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面向临床的三维步态分析方法用于评估步态障碍

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DOI：

10.3791/57063

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2018年3月4日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Rehabilitation Medicine, School of Medicine, Fujita Health University, 2Faculty of Rehabilitation, School of Health Science, Fujita Health University, 3Department of Rehabilitation, Fujita Health University Hospital, 4Department of Advanced Rehabilitation Medicine, Graduate School of Medical Science, Kyoto Prefectural University of Medicine

本文内容

摘要

本研究介绍了一种适合临床医生使用的三维步态分析方法，该方法设计用于康复门诊环境中实施。该方法包括简化的测量流程和直观的图表，以帮助临床医生更好地理解分析结果。

摘要

三维步态分析（3DGA）被证明是评估运动障碍所致步态异常的一种有效临床工具。然而，3DGA 在实际临床中的应用仍不普遍。可能的原因包括测量过程耗时，以及对测量结果的理解困难——结果通常以大量图表形式呈现。本文介绍一种面向临床医生的 3DGA 方法，旨在促进 3DGA 在临床中的应用。该方法包含简化的准备和测量流程，可在临床环境中短时间内完成，并以直观的方式呈现结果，以帮助临床医生理解。通过使用最少数量的标记点并在跑步机上对患者进行测量，实现了快速、简化的测量过程。为便于临床医生理解，结果以基于临床视角的图形方式呈现。采用李萨如概览图（LOP），从整体视角展示所有标记点的轨迹，以促进对步态模式的直观理解。基于临床医生在步态评估中的视角，并利用健康受试者数据进行标准化的异常步态模式指数，用于评估脑卒中患者典型异常步态模式的程度。同时提供一张展示足趾 Clearance 策略分析的图表，揭示患者如何依赖正常和代偿性策略实现足趾 Clearance。这些方法有助于推动 3DGA 在临床环境中的实施，并进一步促进从临床医生视角出发的测量策略的发展。

引言

既往研究已表明，三维步态分析（3DGA）在卒中后步态评估中具有重要价值1,2,3。采用高质量运动分析系统的研究不仅深入揭示了健康个体的步态模式，也阐明了多种运动障碍（如卒中或脑性瘫痪）所导致的异常步态特征4,5。3DGA有助于病理机制的理解、治疗前的患者评估与康复方案制定，以及干预效果的监测6。此外，近年来多项研究已证实，3DGA在指导康复训练方面具有潜在应用价值7,8。

然而，三维步态分析（3DGA）在日常临床实践中的应用仍然有限。其中一个主要问题是其耗时较长的流程。步态分析中常用的标记物组9,10,11通常包含30多个标记点，用于全身运动测量。这些标记物组能够非常精确地估算肢体和躯干的运动，从而提高分析的准确性——这种分析通常基于在步行区域周围布设的摄像机所捕获的有限步数数据。然而，这一过程需要耗时较长的准备和测量，限制了3DGA在日常临床实践中的应用。

在临床环境中使用三维步态分析（3DGA）的另一个缺点是，其提供的结果可能难以解读12。3DGA 的结果通常以图表形式展示，如关节角度和身体部位位移等参数。然而，康复诊所中的步态评估不仅涉及对身体各部位运动的评价，还包括对整体运动模式的评估。后者需要通过分析这些参数之间的相互关系才能理解，而这种分析的复杂性使得临床医生不太愿意使用 3DGA。

为了解决这些问题并促进三维步态分析（3DGA）在康复临床中的应用，我们提出了一种简化且直观的3DGA测量方法。该测量方法包括以下内容：（1）包含12个标记点的简化标记点集合；（2）在跑步机上对患者进行测量；（3）步态模式的直观整体图示；（4）通过临床观察验证的异常步态模式指数；以及（5）步态策略特征的可视化。本研究中展示的方案遵循了机构医学伦理委员会的指导原则。

方案

1. 准备

注意：本方案所提出的检测方法采用了一种简化的标记物组合，共包含以下十二种标记物。整个检测过程（包括准备工作）可在20分钟内完成。该方案在真实临床环境中的可行性已在先前的研究中得到验证13,14,15,16,17。

  1. 根据制造商的方案执行校准过程。
  2. 指导患者穿着合身、紧贴皮肤的腿部服装，并按照以下说明将彩色标记物贴在患者身上：
    1. 在患者身体的以下位置放置标记物（直径为 30 mm）：双侧肩峰、髋部（位于股骨大转子沿每侧髂前上棘与大转子连线方向的三分之一处）、膝部（位于股骨外侧髁前后径中线）、踝部（外踝）、足部（第五跖骨头）以及髂嵴（位于通过髋部的垂直线上每侧髂嵴的位置）。

2. 测量

  1. 设定跑步机速度并测量步态模式。
    1. 指导患者进行10米步行测试。
    2. 设定主观上舒适的步态速度。将跑步机速度从地面步行速度的70%开始设置，并逐渐增加速度，以确定患者在跑步机上感到舒适的步态速度。
    3. 测量步行过程。单次测试持续20秒。若需比较不同条件（例如：步速、矫形器 等），可进行多次测试。此时，每次测试之间应让患者休息1分钟。
      注意：尽管三维步态分析（3DGA）研究中通常使用带红外摄像头的3DGA系统，但本方案采用基于视频的简化运动分析系统（采样频率：60 Hz；例如，Kinematracer），以缩短校准过程。

3. 数据分析

  1. 时间-距离参数
    注意：时间-距离参数是步态分析研究中常用且基本的参数。足部首次触地和离地事件由系统根据足趾和踝关节标记点的轨迹自动确定。
    1. 为避免步态检测错误，应由两名经验丰富的物理治疗师核对时间准确性，并在步态时序存在错误时进行调整。
    2. 根据检测到的步态时序，计算以下参数：
    3. 计算步频（步/分钟）= 60 × 2 / SC（秒）
    4. 计算步幅长度（米）= GS（米/秒）× SC（秒）+（同一侧踝关节标记点从一次触地到下一次触地的位移）
    5. 计算步长（米）= GS（米/秒）×（一侧足部触地至对侧足部触地的时间）+（一侧与对侧足部触地时踝关节位置的平均差异）
    6. 计算步宽（米）= 双支撑相期间两侧踝关节标记点之间的平均横向距离
    7. 计算双支撑相持续时间：一个步态周期中出现两次的双支撑相之和；即一侧足部触地与对侧足部随后离地之间的时间。
    8. 计算单支撑相持续时间：一侧足部离地至对侧足部随后触地之间的平均时间。
      注意：SC（步周期）：一侧足跟触地至同侧足跟再次触地的平均时间。**GS（步速）
  2. 利萨如概览图（LOP）
    注意：LOP 设计为包含主要关节标记点轨迹的图示，旨在帮助理解康复患者整体的步态模式14（见图1）。
    1. 根据十个标记点及虚拟重心（COG）在水平面（x-y）、矢状面（y-z）和冠状面（z-x）的坐标轨迹生成 LOP（x：左/右，y：前/后，z：上/下）。
      1. 使用软件或通过电子表格软件构建散点图来绘制 LOP，覆盖所有标记点的运动范围。通过假设各身体节段的比重如下计算虚拟 COG：躯干为 0.66，大腿为 0.1，小腿为 0.05，足部为 0.02。随后，将 COG 计算为各节段的组合重心。
    2. 在每个标记点处，提取每个步态周期中三个分量（x、y 和 z）的原始数据，按步态周期进行归一化处理并取平均值。将虚拟 COG 的 x 和 y 分量的均值设为 0，并以此作为标记点 x 和 y 分量的参考值。
  3. 偏瘫步态异常步态指数的计算
    注意：已知中风后偏瘫步态存在几种常见的步态模式特征，包括抬髋步态、划圈步态以及躯干向健侧偏移18。已有研究开发出用于量化这些异常步态模式程度的指数13,16,17。截至目前，已有十种异常步态指数被报道（抬髋、划圈、前足触地、髋部后倾、髋关节外旋过度、躯干向健侧过度侧移、膝伸肌推力、屈膝步态、摆动相膝关节屈曲不足以及内收鞭打）。各指数的计算公式见表1。
    1. 根据公式计算各指数的原始值。例如，抬髋指数的原始值计算为摆动相期间患侧髋关节标记点 z 坐标最大值与对侧髋关节标记点同时刻 z 坐标之差，并校正双支撑相期间左右 z 坐标的平均差异。
    2. 基于健康受试者的测量数据计算偏差分数（t 分数）。标准化分数计算公式如下：T = 50 + 10 × (X−µ) / δ（T：偏差分数；X：个体数据；µ：健康受试者原始值的均值；δ：标准差）。
  4. 足趾离地策略分析
    注意：健康受试者与下肢轻瘫患者在摆动相中的足趾离地策略存在显著差异。健康个体主要通过肢体缩短实现足趾离地，骨盆或躯干运动极少。而轻瘫患者无法充分缩短肢体，因此会采用骨盆倾斜或划圈等代偿策略，这些策略也会影响足趾离地高度19。本分析将摆动中期的足趾离地高度分为两部分：由肢体缩短实现的垂直提升量，以及由代偿性运动直接贡献的垂直提升量。足趾离地的组成成分（肢体缩短的垂直分量、骨盆倾斜、髋关节外展和踮足代偿）按以下方法计算。
    1. 以第五跖骨头的 z 坐标作为足趾离地的指标，计算总的足趾离地高度。
    2. 通过计算髋关节与第五跖骨头之间距离变化的 z 坐标，得到肢体缩短的垂直分量。
    3. 通过加总以下三个子成分，计算代偿性运动的垂直分量：
      1. 骨盆倾斜的垂直分量为两侧髋关节标记点高度（z 坐标）之差。
      2. 髋关节外展的垂直分量由髋关节与第五跖骨头之间的距离及外展角度计算得出。该值反映若下肢长度不变，仅因髋关节外展所导致的足部上升距离。
      3. 踮足代偿的垂直分量由对侧髋关节在中期站立相与中期摆动相之间 z 坐标的变化计算得出20。

结果

本文介绍的方法用于评估步态障碍患者。分析结果见图2、图3和图4。这些图展示了偏瘫患者与健康对照者的简化三维步态分析（3DGA）结果。图2显示了一例卒中患者完整步态模式的代表性步态周期图（LOP）。该患者表现出典型的异常步态模式，如划圈步态、髋部抬高和躯干侧向移动。图3为雷达图，显示卒中患者的异常步态指数（偏差评分）。其中划圈步态和髋部抬高的标准化评分较高，表明卒中患者这些动作的幅度明显大于健康受试者的标准范围。最后，图4为图表，描述了一名卒中患者与一名年龄匹配的健康受试者的足趾 Clearance 策略。在健康受试者中，足趾 Clearance 通常通过肢体缩短实现；而在卒中患者中，主要依赖骨盆倾斜和踮足行走等代偿性动作为主来实现。

身体运动平面的运动学分析图：矢状面、冠状面和水平面示意图。
图1：由三个图像组成的李萨茹概览图（LOP）：（A） 矢状面，（B） 冠状面，和 （C） 水平面。每条轨迹显示了关节标记点和假设重心的平均步态周期运动。请点击此处查看该图的放大版本。

静态平衡示意图；矢状面、冠状面、水平面；前后轴、左右轴。
图2：一名代表性卒中患者的利萨如概览图（LOP）：（A）矢状面，（B）冠状面，和（C）水平面。通过LOP的整体观察，可见躯干活动增加（白色箭头）、髋部上提（黑色箭头）以及划圈步态（灰色箭头）。请点击此处查看该图的放大版本。

显示摆动相中膝关节和髋关节运动偏差的步态分析雷达图。
图 3：异常步态指数雷达图。 健康受试者的平均评分设定为 50。标准分越高，表示异常程度越高。请点击此处查看该图的放大版本。

偏瘫步态分析示意图，显示骨盆倾斜、髋关节外展；偏瘫组与对照组比较的柱状图。
图4：偏瘫患者与健康受试者足趾离地策略的对比图。 健康受试者通过肢体缩短实现足趾离地，而偏瘫患者则通过代偿性动作（如抬髋、髋关节外展和踮足跨步）影响足趾离地。 请点击此处查看该图的放大版本。

步态模式公式
髋部上提摆动相期间髋关节标记点Z坐标最大值与对侧髋关节标记点在同一时刻的Z坐标之差，校正了双支撑相期间Z坐标左右侧平均差异
环转运动摆动相25%-75%期间踝关节标记最外侧X坐标与支撑相25%-75%期间最内侧X坐标之间的距离差
前足触地初始接触时踝关节标记点Z坐标与脚趾标记点Z坐标之差，减去站立时踝关节标记点与脚趾标记点Z坐标之差
髋关节反向推进单腿支撑相中踝关节Y坐标与髋关节Y坐标之间的平均距离
过度髋关节外旋摆动相中踝关节X坐标与足趾X坐标之间的平均距离
过度的侧向位移
患侧躯干向健侧倾斜		平均距离
（1）在患侧腿位于非患侧腿后方的双支撑相阶段以及患侧腿摆动相期间，双侧肩峰中点的最外侧X坐标
(2) 患侧下肢位于非患侧下肢后方的双支撑相阶段，双侧踝关节中点的平均X坐标
膝关节伸肌推力患侧腿单腿支撑相中膝关节最大Y坐标速度与跑步机行走速度之间的差值
屈膝步态患侧腿单腿支撑相中的最大膝关节伸展角度
摆动期膝关节屈曲不足摆动相中膝关节最大屈曲角度与健康受试者膝关节屈曲角度的比较
内侧鞭打患侧腿站立相75%至100%期间踝关节最外侧X坐标与站立相25%至75%期间踝关节最内侧X坐标之间的距离
X、Y 和 Z 坐标分别表示外侧-内侧、前-后和垂直方向

表1：异常步态模式的公式

讨论

在本报告中，提出了一种简化的三维步态分析（3DGA）方法。该系统旨在用于日常临床实践，包含简化的测量方法以及便于临床医生理解的结果呈现方式。

既往已有若干研究报告使用了三维步态分析（3DGA），并且人类步态的基本知识此前已得到确立21。3DGA 有可能为康复临床工作提供支持，例如通过加深对步态障碍病理机制的理解，用于治疗方案的制定，或用于干预效果的监测。然而，3DGA 在康复临床中的应用仍相对有限。在临床环境中应用 3DGA 存在多种可能的障碍。所需时间可能是主要障碍之一，因为基于研究的 3DGA 通常需要较长的准备时间（即，用于系统校准和标记点的安放）。另一个问题是结果解读具有挑战性。步态障碍通常包含多种运动异常，而理解分析所产生的各类图表需要经验积累。从临床可行性的角度来看，采用简化方法并具备直观数据呈现方式的分析系统将大有帮助。

现有分析方法需要大量准备时间，这与追求高测量精度有关。然而，步态障碍患者的运动速度有限，在日常康复实践中可能并不需要如此高的精度。本方法简化了实验方案，可在较短时间内完成，足以满足日常康复实践的可行性要求，同时仍符合评估运动障碍患者所需的基本要求13,15,16,17。

在当前方法中，结果呈现方式满足临床需求。在康复诊所中，治疗师通常首先评估整体步态模式。LOP 旨在通过代表性图示，帮助临床医生直观地评估整体步态模式。即，其中标记物轨迹根据实际位置关系进行放置。本文所采用的异常步态指数的开发亦基于临床经验。这些指数旨在量化卒中患者中常见的临床异常步态模式的程度，且所有指数的同时效度均已通过物理治疗师的临床观察得到验证。13,15,16.

除了作为一种反映临床经验的客观评估方法外，所提出的方法还有望促进新型康复策略的开发。对足趾 Clearance 策略的分析超越了传统的临床评估，有望为制定针对性的康复治疗方案提供支持。在该方法及分析中，临床医生面临两个康复目标：足趾 Clearance 的程度，以及为实现该 Clearance 所需代偿的程度。提高足趾 Clearance 本身对于安全行走至关重要；然而，减少代偿也可能改善行走效率22。在当前的方法中，临床医生可同时获得这两方面的信息，作为评估安全行走和行走效率的指标，这有助于为康复患者制定针对性的康复策略，从而提升其行走的安全性与效率。

鉴于上述优点，该测量与分析方法可通过提供一种客观评估康复患者步态模式的方法，促进三维步态分析（3DGA）在康复临床中的应用。此外，与临床中常用的普通量表相比，该方法能够更准确地评估干预效果，从而有助于进一步提高康复领域的干预质量。

本研究并非没有局限性。考虑到标记点数量减少以及采样率相对较低，该系统的测量准确性可能相较于现有系统存在一定限制。在分析运动员等快速运动时，这一点可能是关键的考量因素。特别是当评估关节角度或关节运动时，本方法所采用的简化标记点设置可能不足以准确估算关节位置。因此，对于强调关节运动分析的应用，例如脑瘫手术规划的分析，该简化系统也可能存在局限性。尽管该系统已通过临床评估得到验证，但与金标准方法相比，该方法的心理测量学特性尚未明确界定。这些技术上的局限性有待在未来的研究中进一步确认。

然而，在步态障碍患者中，运动速度受限，且与健康受试者相比，其表现差异明显。因此，在日常实践中，我们可能并不需要现有方法所提供的精度水平。此外，该方法的结果是以20秒测量时段内的平均步态模式呈现，测量时长超过大多数传统的地面步态测量方法。这一特点有助于提高测量的准确性和可靠性。

总之，本研究介绍了一种简化且直观的三维步态分析（3DGA）方法。为了促进3DGA在提高康复临床质量方面的应用，应开发一种临床可行的测量方法。本文介绍的便于临床医生使用的方法，可能有助于进一步开发临床可行的测量模型，并推动3DGA在日常康复诊所中的实施。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究由藤田保健卫生大学资助［资助编号 2015100341］。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
KinemaTracerKisseiComtec Co., Ltd.KinemaTracer-6Cam一种基于视频的简易三维运动分析系统，由相机、工作站和软件组成。

参考文献

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