三維步態分析在截肢患者康復中的應用

張騰宇,李立峰,季潤,王強,王喜太

步態分析是生物力學的特殊分支,能夠對人體行走時的肢體和關節活動進行運動學觀察和動力學分析,提供一系列時間、幾何、力學等參數值和曲線[1]。Vicon三維步態分析系統是目前較為先進的、能夠客觀定量地評定人體步行功能的系統,可以較全面地反映患者的運動康復功能狀態,在臨床步態分析中具有重要意義。

1 對象與方法

1.1 對象 健康成人20名,其中男性10名,女性10名;膝上截肢患者10名,男性 7名,女性3名;膝下截肢患者8名,男性5名,女性3名。受試者分別為本單位員工及在單位臨床部門裝配假肢或進行康復訓練的患者,年齡集中在24～38歲。所有受試者均無神經疾患及心肺疾患,健康受試者均無下肢肌肉、骨骼疾患;截肢患者均為因交通事故、外傷等引起的截肢,殘肢長度12～23 cm。向每位受試者解釋本研究的目的及步驟,并征得其同意,采取自愿參加的形式。

1.2 儀器 采用英國Vicon公司生產的三維步態分析系統對受試者進行步態分析。步態系統硬件主要包括6個高速紅外拍攝頭、2個測力平臺以及若干反光標記球等。系統采樣頻率設置為50 Hz,圖像分辨率1280×1024,測試場地布局如圖1所示。其中灰色部分為攝像頭可以拍攝到的有效范圍,測試場地空間高度為3.5 m。每塊測力平臺的長度為464 mm,寬度為508 mm。

1.3 實驗步驟 首先調整環境光線、溫度,為受試者進行個人信息錄入,并更換實驗專用服裝(下身著運動短褲或緊身服),然后使用14 mm標記球進行體表標記。標記位置如圖2。

圖1 測試場地布局

啟動Vicon系統及拍攝頭,并進行系統校正。將各個攝像頭分別在Vicon系統內調整校好,進入3D模式,選出圖像最清晰的區域,在步道上標出該區域的范圍。采集開始前,首先要求受試者在步道上自由行走數次,以適應實驗環境,同時要求受試者調整起步初始點和步幅,以保證行走過程中每只腳分別踏在一塊測力板上。

受試者站立在測試區域前邊緣處;采集開始后,受測者原地站立3 s,然后以自然步態常速向前行走,注意受試者的每只腳應分別踏在每一塊測力板上;走到測試區域后邊緣處,原地站立3 s,結束一次采集并保存采集到的數據。

1.4 觀測指標 觀測受試者行走過程中的步頻、跨步長、步態周期時間、支撐期時間、擺動期時間、軀干運動、關節運動角度和地面對人體的反作用力。

2 結果

健康人群及下肢截肢患者的步態參數對比見表1,其中截肢者的支撐期百分比為殘肢側數據。

表1 健康人與下肢截肢者的步態參數

在得到步態時空參數的同時,三維步態分析系統能夠描繪不同受試者的運動學和力學曲線。由于國產的普通機械式膝關節和sach腳在國內裝配量較大,臨床上較為常見,因此在膝上截肢患者和膝下截肢患者中,分別選取穿戴JB810四連桿膝關節膝上截肢患者和普通sach腳的膝下截肢患者,對其運動學和力學曲線進行對比分析。膝上截肢患者為男性,年齡26歲,身高182 cm,交通事故引起的膝上截肢,殘肢長度22 cm;膝下截肢患者為男性,年齡24歲,身高178 cm,交通事故引起的膝下截肢,殘肢長度17 cm。

人體行走過程中,對于下肢各關節,其角度在矢狀面上的變化能夠在一定程度上反映步態的對稱性特征。并且,對于健康人和截肢患者,其矢狀面上的角度也存在著較大的差異性。

選取一個步態周期內,膝上截肢患者健肢側與殘肢側的各關節角度在矢狀面上的變化曲線進行對比,如圖3所示,其中,實線為健肢側的數據,虛線為殘肢側數據。圖中可見,膝上假肢穿戴者殘肢的髖關節擺動幅度與健肢側相比較小;為了保證支撐期的穩定性,四連桿膝關節從結構上限制了支撐期關節的活動范圍,因此假肢膝關節的角度曲線在支撐期僅表現出很小的彎曲。固定的踝關節和假腳在運動過程中表現出與人體踝關節較大的差異性。

圖4描述膝下截肢患者健肢側與殘肢側的各關節角度在矢狀面上的變化曲線。其中,實線為健肢側的數據,虛線為殘肢側數據。可以看出,膝下假肢穿戴者殘肢的髖關節和膝關節運動與健肢的運動基本一致,主要不同表現在固定的踝關節和假腳與人體踝關節運動存在較大的差異性。

除了關節角度的變化,人體運動過程中所受的地面反作用力同樣可以反映步態的不同特征。圖5為一個步態周期內截肢患者健肢側與殘肢側所受地面反作用力在垂直方向上的對比曲線。其中,實線為健肢側的數據,虛線為殘肢側數據。可以看出,膝上截肢患者假肢側的受力時間較健肢側短,即支撐期較短,而膝下截肢患者假肢側的受力時間和健肢側幾乎相等,這與前面的支撐期百分比分析結果一致。

圖6表示膝下截肢患者健肢側與殘肢側所受地面反作用力在前后方向和左右方向上的對比曲線。

關于下肢截肢患者健肢與殘肢所受地面反作用力存在差異的原因,還有待在今后的工作中進一步分析研究。

3 討論

本文利用Vicon三維步態分析系統對健康人群和下肢截肢患者的步態時空參數和運動學參數進行對比研究。結果表明,三維步態分析系統可對截肢患者裝配假肢后的效果評價提供客觀、真實的數據。通過對以上健康人和下肢截肢患者的步態進行分析,了解假肢穿戴者的步態特征,結合臨床經驗,分析假肢穿戴者與健康人步態差異產生的原因,可以為制定康復訓練方案提供切實可行的依據,同時為假肢的設計、裝配提供一定的依據和評價標準[4-5]。

本研究只是針對三維步態分析系統在下肢截肢患者康復方面所做的一項基礎性研究。接下來,希望以該系統為平臺,建立一套完整的人體步態分析及殘疾人運動康復評價系統,用于步態測評及下肢殘疾者的康復訓練指導。

[1]白躍宏,周俊,梁娟.步態分析在臨床中應用[J].中國矯形外科雜志,2006,14(10):70-72.

[2]Vaughan CL,Davis BL,Connor JCO.Dynamic of Human Gait[M].2nd Ed.Cape Town,South Africa:Kiboho Publishers,1999.

[3]Chau T.A review of analytical techniques for gait data.Part 2:neural network and wavelet methods[J].Gait Posture,2001,13:102-120.

[4]金德聞,張培玉,王人成,等.膝上假肢使用者步態對稱性分析[J].中國康復醫學雜志,1997,12(3):112-115.

[5]Bae T S,Choi KW,Hong DH,et al.Dynamic analysis of aboveknee amputee gait[J].Clin Biomech,2007,22:557-566.