Name: 坐姿到站姿和步行距离120％膝盖高度:新方法来评估铅肢体的动态姿势控制独立 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-08-30T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 24 s
Description: 学习测量坐姿到站姿和步行过渡期间的动态姿势稳定性，利用压力中心和全身质心估计技术。该方法可为神经损伤患者的临床评估提供可靠的稳定性测量，帮助预测康复效果并评估治疗有效性。

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作者谨此感谢伦敦国王学院的 Tony Christopher 和 Lindsey Marjoram 以及伦敦南岸大学的 Bill Anderson 提供的实践支持。同时感谢伦敦国王学院的 Eleanor Jones 在本项目数据收集过程中提供的帮助。

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</ol>

作者无任何竞争性财务利益需要披露。

坐-站-走（sit-to-stand-and-walk, STSW）方案可用于检测健康个体或患者群体在复杂过渡性动作期间的动态姿势控制能力。该方案设置了特定限制条件，以便患有病理状况的受试者能够参与；同时通过加入关闭灯光的环节，使测试具有生态效度和目标导向性。已有研究证实，在STSW过程中，主导肢体的选择以及从较高座椅（120%膝高）起身并不会从根本上影响任务的动力学特征。20，此处所述方法可作为标准方案应用。该STSW方案具有有效性，因为与健康个体相比，患者在从较低座椅高度起身时面临更大困难10，往往产生较小的水平动量7 从较宽的站立姿势开始行走前，先独立完成起身动作11 患侧腿7本文还描述了如何计算站立-转身-行走过程中COP与BCOM的位移，由此可得出COP与BCOM之间的水平距离——这一指标反映动态稳定性16 - 可在离座与第二步之间得出。
结果依赖于方案中的多个关键步骤。首先，必须去除伪影光并设置最佳的相机曝光参数，以确保光学三维标记点追踪的...

影响感觉运动系统的临床病理，例如中风后上运动神经元（UMN）损伤，可导致功能障碍，包括肌力减弱、姿势稳定性丧失以及痉挛，这些均可能对运动功能产生负面影响。恢复情况存在较大差异，相当一部分中风幸存者无法达到安全站立或行走等基本功能目标1,2。
行走和坐-站转移的分项训练是上运动神经元病变后常见的康复任务3,4，但过渡性动作常常被忽视。坐-走（STW）是一种连续的姿势-步行任务，包含坐-站转移（STS）、步态起始（GI）和行走5。
在帕金森病患者6和慢性卒中患者7中，以及在年长但无功能障碍的成年人中8，观察到起坐与行走（STS和GI）分离的现象，这反映了在起坐行走过程中存在迟疑；但在年轻健康个体中则未观察到该现象9。因此，临床上普遍采用坐-站-走（STSW）动作评估，其特征是在站立时出现一段持续时间可变的停顿期。然而，迄今为止尚无公开发表的协议对适用于患者群体的STSW动力学特征进行明确定义。
通常在坐-站-走（STW）研究中，初始座椅高度设定为膝高（KH；即从地面到膝盖的距离）的100%，步宽和起始迈步腿由受试者自行选择，双臂交叉固定于胸前，且往往缺乏生态学意义上的任务情境5-9。然而，患者发现从100%膝高的座椅起身具有挑战性10，与健康个体相比，他们通常采用更宽的步态支撑面11，以患侧肢体作为起始迈步腿7，并利用手臂摆动产生动量7。
启动步态需要全身运动状态发生有目的方向的变化12。这一过程通过将全身质心（BCOM：空间中所有被考虑身体节段的加权平均位置13）与压力中心（COP：地面反作用力（GRF）矢量的合力作用点位置14）解耦来实现。在步态启动的预期阶段，COP会快速、刻板地向将要摆动的肢体一侧向后及侧向移动，从而产生BCOM的动量12,15。此时COP与BCOM相互分离，二者之间的水平距离已被提出作为动态姿势控制能力的衡量指标16。
计算COP与BCOM之间的距离需要同时测量COP和BCOM的位置。COP的标准计算方法如下方公式（1）17所示：
<img alt="压力中心COPx的静态平衡方程，以数学公式表示。" src="/files/ftp_upload/54323/54323eq1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 1">
<img alt="COPy 公式，静力平衡方程图，生物力学分析。" src="/files/ftp_upload/54323/54323eq2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程 2">
<img alt="静力平衡公式，COPz=Origz，以数学方程图示。" src="/files/ftp_upload/54323/54323eq3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 3"> 
(1)
其中，M 和 Force 分别表示关于测力台各轴的力矩和方向性地面反作用力。下标表示各轴。原点是指接触面与测力台原点之间的垂直距离，该距离被视为零。
通过运动学方法推导身体总重心（BCOM）位置，需要追踪各身体节段标记点的位移。为了真实反映身体节段的运动，可采用将标记点成组固定在刚性板上的方式，并将刚性板置于远离骨性标志的位置，从而最大限度地减少软组织伪影（CAST技术18）。为确定BCOM位置，需根据尸体解剖研究数据19估算各个身体节段的质量。三维（3D）运动分析系统的专有软件利用节段近端和远端位置的坐标信息：1）确定节段长度，2）通过计算估算节段质量，3）计算各节段重心（COM）的位置。随后，这些模型即可基于各节段位置的矢量叠加，在特定时间点提供三维BCOM位置的估算结果（图1）。
因此，本文的目的是首先提出一种具有生态效度的标准化坐-站-走（STSW）实验方案，并包含从较高的座椅高度起身的过程。先前的研究已表明，从120%膝高（KH）高度起身的STSW在生物力学上与从100% KH起身无显著差异，仅在起身过程中产生较低的躯干重心（BCOM）垂直速度和地面反作用力（GRF）20，这意味着从120% KH高度起身对功能受损个体而言更为容易且更安全。其次，利用三维运动捕捉技术，在STSW过程中的关键阶段和过渡时期，计算压力中心（COP）与躯干重心（BCOM）之间的水平距离，以评估动态姿势控制能力。该方法在健康个体的STSW过程中与肢体主导无关20，因而为功能恢复评估提供了可能。最后，本文提供了一组代表年轻健康个体的初步STSW数据集，并明确了该群体内部及个体间的变异性，以期为与病理性个体的比较提供参考依据。
<img alt="全身静态平衡；ΣF=0；腿部质心示意图；生物力学；坐标系。" src="/files/ftp_upload/54323/54323fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图1"> 
图1. 二维腿部质心（BCOM）计算。为简化起见，本示例基于二维条件下由三个相连节段质量计算整条腿的质心（COM），其中各节段质心位置的坐标（x,y）及节段质量（m1, m2, m3）已知。节段质量及其质心位置相对于实验室坐标系（LCS；原点：0, 0）的坐标，由运动分析系统的专有软件结合受试者体质量和已发表的人体测量数据估算得出（见正文）。在此三节段相连质量示例中，腿部质心的x和y坐标位置可通过图中所示公式计算得出。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54323/54323fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

<table><tbody><tr><td>运动追踪相机</td><td>Qualysis&amp;nbsp; (Qualysis AB Gothenburg, Sweden)</td><td>Oqus 300+</td><td>n= 8</td></tr><tr><td>Qualysis 追踪管理器 (QTM)</td><td>Qualysis&amp;nbsp; (Qualysis AB Gothenburg, Sweden)</td><td>QTM 2.9 Build No: 1697</td><td>专有追踪软件&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>测力台&amp;nbsp;放大器</td><td>Kistler Instruments, Hook, UK</td><td>5233A</td><td>n= 4</td></tr><tr><td>测力台</td><td>Kistler Instruments, Hook, UK</td><td>9281E</td><td>n= 4</td></tr><tr><td>模数转换器</td><td>Qualysis&amp;nbsp; (Qualysis AB Gothenburg, Sweden)</td><td>230599</td><td></td></tr><tr><td>轻质木制步道模块</td><td>Kistler Instruments, Hook, UK</td><td>型号 9401B01&amp;nbsp;</td><td>n= 2</td></tr><tr><td>轻质木制步道模块</td><td>Kistler Instruments, Hook, UK</td><td>型号 9401B02&amp;nbsp;</td><td>n= 4</td></tr><tr><td>四点 &quot;L 形&quot; 校准架</td><td>Qualysis&amp;nbsp; (Qualysis AB Gothenburg, Sweden)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&quot;T 形&quot; 标定杆</td><td>Qualysis&amp;nbsp; (Qualysis AB Gothenburg, Sweden)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>直径 12 mm 被动式反光标记点</td><td>Qualysis&amp;nbsp; (Qualysis AB Gothenburg, Sweden)</td><td>货号：160181</td><td>平面底座</td></tr><tr><td>双面胶带</td><td>Qualysis&amp;nbsp; (Qualysis AB Gothenburg, Sweden)</td><td>货号：160188</td><td>用于将标记点固定于皮肤</td></tr><tr><td>高度可调凳子</td><td>Ikea, Sweden</td><td>Svenerik</td><td>高度 43 - 58 cm，每条腿可额外定制增加约 10 cm 高度</td></tr><tr><td>圆形（盘状）压力地板垫</td><td>Arun Electronics Ltd, Sussex, UK</td><td>PM10</td><td>直径 305 mm，厚度 3 mm，双线</td></tr><tr><td>下肢追踪标记簇</td><td>Qualysis&amp;nbsp; (Qualysis AB Gothenburg, Sweden)</td><td>货号：160145</td><td>2 个标记簇，下肢共 8 个标记点 (n= 2)</td></tr><tr><td>上肢追踪标记簇</td><td>Qualysis&amp;nbsp; (Qualysis AB Gothenburg, Sweden)</td><td>货号：160146</td><td>2 个标记簇，下肢共 6 个标记点 (n= 2)</td></tr><tr><td>自固定绷带</td><td>Fabrifoam, PA, USA</td><td></td><td>3'' x 5'</td></tr><tr><td>骑行头套</td><td>Dhb</td><td>Windslam</td><td></td></tr><tr><td>数字立式体重秤</td><td>Seca</td><td>763 数字医用体重身高测量仪</td><td></td></tr><tr><td>测径规</td><td>Grip-On</td><td>Grip Jumbo 铝制测径规 - 型号 59070</td><td>24 英寸钳口</td></tr><tr><td>可伸缩臂式关节角度计</td><td>Lafayette Instrument</td><td>型号 01135</td><td>Gollehon</td></tr><tr><td>电灯开关</td><td></td><td></td><td>定制制作</td></tr><tr><td>Visual3D 生物力学分析软件</td><td>C-Motion Inc., Germantown, MD, USA</td><td>版本 4.87</td><td></td></tr></tbody></table>

从120%膝高处坐-站-走：一种独立于优势肢体评估动态姿势控制的新方法

Sit-to-stand-and-walk from 120% Knee Height: A Novel Approach to Assess Dynamic Postural Control Independent of Lead-limb

感觉运动功能障碍个体 例如， 中风患者在执行从坐位站起并启动行走（坐-走：STW）这一常见任务时存在困难。因此，在临床康复中，通常将坐位站起与行走启动分开进行，称为坐-站-走（STSW）。然而，目前尚未建立适用于病理评估的、具有明确定义分析方法的标准 STSW 方案。
因此，定义了一种以目标为导向的实验方案，适用于健康个体和功能受限个体，要求从120%膝高位置开始上升阶段，并采用宽大的支撑基础，且不依赖优势肢体。通过光学捕捉三维（3D）节段运动轨迹，结合测力台获取二维（2D）压力中心（COP）轨迹，可追踪COP与全身质心（BCOM）之间的水平距离；该距离的减小可提高姿势稳定性，但被认为可能反映动态姿势控制能力较差。
BCOM-COP 距离以是否归一化受试者下肢长度两种方式表示。尽管在坐-站-走（STSW）过程中，COP-BCOM 距离随时间变化，但在10名年轻健康个体进行的5次重复试验中，关键运动事件（如离座时刻以及第1步和第2步的初次足趾离地（TO1））的归一化数据表现出较低的个体内和个体间变异性。因此，将上运动神经元损伤患者或其他功能受损患者群体在执行坐-站-走范式关键事件时的 COP-BCOM 距离与年轻健康个体的正常参考数据进行比较，是一种评估动态姿势稳定性的新方法。

所有受试者均按照指示，以非优势肢体领先，双脚置于两个测力台上站立起身。在5次重复的以目标为导向的从120%膝高（KH）起立行走（STSW）任务中，观察到正常的步态，受试者清晰地踏上另一测力台，基于三维光学的动作分析系统成功追踪了整个身体的运动。在从离座到第二次脚跟触地（IC2）（即完成100% STSW周期）期间，包括起立、暂停、步态启动（GI）、第一步和第二步阶段，COP与BCOM在额状面（ML）和矢状面（AP）上的同步位移情况分别如图5A和5B所示（以第一位受试者左腿（非优势侧）领先为例）。在额状面（ML）上，从离座至步态启动（GI）开始阶段，COP与BCOM的位移均极小。然而，在步态启动开始后，COP向左侧（即向摆动肢体方向）偏离站立肢体，与向右位移的BCOM分离。随后，COP向右侧横向移动，朝向下一次支撑肢体方向，并在趾离地前超过BCOM的右侧位置。此后，在第一步和第二步期间，BCOM呈现正弦波形的位移模式，而COP在单肢支撑阶段进一步向外侧偏移（图5A）。</p...

本文介绍了一种利用压力中心与全身质心之间距离来测量从坐到站再到行走过程中关键事件位置稳定性的新方案。该方法基于测力台和三维运动捕捉技术，具有良好的可靠性，可用于对神经系统功能受损个体的评估。

患有感觉运动功能障碍（例如中风）的个体在执行从坐位站起并启动行走这一常见任务（坐-走转换：...）时存在困难。

本方案的总体目标是测量个体在由坐姿转为站立并行走过程中的动态位置稳定性，这一复杂的过渡性动作对于患有病理状况的个体而言通常具有挑战性。该技术的主要优势在于，其利用目前最优的压强中心（COP）和全身质心（BOM）估算方法，提供一种综合性的稳定性评估指标。该技术的应用还可为临床实践提供参考。有意义的稳定性测量可用于预测康复情况，并评估对坐立到行走恢复速率产生影响的治疗方法。接下来将由本实验室的研究生 Michael Attwaters 演示参与者将经历的实验流程。首先在计算机上打开专用的追踪软件。将采集频率设置为 60 赫兹，并设置 3D 追踪参数，包括 20 毫米的预测误差、2 毫米的最大残差、相当于两个帧的最小轨迹长度，以及最多 10 帧的最大帧间隙。然后，将每个测力台放大器中的八个独立测力台组件分别识别并连接至相应的模数转换器。确保已设定每个测力台的所有预定校准参数、缩放系数以及模拟通道。此外，配置软件以读取采集最后10帧期间的测力台基线读数。选择17倍的运动捕捉频率，以确保模拟信号采样频率达到足够的1020赫兹。在对三维空间位置进行校准之前，将位于捕捉范围地面的L形参考结构放置到位，使其长轴指向内部方向。然后，在软件的校准设置页面中，选择“wand”作为校准类型，并设置长度为750毫米。选择坐标系方向时，使正C轴向上，正Y轴沿长臂方向。单击“确定”。单击校准图标，并将校准采集的预期时长设置为 60 秒。然后，指定保存结果的文件目录。单击“确定”开始校准。在捕捉范围内移动校准棒，通过旋转和平移校准棒，持续操作60秒。然后检查校准结果，并接受各相机残差误差小于1.5毫米的校准。单击“确定”。最后，通过在每个平台的四个角各放置一个直径为九毫米的被动式反光标记，来确定校准后的三维空间中各个测力台的位置。采集五秒钟的记录，并识别每个平台在三维空间中的参考坐标系及标记点。在受试者身上，根据选定的技术参考框架，使用双面胶带和自粘绷带将反光标记物固定于下肢、上肢、躯干、头部和骨盆节段的解剖标志处。然后，指导受试者静止站立于捕捉范围的中心位置。打开已预先设置好采样参数的专用追踪软件。在软件中，目视确认所有标记点均已识别。然后，点击录制图标，完成五秒的静态采集。首先，取下所有解剖标记点。为确定最终的进给位置，请受试者坐在凳子上，双脚分别放在两个独立的测力台上。使用可伸缩臂式角度计，将受试者优势侧小腿位置调整至较垂直方向向后10度。将非优势侧脚调整至相同对齐状态，然后使用锁紧卡尺，根据预先测定的双髂嵴间距，相应地调整两脚之间的宽度（即两侧足缘之间的距离）。接下来，调整每只脚的横断面方向，使每只脚的内侧边界与行进方向对齐。然后，使用标记笔在可拆卸测力台表面描出最终的脚部位置轮廓。在软件中目视确认所有标记点均已识别后，点击录制图标，完成15秒的动态采集。在动态捕捉开始5秒后，打开

sit-to-stand-walk-from-120-knee-height-novel-approach-to-assess

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行为

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