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作者:釋高上、楊哲彰、徐業良(2010-04-23);推薦:徐業良(2010-04-23)
附註:本文為元智大學與亞東紀念醫院學術合作先期研發專題計畫申請書。

應用於帕金森氏症患者步行復健之跌倒預防與偵測系統之開發

Development of a fall prevention and fall detection system for ambulatory rehabilitation of Parkinson’s patients

二、計畫內容摘要

2.1 帕金森氏症造成的步行障礙與跌倒風險

高齡化社會的來臨,老年人的健康照護愈來愈受到重視。根據統計,每年六十五歲以上的老年人,高達百分之三十以上曾有跌倒的經驗;而百分之九十以上的髖部骨折是跌倒造成的。當年紀愈來愈大,骨骼變得疏鬆也變得脆弱,常因輕微的碰撞而骨折。帕金森氏症(Parkinson’s disease)是一種與老化有關的漸進性的神經系統疾病,主要的特徵有僵直(rigidity)、運動不能(akinesia)、動作遲緩(bradykinesia)、休息時的震顫(resting tremor)、姿勢的不穩定(postural instability)、字寫太小(micrography)、面具臉(masked facies)、彎曲的姿勢(flexed posture)、缺乏平衡反應(equilibrium reactions )和軀幹旋轉的動作降低。

幾乎所有帕金森氏症患者終其一生會受到步行障礙的影響。臨床表現包含了諸如動作變遲緩、小碎步、步行凍結(freezing of gait, FOG)、急促步、步態不協調等,再再提高了病患跌倒的風險及害怕跌倒的心理。尤其高齡者普遍存在著骨質疏鬆的問題,一旦因碰撞而導致跌倒或自行跌倒,更可能引起髖部的嚴重骨折,像是股骨近端如股骨頸骨折、股骨轉子間骨折或骨盆骨折;或用手去撐,則會造成手腕(遠端橈骨)及肩膀(近端肱骨)骨折。跌倒對老人健康危害相當大,老人跌倒造成骨折而臥床,會加速身體的衰退及衰老都會加快,尤其是髖關節骨折的老人,一年內死亡率高達三成,因此必須正視其嚴重性。

在日後的復健上,醫師或護理人員會要求帕金森氏症患者在日常行走時盡量邁大步伐,以避免小碎步容易產生跌倒,但病患在復健的過程中往往又會由大步伐慢慢縮減為小碎步,此時若可藉由儀器的震波感應功能來偵測,提早接收到病患步伐變小的訊息,進而給予病患刺激或提醒,以防止可能的跌倒發生,避免跌倒所帶來骨折風險的發生。

亞東醫院骨科也經常處理帕金森氏症之老年人骨折案例。如圖1(a)80歲帕金森氏症病人,因跌倒造成右髖骨骨折;術後置換人工髖關節,且人工髖關節位置恢復良好(圖1(b)),但因骨質疏鬆症問題造成病人不良於行;經過治療及骨質的補充與加強後,病人術後及之後行走狀況恢復良好(圖1(c))。

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(a)                                            (b)                                            (c)

1. 帕金森氏症之老年人骨折案例

在日後的復健上,醫師或護理人員會要求帕金森氏症患者在日常行走時盡量邁大步伐,以避免小碎步容易產生跌倒,但病患在復健的過程中往往又會由大步伐慢慢縮減為小碎步,此時若可藉由儀器的震波感應功能來偵測,提早接收到病患步伐變小的訊息,進而給予病患刺激或提醒,以防止可能的跌倒發生,避免跌倒所帶來骨折風險的發生。

2.2 元智大學老人福祉科技研究中心在身體活動監測的研究

元智大學老人福祉科技研究中心(Gerontechnology Research Center, GRC)過去在「身體活動(physical activity, PA)」監測上有長期研究。PA是指任何由骨骼、肌肉產生,造成熱量消耗的身體動作或姿態。高齡者的活動力變化情況,可以在身體活動的特徵上直接反映出來,因此身體活動監測,如行走的步態(步長、速度、腳尖∕腳根施力)、身體平衡感、姿勢變換時的運動特徵(如起身時的加速度變化、身體軀幹傾角)等,能夠提供量化的數據,作為高齡者活動力與健康狀態的評估指標。GRC已開發完成適用於高齡者於居家環境下使用之無線攜帶式身體活動監測系統,可作即時連續的身體活動監測,用以評估高齡者活動力與功能性狀態,亦可對緊急事件(如跌倒等)達成即時呼救功能。

本系統包括無線攜帶式身體活動感測器及分散式資料伺服器兩項硬體元件。無線攜帶式身體活動感測器(如圖2)外觀尺寸為90mm×50mm×25mm,重量130g,使用時僅配戴於腰部皮帶即可。電路設計主要包含單晶片處理器、三軸加速規以及無線模組等。採用微型電容式三軸加速規(KXPA4-2050, Kionix Co.),具備精確度高且低耗電之特性,可感測身體活動產生的加速度,以及伴隨的身體傾角,感應器輸出訊號經過單晶片微處理器(PIC18LF6722, Microchip Co.)進行10-bit數位類比轉換(ADC)取樣進行訊號處理與演算。無線模組(XBee Series 2, Digi Co.)符合IEEE802.15.4 ZigBee通訊協定,採用無線感測器網路技術(wireless sensor network, WSN)與拓璞(topology),可將活動事件訊號以無線方式,經過無線感測器網路的特定傳輸路徑與方式,傳輸至居家內的分散式資料伺服器(如圖3)。分散式資料伺服器(distributed data server, DDS)同樣具備單晶片處理器以及無線模組,更具備乙太網路(Ethernet controller)控制與資料儲存單元,可記錄監測資料,並提供網路通訊功能。遠端照護者可直接登入分散式資料伺服器,讀取使用者身體活動各項監測資料,並進行後續活動力分析。

2. 攜帶式身體活動感測器

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3. 分散式資料伺服器

無線攜帶式身體活動感測器內含身體活動演算法,單晶片處理器可由加速度資料進行演算下列之身體活動項目:

(1)   活動狀態辨識:可辨識目前為靜止或是活動狀態。

(2)   即時身體姿態辨識:可即時辨識身體姿態為站姿或躺臥。

(3)   活動量評估:對於活動狀態時,可評估計算其活動量(強度)

(4)   即時跌倒偵測:本裝置可即時偵測突發的可能跌倒意外事件。當偵測跌倒事件發生後,且在其後20秒內為臥姿且為低活動能量(或靜止狀態),則該裝置將自動發送緊急事件訊號至外部分散式資料伺服器,再透過中央伺服器發送事件通知簡訊至指定GSM行動電話收話端。

本裝置亦配備進急事件傳呼按鈕(emergency button),當高齡者於特殊情況下需要協助,或是緊急事件發生時,可按下裝置上的緊急開關,當該按鈕長按超過3秒時,即啟動緊急事件回報,分散式資料伺服器將即刻收到緊急事件訊號,並同樣發送GSM簡訊至指定者的行動電話,再透過中央伺服器發送事件通知簡訊至指定GSM行動電話收話端,作為緊急事件之即時通報。

2.3 本計畫目的

本計畫由元智大學老人福祉科技研究中心與亞東紀念醫院骨科合作,針對帕金森氏症患者的步行復健需求,修改前述元智大學老人福祉科技研究中心開發之攜帶式身體活動感測器及其演算法,開發應用於帕金森氏症患者步行復健之跌倒預防與跌倒偵測系統。

如前所述,本系統藉由內含精密三軸加速度感應器(triaxial accelerometer)、微處理器(microprocessor)與無線感測器網路技術(wireless sensor network, WSN)的小型可攜帶式活動偵測器,可配掛於患者腰部,量測患者於步行時的步態加速度訊號;微處理器並內含特定活動辨識演算法(real-time algorithm),可即時偵測患者步態的主要活動特徵。當偵測發現可能的步態異常狀態,如前述之小碎步、步行凍結(freezing of gait, FOG)、急促步、步態不協調等,該系統將以警示音提醒患者或一旁照護人員,可輔助患者於復健期間的訓練,達成良好的患者復健輔助功效,並可避免因步態問題而導致的跌倒發生。此外本系統亦具備即時的跌倒偵測機制,當患者發生意外跌倒事件且無法自行復原時,本系統將可即時以警示音通報在旁人員求助,或以手機簡訊及時通報家人或醫師。

本計畫開發成果預期將能降低帕金森氏症患者因步態問題而導致的跌倒風險,對於突發的跌倒意外亦能進行立即的自動緊急通報。對於醫護或復健人員,亦可作為患者簡單、低成本的有效復健輔助工具

關鍵詞:高齡者、帕金森氏症、步態、跌倒偵測、跌倒預防、加速度量測

三、雙方參與計畫成員與計畫內容之相關性說明

元智大學老人福祉科技研究中心(GRC)2003年成立,為台灣第一個以高齡者福祉科技為主題研究單位。GRC以高齡者遠距居家照護系統(Home Telehealth System)技術與應用為主軸,如圖4所示,主要研究項目包含「居家生理訊號監測與管理」、「睡眠品質監測與評估」、「環境監測系統」、「活動力監測與評估系統」以及「照護應用機器人技術」等五大主要領域,並都已有具體成果。本次申請計畫「應用於帕金森氏症患者步行復健之跌倒預防與跌倒偵測系統之開發」,屬於上述活動力監測與評估系統之研究項目。

4. 元智大學老人福祉科技研究中心研發Road Map

本研究計畫與亞東紀念醫院骨科釋高上醫師合作,於計畫進行中,亞東紀念醫院將可提供專業醫學與臨床諮詢、並提供帕金森氏症患者的步態樣本以進行活動辨識演算法之設計;亞東紀念醫院亦有人體試驗審議委員會(IRB)、可提供並協助本開發系統的後續測試與效能驗證的工作。

四、計畫預期成效

本計畫開發之可攜式帶活動偵測器,應用於帕金森氏症患者於步行復健時的步態監測,可長期監測人員於行走時的步態變化狀況,做為患者個人復健的有效輔助工具同時亦可即時偵測可能的步態異常情況,並進而提供即時的警示,有效降低跌倒事件的發生,避免因高齡者跌倒而引起的骨折或其他健康問題。本系統亦提供突發跌倒事件的即時偵測與警示通報功能,達成個人緊急通報功能。

本計畫開發成果預期將能降低帕金森氏症患者因步態問題而導致的跌倒風險,對於突發的跌倒意外亦能進行立即的自動緊急通報。對於醫護或復健人員,亦可作為患者簡單、低成本的有效復健輔助工具。