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Behavior

歩行障害を評価するための臨床指向の三次元歩行解析

doi: 10.3791/57063 Published: March 4, 2018

Summary

この研究では、リハビリ クリニックで実行するように設計された、臨床医向け三次元歩行分析方法が表示されます。メソッドは、簡易測定法と結果の臨床医の理解を容易にする直感的な数字で構成されています。

Abstract

臨床運動障害による歩行異常の評価に有用であるには、三次元歩行解析 (3DGA) が表示されます。しかし、実際の診療所での 3DGA の使用は珍しい。原因は、時間のかかる測定プロセスと測定結果グラフの大規模な番号を使用して示される多くの場合を理解することの難しさを含めることができます。3DGA の臨床使用を容易にするために開発した臨床医向け 3DGA 法をご紹介します。このメソッドは、簡略化の準備および臨床設定と直感的な決算結果の臨床医の理解を容易にするために短い期間で実行することができます測定プロセスで構成されます。迅速、簡易測定手順は、最低限のマーカーの使用とトレッドミル上の患者の測定によって達成されます。臨床医の理解を容易にするには、臨床医の視点に基づいて数字で結果が掲載されています。俯瞰的な視点からのすべてのマーカーの軌跡を表わすリサージュ概要図 (LOP)、歩行パターンの直感的な理解を容易にするために使用されます。歩行評価と健常者のデータを使用して標準化された臨床医の視点に基づいて、異常歩行パターンのインデックスを使用して、脳卒中患者における典型的な異常歩行パターンの範囲を評価します。また患者がつま先クリアランスを達成するために通常や代償戦略に依存する方法を示しています、つま先クリアランス戦略の分析を示すグラフが表示されます。これらのメソッドは臨床設定の 3DGA の実装を容易にするでき、さらに臨床医の視点から測定戦略の開発を奨励します。

Introduction

以前の研究では、ストローク1,2,3後歩行の評価のための三次元歩行分析 (3DGA) の有用性を示しています。高品質運動解析システムを用いた研究は、健常者の方だけでなく脳卒中や脳性麻痺の4,5など様々 な運動障害のためのそれらのだけでなく、人間の歩行パターンに実質的な洞察を提供しています。.病理、治療計画、または監視介入効果がすべては 3DGA6に昇格する前に患者の評価を理解します。さらに、いくつかの最近の調査はリハビリ トレーニング7,8のためのガイドを提供するために 3DGA の可能性を示した。

しかし、日常臨床での 3DGA の使用はまだ限られています。主要な問題の 1 つは、時間のかかるプロセスです。歩行分析9,10,11で一般的に使用されるマーカー セットは全身測定のため 30 以上のマーカーから成っています。これらのマーカーのセットは、四肢・体幹の動きの非常に正確な評価を有効にします。これは通路の周囲に配置するカメラによってキャプチャできる手順の限られた数のデータから行われ、通常分析の精度に貢献しています。ただし、この必要があります時間のかかる準備および測定プロセス 3DGA 日常臨床での使用を妨げる。

臨床設定で 3DGA を使用するもう一つの欠点はそれが12で提供される結果を解釈することは困難することができます。3DGA の結果が一般的関節角度や体の部分の変位などのパラメーターを描いたグラフで表示されます。しかし、リハビリテーションの診療所で歩行評価だけでなくも全体的な動きのパターンが、体の部分の動きを評価を伴います。後者のみ理解できるこれらのパラメーター間の関係を評価することによって、そうすることで難度ように 3DGA を使用してより少なく喜んで臨床医。

これらの問題に対処し、リハビリ クリニック 3DGA の使用を容易にするため、3DGA の簡易で直感的な測定法を提案します。測定法は、以下で構成されています: (1); 12 のマーカー入り簡易マーカー(トレッドミル; 患者の測定 2)(歩行パターンの 3) の直感的な全体図(臨床の観察を通して検証 4) 異常歩行パターン インデックス歩行戦略の機能の (5) の可視化。本研究で示したプロトコル医療機関の倫理委員会のガイドラインに従います。

Protocol

1. 準備

注: ここに提案する測定法は、下記のとおり 12 のマーカーから成るセット簡易マーカーを利用しています。20 分以内、準備を含む全体の測定プロセスを実行できます。以前研究13,14,15,16,17に実際の臨床設定でこのプロトコルの有効性が検証されました。

  1. 製造元のプロトコルに従って校正プロセスを実行します。
  2. 簡単フィット、skintight 靴下類の着用する患者に指示し、下記のとおり、患者の色のマーカーを配置します。
    1. 患者さんの体に次のポイントにマーカー (直径 30 mm) を配置: 両方の acromia、(各上前腸骨棘ごとの大転子を結ぶ線に沿って大腿骨の大転子からの方法の 3 分の 1 の点) で腰、膝 (大腿骨の各外側上顆の前後径の正中線)、足首 (外側果)、爪先 (第五中足骨頭)、腸骨稜 (腰を通る垂線上の各の腸骨稜の位置)。

2. 測定

  1. トレッドミルの速度を設定し、歩行パターンを測定します。
    1. 10 m 歩行テストを実行するように患者に指示します。
    2. 主観的快適歩行速度を設定します。トレッドミルの速度は、70% 以上の開始を設定トレッドミルで速地上歩行と徐々 に速度、快適な歩行を見つけます。
    3. 歩行を測定します。単一のセッションにかかる 20 s。場合別の条件 (e.g。 歩行速度、装具など。) 比較される、いくつかのセッションを実行する必要があります。その場合は、セッションの間 1 分休憩患者がいます。
      注: が赤外線カメラで 3DGA システムは、3DGA 研究で一般に使用され、ビデオベースの簡易動作解析システム (サンプリング周波数: 60 Hz例えばKinematracer) 校正プロセスを短縮するため、このプロトコルで使用されます。

3. データ分析

  1. 時間距離因子
    注: 時間距離のパラメーターは、歩行分析研究で使用される共通および基本的なパラメーター。足の初期接触、足をオフのイベントは、つま先と足首のマーカー トラジェクトリに基づくシステムによって自動的に決定されます。
    1. ステップ検出のエラーを避けるためには、タイミングの正確さを確認し、ステップのタイミングでエラーがある場合、それを調整する 2 つの経験豊富な理学療法があります。
    2. これらの検出されたステップのタイミングから以下を計算します。
    3. ケイデンス (手順/分) を計算 = 60 × 2/SC (s)
    4. ストライドの長さ (m) を計算 = GS (m/s) × SC (s) + (接地足を同じ側の接触から足首のマーカーの変位)
    5. 計算ステップ長 (m) = GS (m/s) × (足の反対側の接触に 1 つの側面の足の接触から時間) + (1 つの側面と反対側の足の接触で足首位置の平均した違い)
    6. 計算ステップ幅 (m) = ダブル立脚相両方の足首のマーカー間の平均水平距離
    7. ダブル スタンスの期間を計算する: 歩行周期の間に二度表示される二重立脚相の合計接地の 1 つの側面と反対側からその後の足間の時間。
    8. 歩幅の期間を計算する: 反対側から足とその後の足の間の平均時間にお問い合わせください。
      注: SC (ステップ サイクル): 1 つの側面の踵から同じ側の踵の平均時間。* * GS (歩行速度)
  2. (ロッブリー) リサージュ概要図
    注: 表の理解リハビリテーション患者の包括的な歩行パターン14を促進することを目的と主要な関節にマーカー共同軌道から成る図として設計されています (図 1参照)。
    1. 水平 (x と y)、矢 (y z)、コロナ (z-x) 飛行機 (x: 左/右、y: 前方/後方、z: 上・下) で 10 マーカーと仮想の重心 (重心) の座標に軌道から表を生成します。
      1. ソフトウェアや表計算ソフトウェアのすべてのマーカーの動きの範囲をカバーする散布図を構築することによって、LOP を描画します。仮説各体セグメントは次のように、仮想の歯車を計算: トランク、0.66;太もも、0.1 となります。下腿、0.05;足、0.02。その後、セグメントの組成の中心として歯車を計算します。
    2. 各マーカーで歩行サイクルごとに 3 つのコンポーネント (x、y、および z) の生のデータを抽出、正規化歩行サイクルで、これらの平均値。平均値の x および y 成分の仮想 COG を 0 に設定し、参照としてこれらの x および y 成分のマーカーを使用します。
  3. 麻痺の歩容異常歩行インデックスの計算
    注: いくつかの一般的な歩行パターンは、脳卒中後麻痺歩行の機能を知られています。ヒップ ハイキングには、circumduction、トランク18の横移動が含まれます。異常歩行パターンの指数は、これら歩行パターン13,16,17の程度を定量化する開発されています。日には、10 異常歩行指標 (ハイキング、circumduction、前足の連絡先、ヒップ、過剰な股関節外旋、健側、推力膝伸展、屈曲膝歩行、膝上のトランクの過度の側方偏 retropulsion ヒップ遊脚相と内側ホイップ屈曲) が報告されています。各インデックスの式を表 1 に示します。
    1. 数式によるとインデックスの生の値を計算します。たとえば、遊脚相の中に股関節のマーカーの z 座標の最大値と平均値を補正した対側股関節マーカーの同時 z 座標の違いとして股関節のハイキングのためのインデックスの生の値を計算します。ダブル サポート フェーズ中に z 座標の左右差。
    2. 偏差スコアを計算 (t スコア) は、健常人の測定データに基づきます。以下のように標準化されたスコアの計算: T = 50 + 10 × (X−µ)/δ (t: 偏差値;X: 個々 のデータ;μ:; 健常者の生の値を意味Δ: 標準偏差)。
  4. つま先のクリアランス戦略の分析
    注: スイング中つま先クリアランスのための戦略は、健常者と下の四肢麻痺患者の間大きく異なります。、健常者につま先クリアランスは、四肢短縮、骨盤またはトランクの最小限の動きによって実現されます。一方で麻痺患者は同程度に自分の手足を短くできません。これらの患者の骨盤の傾きや circumduction にも影響を与えるなど、結果の代償戦略が、つま先クリアランス19を。この分析で半ばスイングでつま先のクリアランスの高さは 2 つの部分に分かれています: 肢の短縮により垂直方向のゲインとつま先のクリアランスに直接影響を与える代償運動によって得られます。つま先クリアランス (下肢短縮、股関節の外転、骨盤傾斜とヴォールティングの垂直コンポーネント) を構成するコンポーネントは、以下のように計算されます。
    1. 第 5 中足骨頭の z 座標からつま先クリアランスの指標として総つま先クリアランスを計算します。
    2. 手足腰と第 5 中足骨頭間の距離の変化の z 座標として短縮の垂直成分を計算します。
    3. 代償運動の垂直コンポーネントを計算するには、次のように 3 つのサブコンポーネントを加算します。
      1. ヒップ マーカーの高さ (z 座標) の違いとして骨盤傾斜の垂直成分を計算します。
      2. 股関節と第 5 中足骨頭と外転角度間の距離として股関節外転の垂直成分を計算します。下肢長の変化がなかった場合、股関節外転の結果として足を移動するいると上昇距離が反映されます。
      3. 中期スタンスと遊脚中期20間対側股関節の z 座標の変化からボルトの垂直成分を計算します。

Representative Results

ここに提示されたメソッドを使用して、歩行障害を持つ患者を評価します。分析の結果は、図 2図 3、および図 4に掲載されています。これらの数字は、片麻痺と健全なコントロール患者の簡易 3DGA の結果を示します。図 2は、脳卒中患者の完全な歩行パターンの代表 LOP を示しています。この患者で circumduction、ヒップの昇格、およびトランクの横方向の動きなど典型的な歩行パターンが観察された.図 3は、レーダー グラフ示す脳卒中患者の歩行異常 (偏差値) のインデックスです。Circumduction およびヒップの昇格の標準得点は高かった、脳卒中患者でそれらの動き健常者の標準よりもはるかに大きいことを示します。最後に、図 4は、脳卒中患者と年齢をマッチさせた健常者のつま先クリアランス戦略を描いたグラフです。健康な主題のつま先クリアランスは通常下肢短縮、脳卒中患者のそれにより主に骨盤傾斜など代償的な動きに対し、ヴォールティングによって実現されます。

Figure 1
図 1: リサージュ概要図 (LOP) の 3 つの数字で構成される: (A)矢状面、面(B)(C)水平面。各軌道関節マーカーの平均歩行運動と重心を仮定しました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2: 代表的な脳卒中患者のリサージュ概要図 (LOP): (A)矢状面、面(B)(C)水平面。増加トランク運動 (白い矢印)、ヒップ (黒矢印) をハイキングし、ロプ ・ ノールを使用して包括的な概要から circumduction (灰色の矢印) が観察されました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 3
図 3: 歩行異常指数のレーダー グラフ。健常者の平均スコアは 50 に設定されます。高偏差値高の異常を表します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4: 健常者と脳卒中患者のつま先クリアランス戦略を示すグラフ。つま先のクリアランスは、代償的な動き (ヒップ ハイキング、股関節の外転、ヴォールティング) も脳卒中患者のつま先クリアランスに影響を与えるに対し下肢短縮、健常者だけで達成されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

歩行パターン 数式
ヒップホップのハイキング 二重の間に Z 座標の平均の左右差を修正、同時に遊脚相の中に股関節のマーカーの Z 座標の最大値と対側股関節マーカーの Z 座標の違いフェーズをサポートします。
Circumduction 横方向の X の距離の違いを調整 25-75%、スイング中に足首関節マーカーの相と内側の X を立脚相の 25 から 75 パーセントの間に調整
前足部連絡先 足首関節マーカーの Z 座標と足首関節マーカーと立っている時につま先のマーカーの Z 座標の距離の違いを引いた最初の接触につま先マーカーの Z 座標の距離の違い
股関節の Retropulsion 足関節の Y 座標と単一の立脚期における股関節の Y 座標の間の平均距離
過剰な股関節外旋 足関節の X 座標と遊脚相のつま先の X 座標の間の平均距離
過度の横移動
健側のトランク
間の平均距離
(影響を受ける足が健側の足の後ろにある二重立脚相の一部で二国間の acromions との遊脚相の中間点の 1) の横のほとんど X 座標に脚が影響を受けると
(影響を受ける足が健側の足の後ろにある二重立脚相の部分で両側足関節の中間の 2) の平均 X 座標
推力膝伸筋 最大 Y 差影響を受ける脚とトレッドミル歩行速度の単一の立脚相での膝の速度を調整します。
屈曲膝歩行 影響を受ける脚の歩幅の段階で最大膝関節拡張子角度
遊脚相の間に不十分な膝関節屈曲 健常人の膝関節屈曲角度と比較して遊脚相の最大膝関節屈曲角度
内側の鞭 横の間隔 X 足関節立脚相と内側ほとんどの 75-100% の間の座標足首関節患脚の立脚相で 25-75% の X 座標
X、Y、および Z 座標は lateromedial、anteroposteriol、上下をそれぞれ示します

異常歩行パターンの表 1: 数式

Discussion

現在の報告では、簡体字の 3DGA 法を提案しました。このシステムは、毎日の練習で使用できるように設計された、簡易測定法と結果の臨床医向けプレゼンテーションが含まれます。

いくつかの以前のレポートは、3DGA を使用しているし、人間の歩行の基本的な知識は、以前に確立された21をされています。3DGA の治療計画、介入効果を監視に使用、歩行障害の病理の理解の向上によりリハビリテーション診療に貢献する可能性があります。ただし、リハビリテーションの診療所での 3DGA の使用はかなり低い。臨床の現場で 3DGA の使用にいくつかの可能な障壁があります。必要な時は可能性が高い主要な障害研究に基づく 3DGA 通常相当な準備期間が必要です (すなわち。、マーカーの取り付け、システムのキャリブレーションのため)。別の問題は、結果の解釈は困難なことです。歩行障害は、通常いくつかの運動異常を構成する、分析で得られた様々 なグラフを理解する経験が必要です。臨床の可能性の面で簡易法と直感的なデータの表示と分析システムは有用であります。

高い測定精度の追求に関連するメソッドは、既存の分析を実行するために必要な相当な準備期間。しかし、歩行障害を持つ患者の運動速度は限られ、毎日リハビリ練習で私たちはこのレベルの精度を必要がありません。現在のメソッドでは、プロトコルが単純化され13障害の患者の動きを評価するための要件を維持する間べきである毎日リハビリ練習中可能性は十分に短い時間内に行うことが,15,16,17

現在のメソッドでは、結果の表示方法は、臨床要件を満たします。リハビリテーション クリニックでセラピストは一般的に包括的な歩行パターンを評価することによって始まります。LOP は直感的に代表的な描写を使用して包括的な歩行パターンを評価する臨床医を助けるため (すなわち。、フィギュア) マーカーの軌跡は、実際の位置関係に従って配置されます。ここで用いられる異常歩行指標の開発は、臨床経験に基づいていた。脳卒中患者で見られる臨床的に共通の異常歩行パターンの程度を定量化する指標が開発され理学療法士13,臨床的観察を介してすべてのインデックスの同時妥当性が確認された15,16

臨床経験を反映する客観的な評価法であること、に加えて提案理想的にリハビリテーションの新しい戦略の開発に貢献します。つま先クリアランス戦略の分析は、従来の臨床評価を超え、ターゲットを絞ったリハビリテーション治療の計画に貢献する可能性を秘めています。提案手法と解析は、臨床医のリハビリテーション; 2 つのターゲットが掲載されてつま先のクリアランスとそれを達成するために補償の範囲の範囲。つま先クリアランスを増やすことは安全なウォーキングのために重要でただし、補償を削減可能性があります、歩行効率22も向上します。現在のメソッドで臨床医が安全な歩行の指標として情報の両方のセットへのアクセス使用され開発に貢献するかもしれない歩行効率ターゲットを絞った安全性と歩行の効率を向上させるリハビリテーション戦略リハビリテーション患者。

上記の資質を考えると、この測定・解析方法はリハビリテーション患者における歩行パターンを評価する客観的方法を提供することによってリハビリ クリニック 3DGA の使用を促進できます。また、リハビリテーション分野において介入、品質の更なる向上に貢献できるクリニックで使用される普通のスケールのよりも介入の効果のより正確な推定をすること。

本研究は制限なしでした。マーカーと比較的低いサンプリング レートの減少を考慮したこのシステムの測定精度限られるかもしれない既存のシステムと比較しています。スポーツの専門家のような迅速な動きを分析する際、これは重要な考慮事項かもしれません。特に、関節角度や関節の動きを評価、このメソッドで使用される簡体字マーカー セットできないことがあります関節位置を正確に推定するのに十分です。したがって、脳性麻痺手術の計画のための分析など、共同運動を強調するような分析は、この簡略化されたシステムと限られている可能性があります。システムは、臨床的評価によって検証されたが、この法の計量心理学的特性は金本位法と比較して定義されていません。技術的な制限は、将来の研究でさらに確認すべき。

しかし、歩行障害を持つ患者、運動速度は限られて、パフォーマンスの差も健常者と比べると明らか。したがって、毎日の練習で、我々 はありません既存のメソッドによって提供される精度のレベルを必要があります。さらに、このメソッドの結果は、平均歩行パターンとして測定地上歩行の最も従来の方法よりも長い 20 s 測定期間の掲載されています。この機能は、精度と測定の信頼性を高めることができます。

結論として, この研究では、簡易で直感的な 3DGA メソッドが導入されました。リハビリテーション診療の質の向上に 3DGA の使用を容易にするには、臨床的に実現可能な測定方法を開発する必要があります。ここで紹介した臨床医向けメソッドは、臨床的に実行可能な測定モデルの更なる発展と毎日リハビリテーション診療所の 3DGA の実装を促すことがあります。

Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

本研究は、藤田保健衛生大学 [許可番号 2015100341] によって賄われていた。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
KinemaTracer KisseiComtec Co., Ltd. KinemaTracer-6Cam A simple video-based 3D motion analysis system that consists of camera, workstation and softwares.

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References

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Mukaino, M., Ohtsuka, K., Tanikawa, H., Matsuda, F., Yamada, J., Itoh, N., Saitoh, E. Clinical-oriented Three-dimensional Gait Analysis Method for Evaluating Gait Disorder. J. Vis. Exp. (133), e57063, doi:10.3791/57063 (2018).More

Mukaino, M., Ohtsuka, K., Tanikawa, H., Matsuda, F., Yamada, J., Itoh, N., Saitoh, E. Clinical-oriented Three-dimensional Gait Analysis Method for Evaluating Gait Disorder. J. Vis. Exp. (133), e57063, doi:10.3791/57063 (2018).

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