Name: 充实适当的运动捕捉技术的越野行走步态中老年人的评估和姿势 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 37 s
Description: 学习使用三维动作捕捉和加速度计评估老年人越野行走步态与姿势的方法。该技术可准确分析步态模式，改善姿势对齐，为生物力学研究和康复治疗提供可靠数据支持。

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我谨代表我的合著者及本人，感谢Nordixx Canada对本研究的资金支持，感谢各位参与者所付出的时间与耐心，同时感谢我们的同事Josée、Ria、Lei和Nadia在本研究各项工作中提供的帮助。

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
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>初次来访时，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、既往无影响步态和上肢运动的损伤或手术史，且能够独立行走。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>随后，让其完成一份自报的姿势稳定性与跌倒情况问卷（改编自Ashburn 等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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 桩具设置与北欧行走指导
<ol>
	<li>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节至最佳长度。确保调节后的长度约为个人身高的65%。
	<ol>
		<li>向每位参与者提供以下手杖调节指导：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，然后调节手杖长度，使肘部弯曲成约90°角，紧贴身体。最后，牢固拧紧手杖，并将鞋尖略微向后倾斜。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>向参与者依次讲解以下4个基本步骤，以减少需要处理的信息量，并确保其充分掌握技术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。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>让每位参与者固定好腕带，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，手杖仅在参与者身后自然拖行。</li>
		<li>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，如同准备与他人握手。 
		注意：在此阶段，需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。</li>
		<li>最后，当手臂向前摆动时，让参与者轻轻握住手柄并向地面施加力量。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，需说明所施加的力量有助于推进步态，并为上肢肌肉提供阻力。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 数据采集与测试方案
<ol>
	<li>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、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。
	<ol>
		<li>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 ASIS间距离
		<ol>
			<li>接下来，使用卡尺通过测量骨性突起之间的距离来确定每个关节的宽度（例如 髁突）的高度。最后，使用标准卷尺和体重秤分别测量受试者的身高和体重。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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）。
		<ol>
			<li>在将设备佩戴于受试者之前，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，从而传输精确的数据测量结果14.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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。
		<ol>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>为受试者佩戴6个传感器，并要求其进行两次6分钟步行试验（6MWT），一次使用健步杖，一次不使用。随机分配这两次试验的顺序，以控制顺序效应。</li>
		<li>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手杖的6分钟步行试验（6MWT）。此时，务必点击“开始”以启动加速度测量系统的数据采集。 
		注意：在撑杆试验期间，需进一步指导参与者执行其撑杆操作指令。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>最后，使用采集频率不低于100 Hz的三维运动捕捉系统，并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。
	<ol>
		<li>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，在运动捕捉系统软件中，必须通过输入测力台的尺寸、灵敏度、采样频率及其他系统所需参数，将测力台“添加”到捕捉范围内。</li>
		<li>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个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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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范围）。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用于本模型的39个反射标记点的三维位置。
	<ol>
		<li>为受试者贴上39个反光标记点，使用双面胶带将其固定在特定的解剖标志位置，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）、T10、C7、右侧背部、锁骨、胸骨、肩峰、左右上臂中段、肱骨外上髁、左右前臂中段、桡腕和尺腕、第二掌骨、头 anterior-lateral 和 posterior-lateral 部位。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 数据与统计分析14
<ol>
	<li>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步行。去除转弯阶段后，使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的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。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。从中提取本研究所需的变量，此处为空间-时间参数和运动学指标。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。操作方法为：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”。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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：在工作表中使用最小值和最大值函数，计算单个步态周期各阶段对应的上下峰值例如 A1, K1, H1, 等等。如 Winter 所述14.</li>
		<li>接下来，使用特定的系统软件提取时空参数，在本实例中，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。为提取特定变量，首先将所需的试验数据导入系统软件，选择“事件”（Events），然后点击目标变量，以获取每次试验中该变量的平均值。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。</li>
	<li>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，确认数据是否呈正态分布。
	<ol>
		<li>为比较有极与无极条件，当数据呈正态分布时采用配对t检验，偏态分布时采用Wilcoxon符号秩检验。必要时使用Holm-Sidak法进行多重配对比较。显著性水平设定为p < 0.05。 &#60;0.05.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Parkatti, T., Wacker, P., Perttunen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improvements+in+Functional+Capacity+from+Nordic+Walking%3A+A+Aandomized+Controlled+Trial+Among+Older+Adults%5BTitle%5D)+AND+%22J+Aging+Phys+Act%22%5BJournal%5D)">Improvements in Functional Capacity from Nordic Walking: A Aandomized Controlled Trial Among Older Adults.</a> J Aging Phys Act. 20 (1), 93-105 (2012).</li>
<li>Schwameder, H., Roithner, R., Muller, E., Niessen, W., Raschner, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Knee+joint+forces+during+downhill+walking+with+hiking+poles%5BTitle%5D)+AND+%22J+Sports+Sci%22%5BJournal%5D)">Knee joint forces during downhill walking with hiking poles.</a> J Sports Sci. 17 (12), 969-978 (1999).</li>
<li>Willson, J., Torry, M. R., Decker, M. J., Kernozek, T., Steadman, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+walking+poles+on+lower+extremity+gait+mechanics%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Sci+Sports+Exerc%22%5BJournal%5D)">Effects of walking poles on lower extremity gait mechanics.</a> Med Sci Sports Exerc. 33 (1), 142-147 (2001).</li>
<li>Koizumi, T., Tsujiuchi, N., Takeda, M., Fujikura, R., Kojima, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Load+dynamics+of+joints+in+Nordic+walking%5BTitle%5D)+AND+%22Procedia+Engineering%22%5BJournal%5D)">Load dynamics of joints in Nordic walking.</a> Procedia Engineering. 13, 544-551 (2011).</li>
<li>Hansen, L., Henriksen, M., Larsen, P., Alkjaer, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nordic+Walking+does+not+reduce+the+loading+of+the+knee+joint%5BTitle%5D)+AND+%22Scand+J+Med+Sci+Spor%22%5BJournal%5D)">Nordic Walking does not reduce the loading of the knee joint.</a> Scand J Med Sci Spor. 18 (4), 436-441 (2008).</li>
<li>Stief, F., Kleindienst, F. I., Wiemeyer, J., Wedel, F., Campe, S., Krabbe, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inverse+dynamic+analysis+of+the+lower+extremities+during+Nordic+walking%2C+walking%2C+and+running%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Biomech%22%5BJournal%5D)">Inverse dynamic analysis of the lower extremities during Nordic walking, walking, and running.</a> J Appl Biomech. 24 (4), 351-359 (2008).</li>
<li>Hagen, M., Hennig, E. M., Stieldorf, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lower+and+upper+extremity+loading+in+nordic+walking+in+comparison+with+walking+and+running%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Biomech%22%5BJournal%5D)">Lower and upper extremity loading in nordic walking in comparison with walking and running.</a> J Appl Biomech. 27 (1), 22-31 (2011).</li>
<li>Shim, J., Kwon, H., Kim, H., Kim, B., Jung, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+the+effects+of+walking+with+and+without+Nordic+pole+on+upper+extremity+and+lower+extremity+muscle+activation%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Ther+Sci%22%5BJournal%5D)">Comparison of the effects of walking with and without Nordic pole on upper extremity and lower extremity muscle activation.</a> J Phys Ther Sci. 25 (12), 1553-1556 (2013).</li>
<li>Jensen, S. B., Henriksen, M., Aaboe, J., Hansen, L., Simonsen, E. B., Alkjaer, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Is+it+possible+to+reduce+the+knee+joint+compression+force+during+level+walking+with+hiking+poles%5BTitle%5D)+AND+%22Scand+J+Med+Sci+Spor%22%5BJournal%5D)">Is it possible to reduce the knee joint compression force during level walking with hiking poles.</a> Scand J Med Sci Spor. 21 (6), 195-200 (2011).</li>
<li>Ashburn, A., Hyndman, D., Pickering, R., Yardley, L., Harris, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Predicting+people+with+stroke+at+risk+of+falls%5BTitle%5D)+AND+%22Age+Ageing%22%5BJournal%5D)">Predicting people with stroke at risk of falls.</a> Age Ageing. 37 (3), 270-276 (2008).</li>
<li>Nasreddine, Z. S., Phillips, N. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Montreal+Cognitive+Assessment%2C+MoCA%3A+a+brief+screening+tool+for+mild+cognitive+impairment%5BTitle%5D)+AND+%22J+Am+Geriatr+Soc%22%5BJournal%5D)">The Montreal Cognitive Assessment, MoCA: a brief screening tool for mild cognitive impairment.</a> J Am Geriatr Soc. 53 (4), 695-699 (2005).</li>
<li>Teaching the Technique. Nordixx Inc. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.nordixx.com/pages/teaching-the-technique/">https://www.nordixx.com/pages/teaching-the-technique/</a> (2015).</li>
<li>Rikli, R. E., Jones, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+reliability+and+validity+of+a+6-minute+walk+test+as+a+measure+of+physical+endurance+in+older+adults%5BTitle%5D)+AND+%22J+Aging+Phys+Activ%22%5BJournal%5D)">The reliability and validity of a 6-minute walk test as a measure of physical endurance in older adults.</a> J Aging Phys Activ. 6 (4), 363-375 (1998).</li>
<li>APDM Motion Studio User Guide. APDM User Guide. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://share.apdm.com/motion_studio/docs/APDMUserGuide.pdf">http://share.apdm.com/motion_studio/docs/APDMUserGuide.pdf</a> (2014).</li>
<li>Winter, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomechanics+and+motor+control+of+human+gait%3A+normal%2C+elderly+and+pathological%5BTitle%5D)+AND+%22ISBN%22%5BJournal%5D)">Biomechanics and motor control of human gait: normal, elderly and pathological.</a> ISBN. , (1991).</li>
<li>Clayton, H. M., Schamhardt, H. C. Measurement techniques for gait analysis. Equine locomotion. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://libvolume2.xyz/biomedical/btech/semester7/biomechanicsandbiodynamics/forceplatformandkinematicanalysis/forceplatformandkinematicanalysistutorial2.pdf">http://libvolume2.xyz/biomedical/btech/semester7/biomechanicsandbiodynamics/forceplatformandkinematicanalysis/forceplatformandkinematicanalysistutorial2.pdf</a> (2001).</li>
<li>Winter, D. A., Patla, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Signal+processing+and+linear+systems+for+the+movement+sciences%5BTitle%5D)+AND+%22Waterloo+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Signal processing and linear systems for the movement sciences.</a> Waterloo Biomechanics. , (1997).</li>
<li>Ali, N., Rouhi, G., Robertson, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gender%2C+vertical+height+and+horizontal+distance+effects+on+single-leg+landing+kinematics%3A+implications+for+risk+of+non-contact+acl+injury%5BTitle%5D)+AND+%22J+Hum+Kinet%22%5BJournal%5D)">Gender, vertical height and horizontal distance effects on single-leg landing kinematics: implications for risk of non-contact acl injury.</a> J Hum Kinet. 37 (1), 27-38 (2013).</li>
</ol>

本工作部分由Nordixx Canada资助，该公司是本视频中所用健走杖的制造商。

在本方案中，保持使用雪杖的一致性至关重要。特别是，正确的雪杖使用技术和雪杖的正确设置步骤对于在不同研究之间维持一致性具有重要意义。因此，应遵循特定北欧式健走组织的指南和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全身运动（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，使用相对较长的行走通道（例如 25 m），以便涵盖较长时间的活动过程，并尽量减少转弯次数，从而主要反映稳态行走状态。当在临床和科研环境中使用经过验证的步态测试（如6分钟步行测试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 Plug-in...

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运动形式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对齐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，迄今为止，关于姿势对齐改善的说法似乎完全缺乏科学研究的支持。
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，相较于以往主要关注短时程和单一步态周期的技术具有优势。此外，本方法采用加速度测量法这一有效工具，而该工具迄今为止在北欧行走研究中应用尚少。根据具体研究项目的目标，本方案的应用可能适用于本协议所述的各种情况，尤其适用于短时程和长时程步态分析。需要注意的是，运动捕捉与加速度测量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 关节活动度）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（即重复的多个步态周期）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计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，旨在确定北欧行走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，针对老年人群北欧行走（NW）的研究较少，而已发表的研究多以功能指标（即力量、平衡能力、柔韧性）为主要结局变量。因此，有必要深入了解行走杖对可量化步态参数的作用，这有助于揭示随着年龄增长，手杖如何影响我们的步态模式。

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

验证适用于评估老年人 nordic 步行步态与姿势的合适运动捕捉技术

Substantiating Appropriate Motion Capture Techniques for the Assessment of Nordic Walking Gait and Posture in Older Adults

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：一种是6传感器加速度计系统，另一种是8摄像头三维运动捕捉系统，以量化空间-时间、运动学和动力学参数。
在两种系统下，与无支撑（NP）相比，有支撑（WP）时受试者的步幅长度和双支撑时间均增加，而行走速度和步频则降低（p &#60;0.05）。此外，通过运动捕捉发现，有支撑（WP）时单支撑时间更长（p &#60;0.05）。在三维捕捉下，当评估一个步态周期时，有支撑（WP）相较于无支撑（NP）在足跟触地和预摆动阶段表现出更低的髋关节做功和力矩，在足跟触地、预摆动和终末摆动阶段表现出更低的膝关节吸能（p &#60;0.05）。此外，有支撑（WP）在足跟触地和终末摆动阶段的力矩较小，而在步态周期的中期站立阶段力矩较大（p &#60;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（例如 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。

时空步态参数
使用北欧式健走杖行走，并通过运动捕捉和测力台进行评估时，与不使用健走杖相比，步长（p &lt;0.01）、双支撑时间（p &lt;0.001）和单支撑时间（p &lt;0.001）均显著增加。此外，在老年人中，使用健走杖时的步速（p &lt;0.05）显著减慢，步频（p &lt;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，结果相似，即步长（p &lt;0.001）和双支撑时间（p &lt;0.001）更长，同时步速显著减慢（p &lt;0.001），步频显著降低（p &lt;0.001）（表1）。
下肢关节动力学分析
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-...

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（即多次重复周期）如6分钟步行测试中则应采用加速度测量技术。

验证适用于评估老年人 Nordic 步行步态与姿势的合适运动捕捉技术

北欧行走（Nordic walking, NW）近年来已成为一种安全且简便的锻炼方式。在研究这种步态模式时，研究人员采用了多种数据采集技术……

本实验的总体目标是确定北欧行走杖对步态模式和姿势排列的影响，特别是针对老年人群。该方法有助于回答生物力学领域中的关键问题，例如：如何利用极地行走来改善老年人的步态与姿势？以及，评估此类步态和姿势变量的最佳方法是什么？该技术的主要优势在于展示了两种评估步态和姿势的有效方法，这些方法与越野行走相关。该技术的应用可能延伸至治疗领域。具体而言，使用越野行走手杖可能有助于改善多种步态及相关病症。演示该操作程序的将是我其中一名研究生扎克·博内森（Zach Bonsegen）。首先，为每位参与者提供一副登山杖，并指导他们站直身体。然后，让参与者将登山杖的杖尖置于脚趾前方，手肘紧贴身体两侧。指导参与者伸长手杖，直至肘部在身体旁形成大约90度的夹角，并确保手杖长度调整至约等于参与者身高的65%。然后牢固地锁紧手杖，并将鞋尖向后倾斜。在固定腕带之前，指导参与者调整正确的身体姿势：将手杖置于下背部后方，身体直立站好。同时要求参与者挺胸站立，双肩放松。然后让每位参与者系好腕带，将雪杖杖尖置于身后，双臂自然垂于身体两侧。在保持双手张开的情况下，指导受试者开始行走，双臂摆动幅度尽量减小，行走距离约为100米。在保持双手张开并将手杖拖在身后的状态下，指导参与者开始加快行走速度，并加大手臂摆动幅度。随后，要求参与者想象将手抬起，如同准备与他人握手。最后，当手臂向前摆动时，让参与者轻轻握住手柄，并对地面施加一定的力量。每次摆臂时，指导个体将手杖略微抬离地面，并在下一步坚定地将其插下。手杖的尖端应与足部中线对齐。掌握并理解该技术对于确保本方案的一致性至关重要。为了确保实现这一目标，我们将操作步骤分解为四个简明的说明，以简化流程，并确保所有参与者达到最佳表现。首先开始收集每位参与者的体格测量数据。使用卷尺测量每条腿的长度，即从髂前上棘到内踝中心的距离。然后，测量左右两侧骨性标志之间的距离，即骨间距离，以及肩部偏移量。使用卡尺通过测量每个关节骨性突起之间的距离来确定各关节的宽度。以此方法测量膝关节宽度、踝关节宽度、肘关节宽度、腕关节宽度，并测量手的厚度。最后，使用标准体重秤测量受试者的体重，并使用卷尺测量其身高。为评估长时间内的步态模式和姿势对线，在六分钟步行试验期间使用加速度测量系统进行数据采集。确保该加速度测量系统至少包含六个传感器，每个传感器均内置加速度计和陀螺仪，以测量各个特定身体节段的加速度和角速度。在将传感器佩戴到受试者身上之前，需确保所有传感器均已牢固地安装在系统的对接站上，以实现同步并校准系统。随后，使用可调节的粘扣带将传感器分别固定在手腕背侧、踝关节腹侧、腰椎L5椎体以及胸骨上方的躯干部位。将采样频率设置为至少100赫兹。然后，要求受试者进行两次六分钟步行测试，一次使用步行杖，一次不使用。随机分配两次测试的顺序，以控制顺序效应。指导受试者以自行选择的速度，在25米的步行道上往返行走6分钟。在参与者开始之前，务必点击“开始”以启动加速度测量系统的数据采集。当六分钟步行测试的两次试验均完成后，使用路径中嵌入两个测力台的三维运动捕捉系统评估短时程步态事件。通过公司提供的线缆将测力台连接至计算机，首先完成测力台与运动捕捉系统的同步。然后，在动作捕捉系统软件中，通过输入力台的尺寸、位置、方向、灵敏度以及系统所需的其他任何信息，将力台添加到捕捉范围中。确保对力台进行归零处理，以防止数据中出现噪声，并确保其以足够高的采样率（1,000 赫兹）进行数据采集。接下来，通过首先以受控方式在捕捉空间内挥动一个带有三个标记点的标定杆，完成系统的动态校准。然后，通过将一个四标记L形框架放置在指定的参考点上，并在计算机软件中选择“设置体积”来执行静态校准，以建立全局xyz坐标系。运动捕捉系统的校准对于确保所采集数据的准确性至关重要，必须在所有操作之前完成。为确保结果准确，需评估图像误差，必要时重复校准过程，直至获得最优值。软件校准完成后，使用双面胶带将39个反光标记贴附于受试者身上，并将其准确放置于本文所示及随附文本方案中描述的特定解剖标志位置。最后，指导受试者在系统的捕捉范围内完成六次5米步行试验，其中三次使用手杖，三次不使用手杖，并随机分配试验顺序以控制顺序效应。该图展示了一个典型的单步态周期中髋关节功率变化曲线，并比较了使用健步走手杖行走与不使用手杖行走时参与者的步态。H1、H2 和 H3 处的箭头表示在使用与不使用手杖情况下，各阶段功率产生与吸收的变化。与不使用手杖行走相比，使用手杖时在足跟触地期以及摆动前期和摆动初期，髋关节产生的功率显著减小。图中显示了使用登山杖与不使用登山杖时一个完整步态周期内的典型膝关节功率曲线对比。使用登山杖时，在足跟触地期、摆动前期和摆动末期的膝关节功率吸收显著小于不使用登山杖行走时。一旦掌握该技术，若操作得当，每位受试者的测试可在45至60分钟内完成。在进行该操作时，重要的是确保参与者在使用和不使用杖具时均能自然行走。因此，不应让参与者知晓测力台的具体位置。完成该操作后，可进一步采用其他方法（如肌电图）来回答更多问题，例如肌肉的激活模式，尤其是上肢肌肉的激活模式。观看本视频后，您应能够较好地掌握如何使用两种不同的运动捕捉系统之一来评估北欧健走的步态与姿势。该方案可使生物力学领域的研究人员探索北欧健走对于老年人步态和姿势的影响，同时也适用于其他存在步态与姿势障碍的人群，例如帕金森病患者。请务必注意，引入新工具（如健走杖）可能会增加执行运动任务所需的注意力水平，因此应提醒参与者在安全的环境中开始训练。

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