视频栅格立体成像和跑步机步态分析对腰椎融合手术后患者体型和步态剖面的评价

Summary

在这里, 我们提出了一个协议, 以分析患者的姿势和步态后腰椎融合手术的方法, 通过高分辨率视频光栅立体成像和跑步机配备了一个集成的传感器垫。允许在较少主观水平的关键功能术后评估可以提高手术指征的准确性和可靠性。

Abstract

该方案为腰椎融合术后患者进行高分辨率视频栅格立体和跑步机步态分析提供了指导, 以获得步态和体态变化变量的结果。然后, 这些观察到的变化可以与患者报告的止痛结果测量结果相联系。栅格立体装置将平行光线投射到被测试对象背部的表面。这些线路的变形由设备识别。根据这些数据, 一个特殊的软件然后根据三角测量的原理生成三维轮廓。由于精度只有 0.2 mm, 它可以以非常高的精度测量姿势的变化。步态和姿态参数使用安装了电动传感器垫的跑步机进行记录, 该传感器垫在皮带下的注册区包含 10, 200个微型力传感器。跑步机上的初始行走速度为 0.5 km h, 然后以 0.1 km h 的增量逐渐增加, 直到每个主体达到他或她的个人最大可忍受的行走速度。在此速度下, 参数将在20秒的测量间隔内记录。受试者赤脚测试, 不拿着扶手。在其他各种参数中, 测量了步幅宽度、步长、姿态相位和足部旋转。据报告, 这两种方法都具有较高的观察者内部和观察员间可靠性。这些高度精确的技术的优点是, 它们为患者的姿势和步态的变化提供了客观和非常详细的视角。由于生成的数据量, 这些技术是, 然而, 不是那么适合日常使用, 而是有趣的科学评估长期改变的姿势和步态的病人喜欢, 例如腰椎融合手术后。

Introduction

该方案提供了指导, 说明如何客观地执行功能姿势和步态分析的病人腰椎脊柱融合手术后, 而主观评价的审查员或病人报告的调查问卷。该设置包括用于姿态分析的高分辨率视频栅格立体成像, 以及用于步态分析的配备了压力传感器的跑步机设置。将腰椎融合术后患者获得的结果与主观报告的止痛效果进行比较。

即使脊柱手术技术和结果在过去几年里有了很大的改善,¹ , 2^的手术增加也导致对个别术后不满的绝对数量增加结果。因此, 对于外科医生来说, 确定那些最有可能从手术中受益的患者至关重要。这种技能的发展与持续的术后结果评估和手术初始适应症的重新评价密切相关。

到目前为止,^术后的结果主要是根据主观^患者报告^的疼痛和功能水平, 问卷 3, 4, 5。然而, 这些问卷总是主观上受到影响, 不仅受到客观身体异常的影响, 还受到患者态度和信仰、心理困扰和疾病行为的影响。有趣的是, 即使是 x 射线、计算机断层扫描或磁共振成像中的发现, 也容易出现高观察者间和观察者内部的变异性^{6、7、8、9、10}.然而, 另外的放射学成像只提供手术的静态技术评估。在客观评价脊柱手术后的功能结果方面明显缺乏方法。

患者的姿势和步态一般应该与感知到的疼痛程度有关, 也与整体生活质量^{1 1、1 2.}因此, 功能可以被认为是术后结果的最重要的因素之一。患者的整体功能满意度似乎与脊柱对齐、脊柱侧弯、前凸和椎体旋转^13、14、¹⁵有关。由于腰椎融合手术试图恢复脊柱的解剖曲率, 从而平衡肌肉, 姿势的适应预期为¹⁶。恢复腰椎前凸是补充疼痛缓解, 从而导致无痛行走的能力。

后表面分析技术可以追溯到高崎和梅多斯等人的工作, 以及来自1970年代末和 80年代^的drerup 等人的工作,^{17、18、19、20、21.}基于三角测量原理, 该技术的测量精度仅为 0.2 mm ²²。该技术被广泛使用, 并在^脊柱侧弯 23^{、24 例}患者的无辐射诊断和随访中进行了测试。在脊柱侧弯患者的评价中, 设置显示出良好的有效性和良好的内、经内可靠性²⁵。对病人更有功能的看法提供了步态分析。一种用于记录用于描述患者步态的不同参数的常用技术是跑步机实验设置。因此, 步幅宽度、步长、姿态相位和脚旋转以及每只脚的压力分布可以用非常高的^{精度测量 26、27、28、29、30,31}. 虽然腰痛患者似乎在行走时使用了减少对腰椎影响的策略, 但跑步机设置的优势是测量病人的行走情况, 同时跟踪每一步 32.

假设是腰椎融合手术改变步态或姿势的病理模式, 这些变化与患者报告的结果测量 (即疼痛程度) 中的可检测缓解有关。预期的变化可以用视频栅格立体和跑步机步态分析来衡量。因此, 关于姿势和步态的补充信息可以与整体功能状态和满意度进行比较^,14^、15、33。

Protocol

在研究开始前, 图宾根大学整形外科系和图宾根大学医院道德委员会获得了全面批准。所有主体在参加之前都得到了书面知情同意。

1. 患者招聘和准备

1. 招募一个年龄在18岁以上的学科, 患有腰背痛和退行性椎间盘疾病。
   1. 收集所有相关数据, 如背痛相关的患者病史, 磁共振成像, 目前疼痛药物和物理治疗史的结果。
   2. 进行骨科身体检查, 以确定腰背痛的来源, 寻找招标压力点, 测试侧弯和躯干倾斜和延伸, 并执行直腿抬起。对于鉴别诊断还测试髋关节, 例如屈曲、伸展和旋转。
      注:最初的研究使用了30个科目和28个参考科目。
2. 排除了这个主体有下肢的神经缺陷, 需要通过对每个关键肌肉进行身体检查来立即进行手术。
   请注意:本研究不应包括低档低 (詹达分类) 感觉运动系统的缺陷。
3. 确保研究对象具有正常的行走能力, 不会显示任何急性肿瘤或脊椎传染性病理。
   请注意:脊柱的肿瘤或传染性病理将在磁共振成像中可见。
4. 安排脊柱手术的主题。
5. 要求所有研究对象签署参加研究的知情同意书。
6. 安排与主题相关的以下实验设置 (见1.7、1.8、1.9、1.10) 的测量日期。
7. 在手术前一天进行第一次测量。
8. 手术后约7天进行第二次测量, 恢复在华水平行走。
9. 安排并执行手术后三个月的第三次测量。
10. 计划并执行操作后一年的第四个测量。
    请注意:在每次检查中, 要求受试完成 Oswestry 残疾指数 (ODI) ^34份问卷, 并在数字疼痛评分表 (nrs) ³⁵上注明其通常值。
11. 按照议定书第2节的后续指示, 在每次访问时对当事人进行步态和姿势分析。

2. 实验设计

1. 问卷
   1. 要求受试者填写 Oswestry 残疾指数 (ODI) 问卷, 并在数字疼痛评分表 (NRS) 上注明他或她通常的价值。
2. 栅格立体分析
   1. 实施测量设置。
      1. 使用基于光学立体测量原理的装置, 可以检测特定解剖地标的椎骨、两个腰椎凹槽和里玛的尖峰。
      2. 使用根据 Moiré原理估计脊柱配置的设备, 使用投影仪将光线线的网格投射到患者的背上, 并包含光光扫描摄像机。
         请注意:基于三角测量原理, 软件对投影线进行分析, 并生成患者表面的三维模型 (7500点)。
      3. 使用两个主要模块构建测量系统: 光投影仪单元, 该单元可发射平行线的投影, 并使用相机 (15 Hz) 和安装了制造商分析软件的个人电脑捕捉反射。
      4. 此外, 挂上2.5 米 x 2 米的纯黑布或类似的, 完全覆盖的图像背景采取的对比度。
   2. 开始测量过程, 要求受测者从头部下到腰部脱衣服, 露出所有四个需要的解剖地标: 颈部与椎骨突出, 两个腰椎酒窝, 和囊点作为颅端的里玛阿尼。
   3. 确保特别是尾端地标也是可见的。这可能需要主体打开裤子, 降低一点。
   4. 让主体自由地赤脚站立在一个宽松的标准解剖位置与脚的肩膀范围分开。
   5. 将主体的正面朝墙与黑色背景, 而他或她的背部是针对相机设备。
      1. 使用测量带测量对象从后表面到相机设备的距离, 因为在所有测量过程中, 测量距离需要在200厘米。
   6. 通过单击屏幕上软件的自动地标检测按钮开始测量, 而主体则可以自由地赤脚站立, 赤脚站立在一个宽松的标准解剖位置, 脚在整个肩部分开。
      1. 在扫描错误的情况下, 手动重新调整地标位置, 根据制造商提供的软件的说明, 使他们符合他们的实际解剖位置 (请参阅步骤 2.2.2)。
   7. 将系统设置为30秒的测量时间, 由于相机设备的15赫兹速率, 将捕获大约450张图像。
   8. 单击软件面板上的"生成" , 然后等待结果。该软件将计算进一步分析所需的平均终端值。
   9. 让主题停留 120秒, 然后踩在跑步机上。

3. 跑步机步态分析和 (可选) 植物压力测量

1. 使用带有带下电容压力传感器的集成系统的仪表跑步机来记录步态参数, 如步幅宽度、步长、姿态相位和脚旋转。
   1. 确保使用一个测量系统, 该测量系统在150厘米 x50 厘米的垫子上包含 10, 200 微型0.85 厘米 x0.85 厘米电容压力传感器, 以 120 Hz 的速度记录所施加的力, 其空间分辨率为1.4 感受索尔/^厘米.
2. 首先, 使用制造商的测量软件将跑步机和摄像机连接到商用个人电脑。
3. 让主体赤脚站在跑步机上, 裤子卷到膝盖上。
4. 在主体的衬衫上贴上安全插头。
   请注意:如果被试跌跌撞撞或被皮带推回太远, 安全带可确保跑步机的自动关闭, 从而确保测量安全。此外, 跑步机可以通过紧急停止按钮或电源线关闭。
5. 使用连接在跑步机两侧的两个侧轨杆, 以防止患者在出现绊脚石时从跑步机上掉落。
6. 在整个测量过程中, 将跑步机的坡度设置为0%。
   请注意:如有必要, 本研究中使用的跑步机坡度可调整为-2% 至 + 15%, 增量为 0.5%, 以模拟上山行走。
7. 要在每只脚上登记总负荷分布, 请对象三次在跑步机传感器上自由站立 1 0次。然后计算这三个测量值的平均值。
8. 在下一步, 当跑步机打开时, 要求主体以正常的步态行走, 并尽可能不要抓住扶手。
   请注意:建议在跑步机上行走而不按住扶手, 以获得更可靠的结果, 实现更高的可靠性。
9. 此外, 建议拍摄对象在您事先准确地连接在跑步机表面的两个胶带标记之间行走, 以定义集成传感器垫的限制。
10. 启动跑步机后, 以 0.1 kmh 的小增量提高速度, 从 0.5 kmh 开始, 直到达到主体的个人最大井可承受步行速度。在增加过程中询问主题, 他 (她) 走路感觉如何舒服。
    请注意:当主体达到他或她觉得走路还舒服的最高步行速度时, 就达到了最大的井容许行走速度。皮带速度可以以 0.1 kmh 的增量提高到 22 kmh 的最大速度, 从而甚至允许运行测量。跑步机的最低速度为 0.5 km h。
11. 对于每一个科目测量两个持续20秒的试验。让主体在两次审判之间停留60秒。
    请注意:试验速度是由步骤3.10 中确定的个人行走速度指定的。
12. 同时用后面的摄像机拍摄被试的步态, 让实际步态轮廓和评估参数之间有视觉上的相关性。
13. 在测量结束时通过软件界面打印显示为报告的结果。
    请注意:为了进一步量化步态过程中的足部压力分布, 有必要开发一种软件工具, 将脚分为不同的区域。为兴趣的每个区域压力登记从脚跟罢工到托举哥在每个步态周期期间在 N/cm²。定义了八个不同的区域: 后脚、中足、第一掌骨头、第二掌头、第四掌骨头、hallux、第二脚趾和第四脚趾。

4. 实验设计-统计分析

1. 使用商业上可获得的统计软件 (材料表) 分析步骤2.2.8 和3.13 中获得的数据。通过单击 "导入" 将数据导入到软件。
   1. 通过使用直方图、Shapiro-Wilk 或 Koromoorov-smirnoff 测试 (取决于样本量) 评估步骤2.2.8 和3.13 中获得的数据的正常度, 以及使用 Levene 测试评估方差的相等性。
   2. 根据平均值 (标准偏差) 或中值 (最小最大值) 显示数据, 具体取决于正常度。
   3. 将分类变量显示为相对频率或绝对频率。
   4. 对于跑步机变量, 将每个患者的双边数据组织为主要和次要值, 并将其绝对差异计算为步态对称性的参数。
   5. 对于人口特征, 根据正常情况, 使用 Kruskal-Wallis 测试、卡方测试、弗里德曼测试、Wilcoxon 测试和 Tukey 测试。
   6. 使用 Kendall 的 tau 计算测量变化与患者报告的结果测量之间的变化之间的相关性。
   7. 将 NRS 值计算为初始值的百分比。
      1. 在对数字疼痛量表 (NRS) 进行大规模分组改进时, 将 gt;75% 为优秀, 30-74 为中等, & lt;30% 为无改善。
         请注意:由于不可能区分那些实际疼痛改善的患者 & lt;30, 同时也有功能改善, 而那些仅仅因为安慰剂效应 (可以达到30% 的改善), 而我们并不期望功能变化, 我们将这个群体归类为 "无改善"^35,36。
   8. 根据问卷的指示解释 Oswestry 残疾指数 (ODI)。
      1. ODI 的解释: 对于每个部分, 可能的总分为5分。在患者完成所有这十个部分后, 按如下方式计算分数。将所选总分除以可能的总分 (50) 乘以 100, 以百分比获得最终分数。对于错过或不适用的每一节, 要划分的总分都要降低5分。最后分数的解释: 0-20: 最小残疾, 21-40: 中度残疾, 41-60: 严重残疾, 61-80: 残疾, 81-100: 夸大病人或卧床

Results

本议定书中显示的代表性结果来自于在其他地方发表的以前的出版物²⁶。

栅格立体分析
围手术期对慢性腰背痛患者和接受腰椎融合手术治疗的患者进行围手术期的立体分析结果 (n = 59) 显示, 与之相比, 3个月的随访中躯干长度无明显变化。术前测量 (459 (33)-459 (40) 毫米; p = 0.313;图基测试) (图 1a)。然而, 我们注意到一个显著降低的脊柱病角 (椎体日内 (VP)-胸椎椎体 12 (Th12), 从52°到 43°; p = 0.014;Tukey 试验) 和氯角 (Th12-dvip 介质 (DM), 从28°到 11°; p < 0.001;Tukey 测试) 在术后第一次测量时与术前值相比 (图 1b)。在任何时候都没有检测到树干倾斜度或侧向倾斜测量的差异 (图 1c, d)。

步态和姿态分析
同一患者队列 (n = 59) 的跑步机步态测量显示, 术前至术后 3个月 (术前至术后 7天:98 (57-132)-94 (43-119) 一步分钟, p = 0.004; 3-术后月:91 (54-117) 步进分钟, p = 0.006, 威尔科松测试) (图 2a)。在术后三个月中, 大多数时空参数 (摆动阶段 p = 0.01; 姿势阶段 p < 0.001; 足部旋转 p = 0.001) 发生了显著变化。然而, 摆动相位的对称性没有显著改善 (差分大值 (DiffMJMn) 2 (0-8)-1 (0-8)%), 姿态阶段 (DiffMJMn 2 (0-8)-1 (0-8)%)或足部旋转 (DiffMJMn 3 (0-10)-3 (0-10) °) (图 2b、c、d)。

图 1: 栅格立体图像结果.与术前测量相比, 显示 (a) 主干长度变化的 box图 (459 (33)-459 (40)mm; p = 0.313;Tukey 测试), (b) 术后第一次测量时的洛氏角与术前值 (胸椎 12-酒窝介质, 从28°到 11°; p < 0.001;Tukey 测试), 和 (c-d) 树干倾斜和侧向倾斜在一年的过程中 (无显著性区别)。这一数字已根据参考²⁶改编。请点击这里查看此图的较大版本.

图 2: 步态和姿态结果.(a) 在术前 3个月 (术前至术后 7天:98 (57-132)-94 (43-119) 步骤/分钟, p = 0.1/4; 术后 3个月:91 (57-132) 步骤的术前节奏下降的拳击手图/分钟, p = 0.006, 威尔科松测试) 和术前, 7天和3个月的术后跑步机结果 (b) 摆动阶段, (c) 停滞阶段和 (d) 脚旋转分组根据主观止痛术后手术后的主观疼痛缓解百分比 (lt;30, 30-74, gt;75%)。从术前到术后 3个月, 我们发现大多数时空参数 (摆动阶段 p = 0.01; 姿态阶段 p < 0.001; 足部旋转 p = 0.001) 有显著变化。然而, 在对步态对称性的影响方面没有明显改善 (摆动阶段 (差异大值或小值 (DiffMJMn) 2 (0-8)-1 (0-8)%)(DiffMJMn 2 (0-8)-1 (0-8)%) 或足部旋转 (DiffMJMn 3 (0-8)-3 (0-8)))。这一数字已根据参考²⁶改编。请点击这里查看此图的较大版本.

Discussion

围手术期手术结果监测是一个主观形状的领域。首先, 它受到外科医生经验的影响, 其次是受患者主观感知的影响, 例如, 调查问卷也反映了他或她的心理困扰和疾病行为。我们提出的程序提供了一种方法, 将有关功能结果的关键参数物化。本手稿中提出的系统设置允许在腰椎手术后对姿势和步态的变化进行高精度测量 18^{、37、38、39、40,但}它也可以适用于肌肉骨骼系统的其他手术干预。

调查员必须意识到一些与方法有关的陷阱。后轮廓的栅格立体分析在很大程度上取决于解剖地标的精确选择。如果选择不准确, 测量和数据计算也将不正确。此外, 当事人的背部必须完全脱光衣服。即使是胸罩的电线或长长的头皮头发也会干扰扫描过程。由于步态测量容易因髋关节、膝关节或踝关节疼痛而一瘸一拐, 因此被测试的受试者需要在纳入研究之前以及每次后续访问之前进行仔细的检查, 以确保结果与脊柱的改变。由于这两种方法具有较高的观察者内部和间可靠性^{21、24、41、42, 因此}可以很容易地在日常工作中使用它们。然而, 结合这两种测量技术可能会使跟踪丰富的数据和在合理的时间内解释这些发现变得困难。

背部表面测量技术的一个局限性一般是, 到目前为止, 文献中的数据大多参考从 x 射线中获得的放射学参数来解释术后^{的结果 24}。由于--由于湿度的具体限制--用于描述姿势的参数的定义在栅格立体和 x 射线之间有所不同 (例如胸椎角度: 胸形椎体1至 12, x-射线胸椎4至 12)还不可能从栅格立体分析获得的绝对值中得出结论。更重要的是他们在围手术期的变化。目前, 该工具最适合进行纵向分析。

其他客观数据, 如 CT (计算机断层成像) 或 MRI (磁共振成像), 可以帮助技术评估术后的结果, 但它们只说明静态解剖细节。与本协议中描述的非侵入性和无辐射测量技术不同, 这些成像技术不能考虑功能^8,9,10。

有趣的是, 我们研究中步态和姿势的变化并不总是与患者的疼痛程度有关。因此, 术后功能的维度似乎与疼痛体验并没有严格的关联。因此, 观察到的功能结果被认为不是矛盾的, 而是对与病人有关的结果措施的补充。因此, 这些测量为严格评估术后结果提供了一个额外的维度。

步态和姿势的评价仍然是一个高度动态的研究领域。我们相信, 提供关于这些功能参数围手术期发展的数据, 将提高我们对这些条件的了解。从长远来看, 这也可能有助于进一步改善我们的手术结果。

因此, 重要的是要在更广泛的范围内应用本协议和视频中详细描述的技术, 以获得更多有关功能参数姿势和步态的数据, 在围手术期的肌肉骨骼手术。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ergo-Run 医疗	Daum Electronic GmbH，德国	NaN	NaN
formetric 4D	Diers International GmbH，德国	NaN	NaN
IBM SPSS 版本 22	IBM Inc.	NaN	NaN
Matlab	MathWorks，美国马萨诸塞州内蒂克县	NaN	NaN
疼痛评定量表 （NRS）	NaN	NaN	NaN
Oswestry 残疾指数 （ODI） 问卷	NaN	NaN
摄像机	Canon MD 216， 日本	NaN	NaN
WinFDM-T 软件	版本 2.0.39，zebris 医疗	NaN	NaN
Zebris 医疗系统	Zebris， Isny， 德国	NaN	NaN