健康人不同姿勢站立和步行時姿勢圖參數(shù)的重測信度研究

陸蓉蓉，高天昊，李策，郭帥，王志勇，白玉龍

1.復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，上海市200040；2.上海大學(xué)，上海市200436；3.上海金矢機(jī)器人科技有限公司，上海市200436

目的 在腦卒中患者恢復(fù)中，維持站立位和坐位的能力對后續(xù)日常生活活動能力改善產(chǎn)生一定的影響。目前臨床上缺乏對姿勢控制能力有效的定量評價方式。本研究評價以骨盆質(zhì)心為基礎(chǔ)的姿勢圖參數(shù)在評價不同姿勢站立和適宜速度步行時的可靠性。

方法 2018年5月17日至6月3日，納入79例健康青年人，在智能化下肢助行機(jī)器人上分別進(jìn)行雙腳站立、左/右腳站立和10 m適宜速度步行評定。運(yùn)動結(jié)束后由系統(tǒng)自動計(jì)算出姿勢圖參數(shù)。測試分兩次進(jìn)行，兩次測試間隔1 d。

結(jié)果 在雙腳站立姿勢圖測定中，額狀面平均擺幅、矢狀面平均擺幅、重心移動軌跡總長度和重心移動總面積的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC)＞0.70；在左/右腳站立姿勢圖測定中，左腳站立相所評估參數(shù)的ICC＞0.70，右腳站立相上述參數(shù)的ICC＞0.49。在適宜速度10 m步行姿勢圖測定中，重心移動軌跡總長度和重心移動總面積的ICC＞0.75。將受試者不同姿勢站立相姿勢圖進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)雙腳站立較單腳站立更為穩(wěn)定(P＜0.01)，優(yōu)勢側(cè)對站立穩(wěn)定性并無明顯影響(P＞0.05)。

結(jié)論 以骨盆質(zhì)心為基礎(chǔ)進(jìn)行姿勢圖評價能可靠地反映在雙腳站立、左/右腳站立和適宜速度步行時的姿勢控制，在正常人群中有較好的可重復(fù)性。

在腦卒中患者中，運(yùn)動障礙是最常見的功能障礙之一，他們的跌倒風(fēng)險(xiǎn)較同年齡段的健康人顯著增高。同時，跌倒也是腦卒中患者在康復(fù)過程中最容易出現(xiàn)的并發(fā)癥之一[1]。腦卒中患者下肢肌肉力量的不對稱、感覺輸入減退[2]和心理因素等都會造成在運(yùn)動過程中的跌倒風(fēng)險(xiǎn)增加[3-5]，其姿勢控制呈現(xiàn)不對稱和不穩(wěn)定的特征[6-7]。

在腦卒中患者運(yùn)動功能的恢復(fù)過程中，靜態(tài)站立是后續(xù)坐-站轉(zhuǎn)移功能和步行功能進(jìn)一步改善的第一步，確保患者能安全有效地完成靜態(tài)站立是后續(xù)功能性動作有序安全出現(xiàn)的前提條件[8-9]。目前的康復(fù)治療強(qiáng)調(diào)精準(zhǔn)的個體化康復(fù)治療方案，但是我們常用的評定量表則多為半定量或者定性的量表，如常用的Berg平衡量表[10]。Berg平衡量表在腦卒中患者平衡功能評定中雖然有效，但是也存在一定不足。一是存在天花板效應(yīng)[11]，二是它并不是一種動態(tài)的評估方法[12]。因此，很多研究開始將姿勢圖參數(shù)用于下肢運(yùn)動功能和平衡功能的評價。有研究證實(shí)姿勢圖參數(shù)能可靠有效地評價某些運(yùn)動過程，如蹲站運(yùn)動[13]和坐-站-坐運(yùn)動[14]。

為了進(jìn)一步評估姿勢圖參數(shù)在步行過程中的應(yīng)用的前景，我們設(shè)計(jì)一款智能助行康復(fù)機(jī)器人。與既往以足底壓力為基礎(chǔ)[15]的下肢機(jī)器人所不同的是，我們著眼于骨盆位置的變化，對動作的穩(wěn)定性和對稱性進(jìn)行評價。由于靜態(tài)站立是后續(xù)功能性活動的基礎(chǔ)，本研究中首先對雙腳站立、左腳站立、右腳站立和適宜速度步行時評價的可信性進(jìn)行評估。

1 資料與方法

1.1 研究對象

2018年5月17日至6月3日在復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院招募健康志愿者79名為受試者，其中男性54名，女性25名，平均年齡(23.09±3.84)歲，平均身高(170.20±7.50)cm，平均體質(zhì)量(62.32±1.14)kg，所有受試者都為右利手。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①無認(rèn)知障礙；②無嚴(yán)重視力障礙；③無平衡功能障礙；④愿意參加試驗(yàn)。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①有神經(jīng)肌肉系統(tǒng)及肌肉骨骼系統(tǒng)的疾病史，如腦卒中、帕金森病等；②不穩(wěn)、眩暈和感覺功能缺失等癥狀；③其他可能引起平衡異常的疾?。虎荜P(guān)節(jié)炎；⑤未能糾正的視力障礙；⑥體位性低血壓；⑦嚴(yán)重的心肺疾病；⑧服用麻醉鎮(zhèn)靜劑，或抗焦慮藥、抗抑郁藥。

本研究方案已經(jīng)通過復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院倫理委員會審核[No.(2017)臨審第(368)號]。

1.2 研究設(shè)備

1.2.1 基本原理

應(yīng)用智能助行下肢機(jī)器人(iReGo)，見圖1。受試者佩戴完腰帶后，用卡環(huán)將骨盆兩側(cè)與設(shè)備的萬向結(jié)牢固連接。當(dāng)骨盆移動時，帶動萬向結(jié)發(fā)生移動、擺動和側(cè)傾運(yùn)動。見圖2。骨盆支撐結(jié)構(gòu)通過采集一個編碼器、四個壓力傳感器的信號，可以實(shí)時計(jì)算出骨盆質(zhì)心(pelvic centroid)的軌跡。

圖1 智能助行下肢機(jī)器人(iReGo)

圖2 腰帶和萬向結(jié)連接示意圖

如圖3所示，利用左右兩側(cè)各兩個壓力傳感器和已知的彈簧系數(shù)，可以計(jì)算出骨盆兩側(cè)沿X方向的移動量，從而計(jì)算出骨盆質(zhì)心沿X方向的移動量；利用擺動編碼器可以測出骨盆質(zhì)心沿Y方向的擺動量。據(jù)此可以繪制出骨盆質(zhì)心在XY平面內(nèi)的移動軌跡。

圖3 結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 參數(shù)計(jì)算原理

重心移動軌跡總面積計(jì)算方式：

(1)輸入：平面上n個點(diǎn)P1,P2,…,Pn的坐標(biāo)(xi,yi)。

(2)輸出：點(diǎn)集凸包圖面積。

1)將點(diǎn)集按縱坐標(biāo)y值的大小重新排序，并以P1,P2,…,Pn重新標(biāo)記。其中y值最小點(diǎn)設(shè)為P1，如有相同最小y坐標(biāo)的點(diǎn)，則選擇其中橫坐標(biāo)x最小點(diǎn)記為P1。

2)把其他各點(diǎn)按P1Pi與P1所在水平線所成的夾角值按升序排序，夾角相同時，以P1Pi的距離由小到大進(jìn)行排序，完成對其余各點(diǎn)P2,…,Pn的重新編號。

3)使用矢量法依次檢查相鄰的3個點(diǎn)Pi,Pi+1,Pi+2。如果∠Pi+Pi+1Pi＜180，則點(diǎn)由Pi前進(jìn)到Pi+1；如果∠Pi+Pi+1Pi≥180，則刪去頂點(diǎn)Pi+1，并退回到鏈表中前一個點(diǎn)Pi-1Pi。

4)遍歷所有點(diǎn)之后，余下的點(diǎn)就是凸包圖的頂點(diǎn)。

5)在已知凸包各頂點(diǎn)坐標(biāo)的條件下，利用組合三角法求包絡(luò)面積。

其計(jì)算公式為：

式中，S從i=3開始依次計(jì)算，直至凸包圖頂點(diǎn)集的最后一點(diǎn)，并將所得Si-2值累計(jì)，從而得出總面積S。

重心移動軌跡總長度計(jì)算方式：

計(jì)算Pi-1Pi之間的距離，從i=1開始依次計(jì)算，直至點(diǎn)集中的最后一點(diǎn)，并將所有距離累加，從而得出總軌跡長度L。

1.2.3 研究方法

本研究為觀察性研究。

一名熟悉該系統(tǒng)操作的康復(fù)醫(yī)師作為評定者。整個評定過程在智能助行下肢機(jī)器人上進(jìn)行。盡量保持兩次試驗(yàn)環(huán)境相同。

試驗(yàn)前，評定者首先向受試者解釋試驗(yàn)的目的和試驗(yàn)過程中所需要注意的具體事項(xiàng)，以求得到受試者的充分理解和配合，使其放松心情，有助于整個試驗(yàn)的順利進(jìn)行。在評定過程中，要求受試者正視前方，盡量將身體的重量平均地分布于兩側(cè)下肢，在整個評定過程中盡量控制身體，減少搖擺。整個試驗(yàn)在安靜的環(huán)境下完成，并且試驗(yàn)過程中的視覺環(huán)境良好。

整個評定分為2次，第2次評定在第1次評定后1 d進(jìn)行。

1.2.3.1 雙腳站立平衡測定

受試者穿戴完畢后，站在智能助行下肢機(jī)器人中央，雙腳與肩同寬，雙手自然置于身體兩側(cè)，直視前方，自然站立。在測試過程中，囑受試者盡可能保持姿勢穩(wěn)定。見圖4。整個采集過程為1 min，包括適應(yīng)時間10 s和數(shù)據(jù)采集時間50 s。

圖4 雙腳站立平衡測試

利用編碼器測得人骨盆中心的左右擺動幅度，利用前后四個壓力傳感器和彈簧彈性系數(shù)計(jì)算出人前后擺動的幅度。根據(jù)人相對于最初中間位置實(shí)時的偏離情況，下位機(jī)TwinCat PLC以10 ms為周期采集人的實(shí)時擺動幅度，上位機(jī)軟件以1 s為周期獲取左右、前后的擺動輻度，顯示在界面上并存取下來。

1.2.3.2 左/右腳站立平衡測定

受試者穿戴完畢后，單腳(左/右腳)站立在智能助行下肢機(jī)器人中央，雙手自然置于身體兩側(cè)，直視前方，自然站立。在測試過程中，囑受試者盡可能保持姿勢穩(wěn)定。

整個采集過程為1 min，包括適應(yīng)時間10 s和數(shù)據(jù)采集時間50 s。

1.2.3.3 步行時平衡測定

受試者雙手扶把手，以適宜速度直線行走10 m。行走過程中，下位機(jī)TwinCat以10 ms為周期記錄行走距離信息和骨盆質(zhì)心的左右擺幅信息，上位機(jī)以1 s為周期取走記錄的信息。同時，為了保證記錄數(shù)據(jù)的可靠性，對前5 s的數(shù)據(jù)和最后5 s的數(shù)據(jù)舍棄，以行走距離為橫軸、左右擺幅為縱軸，計(jì)算左右擺幅與橫軸所構(gòu)成的絕對面積、左右擺幅與橫軸構(gòu)成曲線的總線長。

1.3 姿勢圖參數(shù)

本研究采用姿勢圖參數(shù)來評估雙腳站立、左/右腳站立和適宜速度10 m步行中的姿勢控制情況。雙腳站立和左/右腳站立平衡測定中的姿勢圖參數(shù)包括額狀面平均擺幅、矢狀面平均擺幅、重心移動軌跡總長度和重心移動軌跡總面積。在適宜速度10 m步行測試中的姿勢圖參數(shù)包括重心移動軌跡總長度和重心移動軌跡總面積。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 20.0對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。均數(shù)差異比較用方差分析。在方差分析前進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)。信度分析統(tǒng)計(jì)方法采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intra-class correlation coefficient,ICC)作為評測指標(biāo)，評價該運(yùn)動評估方法的內(nèi)部信度。ICC＜0.4視為重測信度差，ICC在0.4～0.75之間視為重測信度較好，ICC＞0.75視為重測信度良好[16-17]。

2 結(jié)果

正態(tài)性檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)顯示，前后2次測定的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，方差無顯著性差異(P＞0.05)。

2.1 雙腳站立平衡重測信度

在雙腳站立姿勢圖測定中，所評估參數(shù)的ICC＞0.70，提示具有較好或良好的重測信度。見表1。

2.2 左/右腳站立平衡重測信度

在左/右腳站立姿勢圖測定中，左腳站立相所評估參數(shù)的ICC＞0.70，提示具有較好或良好的重測信度。見表2。右腳站立相所評估參數(shù)的ICC＞0.49，提示具有較好或良好的重測信度。見表3。

2.3 不同姿勢站立相姿勢控制的比較

受試者不同姿勢站立相姿勢圖參數(shù)相比，雙腳站立情況下額狀面平均擺幅、矢狀面平均擺幅、重心移動軌跡總長度和重心移動軌跡總面積均明顯優(yōu)于左/右腳站立相的相應(yīng)參數(shù)(P＜0.01)；單腳站立相比較，除了右腳單腳站立相的額狀面平均擺幅顯著低于左腳單腳站立(P＜0.001)以外，其他姿勢圖參數(shù)無顯著性差異(P＞0.05)。見表4。

2.4 適宜速度10 m步行平衡重測信度

在適宜速度10 m步行姿勢圖測定中，所評估的參數(shù)的ICC值都在0.75以上，提示具有良好的重測信度見表5。

表1 健康成年人雙腳站立姿勢圖參數(shù)的重測信度

表2 健康成年人左腳站立姿勢圖參數(shù)的重測信度

表3 健康成年人右腳站立姿勢圖參數(shù)的重測信度

3 討論

腦卒中患者對姿勢的控制受多種因素的影響[18]，如運(yùn)動功能障礙、感覺減退或喪失、感知功能障礙和空間認(rèn)知變化等[19-20]。治療后期，維持坐站的能力會對日常生活活動能力產(chǎn)生較大的影響[21]。為了進(jìn)一步完善評定和治療方案，需要我們應(yīng)用一些定量的評定結(jié)果[22]。我們將智能化下肢助行機(jī)器人作為媒介，提供定量的姿勢評價結(jié)果。

重測信度又稱再測信度，為常用信度評估方法之一，反映測驗(yàn)跨越時間的穩(wěn)定性和一致性，即應(yīng)用同一測驗(yàn)方法，對同一組被試者先后兩次進(jìn)行測查，然后計(jì)算兩次測查所得分?jǐn)?shù)的關(guān)系系數(shù)，相關(guān)程度高，表示前后測量一致性高，穩(wěn)定性好。既往研究指出，靜態(tài)姿勢圖參數(shù)的重測信度良好(ICC＞0.75)[23-24]。

既往研究的姿勢圖參數(shù)以足底壓力作為基礎(chǔ)，所以在評定過程中，無法離開足底壓力傳感器，這從一定程度上制約了對動態(tài)過程如步行等姿勢控制的定量評價。我們所設(shè)計(jì)評定方法是以骨盆質(zhì)心——骨盆的幾何中心——作為基礎(chǔ)得到額狀面平均擺幅、矢狀面平均擺幅、重心移動軌跡總長度和重心移動軌跡總面積等姿勢圖參數(shù)，可以對靜態(tài)站立相(雙腳、左/右腳)和步行過程中的姿勢控制穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

在靜態(tài)平衡(雙腳站立相和左/右腳站立相)的姿勢圖評定中，除右腳站立相的重心移動總面積的ICC為0.49，其他參數(shù)的ICC都在0.70以上，顯示較好或良好的重測信度，提示利用這種方式可以定量地評價患者靜態(tài)平衡能力。在步行控制能力的評價中，我們對適宜速度10 m步行進(jìn)行評價，重心移動軌跡總長度和總面積的ICC都在0.85以上，顯示良好的重測信度，提示采用這種方式能定量地評價在步行過程中的姿勢控制能力，從而豐富了姿勢圖參數(shù)在動態(tài)平衡功能評價中的作用。無論是在靜態(tài)平衡還是在動態(tài)步行的評價中，以骨盆質(zhì)心為基礎(chǔ)的姿勢圖參數(shù)都具有較好或良好的重測信度，因此，應(yīng)用此種姿勢圖參數(shù)進(jìn)行評價是可行并且可靠的。

此外，我們還比較了健康受試者不同姿勢站立相控制的穩(wěn)定性，結(jié)果顯示，雙腳站立較單腳站立更加穩(wěn)定，這與從常態(tài)的推論相符。將單腳站立相的姿勢圖參數(shù)相比，除了右腳站立相的額狀面平均擺幅較左腳站立更穩(wěn)定以外，其他參數(shù)在左/右腳站立相都沒有顯著性差異。從該結(jié)果來看，再結(jié)合受試者都是右利手的情況考慮，在健康青年人群中，優(yōu)勢側(cè)并不會對站立相姿勢控制帶來顯著影響。但這一結(jié)果也促使我們思考另一個問題，即在中老年人群中，在肌肉力量降低的情況下，優(yōu)勢側(cè)下肢站立相，姿勢控制的穩(wěn)定性會不會更好？這需要我們設(shè)計(jì)進(jìn)一步的研究來驗(yàn)證。

本研究的不足在于所納入的受試者都是健康青年人，缺少中老年受試者的數(shù)據(jù)。因?yàn)榻】登嗄耆说淖藙菘刂颇芰Ρ戎欣夏耆烁?，而臨床工作中我們所面臨的患者大多為中老年患者，可能中老年受試者的數(shù)據(jù)與患者相比更為匹配。通過收集與跌倒相關(guān)的信息，或能建立姿勢圖參數(shù)與跌倒發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)性。此外，本研究中所應(yīng)用的設(shè)備只能反映姿勢控制的穩(wěn)定性，在對稱性方面缺乏評價結(jié)果。但是考慮到既往也有研究[25]指出，腦卒中患者負(fù)重的不對稱性改善也許與姿勢控制改善之間無直接聯(lián)系。因此，我們認(rèn)為，通過穩(wěn)定性相關(guān)參數(shù)的評價也有益于評定和治療方案的制定。

我們會在今后的研究中進(jìn)行中老年健康者人群的評定，收集與跌倒相關(guān)的信息，從而進(jìn)一步評價姿勢圖參數(shù)在跌倒預(yù)測中的價值。我們也會在下肢運(yùn)動障礙患者中進(jìn)行評估，定量地反映出不同情況下的姿勢控制能力，針對評定結(jié)果制定個體化治療方案。希望通過精準(zhǔn)評定帶來精準(zhǔn)治療，從而進(jìn)一步提高康復(fù)的療效。

綜上所述，以骨盆質(zhì)心為基礎(chǔ)進(jìn)行姿勢圖評價能可靠地反映在雙腳站立相、左/右腳站立相和適宜速度步行時的姿勢控制，所測參數(shù)在健康青年人群中有較好的可重復(fù)性，提示該方法或能動態(tài)評價上述過程中的姿勢控制能力。今后需要在中老年群體和患者群體中應(yīng)用這種方式來進(jìn)行功能評價和療效評價，進(jìn)一步探討上述參數(shù)與跌倒發(fā)生的關(guān)系。