《Biosensors》：Evaluation of Tremor Degree Using Triangulation Estimation for IMU Volumetric Method Based on Robust Mahalanobis Distance for Outlier Detection
编辑推荐：
帕金森病（Parkinson's disease, PD）是一种快速进展的神经退行性疾病，其核心运动症状——震颤、运动迟缓和强直——严重影响患者的生活质量。传统临床评分量表本质上具有主观性，且观察者间信度有限，凸显了对客观、定量评估工具的迫切需求。本文提出了一
帕金森病（Parkinson's disease, PD）是一种快速进展的神经退行性疾病，其核心运动症状——震颤、运动迟缓和强直——严重影响患者的生活质量。传统临床评分量表本质上具有主观性，且观察者间信度有限，凸显了对客观、定量评估工具的迫切需求。本文提出了一项新颖的概念验证研究，为基于惯性测量单元（inertial measurement unit, IMU）信号的客观震颤量化奠定基础。该框架包括三个阶段：首先，基于最小协方差行列式（minimum covariance determinant, MCD）估计器的稳健马氏距离算法消除原始IMU数据中的多元离群值；其次，通过四元数旋转将传感器坐标系中的加速度转换至地理坐标系，去除重力分量，并利用辛普森数值积分重建三维震颤轨迹；第三，Delaunay三角剖分对重建的点云进行分割，构建五面体体素，并计算所包围的体积，作为震颤能量和空间活动范围的直观度量。研究人员使用BWT61CL IMU传感器（采样频率100 Hz）在标准化静息条件下采集四名PD静息性震颤（rest tremor, RT）患者和四名匹配的健康对照（healthy control, HC）参与者的手部震颤数据，对该方法进行了评估。为了评估该方法区分病理性震颤与生理性运动的能力，对照组扩展至包括四名特发性震颤（Essential tremor, ET）患者。结果揭示了与基线相比，治疗后震颤体积可测量地减小，与临床观察的预期方向一致。这些初步发现表明，所提出的基于IMU的体积方法结合稳健马氏距离与Delaunay三角剖分，有望追踪PD患者震颤症状的时空演变，为量化震颤空间幅度提供了一个概念验证分析框架，有待在更大队列中验证。
帕金森病（Parkinson’s disease, PD）是一种快速进展的神经退行性疾病，全球患病率约1.51%，中国65岁及以上人群患病率为1.86%。其核心运动症状——静息性震颤（rest tremor, RT）、运动迟缓和强直——严重损害患者的独立性及生活质量。目前临床评估的金标准是运动障碍学会统一帕金森病评定量表（MDS-UPDRS）第三部分（UPDRS-III），但该量表高度依赖临床医师的专业经验和观察情境，存在内在主观性、观察者间信度有限以及对细微变化敏感性不足等局限。近年来，惯性测量单元（inertial measurement unit, IMU）因体积小、成本低、便携等特点被广泛用于人体运动分析，但大多数现有IMU研究仅提取时域或频域单一特征（如均方根幅度、主频），难以全面刻画震颤的空间形态。此外，原始IMU信号常受传感器噪声和运动伪迹污染，传统离群点检测方法无法有效识别复杂运动引入的多元异常。因此，开发一种能直观量化震颤空间幅度并具备临床可解释性的客观评估方法具有重要意义。
针对上述需求，研究人员提出了一种基于IMU信号的三阶段客观震颤量化框架。第一阶段，采用基于最小协方差行列式（minimum covariance determinant, MCD）估计器的稳健马氏距离算法，利用Q-Q图验证数据近似多元正态性（平方马氏距离服从自由度3的卡方分布），并通过互信息评估变量间相关性（加速度互信息3.37~5.02，角速度4.48~6.79，角度6.16~7.43），随后迭代估计稳健协方差矩阵和均值向量，剔除多元离群值。第二阶段，通过四元数姿态解算将体坐标系加速度转换至地理坐标系，去除重力分量，并采用动态角速度校正（比例系数T=0.3）和3~8 Hz带通滤波抑制漂移与低频干扰，再利用辛普森数值积分双重积分重建三维震颤轨迹。第三阶段，应用Delaunay三角剖分（Bowyer-Watson算法）对重建点云构建三角形网格，每个三角形与投影底面构成五面体体素，通过投影积分计算体积累加得到点云总体积。该体积指标直观反映震颤能量和空间活动范围。
研究人员采用BWT61CL IMU传感器（采样频率100 Hz）在标准化静息条件下（前臂置于桌面，保持放松）采集数据。样本队列包括4名PD患者（震颤为主型，Hoehn & Yahr 1~3级）、4名年龄性别匹配的健康对照（healthy control, HC）和4名特发性震颤（Essential tremor, ET）患者。PD患者在神经肌肉电刺激干预前后各记录10秒；HC和ET参与者按相同时间间隔记录两次。同时，由运动障碍专科医师评估PD患者的UPDRS-III总分（均值25.3±8.1）和RT子评分（均值1.75±0.96）。整个处理流程为确定性分析，不涉及训练/测试集划分。
结果部分如下：震颤体积计算方面，对4名RT患者的体积进行计算，发现干预后每例患者的体积均出现不同程度减小。基线体积个体间差异显著，范围从2.74000×10
-2到3.75370×10
-1；UPDRS RT子评分为3分的患者体积最大，评分为1分的患者体积较小，表明体积度量能反映临床严重程度差异。HC组对比方面，HC组体积均值（0.0000332）远小于RT组（0.1495125），差异达数量级，提示该指标可区分病理性震颤与生理性运动。临床相关性方面，采用Spearman秩相关分析，PD患者治疗前对数转换体积与UPDRS-III RT子评分呈正相关（r
s=0.949），但由于样本量小（n=4）未达统计显著（p=0.05），仅呈现与临床评级一致的趋势。ET对照比较方面，ET组体积均值（0.01264595）介于HC与RT之间；Mann-Whitney U检验显示RT与ET治疗前体积差异显著（p=0.021），提示体积度量对RT与低幅度生理运动及ET具有一定区分能力，但不作为鉴别诊断证据。sEMG平行验证方面，同时采集的表面肌电（surface electromyography, sEMG）信号中，治疗后平均绝对值（mean absolute value, MAV）下降12.1%，功率谱密度（power spectral density, PSD）下降29.6%，与体积缩小趋势一致，支持体积指标反映震颤幅度衰减的内部一致性。
讨论部分指出，研究存在样本量小、采集环境理想、传感器放置标准化不足、算法计算复杂度高和对点云分布均匀性敏感等局限。体积指标主要捕捉震颤的空间幅度包络，未显式编码瞬时频率和爆发周期性。该度量旨在补充而非替代传统谱与时间特征，其与临床评分的关系仅作为构建效度的初步证据，不能视为治疗效果的直接证明。未来需要更大规模多中心队列确定最小临床重要差异，并拓展至姿势性震颤和动作性震颤任务以验证普适性。
结论：研究人员成功开发了基于稳健马氏距离与Delaunay三角剖分体积法的RT定量评估方法。通过IMU传感器获取三维运动数据，计算震颤空间体积，结果显示干预后震颤体积较基线减小，方向与临床观察一致，证明了该体积度量对个体内震颤幅度变化的敏感性。该方法为PD震颤的客观评估奠定了方法学基础，有望在更大规模研究中得到验证并应用于临床诊断与治疗评估。
