三維步態(tài)分析在截肢患者康復(fù)中的應(yīng)用

張騰宇,李立峰,季潤(rùn),王強(qiáng),王喜太

步態(tài)分析是生物力學(xué)的特殊分支,能夠?qū)θ梭w行走時(shí)的肢體和關(guān)節(jié)活動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)觀察和動(dòng)力學(xué)分析,提供一系列時(shí)間、幾何、力學(xué)等參數(shù)值和曲線[1]。Vicon三維步態(tài)分析系統(tǒng)是目前較為先進(jìn)的、能夠客觀定量地評(píng)定人體步行功能的系統(tǒng),可以較全面地反映患者的運(yùn)動(dòng)康復(fù)功能狀態(tài),在臨床步態(tài)分析中具有重要意義。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)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(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的患者,年齡集中在24～38歲。所有受試者均無(wú)神經(jīng)疾患及心肺疾患,健康受試者均無(wú)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(zhǎng)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(guó)Vicon公司生產(chǎn)的三維步態(tài)分析系統(tǒng)對(duì)受試者進(jìn)行步態(tài)分析。步態(tài)系統(tǒng)硬件主要包括6個(gè)高速紅外拍攝頭、2個(gè)測(cè)力平臺(tái)以及若干反光標(biāo)記球等。系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為50 Hz,圖像分辨率1280×1024,測(cè)試場(chǎng)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(cè)試場(chǎng)地空間高度為3.5 m。每塊測(cè)力平臺(tái)的長(zhǎng)度為464 mm,寬度為508 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟 首先調(diào)整環(huán)境光線、溫度,為受試者進(jìn)行個(gè)人信息錄入,并更換實(shí)驗(yàn)專用服裝(下身著運(yùn)動(dòng)短褲或緊身服),然后使用14 mm標(biāo)記球進(jìn)行體表標(biāo)記。標(biāo)記位置如圖2。

圖1 測(cè)試場(chǎng)地布局

啟動(dòng)Vicon系統(tǒng)及拍攝頭,并進(jìn)行系統(tǒng)校正。將各個(gè)攝像頭分別在Vicon系統(tǒng)內(nèi)調(diào)整校好,進(jìn)入3D模式,選出圖像最清晰的區(qū)域,在步道上標(biāo)出該區(qū)域的范圍。采集開(kāi)始前,首先要求受試者在步道上自由行走數(shù)次,以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,同時(shí)要求受試者調(diào)整起步初始點(diǎn)和步幅,以保證行走過(guò)程中每只腳分別踏在一塊測(cè)力板上。

受試者站立在測(cè)試區(qū)域前邊緣處;采集開(kāi)始后,受測(cè)者原地站立3 s,然后以自然步態(tài)常速向前行走,注意受試者的每只腳應(yīng)分別踏在每一塊測(cè)力板上;走到測(cè)試區(qū)域后邊緣處,原地站立3 s,結(jié)束一次采集并保存采集到的數(shù)據(jù)。

1.4 觀測(cè)指標(biāo) 觀測(cè)受試者行走過(guò)程中的步頻、跨步長(zhǎng)、步態(tài)周期時(shí)間、支撐期時(shí)間、擺動(dòng)期時(shí)間、軀干運(yùn)動(dòng)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度和地面對(duì)人體的反作用力。

2 結(jié)果

健康人群及下肢截肢患者的步態(tài)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1,其中截肢者的支撐期百分比為殘肢側(cè)數(shù)據(jù)。

表1 健康人與下肢截肢者的步態(tài)參數(shù)

在得到步態(tài)時(shí)空參數(shù)的同時(shí),三維步態(tài)分析系統(tǒng)能夠描繪不同受試者的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)曲線。由于國(guó)產(chǎn)的普通機(jī)械式膝關(guān)節(jié)和sach腳在國(guó)內(nèi)裝配量較大,臨床上較為常見(jiàn),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(guān)節(jié)膝上截肢患者和普通sach腳的膝下截肢患者,對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)曲線進(jìn)行對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)度17 cm。

人體行走過(guò)程中,對(duì)于下肢各關(guān)節(jié),其角度在矢狀面上的變化能夠在一定程度上反映步態(tài)的對(duì)稱性特征。并且,對(duì)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(gè)步態(tài)周期內(nèi),膝上截肢患者健肢側(cè)與殘肢側(cè)的各關(guān)節(jié)角度在矢狀面上的變化曲線進(jìn)行對(duì)比,如圖3所示,其中,實(shí)線為健肢側(cè)的數(shù)據(jù),虛線為殘肢側(cè)數(shù)據(jù)。圖中可見(jiàn),膝上假肢穿戴者殘肢的髖關(guān)節(jié)擺動(dòng)幅度與健肢側(cè)相比較小;為了保證支撐期的穩(wěn)定性,四連桿膝關(guān)節(jié)從結(jié)構(gòu)上限制了支撐期關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍,因此假肢膝關(guān)節(jié)的角度曲線在支撐期僅表現(xiàn)出很小的彎曲。固定的踝關(guān)節(jié)和假腳在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)出與人體踝關(guān)節(jié)較大的差異性。

圖4描述膝下截肢患者健肢側(cè)與殘肢側(cè)的各關(guān)節(jié)角度在矢狀面上的變化曲線。其中,實(shí)線為健肢側(cè)的數(shù)據(jù),虛線為殘肢側(cè)數(shù)據(jù)?？梢钥闯?膝下假肢穿戴者殘肢的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與健肢的運(yùn)動(dòng)基本一致,主要不同表現(xiàn)在固定的踝關(guān)節(jié)和假腳與人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)存在較大的差異性。

除了關(guān)節(jié)角度的變化,人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的地面反作用力同樣可以反映步態(tài)的不同特征。圖5為一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)截肢患者健肢側(cè)與殘肢側(cè)所受地面反作用力在垂直方向上的對(duì)比曲線。其中,實(shí)線為健肢側(cè)的數(shù)據(jù),虛線為殘肢側(cè)數(shù)據(jù)?？梢钥闯?膝上截肢患者假肢側(cè)的受力時(shí)間較健肢側(cè)短,即支撐期較短,而膝下截肢患者假肢側(cè)的受力時(shí)間和健肢側(cè)幾乎相等,這與前面的支撐期百分比分析結(jié)果一致。

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

關(guān)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(jìn)一步分析研究。

3 討論

本文利用Vicon三維步態(tài)分析系統(tǒng)對(duì)健康人群和下肢截肢患者的步態(tài)時(shí)空參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明,三維步態(tài)分析系統(tǒng)可對(duì)截肢患者裝配假肢后的效果評(píng)價(jià)提供客觀、真實(shí)的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)以上健康人和下肢截肢患者的步態(tài)進(jìn)行分析,了解假肢穿戴者的步態(tài)特征,結(jié)合臨床經(jīng)驗(yàn),分析假肢穿戴者與健康人步態(tài)差異產(chǎn)生的原因,可以為制定康復(fù)訓(xùn)練方案提供切實(shí)可行的依據(jù),同時(shí)為假肢的設(shè)計(jì)、裝配提供一定的依據(jù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。

本研究只是針對(duì)三維步態(tài)分析系統(tǒng)在下肢截肢患者康復(fù)方面所做的一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究。接下來(lái),希望以該系統(tǒng)為平臺(tái),建立一套完整的人體步態(tài)分析及殘疾人運(yùn)動(dòng)康復(fù)評(píng)價(jià)系統(tǒng),用于步態(tài)測(cè)評(píng)及下肢殘疾者的康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)。

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