三维步态分析在截肢患者康复中的应用

张腾宇,李立峰,季润,王强,王喜太

步态分析是生物力学的特殊分支,能够对人体行走时的肢体和关节活动进行运动学观察和动力学分析,提供一系列时间、几何、力学等参数值和曲线[1]。Vicon三维步态分析系统是目前较为先进的、能够客观定量地评定人体步行功能的系统,可以较全面地反映患者的运动康复功能状态,在临床步态分析中具有重要意义。

1 对象与方法

1.1 对象 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。受试者分别为本单位员工及在单位临床部门装配假肢或进行康复训练的患者,年龄集中在24～38岁。所有受试者均无神经疾患及心肺疾患,健康受试者均无下肢肌肉、骨骼疾患;截肢患者均为因交通事故、外伤等引起的截肢,残肢长度12～23 cm。向每位受试者解释本研究的目的及步骤,并征得其同意,采取自愿参加的形式。

1.2 仪器 采用英国Vicon公司生产的三维步态分析系统对受试者进行步态分析。步态系统硬件主要包括6个高速红外拍摄头、2个测力平台以及若干反光标记球等。系统采样频率设置为50 Hz,图像分辨率1280×1024,测试场地布局如图1所示。其中灰色部分为摄像头可以拍摄到的有效范围,测试场地空间高度为3.5 m。每块测力平台的长度为464 mm,宽度为508 mm。

1.3 实验步骤 首先调整环境光线、温度,为受试者进行个人信息录入,并更换实验专用服装(下身着运动短裤或紧身服),然后使用14 mm标记球进行体表标记。标记位置如图2。

图1 测试场地布局

启动Vicon系统及拍摄头,并进行系统校正。将各个摄像头分别在Vicon系统内调整校好,进入3D模式,选出图像最清晰的区域,在步道上标出该区域的范围。采集开始前,首先要求受试者在步道上自由行走数次,以适应实验环境,同时要求受试者调整起步初始点和步幅,以保证行走过程中每只脚分别踏在一块测力板上。

受试者站立在测试区域前边缘处;采集开始后,受测者原地站立3 s,然后以自然步态常速向前行走,注意受试者的每只脚应分别踏在每一块测力板上;走到测试区域后边缘处,原地站立3 s,结束一次采集并保存采集到的数据。

1.4 观测指标 观测受试者行走过程中的步频、跨步长、步态周期时间、支撑期时间、摆动期时间、躯干运动、关节运动角度和地面对人体的反作用力。

2 结果

健康人群及下肢截肢患者的步态参数对比见表1,其中截肢者的支撑期百分比为残肢侧数据。

表1 健康人与下肢截肢者的步态参数

在得到步态时空参数的同时,三维步态分析系统能够描绘不同受试者的运动学和力学曲线。由于国产的普通机械式膝关节和sach脚在国内装配量较大,临床上较为常见,因此在膝上截肢患者和膝下截肢患者中,分别选取穿戴JB810四连杆膝关节膝上截肢患者和普通sach脚的膝下截肢患者,对其运动学和力学曲线进行对比分析。膝上截肢患者为男性,年龄26岁,身高182 cm,交通事故引起的膝上截肢,残肢长度22 cm;膝下截肢患者为男性,年龄24岁,身高178 cm,交通事故引起的膝下截肢,残肢长度17 cm。

人体行走过程中,对于下肢各关节,其角度在矢状面上的变化能够在一定程度上反映步态的对称性特征。并且,对于健康人和截肢患者,其矢状面上的角度也存在着较大的差异性。

选取一个步态周期内,膝上截肢患者健肢侧与残肢侧的各关节角度在矢状面上的变化曲线进行对比,如图3所示,其中,实线为健肢侧的数据,虚线为残肢侧数据。图中可见,膝上假肢穿戴者残肢的髋关节摆动幅度与健肢侧相比较小;为了保证支撑期的稳定性,四连杆膝关节从结构上限制了支撑期关节的活动范围,因此假肢膝关节的角度曲线在支撑期仅表现出很小的弯曲。固定的踝关节和假脚在运动过程中表现出与人体踝关节较大的差异性。

图4描述膝下截肢患者健肢侧与残肢侧的各关节角度在矢状面上的变化曲线。其中,实线为健肢侧的数据,虚线为残肢侧数据。可以看出,膝下假肢穿戴者残肢的髋关节和膝关节运动与健肢的运动基本一致,主要不同表现在固定的踝关节和假脚与人体踝关节运动存在较大的差异性。

除了关节角度的变化,人体运动过程中所受的地面反作用力同样可以反映步态的不同特征。图5为一个步态周期内截肢患者健肢侧与残肢侧所受地面反作用力在垂直方向上的对比曲线。其中,实线为健肢侧的数据,虚线为残肢侧数据。可以看出,膝上截肢患者假肢侧的受力时间较健肢侧短,即支撑期较短,而膝下截肢患者假肢侧的受力时间和健肢侧几乎相等,这与前面的支撑期百分比分析结果一致。

图6表示膝下截肢患者健肢侧与残肢侧所受地面反作用力在前后方向和左右方向上的对比曲线。

关于下肢截肢患者健肢与残肢所受地面反作用力存在差异的原因,还有待在今后的工作中进一步分析研究。

3 讨论

本文利用Vicon三维步态分析系统对健康人群和下肢截肢患者的步态时空参数和运动学参数进行对比研究。结果表明,三维步态分析系统可对截肢患者装配假肢后的效果评价提供客观、真实的数据。通过对以上健康人和下肢截肢患者的步态进行分析,了解假肢穿戴者的步态特征,结合临床经验,分析假肢穿戴者与健康人步态差异产生的原因,可以为制定康复训练方案提供切实可行的依据,同时为假肢的设计、装配提供一定的依据和评价标准[4-5]。

本研究只是针对三维步态分析系统在下肢截肢患者康复方面所做的一项基础性研究。接下来,希望以该系统为平台,建立一套完整的人体步态分析及残疾人运动康复评价系统,用于步态测评及下肢残疾者的康复训练指导。

[1]白跃宏,周俊,梁娟.步态分析在临床中应用[J].中国矫形外科杂志,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]金德闻,张培玉,王人成,等.膝上假肢使用者步态对称性分析[J].中国康复医学杂志,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.