运动传感设备在衰弱老年人中的应用进展

姚露，陈雪萍，刘欣，陈姬，汪梦鑫

（1.杭州师范大学医学部，浙江 杭州311121；2.杭州师范大学科技园，浙江 杭州311121）

衰弱（frailty）是以多系统功能受损及储备能力降低为特征的老年综合征， 常与跌倒、 认知功能减退、死亡等不良健康结局有关[1-3]，给“健康老龄化”带来沉重负担。肌少症被认为是衰弱的核心要素，导致患者活动能力下降，独立性受到渐进性限制[4]。 因此，开发具有监测、评估、改善患者活动能力的疗护技术尤为必要。 运动传感设备是基于电磁、惯性、光学等原理，依托传感元件或其组合，探测物理运动获得运动特征参数的电子装置， 并且能够进行信号转换、数据处理和报告，完成人体动作和姿势识别[5-7]。以是否与人体直接接触， 运动传感设备主要分为穿戴式、非接触式和混合式设备。 在老年衰弱领域，该设备能够提供基于测量的患者活动信息， 有助于立足在医院、社区、家庭三方联合照护模式的延续性衰弱监测，是实现个体化护理的有力助手[8]。 同时，传感技术的发展支持了虚拟现实、物联网医疗的开发，促进了新型运动工具的出现， 为衰弱老年人的干预和管理提供了新的方法， 有助于提高护理质量。 目前，我国这一领域的研究尚处于萌芽阶段，笔者参阅运动传感设备在衰弱老年人中应用的相关研究，重点从有效筛查衰弱老年人、 辅助运动干预过程并为效果评价提供依据、 监测日常活动反映疾病变化及防止急性事件3 个方面， 综述运动传感设备在临床应用中发挥的功能， 以期为国内衰弱老年人的智能化护理提供参考。

1 运动传感设备的操作者与应用对象

应用于衰弱领域的运动传感设备， 操作者一般为研究人员或者医护人员， 还包括照料和支持的社会服务团队[9-12]。 目前，操作者的资质尚无国际或地区的认证标准， 主要的形式为应研究的需要招募医护人员入组接受培训，通过考核后，相应机构对能够执行特定操作的人员的能力给予认可。 运动传感设备种类繁多，但培训覆盖面并不广，存在培训内容、考核指标不统一的问题。设备应用对象包括在医院、养老机构、社区环境中处于衰弱前期、衰弱期和有衰弱风险的老年人[11，13-14]。

2 运动传感设备在衰弱老年人护理中发挥的功能

2.1 运动传感设备对衰弱老年人的筛查功能 一般而言， 护士筛查衰弱老年人的工具有自陈型评定量表和测量型筛查工具[15-16]。 但是，不同量表筛查结果异质性较大，且存在回忆偏倚、测量目的和工具内容缺乏一致性、测量过程复杂等不足；而测量型筛查工具，如传统的步态速度测试、起立—行走计时测试等需要护士自行观察、计算结果，系统误差较大。 运动传感设备作为衰弱筛查的客观工具， 可以在一定程度上克服上述限制。

2.1.1 测量步态参数，有效筛查衰弱 研究证明，步态变化是评估衰弱的有力标志[17-18]。运动传感设备步态筛查功能的研究大部分是基于惯性传感测量原理， 探测衰弱老年人由于下肢力量减弱而出现的步速降低、跨步时间延长、不对称性步态等步态参数的改变， 通过设备处理器完成模型和数据迭代或者通过医护自行分析所获数据，得出衰弱筛查结果。传感元件可置入鞋垫、足环、吊坠中，经济便携。 Pradeep等[19]使用吊坠式传感器PAMSys，量化监测48 h 内，处于不同衰弱亚型的126 例老年人日常行走时的步态， 分析了60 s 连续行走的步态参数。 结果显示，PAMSys 对衰弱筛查的灵敏度和特异性分别为76.8%和80.0%，ROC 曲线下面积为0.84， 能够较准确地评定参与者是否存在衰弱。 该装置监测老年人的自然行走状态， 适合应用在家庭和社区护理中。Rahemi 等[20]研究纳入了161 例佩戴腿部传感器的老年人，通过提取和建模传感器衍生的步态参数，区分不同的衰弱阶段， 并建立人工神经网络模型（artifificial neural network, ANN）来评估算法的准确性。 模型筛查衰弱前期的准确率为83.2%，筛查衰弱的准确率为95.8%。 研究结果支持了开发传感鞋类的可行性， 但所有数据都是在结构化的单一步行任务和一个可控的实验室环境下收集的， 因而需补充自然行走状态的研究。

2.1.2 测量非步态参数， 辅助筛查衰弱 鉴于部分衰弱老年人活动受限，步态测试执行困难，国外学者设计了无需借助步行测试的替代筛查方法。 非步态筛查原理与步态筛查类似， 但是数据采集的指标多为关节旋转速度、活动范围、弯曲时间等关节运动参数而非常用的步态参数。 Lee 等[14]研发了衰弱腕表，在100 例住院的衰弱和非衰弱的老年人中进行测试。 参与者在仰卧位进行持续20 s 重复的全肘关节快速屈伸运动， 腕表即可自动评估参与者衰弱状况和程度。研究结果表明，衰弱智能腕表的筛查结果的灵敏度为79.6%，特异度为89.2%，ROC 曲线下面积为0.88，该设备为老年衰弱提供了快捷的筛查方法。Zhou 等[11]借助计算机平台，筛查61 例处于不同衰弱期的老年人，参与者佩戴踝部传感器，旋转踝关节进行虚拟任务测试， 踝关节的三维旋转会实时控制光标在计算机屏幕上五个任务圆之间的定向运动。 其衰弱检测的敏感性为83%， 特异性为67%，ROC 曲线下面积为0.83。 该平台用自动化和客观的过程代替传统的衰弱步行测试，缩短了筛查时间。虽然非步态筛查类的替代设备对于无法完成传统的步行测试的老年人较实用，但是，替代设备尚缺乏与步态监测的直接比较结果，也未从用户的角度评估其可行性。因此，对于能够正常活动的老年人，护士应该谨慎行事。

2.2 运动传感设备对衰弱老年人的运动干预功能运动干预是目前衰弱最有效的干预方法之一[21-22]。2017 年，中国专家达成关于老年患者衰弱评估与干预的共识，指出在可耐受的范围内，即使是最衰弱的老年人也可以从任一体力活动中获益， 提高生活质量和功能[23]。 衰弱老年人自我效能感较低[24-25]，低自我效能不利于遵循良好的健康行为， 如按既定目标进行锻炼。 而运动传感设备为衰弱老年人运动干预的成功实施提供了多方面支持。

2.2.1 作为运动锻炼的工具， 促进实现高质量干预运动传感设备作为锻炼工具，根据工作原理的不同，目前典型的有2 类：（1）力学传感运动装置。此类装置主要将惯性传感器、 位置传感器等作为主要的外传感设备探测力学量， 通过电缆或者无线传输数据，实现人机动作交互。 如Ozaki 等[26]使用融合运动传感器的平衡训练机器人BEAR 对衰弱老年人进行虚拟网球游戏训练， 参与者在机器人运动端的倾倒动作可控制虚拟运动员的移动。结果显示，BEAR 在改善衰弱老年人步速、功能延伸测试（functional reach test, FRT）、增强髋关节和踝关节周围的肌肉力量上较传统运动更有效。 （2）三维光学传感运动装置。 此类装置是通过接收投射到三维场景中运动者身上的反射脉冲光，进行三维多点探测获得骨骼数据，达到动作识别和追踪的目的。相比较力学传感运动装置，光学传感运动装置参与者的活动范围更大。 Liao 等[27]使用Kinect 红外传感设备，对干预组的衰弱老年人进行运动游戏干预；对照组选择联合阻力、有氧和平衡训练的综合运动干预。 经过每周3 次，为期12 周的干预后，2 组参与者衰弱得分、行走速度、活动水平皆有所提高； 但是2 组间比较衰弱逆转率并无明显差异，由此推测，基于Kinect 的游戏干预与综合运动的效果可能相当。究其原因，可能与对照组选择综合运动有关， 这是衰弱运动干预最有效的类型之一[28]。 Pedroli 等[29]研发了一款虚拟场景的骑行装置，基于光电原理设置运动传感跟踪系统， 对衰弱老年人进行运动和识物的双重任务干预。 此设备通过了可用性、参与者投入程度及专家评估，获得了良好的结果。 运动传感技术的发展推动了新工具在衰弱老年人运动干预中的应用， 提高了衰弱老年人的运动积极性。但是针对中重度运动障碍的衰弱老年人，此类设备的难度大、临床可操作性低，研究的重点应转向更简单的动作训练。

2.2.2 作为运动监测的工具， 为调整运动计划和评价运动效果提供依据 运动传感设备， 除了作为运动锻炼的工具， 还可以收集参与者运动过程中的骨骼、肌肉的运动参数，作为估计运动负荷，调整运动计划和进行运动效果评价的依据。（1）提供调整运动计划的依据。运动传感设备对运动参数进行监测，有助于护理人员适时对运动计划进行改进， 避免运动不足导致锻炼效果不佳或者运动过量造成损伤，确保参与者的运动效果和安全。 如Ozaki 等[26]设计的衰弱老年人运动任务的难度以参与者运动速度和身体倾斜度为评价指标， 并通过运动传感器收集的参数信息进行自动调整， 确保任务难度设置在参与者可耐受范围内。 （2）提供评价运动效果的依据。 护理人员通过运动传感设备收集、 比较运动干预前后特定参数的变化， 可以作为运动效果评价的依据。Garcia 等[30]的研究用借助踝部加速度传感器监测衰弱老年人运动强度， 分析执行自我监测综合干预和居家运动干预的2 组参与者在基线期及干预第十周的日均热量消耗是否存在差异， 以此作为运动效果评价指标之一。 Santos 等[31]使用运动传感设备进行等速度测试， 比较不同强度的运动干预后衰弱老年人肌肉力量和功能能力的改变。通过此类设备，护理人员可以有效简化数据收集过程， 快速获取准确的结果并进行评价。

2.3 运动传感设备对衰弱老年人的日常监测功能衰弱是一个动态变化的过程，自然状态下呈现进行性发展趋势， 但在早期识别及合理干预的作用下呈现可逆转的特点[32]。 应用运动传感设备对衰弱老年人进行常态化的监测， 有助于护理人员关注疾病的进展，及时发现不良风险，为制定延续性护理计划提供依据。 日常监测应尽可能保持参与者在自然状态下的三维人体姿态持续跟踪， 在复杂动作下反映运动过程的特殊性质。因而，这类运动传感装置多非只有传感零部件的智慧单品， 更多的研究将混合式运动传感设备与通信、 网络等设备连接， 并融入家居、监测平台甚至城市基建中，成为构建医疗物联网的关键。

2.3.1 监测行为变化， 分析疾病进展 随着病情的进展，衰弱老年人会出现行为变化，如睡眠行为、活动模式等。 监测异常行为有助于分析疾病的发展。Wai 等[33]系统综述结果显示，衰弱和睡眠障碍呈正相关。 我国余雅静等[34]的Meta 分析也验证了这一结果。所以，有研究将衰弱老年人日常行为监测的重点放在睡眠行为上。 Gokalp 等[10]开发了一套慢性疾病伴衰弱患者的智能家居监测平台， 通过非接触红外传感器捕捉身体运动， 通过压力传感器持续监测卧床、久坐行为、起床次数分析异常睡眠状态。 低于阈值平台会自动报警， 医护人员经过后续分析活动警报的原因， 明确疾病状况， 制定临床访问和干预计划。 西班牙马德里打造了结合传感设备和市政开放平台的智能城市基础设施， 持续监测普通老年人发生衰弱的风险， 收集了老年人在城市中活动的定量数据（身体活动、社交、休闲和交通行为模式），通过分析行为变化， 预测和发现衰弱的早期症状及可能对老年人的身体或认知状态产生负面影响的事件，采取干预措施延缓功能下降[12]。 这些研究结果表明了此类设备在监测异常行为方面的潜力， 辅助医护人员及早发现病情变化，并采取针对性措施。但需要注意，步态、睡眠、活动模式等改变并非衰弱进展的特异性症状，因此需排除多病共存的可能（如阿尔茨海默病、帕金森）。

2.3.2 收集活动数据， 监测跌倒和走失 衰弱老年人的活动能力下降，认知功能减退，容易发生跌倒、走失等急性事件。 衰弱老年人跌倒的发生率在6.7%～44.0%[35]，而跌倒前的缓冲时间极短（700 ms 内），因此在跌倒瞬间提示患者作出反应并不现实。 Xi等[36]使用下肢粘贴式传感器来检测跌倒过程中的肌肉收缩活动，检测时间缩短到200 ms 内，并能够精确区分跌倒和站-蹲-起的姿势变化，实现对跌倒的监测。 但是此项研究缺乏在真实环境下的跌倒检测系统试验，且衰弱老年人反应速度下降，难以依靠在极短的预警时间内， 作出调控姿势的反应来减少跌倒的次数。因此，此设备在护士对衰弱老年人的跌倒后的紧急处理中发挥的作用更大。 Zacharaki 等[9]开发了衰弱老年人实时监测平台， 其中惯性传感器收集衰弱老年人居家活动的动作数据， 识别个人难以感知的不稳定步态， 对可能会发生跌倒的情况作出预判，提前发出跌倒预警；位置传感器监测受试者在室内和室外的行为模式和地理位置， 并借助定位系统提供了一个多边形坐标， 作为参与者的地理隔离安全边界，在其跨越设置的边界时会触发突破警报，监测漫游和走失。

运动传感设备通过监测日常数据在识别衰弱潜在的危险因素，辅助疾病早期发现，监测疾病进展，急性事件预警、处理中发挥了作用。 但是，设备发生错误警报率较高， 这可能与传感器的安装类型、数量、位置，信号质量，以及来访者打破观察者的日常生活规律等原因有关。此外，研究人员还需要分析如何更好地解读数据， 将呈现给医护人员的信息从独立的习惯性数据转换成展现疾病发展趋势的临床数据，更好预测疾病的规律。

3 展望

在国外， 运动传感设备作为一种医疗辅助工具受到越来越多关注， 适用于衰弱的筛查、 干预和管理。我国相关的研究尚起步，而目前科技部启动实施了国家“主动健康和老龄化科技应对”重点专项，围绕运动健康随身监控技术、 穿戴式健康检测技术等进行系统性布局[37]。 因此我国研究人员和护理人员可以顺势而为， 将适于我国衰弱老年人使用的运动传感设备投入护理实践。 后续的研究可从以下几方面进一步探索和发展。 （1）扩展研究范围：衰弱相关的不良健康结局严重影响老年人后期生活质量，运动传感设备在预测衰弱相关并发症等领域的功能有待开发。（2）重视设备调试：针对国外引入的设备，有一些关键问题， 如不同种族之间的运动特征存在差异[38]，因此需进行设备调试，否则容易出现偏倚。 （3）规范培训流程： 机构应定期开展衰弱知识和设备使用培训和考核，规范认可机制。（4）防止隐私外泄：部分设备连续监测老年人的活动受争议。 故可设计隐私保护模块， 由参与者根据需要选择合理的监测时段，设置数据私密模式。（5）增强普适性：设备对操作者和应用者的信息素养有一定要求， 为使设备更具推广价值，研究者应简化操作流程。（6）控制成本：大多数的运动传感设备价格较高， 限制了其使用。 因而，今后应朝着经济、实用方向发展。