通过视频光栅立体成像与跑步机步态分析评估腰椎融合术后患者的姿势与步态特征

摘要

本文介绍了一种利用高分辨率视频光栅立体成像技术及配备集成传感器垫的跑步机，对腰椎融合术后患者的姿势与步态进行分析的实验方案。该方法可实现对术后功能的客观评估，减少主观性，从而提高手术指征判断的准确性与可靠性。

摘要

本方案提供了对腰椎融合术后患者进行高分辨率视频光栅立体成像及跑步机步态分析的操作指导，以获取与步态和姿势相关变量改变的结果。这些观察到的变化可进一步与患者自述的疼痛缓解效果进行相关性分析。光栅立体成像设备将平行光线条投射至受试者背部表面，设备可识别这些线条的形变。基于这些数据，专用软件通过三角测量原理生成三维轮廓图像。该设备测量精度极高，误差仅为0.2 mm，能够精确检测姿势的微小变化。步态和站立参数通过配备电子传感垫的跑步机进行记录，传感垫的检测区域位于跑带下方，包含10,200个微型压力传感器。跑步机初始行走速度设为0.5 km/h，随后以0.1 km/h为增量逐步提高速度，直至每位受试者达到其个体可耐受的最大舒适行走速度。在此速度下，参数数据在20秒的测量时间段内被记录。受试者需赤足行走，且不得扶握扶手。测量参数包括步宽、步长、站立相时长和足部旋转角度等。据报道，这两种方法均具有较高的观察者内和观察者间重复性。这些高精度技术的优势在于能够客观、详尽地反映患者姿势与步态的变化。然而，由于产生的数据量较大，这些技术并不十分适用于日常临床常规使用，而更适用于对腰椎融合术后等患者群体的姿势与步态长期变化进行科学研究与评估。

引言

本方案提供了对腰椎融合术后患者进行客观的功能性姿势与步态分析的指导，以区别于检查者主观评估或患者自述问卷的评价方法。该检测系统包括用于姿势分析的高分辨率视频光栅立体成像仪，以及配备压力传感器的跑步机系统用于步态分析。通过这些技术获得的腰椎融合术后患者数据，将与患者主观报告的疼痛缓解情况进行比较。

尽管近年来脊柱外科技术和治疗效果已显著改善，但手术例数的增加^1,2也导致对手术结果不满意的患者绝对数量上升。因此，对外科医生而言，识别出最有可能从手术中获益的患者至关重要。这一能力的培养与持续的术后结果评估以及对手术初始指征的反复审视密切相关。

迄今为止，术后效果主要依据患者通过问卷报告的主观疼痛程度和功能水平来判断^3,4,5。然而，这些问卷结果始终受到主观因素影响，不仅受客观生理异常的影响，还受到患者态度与信念、心理困扰以及疾病行为的影响。有趣的是，X线、计算机断层扫描或磁共振成像的影像学发现也存在较高的观察者间和观察者内变异^6,7,8,9,10。此外，影像学检查仅能提供对手术的静态技术评估。目前尚缺乏有效手段对脊柱手术后的功能结果进行客观评价。

患者的姿势和步态通常被认为与其感知的疼痛程度以及整体生活质量相关^11,12。因此，功能可被视为术后效果中最重要的因素之一。患者整体功能满意度似乎与脊柱力线、后凸、前凸及椎体旋转有关^13,14,15。由于腰椎融合手术旨在恢复脊柱的解剖曲度，从而平衡肌肉张力，因此预期会伴随姿势的适应性改变¹⁶。腰椎前凸的恢复有助于缓解疼痛，进而使患者能够无痛行走。

背部表面分析技术可追溯到高崎（Takasaki）和米多斯（Meadows）等人以及德勒鲁普（Drerup）等人在20世纪70年代末至80年代的研究^{17,18,19,20,21}。基于三角测量原理，该技术的测量误差仅为0.2 mm ²²。该技术已被广泛使用并验证，可用于脊柱侧弯患者的无辐射诊断及随访^23,24。在脊柱侧弯患者评估中，该检测系统的有效性良好，且具有优异的组内和组间评定者可靠性²⁵。对患者进行更功能性评估的方法是步态分析。记录用于描述患者步态特征参数的常用技术之一是跑步机实验装置，借此可高精度测量步宽、步长、站立相、足部旋转角度以及每只脚的压力分布^{26,27,28,29,30,31}。对于下背痛患者而言，其在行走过程中似乎会采用某些策略以减少对腰椎的冲击，而跑步机实验装置的优势在于能够在精确追踪每一步的情况下测量患者的行走状态³²。

假设腰椎融合手术会改变步态或姿势的病理模式，且这些改变与患者报告结局指标中可检测到的症状缓解（即疼痛程度）相关。预期的变化可通过视频光栅立体成像和跑步机步态分析进行测量。因此，关于姿势和步态的附加信息可与整体功能状态及患者满意度进行比较^14,15,33。

方案

在研究开始之前，已获得蒂宾根大学骨科手术系和蒂宾根大学医院伦理委员会的完全批准。所有受试者在参与研究前均签署了书面知情同意书。

1. 患者招募与准备

1. 招募一名年龄超过18岁、患有腰痛和退行性椎间盘疾病的受试者。
   1. 收集所有相关数据，包括与腰痛相关的病史、磁共振成像结果、当前使用的止痛药物以及物理治疗史。
   2. 进行骨科体格检查，以确定腰痛的来源，检查是否存在压痛点，测试侧屈、躯干倾斜与后伸，并执行直腿抬高试验。为进行鉴别诊断，还需检查髋关节，例如屈曲、伸展和旋转功能。
      注意：原始研究共纳入30名受试者和28名对照受试者。
2. 通过检查下肢各关键肌肉的体格检查，排除受试者存在需要立即手术的神经系统功能缺损。
   注意：下肢感觉运动系统功能低于3/5级（Janda分类法）者不应纳入本研究。
3. 确保受试者具有正常的行走能力，且无脊柱急性肿瘤性或感染性病变。
   注意：脊柱的肿瘤性或感染性病变将在磁共振成像中可见。
4. 为受试者安排脊柱手术。
5. 要求所有受试者签署参与研究的知情同意书。
6. 与受试者协商并确定后续实验设置的测量时间（见1.7、1.8、1.9、1.10）。
7. 在手术前一天进行第一次测量。
8. 在术后约七天、恢复病房内行走能力后进行第二次测量。
9. 安排并在术后三个月进行第三次测量。
10. 安排并在术后一年进行第四次测量。
    注意：每次检查时，均要求受试者完成Oswestry功能障碍指数（ODI）³⁴问卷，并在数字疼痛评分量表（NRS）³⁵上标示其通常的疼痛数值。
11. 每次随访时，按照本方案第2节的后续说明，对受试者进行步态与姿势分析。

2. 实验设计

1. 问卷调查
   1. 要求受试者完成Oswestry功能障碍指数（ODI）问卷，并在数字疼痛评分量表（NRS）上标出其通常的数值。
2. 光栅立体测量分析
   1. 实施测量设置。
      1. 使用一种基于光学立体测量原理的设备，能够识别特定的解剖标志点：第七颈椎棘突（vertebra prominens）、两侧腰窝以及肛裂上端的骶骨点（sacrum point of the rima ani）。
      2. 使用一种基于莫尔（Moiré）原理估算脊柱形态的装置，该装置包含一个将平行光线条网格投射到患者背部的投影仪，以及一个光学扫描相机。
         ​注意： 软件基于三角测量原理分析投射的线条，并生成患者体表的三维模型（包含7,500个点）。
      3. 构建测量系统，包含两个主要模块：发射平行线投影并用相机（15 Hz）捕捉反射图像的光源投影单元，以及安装有制造商分析软件的个人计算机。
      4. 此外，悬挂一块2.5 m × 2 m的纯黑色布料或类似材料，完全覆盖拍摄图像的背景，以提高对比度。
   2. 开始测量前，要求受试者从头部至腰部脱去衣物，以充分暴露四个必要的解剖标志点：颈部的第七颈椎棘突、两侧腰窝，以及作为肛裂颅端起点的骶骨点。
   3. 确保尤其是尾侧的解剖标志点也能清晰可见，这可能需要受试者解开裤子并稍微下拉。
   4. 让受试者赤脚自然站立，处于放松的标准解剖姿势，双脚分开与肩同宽。
   5. 让受试者正面朝向带有黑色背景的墙面，背部对准相机设备。
      1. 使用卷尺测量受试者背部表面与相机设备之间的距离，确保在所有测量过程中该距离保持为200 cm。
   6. 当受试者以放松的标准解剖姿势赤脚自然站立、双脚分开与肩同宽时，点击软件界面上的自动标志点识别按钮开始测量。
      1. 若出现扫描错误，应根据软件附带的制造商说明手动调整标志点位置，使其与实际解剖位置一致（参见步骤2.2.2）。
   7. 将系统设置为30秒的测量时间。由于相机设备的采集速率为15 Hz，将大约采集450幅图像。
   8. 在软件面板上点击生成，等待结果输出。软件将计算进一步分析所需的平均终末值。
   9. 让受试者休息120秒，随后踏上跑步机设备。

3. 跑台步态分析及（可选）足底压力测量

1. 使用带有集成系统的仪器化跑步机，该系统在跑带下方配备电容式压力传感器，用于记录步宽、步长、支撑相和足部旋转等步态参数。
   1. 确保使用包含10,200个微型电容式压力传感器的测量系统，每个传感器尺寸为0.85 cm × 0.85 cm，分布于150 cm × 50 cm的垫面上，以120 Hz的频率记录施加的力，垫面的空间分辨率为1.4个传感器/cm²。
2. 首先，使用制造商提供的测量软件将跑步机和摄像机连接至商用个人计算机。
3. 要求受试者赤脚站立在跑步机上，裤腿卷至膝盖以上。
4. 将安全插件连接至受试者的衬衫上。
   注意：当受试者绊倒或被跑带向后推得太远时，安全带可通过自动关闭跑步机来确保测量安全。此外，还可通过紧急停止按钮或拉绳关闭跑步机。
5. 使用安装在跑步机两侧的两个侧向扶手杆，以防止受试者在绊倒时从跑步机上跌落。
6. 在整个测量过程中将跑步机坡度设置为0%。
   注意：如有需要，本研究中使用的跑步机坡度可在-2%至+15%范围内以0.5%为增量进行调节，以模拟上坡行走。
7. 为记录每只脚的总负荷分布，请受试者在跑步机传感器上自由站立三次，每次持续10秒，然后计算这三次测量的平均值。
8. 下一步，启动跑步机后，请受试者以正常步态行走，并尽可能不要抓握扶手。
   注意：建议在行走过程中不抓握扶手，以获得更可靠的测量结果并提高重复性。
9. 此外，指导受试者在跑步机表面预先精确粘贴的两条胶带标记之间行走，以界定集成传感器垫的范围。
10. 启动跑步机后，从0.5 km/h开始，以0.1 km/h的小幅增量逐步提高速度，直至达到受试者个体可耐受的最大舒适行走速度。在提速过程中应询问受试者行走的舒适程度。
    注意：当受试者达到其仍感觉行走舒适的最高速度时，即为最大可耐受行走速度。跑带速度可按0.1 km/h的增量上调，最高可达22 km/h，因此也可用于跑步测量。跑步机的最低速度为0.5 km/h。
11. 对每位受试者进行两次持续20秒的测量，两次测量之间让受试者休息60秒。
    注意：每次测量的速度由步骤3.10中确定的个体行走速度决定。
12. 同时使用摄像机从后方拍摄受试者的步态，以便将实际步态特征与所测参数进行视觉比对。
13. 测量结束后，通过软件界面将结果显示并打印为报告。
    注意：为进一步量化步态过程中的足底压力分布，需开发一种软件工具，将足部分为不同区域。在每个步态周期中，从足跟着地到足趾离地阶段，各感兴趣区域的压力以N/cm²为单位进行记录。共定义八个不同区域：后足、中足、第一跖骨头、第二/第三跖骨头、第四/第五跖骨头、拇趾、第二/第三趾以及第四/第五趾。

4. 实验设计 - 统计分析

1. 使用商用统计软件（材料表）分析步骤 2.2.8 和 3.13 中获得的数据。通过点击“导入”将数据导入软件中。
   1. 根据样本量，使用直方图、Shapiro-Wilk 检验或 Kolmogorov-Smirnoff 检验评估步骤 2.2.8 和 3.13 中获得数据的正态性，并使用 Levene 检验评估方差齐性。
   2. 根据数据是否符合正态分布，以均值（标准差）或中位数（最小值-最大值）形式呈现数据。
   3. 以相对频率或绝对频率形式呈现分类变量。
   4. 对于跑步机参数，将每位患者的双侧数据整理为较大值和较小值，并将其绝对差值作为步态对称性的参数。
   5. 根据数据正态性，对人口统计学特征采用 Kruskal-Wallis 检验、卡方检验、Friedman 检验、Wilcoxon 检验或 Tukey 检验。
   6. 使用 Kendall's tau 计算不同时间点之间测量值变化与患者报告结局指标变化之间的相关性。
   7. 将 NRS 值计算为初始值的百分比。
      1. 当按等级对数字疼痛评分量表（NRS）的改善情况进行分组时，将 >75% 视为极佳改善，30–74% 视为中等改善，<30% 视为无改善。
         注意：由于无法区分实际疼痛改善 <30% 但同时伴有功能改善的患者，与仅因安慰剂效应（改善可达 30%）而表现出改善但预期无功能变化的患者，出于研究目的，我们将该组归类为 "无改善"^35,36。
   8. 根据问卷说明解读 Oswestry 功能障碍指数（ODI）。
      1. ODI 解读方法：每个部分的最高可能得分为 5 分。患者完成全部十个部分后，按以下方式计算总分：将所选总分除以最高可能总分（50），再乘以 100，得到百分比形式的最终得分。对于患者遗漏或不适用的每个部分，除数的总分应相应减少 5 分。最终得分的解读标准如下：0–20%：轻微功能障碍；21–40%：中度功能障碍；41–60%：重度功能障碍；61–80%：已致残；81–100%：症状夸大或卧床不起。

结果

本方案所示的代表性结果来自先前已在其他地方发表的出版物²⁶.

光栅立体分析
对接受腰椎融合手术并患有慢性腰背部疼痛的患者（n = 59）进行围手术期光栅立体分析，结果显示，术后3个月随访时的躯干长度与术前测量值相比无显著变化（459 (33) - 448 (40) mm；p = 0.313；Tukey检验）（图1A）。然而，与术前数值相比，术后首次测量时胸椎后凸角（椎骨隆突（VP）- 第12胸椎（Th12））显著减小（从52°降至43°；p = 0.014；Tukey检验），腰椎前凸角（Th12 - 中央凹陷点（DM））也显著减小（从28°降至11°；p < 0.001；Tukey检验）（图1B）。在任何时间点均未检测到躯干倾斜或侧倾角度的显著差异（图1C, D）。

步态与站立相分析
同一患者队列（n = 59）的跑步机步态测量结果显示，从术前到术后3个月，步频显著降低（术前至术后7天：98 (57–132) – 94 (43–119) 步/分钟，p = 0.004；术后3个月：91 (54–117) 步/分钟，p = 0.006，Wilcoxon检验）（图2A）。在术后三个月内，大多数时空参数均检测到显著变化（摆动相 p = 0.01；站立相 p < 0.001；足部旋转角 p = 0.001）。然而，摆动相对称性（主要与次要差异值（DiffMJMn）2 (0–8) – 1 (0–6)%）、站立相对称性（DiffMJMn 2 (0–8) – 1 (0–6)%）或足部旋转角对称性（DiffMJMn 3 (0–10) – 3 (0–15)°）均未见显著改善（图2B,C,D）。

图1：栅格立体成像结果。 箱形图显示了以下测量值的变化情况：（A）术后3个月随访时的躯干长度与术前测量值的比较（459 (33) - 448 (40) mm；p = 0.313；Tukey检验），（B）首次术后测量时的腰椎前凸角与术前数值的比较（胸椎第12节至臀沟中点，从28°变为11°；p < 0.001；Tukey检验），以及（C-D）一年期间躯干倾斜角和侧向倾斜的变化（无显著差异）。本图改编自参考文献²⁶。请点击此处查看该图的放大版本。

图2：步态与支撑相结果。（A）箱线图显示，从术前到术后3个月随访期间，步频呈下降趋势（术前至术后7天：98（57–132）降至94（43–119）步/分钟，p = 0.004；术后3个月：91（54–117）步/分钟，p = 0.006，Wilcoxon检验）；以及术后不同时间点（术前、术后7天和术后3个月）在跑步机上测得的（B）摆动相、（C）支撑相和（D）足部旋转角度结果，按术后主观疼痛缓解程度分组（以百分比表示：<30%、30–74%、>75%）。从术前至术后3个月，大多数时空参数均出现显著变化（摆动相 p = 0.01；支撑相 p < 0.001；足部旋转角度 p = 0.001）。然而，在步态对称性方面未观察到显著改善（摆动相（主要与次要值之差，DiffMJMn）由2（0–8）%降至1（0–6）%；支撑相（DiffMJMn）由2（0–8）%降至1（0–6）%；足部旋转角度（DiffMJMn）为3（0–10）°至3（0–15）°）。本图改编自参考文献²⁶。请点击此处查看该图的高清版本。

讨论

围手术期外科手术结局监测是一个受主观因素影响的领域。首先，它受到外科医生经验的影响；其次，受到患者主观感知的影响，例如通过问卷调查记录的心理痛苦和疾病行为。我们提出的方法提供了一种客观评估功能结局关键参数的途径。本文所介绍的方法学设计能够高精度地测量腰椎手术后姿势与步态的变化^{18,37,38,39,40}，同时该方法也可应用于肌肉骨骼系统其他外科手术干预的评估。

研究人员必须意识到一些与方法相关的潜在问题。背部轮廓的栅格立体摄影分析高度依赖于解剖标志点的精确定位。若标志点选择不准确，则测量和数据计算结果也将出现错误。此外，受试者的背部必须完全裸露。即使是文胸的钢圈或较长的头发也可能干扰扫描过程。由于步态测量容易受到髋、膝或踝关节疼痛所致跛行的影响，因此在纳入研究之前以及每次随访检查前，均需对受试者进行充分评估，以确保结果的有效性及其与脊柱变化的相关性。由于这两种方法均具有较高的观察者内和观察者间可靠性^21,24,41,42，因此可轻松应用于日常常规工作中。然而，联合使用这两种测量技术可能会导致数据量庞大，难以在合理的时间内进行整理和结果解读。

总体而言，背部表面测量技术的一个局限性在于，迄今为止，文献中的数据主要来源于X射线获得的放射学参数，用于解释术后结果²⁴。由于模态特异性限制，用于描述姿势的参数定义在光栅立体摄影和X射线之间存在差异（例如胸椎角：光栅立体摄影为胸椎1至12，X射线为胸椎4至12），因此目前尚无法根据光栅立体摄影分析获得的绝对值得出明确结论。真正值得关注的是围手术期过程中的变化情况。因此，目前该工具最适合用于纵向分析。

其他可量化的数据，例如CT（计算机断层扫描成像）或MRI（磁共振成像），可帮助从技术上评估术后效果，但仅能展示静态的解剖学细节。与本方案中所述的无创且无辐射的测量技术相比，这些成像技术无法考虑功能因素^8,9,10。

有趣的是，在本研究中，步态和姿势的变化并不总是与患者的疼痛程度相关。因此，术后功能维度似乎并不严格依赖于疼痛体验。所观察到的功能结果因此不应被视为矛盾，而应视为对患者相关结局指标的补充。这些测量指标从而为术后结局的评估提供了额外的维度。

步态与姿势的评估目前仍是一个高度活跃的研究领域。我们相信，提供此类功能参数在围手术期变化的数据，将有助于加深对这些状况的理解。从长远来看，这也可能有助于进一步改善我们的手术效果。

因此，有必要在更广泛的范围内应用本方案和视频中详细描述的技术，以获取更多关于肌肉骨骼手术围手术期姿势与步态功能参数的数据。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Ergo-Run 医疗系统	Daum Electronic GmbH，德国	NaN	NaN
formetric 4D	Diers International GmbH，德国	NaN	NaN
IBM SPSS 22 版	IBM 公司	NaN	NaN
Matlab	MathWorks，美国马萨诸塞州纳蒂克	NaN	NaN
数字疼痛评分量表（NRS）	NaN	NaN	NaN
Oswestry 功能障碍指数（ODI）问卷	NaN	NaN	NaN
摄像机	佳能 MD 216，日本	NaN	NaN
WinFDM-T 软件	版本 2.0.39，zebris medical	NaN	NaN
Zebris 医疗系统	Zebris，德国伊斯尼	NaN	NaN