验证适用于评估老年人健走步态与姿势的恰当运动捕捉技术

摘要

目的是验证北欧行走步态与姿势分析中数据采集技术的最佳应用方式。在短时间分析（即单个步态周期）中应使用三维运动捕捉技术，而在长时间分析（即重复多个周期）如6分钟步行测试中则应采用加速度测量技术。

摘要

近年来，北欧式健走（Nordic walking, NW）已成为一种安全且简单的锻炼方式。在研究这种步态模式时，已采用多种数据采集技术，每种技术各有优缺点。本研究旨在确定北欧式健走对老年人步态和姿势的影响，并评估在短期和长期分析中不同数据采集系统的最佳使用方法。对17名健康老年人（年龄：69 ± 7.3岁）在北欧式健走和正常行走过程中的步态与姿势进行了评估。参与者完成了两次6分钟步行测试（6MWT）（一次使用手杖（WP），一次不使用手杖（NP））以及六次5米步行试验（3次WP，3次NP）。采用两种系统记录运动数据：一个6传感器加速度计系统和一个8摄像头三维运动捕捉系统，以量化时空参数、运动学参数和动力学参数。

两种系统下，与无负重（NP）相比，负重（WP）时受试者的步幅和双支撑时间均增加，而行走速度和步频则降低（p <0.05）。此外，通过运动捕捉发现，负重时单支撑时间更长（p <0.05）。在三维捕捉下，以一个步态周期为评估范围，负重相较于无负重在足跟触地期和预摆动期表现出更低的髋关节做功和力矩，在足跟触地期、预摆动期及终末摆动期表现出更低的膝关节能量吸收（p <0.05）。此外，负重状态下在足跟触地期和终末摆动期的力矩较小，而在步态周期的中期站立相力矩较大（p <0.05）。姿势方面未发现显著变化。

NW 似乎适用于促进老年人正常的步态模式。三维运动捕捉应主要用于短时间步态分析（即单个步态周期），而加速度测量系统则应主要用于需要较长时间分析的情况，例如在 6MWT 期间。

引言

北欧行走（Nordic walking, NW）被认为是一种使用特制手杖进行的简单且安全的健走方式¹。据称，手杖可提供额外的稳定性，改善姿势，并减轻下肢关节的应力。然而，关于关节负荷和姿势排列的证据有限或存在矛盾。一方面，Schwameder et al.²、Willson et al.³ 和 Koizumi et al.⁴ 在其使用手杖行走的研究中报告了运动学指标的改善和/或地面反作用力、压缩力及剪切力的降低。另一方面，Hansen et al.⁵、Stief et al.⁶ 和 Hagen et al.⁷ 却报告在使用手杖行走时，运动学指标下降，且制动/推进力及力矩等关节负荷增加。此外，关于姿势排列改善的说法至今尚未得到科学研究的充分支持。

与步态模式研究中发现的矛盾结果类似，该研究领域也采用了不同的方法和设备。一些研究使用了三维运动捕捉系统^4,6 和数码摄像机^2,5，所有系统均整合了测力台，以充分评估步态。此外，其他研究还采用了其他方法来评估北欧行走步态，包括使用电子测角仪⁷，肌电图（EMG）⁸，以及安装在杆上的应变计^2,9. 本方案所采用的技术具有特定优势，能够展示出更为恰当的表征结果（即 重复的步态周期）来分析个体的北欧行走步态，相较于以往侧重于短时程和单一步态周期的研究方法具有优势。此外，本方法采用了加速度测量法这一有效工具，而该技术迄今为止在北欧行走研究中应用尚少。根据具体研究目的，本方案适用于本协议中所述的各种情形，尤其适用于短时程和长时程步态分析。需要注意的是，运动捕捉和加速度测量法均适用于获取多种步态特征，包括时空参数（例如 步长，步速 等等。），运动学（例如 关节活动范围）和动力学（例如 力，功率输出， 等等。参数。

尽管使用了这些不同的设备，但目前仅评估了短时间的步态事件（即单个步态周期），而对于如何最佳评估较长时间的步态（即重复的步态周期）仍存在疑问。因此，开发和使用该技术的依据在于全面描绘北欧行走步态的重要性。

本研究的目的有两个。首先，主要目标是确定并证实加速度测量系统和三维运动捕捉系统在短时和长时程步态与姿势评估中的应用价值。其次，旨在确定北欧式健走手杖对老年人步态模式的整体影响，包括时空参数、动力学指标以及姿势排列。迄今为止，针对老年人群北欧式健走的研究极为有限，而已发表的研究中多关注功能（即 力量、平衡性、柔韧性）是主要的结局变量。因此，有必要了解步行杖对可测量步态参数的影响，这有助于揭示随着年龄增长，步行杖如何影响我们的步态模式。

方案

本研究遵循渥太华大学研究伦理委员会的指南进行。

1. 筛选流程

1. 向当地步行团体提供专题展示，并在社区中心和公共设施张贴招募海报，以招募一组活跃的社区居住老年人。
2. 初次访问时，首先向参与者致意，介绍实验室环境，并给予他们时间更换合适的服装（即短裤、T恤和跑鞋）。准备就绪后，向每位参与者详细说明研究内容，获取书面知情同意书，并通过多种问卷筛查每位个体是否符合研究纳入标准。
   注：纳入标准包括：年龄55至80岁、未接触过北欧式步行（NW）、无神经系统疾病、无认知障碍、无心脏疾病、无影响步态及上肢运动的既往损伤或手术史，且能够独立行走。
   1. 让参与者填写《一般健康与体力活动问卷》以及《体力活动准备问卷》（PAR-Q），以确认其年龄、活动水平、是否存在神经系统疾病，并简要评估心脏健康状况。
   2. 随后，让其完成一份自评姿势稳定性与跌倒情况问卷（改编自Ashburn et al.¹⁰），以确定是否存在跌倒史（如适用）。最后，对每位受试者实施蒙特利尔认知评估（MOCA），以排除轻度认知功能障碍¹¹，要求最低得分为30分中的26分。

2. 棍杖设置与北欧行走指导

1. 为每位参与者提供一套手杖，并指导他们根据自身身高将手杖调整至最佳长度。确保调整后的长度约为个人身高的65%。
   1. 向每位参与者提供以下手杖长度调整指导：要求参与者直立站立，将手杖尖端置于脚趾前方，手臂和前臂紧贴身体两侧，然后调整手杖长度，使肘部弯曲成大约90°角，紧贴身体。最后，牢固拧紧手杖，并将鞋尖略微向后倾斜。
2. 为减少信息负荷并确保参与者充分掌握技术，按以下四个基本步骤依次进行指导¹²。分配约30分钟用于技术讲解和后续练习。
   注意：北欧行走（Nordic walking）的指导应由经认证的北欧手杖行走教练进行。
   1. 在固定腕带之前，指导参与者将手杖置于下背部后方，并保持直立站姿。要求参与者挺胸抬头，双肩放松。
      注意：向参与者解释，此动作旨在帮助其理解北欧行走所需的直立身体姿势。
   2. 让每位参与者系好腕带，将手杖尖端置于身体后方，双臂自然垂于体侧。在保持手掌张开（i.e. 不握持手柄）的情况下，指导其以较小的手臂摆动开始行走，距离约100米。
      注意：在此阶段，手杖仅随参与者身后拖行。
   3. 继续保持手掌张开并拖动手杖，指导参与者加快行走速度。要求参与者想象将手抬起，如同准备与人握手。
      注意：在此阶段，应说明目标是促进行走过程中手臂与腿部的自然交替和节律性动作。
   4. 最后，当手臂向前摆动时，让参与者轻轻握住手柄，并对地面施加力量。在每次手臂摆动时，指导其将手杖略微抬离地面，并在下一步伐中稳固地插入地面。
      注意：在此阶段，应说明施加的力量有助于推进步态，并为上肢肌肉提供阻力。

3. 数据采集与测试方案

1. 使用标准卷尺、体重秤和卡尺，测量受试者的各项人体测量学参数，包括身高、体重、双髂前上棘间距离、左腿和右腿长度、膝宽、踝宽、肩偏移量、肘宽、腕宽以及手部厚度。
   1. 使用卷尺测量每条腿的长度，即从髂前上棘（ASIS）到内踝中心的距离，以及左右两侧髂前上棘（ASIS）之间的距离即 髂前上棘间距离
      1. 接下来，使用卡尺通过测量骨性突起之间的距离来测定每个关节的宽度（例如 每个关节的髁突。最后，分别使用标准卷尺和体重秤测量受试者的身高和体重。
2. 为了评估步态模式（例如 时空参数）和长时间的姿势对齐情况，可在6分钟步行测试（6MWT）期间使用加速度测量系统进行数据采集，该测试是评估老年人身体耐力的有效且适宜的方法¹³.
   1. 对于加速度测量系统，应确保其至少包含6个传感器，每个传感器均集成加速度计和陀螺仪，以测量各个特定身体节段的加速度（g）和角速度（deg/sec）。
      1. 在将设备佩戴于受试者之前，应确保所有传感器均已牢固连接至系统的对接站，以同步传感器并校准系统，从而准确传输数据测量结果¹⁴.
   2. 使用可调节的钩环带将传感器固定在手腕、脚踝、腰椎（L5）和躯干上，并以不低于100 Hz的采样频率进行数据采集。
      1. 放置传感器时，应确保其方向符合系统指南。将踝部传感器置于前侧，腕部传感器置于后侧（解剖学位置下）。将躯干传感器置于胸骨上方，L5传感器直接置于L5椎体处。
         注意：这些传感器通过无线方式将运动学数据传输到接入点，以精确同步数据传输的时间。
   3. 为受试者佩戴6个传感器，并要求其完成两次6分钟步行试验（6MWT），一次使用步行杖，一次不使用。随机分配这两次试验的顺序，以控制顺序效应。
   4. 指导受试者在25米步行道上以自选速度往返行走，分别完成使用和不使用步行杖的6分钟步行试验（6MWT）。开始时，务必点击“开始”以启动加速度测量系统的数据采集。
      注意：在撑杆测试期间，需进一步指导参与者执行其撑杆动作指令。
3. 最后，使用采集频率不低于100 Hz的三维运动捕捉系统，结合嵌入步道中的两块测力台，评估短时程步态事件。将测力台与运动捕捉系统同步，确保测力台已归零以避免数据噪声，并确认其采样频率足够高，例如1,000 Hz。
   1. 通过公司提供的线缆先将测力台连接至计算机，再与运动捕捉系统同步。其次，必须在运动捕捉系统软件中直接“添加”测力台至捕捉范围，并输入测力台的尺寸、灵敏度、采样频率及其他系统所需参数。
   2. 确保测力台已归零。此操作需分两步进行：1）在软件中右键单击每个测力台，选择“归零测力台”；2）按下测力台数据采集箱上的“零点”按钮。
      注意：确保运动捕捉系统能够从每块测力台上的左右腿足部触地时实时采集信息，并支持时空、运动学和动力学分析。
4. 完成系统的动态校准（旨在确定数据采集过程中将使用的捕捉体积）。为此，以受控方式在捕捉空间内挥动一个带有3个标记点的校准棒。然后对系统执行静态校准，以建立全局坐标系。即 通过在指定的参考点放置一个四标记L形框架，并在计算机软件中选择“设置体积”，将参考点设为0, 0, 0（x, y, z）。
   注意：动态校准后续将有助于重建该模型所用的39个反射标记点的三维位置。
   1. 为受试者佩戴39个反光标记点，使用双面胶带将其粘贴于特定解剖标志处，包括：第二跖骨、外踝、跟骨、左右小腿中段、股骨外侧髁、左右大腿中段、髂前上棘（ASIS）、髂后上棘（PSIS）、第十胸椎（T10）、第七颈椎（C7）、右侧背部、锁骨、胸骨、肩峰、左右肱骨中段、肱骨外上髁、左右前臂中段、桡腕和尺腕、第二掌骨、头 anterior-lateral 和头 posterior-lateral。
   2. 指导受试者在系统捕捉范围内完成6次5米步行试验，其中3次使用拐杖，3次不使用拐杖。试验顺序应随机分配，以控制顺序效应，并采用与6分钟步行试验（6MWT）相同的指导语。

4. 数据与统计分析¹⁴

1. 在分析6分钟步行试验（6MWT）时，需去除试验过程中所有的转弯阶段，以确保仅分析严格意义上的稳态行走数据。去除转弯阶段后，利用系统软件提取步态的空间-时间参数、各方向的躯干活动范围（ROM）以及各平面的躯干速度。
   注意：此步骤通过系统自身所用算法在本方案中自动完成¹⁴提取该系统内必要因变量的步骤如下所示。
   1. 使用加速度计系统软件时，首先点击“Monitor Data”，选择已采集的带时间戳的试验数据，右键点击所选试验，然后选择“Convert to CSV”。完成此操作后，打开生成的CSV文件，确认所有6个传感器的数据均已导出，以便进行后续分析。
   2. 接下来，再次选择该试验并点击“导出为PDF”。观察系统生成包含多个变量的PDF报告。从中提取研究所需的变量，本例中为空间-时间参数和运动学指标。
2. 对于三维运动捕捉，使用截止频率为10 Hz的四阶零相位滞后Butterworth滤波器对模拟设备的所有试验数据进行滤波，同时使用预测均方误差（MSE）值为15 mm的Woltring滤波器对标志点轨迹进行滤波。具体操作为：在系统软件中将“Butterworth and Woltring”滤波选项添加至操作流程，选择上述截止频率和MSE值，然后点击“Run”执行。
   1. 在系统内的操作流程中添加“导出为 ASCII 文件”操作，然后选择“运行”。将新导出的 ASCII（电子表格）工作表保存到计算机中。
   2. 打开导出的 ASCII 文件，在每个文件中找到功率输出和力矩（即 包括踝关节、膝关节和髋关节在内的下肢各关节的运动学参数。
      注意：利用工作表中的最小值和最大值函数，计算单个步态周期各阶段对应的上峰值和下峰值例如 A1, K1, H1, 等等。如 Winter 所述¹⁴.
   3. 接下来，使用特定的系统软件提取时空参数，本实例中这些参数通过系统算法并结合人体测量数据自动计算得出。要提取特定变量，首先将所需的试验数据导入系统软件，选择“Events”（事件），然后点击所需的变量，以获取每次试验中该变量的平均值。
3. 最后，利用ASCII文件，定位C7标记点以及骶骨/骨盆标记点的轨迹。根据这些轨迹，计算身体姿势对齐度，即在内外侧方向和前后方向上，这些标记点轨迹之间的差异。
4. 打开统计软件并导入特定试验数据。首先，使用Shapiro-Wilks正态性检验，判断数据是否呈正态分布。
   1. 为比较有极与无极条件，若数据呈正态分布，采用配对t检验；若数据偏态分布，则采用Wilcoxon符号秩检验。必要时使用Holm-Sidak法进行多重两两比较。显著性水平设定为p < 0.05。 <0.05.

结果

步态时空参数

使用运动捕捉和测力台评估时，老年人使用北欧式健走杖行走与不使用健走杖行走相比，步长（p <0.01）、双支撑时间（p <0.001）和单支撑时间（p <0.001）均显著增加。此外，步速（p <0.05）显著减慢，步频（p <0.001）也显著降低。进一步通过6分钟步行试验（6MWT）结合加速度计对较长时间行走过程中的步态进行分析时，同样观察到步长（p <0.001）和双支撑时间（p <0.001）更长，且步速显著减慢（p < 0.001），步频显著降低（p <0.001）（表1）。

下肢关节动力学分析

动力学指...

讨论

在本方案中，保持使用手杖的一致性至关重要。特别是，正确的手杖使用技术和适当的手杖设置步骤对于确保不同研究之间的一致性具有重要意义。因此，应遵循特定北欧式步行组织的指南和操作说明来执行此类方案。此外，在使用加速度测量技术时，尤其需要采用全身分布的三轴监测器，以全面了解受试者的整体身体运动（例如 步态和姿势），包括各个特定身体节段的加速度和旋转情况。此类系统应优先应用于本方案所述的情形中，使用相对较长的步行通道（例如 25 m），以便涵盖较长时间的运动过程，并尽量减少转弯次数，从而主要反映稳态步行状态。当在临床和科研环境中使用经过验证的步态测试（如6分钟步行试验¹³）时，这一点尤为重要。

此外，已有研究报道，运动捕捉系统适用于研究单个步态周期等持续时间较短的事件。¹⁶ 应按照此方法使用，如同本方案第二部分所述。为确保该系统的准确性，必须对系统进行适当的静态和动态校准，以设定采集体积，更重要的是建立三维重建反光标记点所需的全局坐标系。为了评估步态及姿势排列，需采用全身标记点集合（例如 Plu...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
北欧行走杖	Nordixx Canada	Nordixx Global Traveler or Walker	可使用其他类型的杖
APDM 加速度计系统	APDM	Opal 系统	可使用其他系统
Vicon 动作捕捉系统	Vicon		可使用其他系统
Kistler 测力台	Kistler		可使用其他测力台
Vicon Nexus & Polygon	Vicon		用于数据分析
14 mm 反射标记点	Vicon		标记点数量取决于模型
卷尺
体重秤
卡尺