Klinicznie zorientowana metoda trójwymiarowej analizy chodu do oceny zaburzeń chodu

Poprzednie badania wykazały przydatność trójwymiarowej analizy chodu (3DGA) do oceny chodu po udarze^1,2,3. Badania z wykorzystaniem wysokiej jakości systemów analizy ruchu dostarczyły istotnych informacji na temat wzorców chodu u ludzi, nie tylko tych u osób zdrowych, ale także tych spowodowanych różnymi zaburzeniami ruchowymi, takimi jak udar mózgu lub porażenie mózgowe^4,5. Zrozumienie patologii, ocena pacjentów przed leczeniem w celu zaplanowania lub monitorowanie efektów interwencji mogą być promowane dzięki 3DGA⁶. Co więcej, kilka ostatnich badań wykazało potencjał 3DGA jako przewodnika po treningu rehabilitacyjnym^7,8.

Jednak zastosowanie 3DGA w codziennej praktyce klinicznej jest nadal ograniczone. Jednym z głównych problemów jest jego czasochłonny proces. Zestawy znaczników powszechnie używane w analizie chodu^9,10,11 składają się z ponad 30 znaczników do pomiaru całego ciała. Te zestawy markerów umożliwiają bardzo precyzyjną ocenę ruchu kończyn i tułowia. Przyczynia się to do dokładności analizy, która zwykle jest wykonywana na podstawie danych o ograniczonej liczbie kroków, które mogą zostać uchwycone przez kamery umieszczone wokół chodnika. Wymaga to jednak czasochłonnych procesów przygotowania i pomiaru, co utrudnia stosowanie 3DGA w codziennej praktyce klinicznej.

Kolejną wadą korzystania z 3DGA w warunkach klinicznych jest to, że interpretacja dostarczonych wyników może być trudna¹². Wyniki 3DGA są często przedstawiane na wykresach przedstawiających takie parametry, jak kąty połączeń i przemieszczenia części ciała. Jednak ocena chodu w klinikach rehabilitacyjnych obejmuje nie tylko ocenę ruchu części ciała, ale także holistyczne wzorce ruchowe. To ostatnie można zrozumieć tylko poprzez ocenę relacji między tymi parametrami, a trudności z tym związane sprawiają, że klinicyści są mniej skłonni do korzystania z 3DGA.

Aby rozwiązać te problemy i ułatwić korzystanie z 3DGA w klinice rehabilitacyjnej, proponujemy uproszczoną i intuicyjną metodę pomiaru dla 3DGA. Metoda pomiaru składa się z następujących elementów: 1) uproszczony zestaw znaczników składający się z 12 znaczników; (2) pomiar pacjentów na bieżni; (3) intuicyjny, holistyczny rysunek wzorców chodu; (4) wskaźniki nieprawidłowego wzorca chodu potwierdzone obserwacją kliniczną; oraz (5) wizualizacja cech strategii chodu. Protokół przedstawiony w tym badaniu jest zgodny z wytycznymi Komisji Etyki Medycznej instytucji.

1. Przygotowanie

UWAGA: Proponowana tutaj metoda pomiaru wykorzystuje uproszczony zestaw znaczników składający się z dwunastu znaczników, jak opisano poniżej. Cały proces pomiarowy, łącznie z przygotowaniem, można wykonać w ciągu 20 minut. Wykonalność tego protokołu w rzeczywistych warunkach klinicznych została zweryfikowana w poprzednich badaniach^{13,14,15,16,17}.

1. Wykonaj proces kalibracji zgodnie z protokołem producenta.
2. Poinstruuj pacjentów, aby nosili łatwo dopasowane, obcisłe nogawki i umieścili kolorowe znaczniki na pacjencie, jak opisano poniżej.
   1. Umieść znaczniki (o średnicy 30 mm) w następujących punktach na ciele pacjenta: zarówno akromia, biodra (w punktach w jednej trzeciej drogi od krętarza większego kości udowej wzdłuż linii łączącej każdy przedni górny kręgosłup biodrowy z każdym krętarzem większym), kolana (na linii środkowej średnicy przednio-tylnej każdego bocznego nadkłykcia kości udowej), kostki (kostki boczne), palce u nóg (piąte głowy kości śródstopia) i grzebienie biodrowe (w pozycji każdego grzebienia biodrowego na pionowej linii przechodzącej przez biodra).

2. Pomiar

1. Ustaw prędkość bieżni i zmierz wzorce chodu.
   1. Poinstruuj pacjenta, aby wykonał test chodu 10 m.
   2. Ustaw subiektywnie wygodną prędkość chodu. Ustaw prędkość bieżni, zaczynając od 70% chodu nad ziemią i stopniowo zwiększając prędkość, aby znaleźć wygodną prędkość chodu na bieżni.
   3. Zmierz chód. Na pojedynczą sesję potrzeba 20 sekund. Jeśli konieczne jest porównanie różnych warunków (np. prędkości chodu, ortezy itp.), wykonaj kilka sesji. W takim przypadku należy pozwolić pacjentom odpocząć przez 1 minutę między sesjami.
      UWAGA: Chociaż systemy 3DGA z kamerami termowizyjnymi są powszechnie stosowane w badaniach 3DGA, uproszczony system analizy ruchu oparty na wideo (częstotliwość próbkowania: 60 Hz; np. Kinematracer) jest używany w tym protokole w celu skrócenia procesu kalibracji.

3. Analiza danych

1. Czynniki czasowo-dystansowe
   UWAGA: Parametry czas-odległość są powszechnymi i podstawowymi parametrami stosowanymi w badaniach analizy chodu. Zdarzenia związane z pierwszym kontaktem stopy i odsunięciem stopy są określane automatycznie przez system na podstawie trajektorii znaczników palców i kostki.
   1. Aby uniknąć błędów w wykrywaniu kroków, poproś dwóch doświadczonych fizjoterapeutów o sprawdzenie dokładności pomiaru czasu i dostosowanie go, jeśli występują błędy w czasie kroku.
   2. Na podstawie tych wykrytych czasów kroków oblicz następujące elementy:
   3. Obliczać Kadencja (kroki/min) = 60 × 2 / SC (s)
   4. Obliczać Długość kroku (m) = GS (m/s) × SC (s) + (Przemieszczenie znacznika kostki od kontaktu stopy do kontaktu stopy po tej samej stronie)
   5. Obliczać Długość kroku (m) = GS (m/s) × (Czas od kontaktu stopy z jednej strony do kontaktu stopy z drugiej strony) + (Średnia różnica w pozycji kostki przy kontakcie stopy z jednej i drugiej strony)
   6. Obliczać Szerokość kroku (m) = Średnia odległość boczna między oboma znacznikami kostki podczas fazy podwójnej postawy
   7. Obliczać Czas trwania podwójnej postawy: Suma fazy podwójnej postawy, która pojawia się dwukrotnie podczas cyklu chodu; czas między kontaktem stopy z jednej strony a późniejszym odsunięciem stopy po drugiej stronie.
   8. Obliczać Czas trwania pojedynczej postawy: Średni czas między oderwaniem stopy a kolejnym kontaktem stopy po przeciwnej stronie.
      UWAGA: SC (Cykl krokowy): Średni czas od kontaktu pięty z jednej strony do kontaktu pięty z tej samej strony. **GS (prędkość chodu)
2. Lissajous Zdjęcie ogólne (LOP)
   UWAGA: LOP są zaprojektowane jako figura składająca się z markerowych trajektorii stawów na głównych stawach w celu ułatwienia zrozumienia holistycznych wzorców chodu pacjentów rehabilitowanych¹⁴ (patrz Rysunek 1).
   1. Generuj LOP z trajektorii o współrzędnych dziesięciu znaczników i wirtualnego środka ciężkości (COG) w płaszczyźnie poziomej (x-y), strzałkowej (y-z) i czołowej (z-x) (x: lewo/prawo, y: przednie/tylne, z: górne/dolne).
      1. Narysuj LOP za pomocą oprogramowania lub konstruując wykres rozrzutu, który obejmuje zakres ruchu wszystkich znaczników w oprogramowaniu arkusza kalkulacyjnego. Oblicz wirtualny COG, stawiając hipotezę dotyczącą każdego segmentu ciała w następujący sposób: tułów, 0,66; udo, 0,1; dolna część uda, 0,05; i stopa, 0,02. Następnie oblicz COG jako środek kompozycji segmentów.
   2. Przy każdym znaczniku wyodrębnij nieprzetworzone dane dla trzech składników (x, y i z) dla każdego cyklu chodu, znormalizuj je według cyklu chodu i uśrednij wartości. Ustaw średnie wartości składowych x i y wirtualnego COG na 0 i użyj ich jako odniesień dla składowych x i y znaczników.
3. Obliczanie nieprawidłowego wskaźnika chodu dla chodu połowiczego
   UWAGA: Wiadomo, że kilka typowych wzorców chodu jest cechą chodu połowiczego po udarze. Należą do nich wędrówki biodrami, okrążanie i boczne przesuwanie tułowia¹⁸. Wskaźniki dla nieprawidłowych wzorców chodu zostały opracowane w celu ilościowego określenia zakresu tych wzorców chodu^13,16,17. Do tej pory zgłoszono dziesięć nieprawidłowych wskaźników chodu (wędrówka biodrami, obwódka, kontakt z przodostopiem, odpychanie biodra, nadmierna rotacja zewnętrzna biodra, nadmierne boczne przesunięcie tułowia nad niedotkniętą stroną, wypchnięcie prostownika kolana, chód zgiętego kolana, niewystarczające zgięcie kolana podczas fazy wymachu i bicz przyśrodkowy). Wzór dla każdego indeksu przedstawiono w tabeli 1.
   1. Oblicz surową wartość indeksów zgodnie ze wzorami. Na przykład oblicz surową wartość wskaźnika dla wędrówki biodrowej jako różnicę między maksymalną wartością współrzędnej z markera stawu biodrowego podczas fazy wymachu a jednoczesną współrzędną z znacznika stawu biodrowego po przeciwnej stronie, skorygowaną o średnią różnicę współrzędnej z lewej i prawej podczas fazy podwójnego podparcia.
   2. Oblicz wynik odchylenia (t-score) na podstawie danych pomiarowych zdrowych osób. Oblicz standaryzowany wynik w następujący sposób: T = 50 + 10 × (X−μ) / δ (T: wynik odchylenia; X: dane indywidualne; μ: średnia wartość surowa osób zdrowych; δ: odchylenie standardowe).
4. Analiza strategii prześwitu z palcami
   UWAGA: Strategie oczyszczania palców u nóg podczas wymachu różnią się znacznie u osób zdrowych i pacjentów z niedowładem kończyn dolnych. U zdrowych osób prześwit palców uzyskuje się poprzez skrócenie kończyn, przy minimalnych ruchach miednicy lub tułowia. Z drugiej strony pacjenci z niedowładem nie mogą w takim samym stopniu skracać kończyn. U tych pacjentów wynikające z tego strategie kompensacyjne, takie jak pochylenie miednicy lub obwódka, również wpływają na prześwit palców¹⁹. W tej analizie wysokość prześwitu palców w połowie wymachu jest podzielona na dwie części: przyrost pionowy uzyskany przez skrócenie kończyny i zysk uzyskany przez ruchy kompensacyjne, które bezpośrednio wpływają na prześwit palca. Składowe, które składają się na prześwit palców (pionowa składowa skrócenia kończyny, skośność miednicy, odwodzenie biodra i woltyżerka) oblicza się w sposób opisany poniżej.
   1. Obliczyć całkowity prześwit palca od współrzędnej z piątej głowy kości śródstopia jako wskaźnik prześwitu palca.
   2. Oblicz składową pionową skrócenia kończyny jako współrzędną z zmiany odległości między biodrem a piątą głową kości śródstopia.
   3. Oblicz składową pionową ruchu kompensacyjnego, sumując trzy składowe w następujący sposób.
      1. Oblicz składową pionową skośności miednicy jako różnicę wysokości (współrzędna z) markerów bioder.
      2. Oblicz składową pionową odwodzenia biodra jako odległość między biodrem a piątą głową kości śródstopia oraz kąty odwodzenia. Odzwierciedla to odległość, na jaką stopa przesunęłaby się w górę w wyniku odwodzenia biodra, gdyby nie nastąpiła zmiana długości kończyny dolnej.
      3. Oblicz składową pionową skoku na podstawie zmiany współrzędnej Z biodra po kontralaterze między środkowym a środkowym wymachem²⁰.

Metoda przedstawiona tutaj służy do oceny pacjentów z zaburzeniami chodu. Wyniki analizy przedstawiono w Rysunek 2, Rysunek 3 i Rysunek 4. Liczby te pokazują wyniki uproszczonego 3DGA u pacjenta z niedowładem połowiczym i zdrową grupą kontrolną. Rysunek 2 pokazuje reprezentatywny LOP pełnego wzorca chodu pacjenta po udarze. U tego pacjenta zaobserwowano typowe wzorce chodu, takie jak obwódka, uniesienie bioder i boczne ruchy tułowia. Rysunek 3 to wykres radarowy pokazujący nieprawidłowy wskaźnik chodu (wynik odchylenia) u pacjentów po udarze. Standaryzowane wyniki obwodu i uniesienia bioder były wysokie, co wskazuje, że te ruchy u pacjentów po udarze były znacznie większe niż u zdrowych osób. Na koniec, Rysunek 4 to wykres przedstawiający strategie usuwania palców u pacjenta po udarze i zdrowego pacjenta w tym samym wieku. U osób zdrowych prześwit palców u nóg uzyskuje się zwykle poprzez skrócenie kończyny, podczas gdy u pacjenta po udarze osiąga się go głównie poprzez ruchy kompensacyjne, takie jak skośność miednicy i woltyżerka.

Rysunek 1: Obraz poglądowy Lissajous (LOP) składający się z trzech figur: (A) płaszczyzna strzałkowa, (B) płaszczyzna koronalna i (C) płaszczyzna pozioma. Każda trajektoria pokazuje uśrednione ruchy cyklu chodu markerów stawów i hipotetycznego środka ciężkości. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 2: Obraz poglądowy Lissajous (LOP) reprezentatywnego pacjenta z udarem: (A) płaszczyzna strzałkowa, (B) płaszczyzna koronalna i (C) płaszczyzna pozioma. Zwiększony ruch tułowia (biała strzałka), wędrówki biodrami (strzałka) i okrążenie (szara strzałka) zaobserwowano na podstawie całościowego przeglądu przy użyciu LOP. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Wykres radarowy wskaźników nieprawidłowego chodu. Średni wynik zdrowych osób wynosi 50. Wysoki wynik standardu oznacza wysoką nieprawidłowość. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 4: Wykres przedstawiający strategie usuwania palców u pacjenta z udarem mózgu w porównaniu ze zdrowym pacjentem. Wolną przestrzeń palca uzyskuje się wyłącznie poprzez skrócenie kończyny u zdrowego osobnika, podczas gdy ruchy kompensacyjne (wędrówka bioder, odwodzenie biodra i woltyżerka) również wpływają na prześwit palca u pacjenta po udarze. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Tabela 1: Wzory dla nieprawidłowych wzorców chodu

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.