三維運動捕捉系統(tǒng)用于國內(nèi)學齡期及青春期健康發(fā)育兒童步態(tài)分析的研究

(1 上海市兒童醫(yī)院骨科，上海 200062； 2 上海交通大學機械與動力工程學院)

三維運動捕捉系統(tǒng)是一種新興的步態(tài)分析技術(shù)，通過紅外線高速攝影機、測力臺、表面肌電、計算機多系統(tǒng)共同獲得步態(tài)相關(guān)參數(shù)，綜合分析受試者的步態(tài)特點，能夠準確地鑒別并分析異常運動，并能通過運動學、動力學及動態(tài)肌電圖的分析確定異常運動的原因，可用于診斷、評價運動功能和指導(dǎo)治療，對于科研和臨床功能評價均是一種客觀的、可靠的參考工具。KAWAMURA等[1]的研究表明，視覺步態(tài)分析和三維步態(tài)分析只有在初步接觸地面時膝關(guān)節(jié)屈曲和骨盆傾斜度方面具有相似的可靠性，其他定量評估參數(shù)的可靠性均不如三維步態(tài)分析。三維步態(tài)分析系統(tǒng)目前在國內(nèi)評定兒童運動功能方面還處于起步階段，對正常人的步態(tài)研究主要是針對于成年人群體，對于健康兒童的研究報道甚少，而且大多是單一的單參數(shù)分析，年齡跨度小，樣本量普遍不足，尚無比較完整的國內(nèi)兒童正常值及某種疾病異常值的數(shù)據(jù)庫，這必會限制符合中國兒童發(fā)育規(guī)律的運動功能研究，所以建立中國正常兒童步態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫有極其重要的意義。VICON三維運動捕捉系統(tǒng)是目前國際先進并且公認的、能客觀地評價人體步態(tài)的定量分析系統(tǒng)[2]。本試驗的目的是能應(yīng)用該系統(tǒng)，采集和分析不同年齡段健康發(fā)育兒童步態(tài)數(shù)據(jù)，建立健康兒童的步態(tài)參數(shù)模型，在此基礎(chǔ)上分析各種疾病導(dǎo)致的病理性兒童步態(tài)的異常參數(shù)和曲線，為病理步態(tài)的診斷和治療提供參考依據(jù)?，F(xiàn)將結(jié)果報告如下。

1 對象和方法

1.1 研究對象

2017年3月—2017年6月，我科招募了350名不同年齡段健康發(fā)育的兒童，在上海市兒童醫(yī)院步態(tài)分析實驗室接受步態(tài)測試并獲取數(shù)據(jù)。所有受試者分別來自上海市各個小學和初中的學生，按年齡分為7歲組、8歲組、9歲組、10歲組、11歲組、12歲組、13歲組、14歲組、15歲組共9組。其中7歲組40人，8歲組37人，9歲組35人，10歲組38人，11歲組36人，12歲組42人，13歲組43人，14歲組41人，15歲組38人。其中男175人，女175人。所有受試者要求能完全配合檢查，能自然行走，按照中國學齡期兒童標準排除肥胖[3]，均無下肢肌肉、骨骼和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，雙下肢無明顯不等長，無膝內(nèi)翻、膝外翻，無既往下肢手術(shù)史。測試前向每位受試者家屬解釋本試驗的目的和注意事項，取得監(jiān)護人同意。試驗經(jīng)過上海市兒童醫(yī)院倫理委員會批準。

1.2 儀器

英國VICON光學運動捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件主要包括8個高速紅外攝像頭、信號轉(zhuǎn)換控制器、標定架，同時連接4個三維測力臺，可進行垂直地面作用力分析，能同步獲得行走過程中的運動學和動力學參數(shù)。應(yīng)用檢測和分析軟件校準傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理，把測試數(shù)據(jù)通過圖表、視頻、三維等多種形式顯示出來，給研究者以直觀的感受。

1.3 方法

1.3.1測試前準備 測試范圍內(nèi)確定無一切發(fā)光的物體，避免對數(shù)據(jù)采集的干擾。受試者暴露腰部以下的肢體部分，對衣物上的反光點予以遮擋。然后用標定框架對整個測試系統(tǒng)進行標定。首先記錄受試者的身高、體質(zhì)量等信息，然后用統(tǒng)一大小的標記球(直徑14 mm)進行體表標記，總共16個標記點，分別置于髂前上棘、髂后上棘、股骨外側(cè)上1/3、股骨外上髁、脛骨外側(cè)上1/3、外踝、足跟、第3跖趾關(guān)節(jié)背側(cè)，每側(cè)8個標記點，標記位置如圖1、2。

1.3.2步態(tài)分析測試方法 測試由同一位有豐富步態(tài)分析經(jīng)驗的技師進行。測試前囑受試兒童在測力臺外用習慣的姿勢和速度來回行走數(shù)次，使其適應(yīng)試驗環(huán)境。然后囑受試兒童保持標準站立姿勢，系統(tǒng)記錄各標記點的空間測試原點，建立靜態(tài)模型，注意受試者的所有反光點都應(yīng)在紅外線區(qū)域內(nèi)，然后囑受測兒童按照平時的行走方式及速度勻速、直線行走于步行地毯上，往返5次。采集自然行走狀態(tài)下的步態(tài)圖像，保證行走過程中每只腳分別完整踏在一塊測力臺上，從中選取行走姿態(tài)自然、圖像質(zhì)量好、完整包含16個標記點的3個圖像用于步態(tài)分析。記錄時間和空間數(shù)據(jù)(雙足支撐時間、單足支撐時間、支撐相所占比、步頻、步寬、步長、步幅、步速)；記錄受試者自然行走狀態(tài)下矢狀面髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動角度，其中髖關(guān)節(jié)活動角度為股骨大轉(zhuǎn)子與髂前、髂后上棘連線之間的垂線與股長軸的夾角，正角度表示屈曲角度，負角度表示伸展角度；膝關(guān)節(jié)活動角度為股長軸與脛長軸的夾角，正角度表示屈曲角度，負角度表示伸展角度；踝關(guān)節(jié)活動角度為脛長軸與第5跖骨的長軸之間的夾角，正角度表示背屈角度，負角度表示跖屈角度。同時記錄受試者自然行走狀態(tài)下垂直地板作用力。在人體行走時垂直地板作用力在每個步態(tài)周期轉(zhuǎn)折點時會出現(xiàn)極值，足跟著地時會有一個沖擊力，即產(chǎn)生第一個峰值(P1)，隨著足跟的逐漸放平，重心降低，當足底受力面積最大時出現(xiàn)谷值(V)，隨后足跟開始離地，在前足蹬地時發(fā)生另一個作用力，即產(chǎn)生第二個峰值(P2)。對時空參數(shù)數(shù)據(jù)進行下肢長度的歸一化，對動力學參數(shù)進行數(shù)據(jù)體質(zhì)量的歸一化，排除下肢長度、體質(zhì)量的差異對數(shù)據(jù)準確性的影響，以更好地評價一個人的步態(tài)，取平均值進行統(tǒng)計分析(掃描文后二維碼觀看本文研究方法的相關(guān)視頻)。

圖1測試者正面觀

圖2 測試者背面觀

2 結(jié) 果

2.1 受試兒童基本資料

男、女不同年齡組兒童腿長、體質(zhì)量等比較差異無顯著性(P>0.05)。見表1。

表1 受試兒童基本資料

2.2 受試兒童自然行走步態(tài)的下肢時空參數(shù)

各個時空參數(shù)左右側(cè)之間的相關(guān)系數(shù)都高于0.85，說明左側(cè)和右側(cè)的相關(guān)性高，可以認為受試者在自然行走下，兩側(cè)下肢時間-空間參數(shù)分布規(guī)律一致，各年齡段兒童的左右下肢協(xié)調(diào)性好，對稱性高。見表2。總體比較，男性和女性兒童的步頻、步長、步寬、步幅、步速、雙足支撐時間等參數(shù)無明顯差異(P>0.05)，只有男孩的單足支撐時間長于女孩，差異有顯著性(P<0.05)。通過對7～15歲兒童步態(tài)時空參數(shù)的年齡變化特征進行分析，可以看出，兒童的步長隨年齡增長呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，但每個年齡段比較差異無顯著性(P>0.05)。從7歲到8歲有一個明顯的步頻加快的過程(F=13.752，P<0.05)，8歲以后開始穩(wěn)定，并且基本隨年齡增長呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢，8～15歲間的每個年齡段無顯著性差異(P>0.05)。8歲兒童的步速比7歲兒童明顯增加，差異有顯著性(F=13.748，P<0.05)，8歲以后步速仍呈逐漸增加的趨勢，但趨于平穩(wěn)，差異無顯著性(P>0.05)。7～15歲的步寬基本平穩(wěn)，無顯著差異(P>0.05)。在兒童的成長過程中，受試兒童的單、雙足支撐時間均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，但差異無顯著統(tǒng)計學意義(P>0.05)，在正常步速下支撐時相平均占整個步態(tài)周期的63.6%。各年齡組間步幅比較差異無顯著性(P>0.05)。見表3。

表2 正常兒童左右側(cè)下肢時空參數(shù)比較

表3 受試兒童下肢時空參數(shù)

2.3 受試者自然行走狀態(tài)下矢狀面髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動角度

受試兒童自然行走狀態(tài)下，矢狀面左右側(cè)髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動角度分布規(guī)律一致(P>0.05)。見表4。同一指標同一性別不同年齡段兒童的活動角度差異亦無顯著意義(P>0.05)。同一年齡段內(nèi)不同性別同一指標比較差異無顯著性(P>0.05)。到支撐末期，髖關(guān)節(jié)從屈曲變?yōu)樯熘睜顟B(tài)，足離地前髖關(guān)節(jié)伸直角度達到最大值。進入擺動期后，髖關(guān)節(jié)屈曲角度增大，逐漸達到最大狀態(tài)。在擺動初期膝關(guān)節(jié)的屈曲角度達到最大。到足跟著地時期，膝關(guān)節(jié)伸直角度變?yōu)樽畲蟆ｋS著身體的前傾，踝關(guān)節(jié)開始背伸運動。到蹬離期，蹬地動作使踝關(guān)節(jié)快速跖屈，這時會產(chǎn)生最大的跖屈角度。見表5，圖3。

2.4 受試者自然行走步態(tài)的垂直地板作用力

本研究受試者的垂直地板作用力曲線見圖4，研究發(fā)現(xiàn)7～15歲正常兒童垂直地板作用力曲線同國外同齡人相同[4]，由2個波峰和1個波谷組成。本研究結(jié)果顯示，在第一個雙足支撐相末期，隨著腳尖離地，負荷全部移至該側(cè)下肢，支撐反作用力達到最大，出現(xiàn)第一個峰值，然后進入單足支撐時相階段，到了單足支撐時相中期，垂直作用力變?yōu)樽钚。礊楣戎?。隨后在單足支撐相末期，隨著腳尖離地，垂直作用力達到第二個峰值。由表6、7可以看出，左右足的曲線分布規(guī)律一致，性別及各年齡組間峰值和谷值大小比較差異無顯著性(P>0.05)，但第二峰值的平均值要普遍高于第一峰值的平均值。峰值和谷值的出現(xiàn)時間用從開始行走到分別出現(xiàn)峰值和谷值的時間在步態(tài)周期中所占百分比表示。隨著年齡增大，P1出現(xiàn)的時間(T1)相對有所延后，而P2的出現(xiàn)時間(T2)會相對提前。

表4 正常兒童左右側(cè)下肢運動學參數(shù)比較

表5 不同組矢狀面髖、膝、踝關(guān)節(jié)最大活動角度

表6 正常兒童左右側(cè)下肢動力學參數(shù)比較

3 討 論

時空參數(shù)是步態(tài)分析中最常用的參數(shù)，它能反映出人行走時最基本的步行特征和步行功能。時空參數(shù)很大程度上取決于身體形態(tài)，已經(jīng)證實步速、下肢長度、體質(zhì)量等因素均會影響兒童步態(tài)成熟過程中大部分步態(tài)參數(shù)[5]。本試驗強調(diào)受試者必須按照習慣的步速勻速行走，并將數(shù)據(jù)分別進行下肢長度和體質(zhì)量的歸一化，目的是排除上述因素對試驗準確性的影響。單足的平衡能力能夠反映出一個人的步態(tài)是否穩(wěn)定，由于兒童行走初期平衡能力弱，只有采用縮短單足支撐時間，延長雙足支撐時間的辦法才能保持身體平衡[6]。GUFFEY等[7]發(fā)現(xiàn)，3歲之后兒童的單足支撐相逐漸延長并達到成年人水平。

表7 不同組垂直地板作用力的峰值、谷值和出現(xiàn)時間比較

T3代表谷值出現(xiàn)時間。

A：左右髖關(guān)節(jié)屈曲伸展角度曲線；B：左右膝關(guān)節(jié)屈曲伸展角度曲線；C：左右踝關(guān)節(jié)背伸跖屈角度曲線。綠色曲線代表左側(cè)，紅色曲線代表右側(cè)。

圖3受試者自然行走步態(tài)的矢狀面髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動角度曲線

步寬也是反映兒童步態(tài)發(fā)展的重要參數(shù)，后者能夠從空間角度來反映兒童橫向穩(wěn)定性的變化[8]。張海濤等[9]研究發(fā)現(xiàn)，4歲兒童的單足支撐期較短，5歲左右單足支撐時間與成人接近。5歲之前步頻較快，之后步頻逐漸減小，6歲后接近成人水平。隨著兒童年齡的增長步寬減小，并趨于穩(wěn)定。本研究發(fā)現(xiàn)，7～15歲兒童的步行時空參數(shù)除單足支撐相外沒有性別的差異。步長隨年齡增長呈現(xiàn)增加趨勢，14歲接近國內(nèi)成人水平[10]，而步頻自8歲后呈現(xiàn)減少趨勢，12歲前后接近國內(nèi)成人水平[10]；8歲兒童的步速明顯快于7歲，8歲以后步速仍呈增加趨勢，但趨于平穩(wěn)，提示8歲兒童已經(jīng)具有較好的行走能力；7～15歲步寬無明顯變化，提示兒童在7歲以后行走已經(jīng)穩(wěn)定。單、雙足支撐時間隨年齡增長均呈現(xiàn)出增加趨勢，7歲即達到成人水平[10-11]。本研究結(jié)果基本與上述國內(nèi)外研究結(jié)果相符合。

正常兒童垂直地板作用力曲線呈“M”形，有2個波峰和1個波谷。綠色曲線代表左側(cè)，紅色曲線代表右側(cè)。

圖4受試者自然行走步態(tài)的垂直地板作用力曲線

步態(tài)的運動學分析，主要是對行走過程中觀察到的肢體包括各個關(guān)節(jié)的位置、角度、速度以及加速度的具體描述。絕大部分的下肢關(guān)節(jié)步態(tài)分析多是針對髖、膝、踝等關(guān)節(jié)的矢狀面活動角度和活動范圍的研究。下肢關(guān)節(jié)在運動中的角度變化和活動范圍能一定程度上反映相應(yīng)關(guān)節(jié)的功能情況和關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，可以更客觀、直接及形象地描述步行中身體重心、骨盆位置的運動變化規(guī)律。幼兒獨立行走初期下肢關(guān)節(jié)角度曲線與成人有很大差異，隨著行走經(jīng)驗的增加，下肢3個關(guān)節(jié)的屈曲角度將不斷減小[12]。SMITH等[13]發(fā)現(xiàn)，6～10歲的正常兒童下肢關(guān)節(jié)角度曲線除髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)活動隨年齡變化存在差異以外其他基本相似。GANLEY等[14]結(jié)合前人的研究結(jié)果，將7歲兒童和成年人運動學參粘進行對比，發(fā)現(xiàn)7歲兒童步態(tài)的運動學特征基本達到成年人的水準。通過與我國成人關(guān)節(jié)運動學參數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，本研究受試兒童的髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度最大值及角度范圍是高于成人水平的，而且隨著年齡的增長，關(guān)節(jié)活動曲線逐漸接近于成人，但是兒童的關(guān)節(jié)曲線形態(tài)與成人基本相同[15]。

垂直地板反作用力是最重要的動力學參數(shù)，即測力臺給足底的垂直方向的作用力，可反映步行時支撐下肢的負重和離地能力[16]。一個正常的垂直作用力變化軌跡出現(xiàn)兩個波峰和一個波谷，是因為人體在行走時，重心發(fā)生兩次擺動，重心的抬高和降低引起加速度改變，進而導(dǎo)致力的變化。COUSINS等[17]通過對學齡期兒童足底壓力分布特征研究發(fā)現(xiàn)，兒童步行時的足底壓力曲線為雙峰形，不存在性別差異，但是左右側(cè)有一定的差異。JOHN等[18]發(fā)現(xiàn)較年幼兒童在減速階段時的垂直地板反作用力峰值要高于加速階段，并且較年幼兒童由減速階段轉(zhuǎn)換到加速階段的時間點相對提前。KUNG等[19]發(fā)現(xiàn)2歲以上兒童的垂直地板作用力曲線與成人曲線已經(jīng)基本相似。YAN等[20]研究發(fā)現(xiàn)，1歲兒童的反作用力曲線中僅有一個波峰，但隨著年齡的增長，第二峰值逐漸增加，但是始終沒有超過體質(zhì)量的100%。有研究表明速度越大，第一峰值越大，足跟觸地沖擊力大于蹬地力，因此曲線中第一峰值大于第二峰值[21]，但也有學者認為是第二峰值大于第一峰值[22]。本試驗顯示7～15歲正常兒童垂直地板作用力曲線呈“M”形，第二峰值的均值大于第一峰值的均值。而且隨著年齡增大，第一峰值的出現(xiàn)時間相對延后，而第二峰值的出現(xiàn)時間會相對提前。峰值和谷值的大小在性別及各年齡組間卻并無明顯差異，所以在分析垂直地板作用力時，不能只考慮速度，可能還與下肢肌肉等身體結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。

本文的研究對象覆蓋7～15歲的健康兒童，應(yīng)用先進的VICON三維運動捕捉系統(tǒng)同時對兒童自然行走的時空參數(shù)、運動學參數(shù)和動力學參數(shù)進行檢測并分析，擴展和完善了國內(nèi)不同年齡段的兒童步態(tài)數(shù)據(jù)，初步揭示中國健康兒童的步行時空特征及其變化規(guī)律，但是本研究也存在不足之處，比如：①沒有結(jié)合兒童表面肌電信號進行研究。②研究的樣本量不足。③缺少對兒童冠狀面及橫斷面的關(guān)節(jié)運動變化的觀察。在以后的研究中會給予充分綜合考慮，以完善相關(guān)研究結(jié)果。