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

摘要

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。

摘要

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。

引言

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....

方案

该方案遵循伦敦南岸大学研究伦理委员会批准（UREC1413/2014）所规定的人类受试者测试本地指南。

1. 步态实验室准备

1. 清除捕获区域内可能被误识别为运动标记物的无关反光物体，并根据需要消除环境日光以减少反射。
2. 打开动作捕捉相机、专用追踪软件、测力台放大器和外部模拟-数字（AD）转换器。等待相机完成初始化。
3. 布置摄像头，确保在捕捉区域的极端位置至少存在两个相交的轴。通过检查测试标记点的个体分辨率，调整各摄像头的曝光和光圈设置至最佳状态（例如， 静态校准框架）在捕捉体积空间内（参见参考附录A²¹).
4. 将主试开关安装在行走路径中线处，位于起始位置前方6 m、行进方向上，高度与受试者脐部齐平的三脚架上。将光源（用于视觉启动信号）安装在行走路径中线处，位于主试开关前方1 m、行进方向上，高度与受试者眼外眦齐平的三脚架上。图2将操作者光源开关放置在靠近研究人员的位置。
5. 将测力台1和测力台2平行放置，用于步态起始测试；将测力台3和测力台4呈交错排列，以采集非优势肢体领先步的试验数据。随后使用可移除胶带将测力台盖板固定。

结果

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）。

讨论

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.......

材料

本文使用的材料清单

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