《国际功能、残疾和健康分类》将“活动能力”与“活动表现”加以区分：前者是在结构化环境中通过临床测试所测得的个体潜在能力，后者则是在非结构化环境中所观察到的实际行为表现。⁴ 加速度计使得对上肢在非结构化环境中的活动表现进行测量成为可能，i.e. 反映个体在脱离临床或实验室环境后实际完成的动作，而不仅仅是其潜在可完成的动作。目前，将加速度计技术引入中风康复研究，正在挑战一个长期存在的假设，即结构化临床环境中所观察到的功能改善，能够转化为非结构化日常生活中实际活动表现的提升。⁵,^6,7,8

我们团队^{9,10,11,12,13,14} 以及其他研究者^{7,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24} 在开发用于研究和临床实践的加速度计方法学方面投入了大量时间和精力。加速度计已被广泛认可为一种有效且可靠的工具，可用于测量卒中后上肢功能表现^{1,2,15,16,17,25}。最近的挑战在于如何将原始加速度数据转化为具有临床意义的信息（参见参考文献³ 对该发展过程的总结）。本文所述的方法可用于区分健康对照参与者^10,12 与卒中患者^6,9,11 或其他疾病患者在日常生活中的上肢功能表现。由该方法导出的变量对变化具有敏感性，能够量化随时间推移的功能改善¹⁴。该加速度计方法学适用于研究卒中及其他神经系统疾病人群上肢功能障碍的研究，以及旨在改善其日常生活中上肢功能表现的干预措施研究。由于其相对简便，不久之后该方法可能也会被纳入临床神经康复实践中。

方案

本方案已获得华盛顿大学人类研究保护办公室的批准。
注意：说明是针对市售加速度计及其相关数据采集软件编写的（参见材料表）。

1. 准备加速度计以采集数据

1. 将两个加速度计连接到计算机（通过 对接站）为其电池充电；这将确保在整个佩戴期间持续记录数据。
2. 将加速度计连接到计算机后，打开相应的软件以初始化设备。
3. 在软件中，选择“初始化”以同步各加速度计之间的时钟，并与本地计算机时钟同步，然后按如下设置数据采集参数。
   1. 输入（或从日历和时钟中选择）开始和结束的日期与时间。根据加速度计佩戴到参与者身上的时间确定数据采集的开始时间，并选择至少24小时后的结束时间。
      注意：单日佩戴时长可较好地反映非就业成年人的日常活动情况。¹² 较长的佩戴时间可能更适合日常作息不规律的成人或儿童。^3,18,26
   2. 从“采样率”下拉菜单中选择“30 Hz”。
   3. 取消选中“LED 选项”和“无线选项”。
   4. 为延长电池寿命，请启用“空闲睡眠模式”。
4. 完成初始化过程，请选择“输入受试者信息”。
   1. 输入加速度计佩戴位置（手腕）及身体侧别（“右侧”或“左侧”）的具体信息。
   2. 可根据需要填写其他特定主题信息；录入内容仅用于识别，不会影响此处描述的数据分析。
   3. 准备就绪后，选择“初始化设备”以完成该过程。确认初始化完成后，可安全地将加速度计从计算机断开。

2. 参与者加速度计的放置与佩戴以采集数据

1. 在参与者的每只手腕上各放置一个加速度计。
   注意：加速度计应紧贴手腕佩戴，但不可过紧，类似于佩戴一块较大的手表。可根据参与者的体型、个人偏好和舒适度选择不同类型的表带。
2. 向参与者说明以下事项，并解答其关于佩戴期间日常活动的任何疑问。
   1. 请参与者在白天进行正常的日常活动；加速度计初戴时可能会感觉不习惯，但很快即可适应。
   2. 告知参与者加速度计具有防水功能，洗澡或洗碗时也可佩戴。但应避免在长时间游泳期间佩戴。
   3. 请参与者在午睡和夜间睡眠期间持续佩戴加速度计。
      注意：加速度计上贴有标签，用于区分左侧和右侧传感器。若在佩戴期间需要暂时取下，标签可帮助识别并正确佩戴回原侧肢体。应指导参与者在佩戴日志中记录设备取下和重新佩戴的时间。夜间继续佩戴的原因是，若允许参与者自行取下设备，他们常常忘记重新佩戴，或误将设备戴到相反的手腕上。
3. 让参与者携带设备回家，并鼓励其保持正常的日常活动，同时告知其何时取下两个加速度计，以及如何将加速度计和佩戴日志送回或邮寄返回。

3. 下载数据以进行视觉检查

1. 加速度计在佩戴24小时或更长时间后返还时，将其连接至计算机以下载记录的数据。
2. 在相应软件中选择“下载”，然后使用“更改位置”按钮选择计算机上存储数据的位置。
   1. 选择“创建AGD文件”选项。
   2. 为便于查看的文件，请从“Epoch”下拉框中选择“10 s”。在步骤3.3中使用这些文件。
   3. 选择“下载所有设备”。
3. 目视检查数据，确认加速度计佩戴时间符合计划时长，和/或数据与佩戴日志一致。
   1. 从顶部菜单点击“文件 | 打开AGD文件”，然后选择要打开的文件。
   2. 查看“每日图表”以观察采集到的数据。
   3. 确认活动发生在通常的清醒时段内，且除夜间外无长时间无活动情况。可根据需要缩放图表以聚焦更小的时间间隔，并进行滚动浏览。

4. 下载数据以进行处理

1. 重复下载过程（步骤 3.2），但此次在“Epoch”下拉框中选择“1 s”。这会将数据按 1 s 时间段进行分段。^10,11,12 并生成将用于计算的文件。
   注意：此处使用的加速度计和软件（见 材料表) 使用专有软件滤除高频的非人类活动（例如 加速度数据可能受到乘车等日常活动的影响。若使用不同的设备和软件，可能需要通过自定义编写的软件进行滤波处理。自定义编写的软件还可用于识别并去除上肢震颤信号，例如帕金森病患者所表现出的震颤。
2. 从步骤 4.1 保存的 1 s 文件中，将三维数据的矢量幅值时间序列计算为 (x² + y² + z²) 的平方根²+y²+z²) 来自每个加速度计的数据。该时间序列可用于计算多个变量，以量化日常生活中的上肢活动。
   注意：处理说明默认佩戴周期为一天。如果佩戴周期超过一天，数据可分段按单日数据处理，或作为单一时间序列进行处理，并在适当时根据佩戴周期的长度对计算变量进行调整。

5. 加速度计数据生成的变量与图形化表示

注意：分析数据中包含与行走相关的上肢运动。先前的研究已证实，行走不会影响加速度计比率变量¹⁵。尽管纳入行走对神经系统完整的成年人的非比率变量无影响²⁷，但纳入行走可能导致卒中患者非比率变量出现轻微高估。

1. 通过累加记录期间活动计数非零的所有秒数，然后转换为小时，计算每侧肢体的使用时长。^12,17
   注意：该计算为每条肢体提供一个数值。
2. 通过将非优势肢体（或患肢）的使用小时数除以优势肢体（或非患肢）的使用小时数，计算使用率（也称为活动率）。
   注意：使用率量化了一侧肢体活动总时长相对于另一侧肢体的比例。^12,15 该计算得出一个介于0到1之间的单一数值。数值为1表示在佩戴期间两个肢体的使用时长完全相等；数值为0则表示非优势肢体或受累肢体完全未被使用。
3. 按如下方法计算幅值比。
   1. 对时间序列数据中的每一秒，计算非优势侧肢体（或受累肢体）的矢量幅值与优势侧肢体（或非受累肢体）的矢量幅值之比的自然对数。
   2. 将大于7和小于-7的值分别替换为7和-7，以对单肢运动进行分类。¹¹
      注意：幅度比用于量化每个肢体对每日活动的贡献，时间分辨率为每秒。^10,11 这在概念上与使用率相似，但考虑了每秒内每个肢体运动的强度（加速度大小）。该计算生成一个时间序列值，其中零值表示双侧肢体在该瞬间具有相等的运动强度；正值表示非优势侧（或受累侧）肢体的运动强度更大，负值表示优势侧（或非受累侧）肢体的运动强度更大。
4. 将双侧幅度计算为来自两个肢体的矢量幅度之和。
   注意：双侧幅度用于量化双上肢每秒的运动强度。^10,11 该计算产生一个数值的时间序列，其中数值表示运动强度，数值越高表示强度越大。
5. 构建密度图以图形化表示来自双侧肢体的加速度计数据¹¹ 如下所示。
   1. 将每秒的数据绘制成双变量直方图，频率以颜色表示。设置颜色标度，使冷色调（蓝色）代表较低频率的活动，暖色调（从黄色到红色）代表较高频率的活动。
   2. 绘制 幅度比，表示一条肢体相对于另一条肢体的贡献，在x轴上。
   3. 在 y 轴上绘制双侧幅度，表示运动的强度。
   4. 将单侧肢体的数值分别绘制成最左侧（-7）和最右侧（7）的独立柱状图，其中-7表示仅优势肢（或未受累肢体）的活动情况，7表示仅非优势肢（或受累肢体）的活动情况。
      注意：该图提供了同时解读两个变量——幅度比和双侧幅度——的背景，供科研人员、临床医生和参与者参考。此处提供了一种利用加速度计数据生成密度图的选项。⁴⁴

结果

来自社区居住的神经功能正常成年人参照样本的数据可用于解读中风或其他影响上肢功能的疾病患者的实验数据。^10,11,12 表1展示了健康参照样本每日使用时间及使用率的汇总统计结果。总体而言，大多数人在一天中使用优势手和非优势手的时间大致相同。平均值接近9 h，但存在较宽的范围，涵盖了活动较多和较少的个体。平均使用率略低于1.0，标准差较小。因此，无论个体活动水平如何，在健康状态下，优势手与非优势手在每日使用时长上基本相当。此外，在健康状况良好的情况下，年龄不会影响上肢功能的测量结果。¹² 根据Uswatte等人的建议，对于明显偏离这些参照值（±3-4个标准差）的计算结果，应仔细核查其真实性。¹⁶

	平均值	标准差	最小值	最大值
优势肢体使用时长（小时）	9.1	1.9	4.4	14.2
非优势肢体使用时长（小时）	8.6	2	4.1	15.5
使用率	0.95	0.06	0.79	1.1

表格：神经功能正常社区居住成年人的加速度测量统计摘要。 数据来源于74名社区居住成年人的参照样本（平均年龄54 ± 11岁，女性占53%，右利手占84%），引自参考文献¹²。

密度图有助于更仔细地观察数据。图1 是一名健康成年人的代表性密度图，数据采集与处理方法如上所述。此类图可提供有关上肢在日常生活中的表现的重要信息。该图具有三个关键特征，在所有年龄段的成年人中均表现出高度一致性。^3,11 首先，图像呈对称分布。这表明上肢全天协同活动，优势手与非优势手的使用程度相似。尽管在某一特定时刻，每只上肢可能在不同活动中轮流主导或滞后，但在全天范围内可观察到运动的相似性。甚至位于 -7 和 7 两侧的条带（分别表示仅优势手和仅非优势手活动）颜色也相近。这种对称性与关于手部优势的普遍认知相反。其次，该图呈树状，底部宽广且边缘呈圆弧形。底部的“边缘”或圆弧部分代表一只上肢运动而另一只相对静止的活动状态。例如，用一只手将物体放入容器，同时用另一只手固定容器。¹⁰ 圆弧边缘的对称性表明，两只手在全天内的操作与稳定功能方面具有相似的活动水平。顶部的峰值代表较少发生但强度较高的活动，例如双手将大件物品举放到高处的架子上。¹⁰ 第三，图像中心区域呈现温暖的光晕。这表明最频繁的上肢运动为低强度活动，且双侧上肢的贡献大致相等。此类活动的示例包括打字或使用刀叉切割食物。¹⁰

图 1：一名神经系统健全成人的代表性示例。 密度图显示了上肢在日常生活中的24小时使用情况，以每秒为单位绘制。x轴（幅度比率）表示每侧上肢在活动中的贡献程度，y轴（双侧幅度）表示运动的强度。颜色代表频率，图右侧的大色条标度中， brighter 颜色表示更高的频率。位于 -7 和 7 处的小条形分别代表单侧非优势侧和优势侧活动。请点击此处查看该图的放大版本。

在该成人样本中，密度图在形状和颜色上都非常相似。¹¹ 相对不活跃的人通常具有较短且较宽、颜色偏冷的图像。而非常活跃的人则往往具有较高、颜色偏暖的图像。成年人之间表现出的显著一致性，使得识别上肢功能表现偏离这些正常范围的受试者变得容易。

图2 是一名中风患者密度图的示例。该患者为右利手男性，于数据采集前11个月发生了影响其大脑右侧的缺血性中风。大脑右侧控制身体左侧，因此他的左上肢存在中度轻瘫和功能障碍，这由Motricity Index²⁸ 得分60/100和Action Research Arm Test²⁹ 得分38/57所证实。在连续佩戴24小时期间，患侧左上肢活动时间为1.5小时，而非患侧右上肢活动时间为5.8小时。其使用比率为0.47，约为正常值的一半。与图1中的密度图相比，此密度图明显不对称，表明在日常生活中患侧上肢极少参与活动。图中中部区域呈现冷色调，而-7位置单一条形为深红色，说明仅使用非患侧肢体时的运动频率较高。整体峰值较低，表明活动强度仅处于低水平。总体而言，该密度图显示患侧上肢在日常活动中参与程度极低。

图 2：一名中风患者的数据代表性示例。 密度图显示了上肢在日常生活中的24小时使用情况，以每秒为单位绘制。x轴（幅度比率）表示每侧上肢在活动中的贡献程度，y轴（双侧幅度）表示运动的强度。颜色代表频率，图右侧的大颜色条标度中，较亮的颜色表示更高的频率。位于-7和7处的小条形分别代表非优势侧和优势侧的单侧主导活动。请将对称性、峰值高度和颜色分布与图1进行比较。请点击此处查看该图的放大版本。

尽管加速度测量法最初是为中风患者开发的，但该方法的应用价值也延伸至其他人群，可广泛用于评估多种患者群体的康复结局。图3展示了一位肘下上肢截肢者密度图的示例。该个体为一名75岁男性，约8年前因事故受伤，事故当时其原本为优势侧的右手被截肢。他拥有一件上肢假肢，但每月仅佩戴1至2次，用于提举重物。大多数情况下，如本图所示，他并不佩戴假肢。在24小时佩戴期间，其健全的左上肢活动时长为6.9小时，残余的右上肢活动时长为4.7小时（加速度计佩戴于残肢远端）。其使用比率为0.68，表明其更倾向于使用健全侧肢体而非残肢。该密度图相较于对照受试者（图1）对称性较差且颜色偏冷，但相较于中风患者（图2）的密度图则更对称且显示出更多的活动量。因此，该个体虽更偏好使用健全侧肢体，但在日常活动中仍会一定程度地使用残肢。

图3：上肢截肢者的一个代表性示例。 密度图展示了日常生活中连续24小时的上肢活动情况，以每秒为单位绘制。横轴（幅度比）表示在某一时刻每侧肢体对活动的贡献程度；纵轴（双侧幅度）表示运动的强度。颜色代表频率，图右侧的大色条为频率标度，颜色越亮表示频率越高。位于-7和7处的小条形分别代表单侧优势侧和非优势侧的活动。请将本图的对称性、峰值高度及颜色分布与图1和图2进行比较。请点击此处查看该图的放大版本。

该方法可能应用的另一个例子是活动能力受限、需要增加活动量的人群。图4展示了一位居住在专业护理机构中的老年右利手个体的密度图示例。该个体在经历急性疾病后身体虚弱，正在接受护理和康复服务，以期恢复独立生活能力并返回家中。其优势肢体活动时间为2.4小时，非优势肢体活动时间为2.0小时。使用比值为0.84，处于正常参考范围的较低水平（见表1）。该密度图几乎呈对称分布，符合一般医学状况的预期特征，但峰值非常低，颜色以冷色调为主，表明佩戴期间活动量极少。

图4：来自一家专业护理机构（SNF）中一位正在从疾病康复的个体的代表性示例。 密度图显示了日常生活中上肢活动22小时的数据，以每秒为单位绘制。x轴（幅度比）表示在某一时刻每侧肢体对活动的贡献程度。y轴（双侧幅度）表示运动的强度。颜色代表频率，图右侧的大色条为频率标尺，颜色越亮表示频率越高。位于-7和7处的小条分别代表非优势侧和优势侧的单侧活动。请将对称性、峰值高度和颜色分布与图1进行比较。请点击此处查看该图的放大版本。

最后，这种方法可能不仅适用于成人。该方案也适用于儿童，仅需进行少量调整以鼓励佩戴（例如，使用彩色绑带，或提示设备“让你看起来像超级英雄”）。来自正常发育儿童的密度图显示与成人相似的整体形态，但树形更窄，峰值明显更高。儿童的形态特征与其更高的活动水平一致；正常发育儿童与偏瘫型脑瘫儿童的密度图示例见参考文献³ 第25页的图5B和5C。该方法在儿科临床实践中的应用仍需进一步研究。需注意的是，在脑卒中成人中，使用率与上肢活动的自我报告具有一致的中等程度相关性¹，但在脑瘫儿童中，使用率与家长报告的上肢活动并无关联³⁰。传感器测量值与报告值之间关系的改变，究竟是源于报告者感知的差异，还是源于儿童运动方式在定量或定性上的不同，目前尚不清楚。未来迫切需要开展研究，以确定正常发育儿童的正常参考值，并探讨残疾儿童测量值的解读方法。

讨论

本报告详细介绍了一种利用腕部佩戴的加速度计测量上肢在日常生活活动中表现的方法。该方法在康复研究与临床实践中相较于现有方法具有显著进步， 即 了解实验性或常规治疗对日常生活功能表现的影响，而不仅限于在临床或实验室环境中的能力评估。加速度测量法可与自我报告的日常表现评估方法联合使用，或替代此类方法。^31,32,33 可能更容易出现认知缺陷或无意识偏见。^34,35,36,37 早期采用该方法所得数据与预期相反，⁵ 这可能促使该领域重新思考康复服务的内容和提供方式。

实验方案中的关键步骤可确保在佩戴期间收集到准确且真实的數據（方案步骤 2.2、2.3 和 3.3）。若未遵循这些步骤，可能导致计算出的数值毫无意义。在受试者离开诊所或实验室时，相对容易确认加速度计佩戴在指定的手腕上。但在加速度计回收后，必须对数据进行目视检查，因为参与者的行为常常与指导要求或预期不符。尽管此类情况相对少见，但已有记录显示，部分参与者在离开研究团队后不久即取下设备，再次佩戴时可能戴在错误的一侧，或试图让家人代为佩戴。若能为每侧佩戴的加速度计做清晰标记、要求填写佩戴日志，并在设备回收后及时检查数据，则大部分问题均可避免，i.e. 如有必要，可及时通过电话随访澄清佩戴侧别及时间。

尽管加速度测量法能够量化上肢的整体运动表现，但它无法提供有关运动质量或佩戴期间所进行的具体活动的信息，例如无法判断受试者是否在进食；关于此问题的讨论参见文献³。因此，作为一种工具，当科学研究问题或康复干预的目标是改变日常生活中的上肢整体运动表现（如活动量以及双侧上肢在日常活动中的参与程度）时，加速度测量法作为结局指标将最为有效。而当研究问题或康复干预聚焦于改善运动质量，或仅针对日常生活中少数特定动作的改变时，加速度测量法作为结局指标的效果则较为有限。我们预计，随着计算方法的不断发展，该技术的后续迭代版本有望克服这些局限性。

总之，加速度测量法为在日常生活中对上肢功能进行定量评估提供了机会。此处描述的方法可被视为更为常见的活动能力评估方法的上肢版本，后者通常通过可穿戴设备记录每日步数或中等强度身体活动的分钟数。^{38,39,40,41,42,43} 尽管该方法是为脑卒中患者开发的，但其方法学具有广泛适用性，未来可应用于其他多种人群。在除脑卒中外的成人及儿童神经康复人群中，仍需进一步的方法学开发，以帮助回答与上肢双侧活动相关的临床和科研问题。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
加速度计（2）	Actigraph LLC	wGT3X-BT	这是市场上最常见的设备。  其他厂商也提供类似产品。  http://actigraphcorp.com/products-showcase/activity-monitors/actigraph-wgt3x-bt/
集线器	Actigraph LLC	7端口USB集线器	该设备将加速度计连接至计算机，用于充电和数据通信。包含集线器、USB线缆和电源连接器。http://actigraphcorp.com/products/7-port-usb-hub-2016/
绑带	Actigraph LLC	编织尼龙腕带	也可提供魔术贴式或一次性绑带。  http://actigraphcorp.com/product-category/accessories/
Actilife软件	Actigraph LLC		建议从加速度计供应商处购买该软件。  其他厂商也提供类似产品。http://actigraphcorp.com/products-showcase/software/actilife/
计算软件			最常用的软件是MATLAB，但也可使用Excel或其他类似软件进行计算。