融合聲音與運動傳感器的步態(tài)分析技術的敏感性及信度研究

孔佑琪，劉明勇，王成，周立春，王向東

步態(tài)分析是針對人體行走時肢體及關節(jié)活動進行的運動學觀察及動力學分析，可提供基于一系列時間、幾何、力學等概念的參數(shù)值及曲線。近年來，步態(tài)分析技術受到了越來越多的關注，已逐漸應用于醫(yī)療、康復等領域，對于神經(jīng)系統(tǒng)疾病所致的步態(tài)異常[1-2]，尤其對于卒中后偏癱步態(tài)的分析具有重要意義，可為下一步制定康復治療方案及療效評價提供臨床依據(jù)[3]。目前常用的步態(tài)分析技術包括足印法、三維步態(tài)分析法、人體步態(tài)墊測定法及便攜式步態(tài)分析儀等[4-6]。本研究應用中國科學院計算技術研究所研制的融合聲音與運動傳感器的步態(tài)分析技術，應用可穿戴設備對健康成人及卒中偏癱人群進行步態(tài)分析，探究該技術的信度及敏感性，為臨床使用該步態(tài)分析技術提供實驗依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象及納入標準 本研究共納入卒中偏癱患者及健康受試者47名。其中25名來自社區(qū)的健康成年人為對照組，男16名，女9名，年齡（55.68±12.41）歲，身高（166.94±8.32）cm，體重（71.84±17.61）kg。22名于2017年8月-2018年7月在北京朝陽醫(yī)院住院治療的偏癱患者為病例組，男14名，女8名，年齡（59.23±14.65）歲，身高（167.00±7.26）cm，體重（69.91±8.59）kg；左側偏癱者10例，右側偏癱者12例。兩組受試者的年齡、身高、體重比較，差異均無統(tǒng)計學意義。

對照組納入標準：無下肢肌肉、骨骼及神經(jīng)系統(tǒng)疾病，無嚴重的心肺疾病。

病例組納入標準：①臨床確診因急性卒中致步態(tài)異常者；②患肢肌力Ⅳ級及以上，能夠獨立步行10 m以上；③無下肢深、淺感覺異常；④無嚴重認知障礙者；⑤無前庭/小腦功能障礙及其他可引起行走障礙的下肢肌肉、骨骼及神經(jīng)系統(tǒng)病變者；⑥無心、肺、肝、腎功能不全等嚴重系統(tǒng)疾病者。

1.2 研究設備 本研究采用中國科學院計算技術研究所研制的蓋力步（Gaitboter）步態(tài)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含融合聲音與運動傳感器的可穿戴步態(tài)采集設備與相應的步態(tài)分析軟件。可穿戴步態(tài)采集設備外觀為日常穿著的運動鞋，鞋內置多傳感器融合的步態(tài)數(shù)據(jù)采集電路，具體包含步態(tài)原始數(shù)據(jù)采集和獲取模塊、處理器模塊、藍牙無線收發(fā)模塊、存儲模塊和電源模塊。傳感器包括微型麥克風（采樣率4000 Hz），以及加速度計、陀螺儀和腳底薄膜壓力傳感器（采樣率均為80 Hz）。步態(tài)分析軟件安裝于智能手機上，可實時接收步態(tài)采集設備發(fā)送的步態(tài)數(shù)據(jù)并進行分析，采用的技術包括雙通道穿戴式麥克風音頻中的腳步聲檢測[7]、融合腳步聲和慣性傳感器數(shù)據(jù)的步態(tài)特征提取等[8]。前期實驗表明，由于融合了聲音與運動傳感器兩個通道的信息，本文所采用的系統(tǒng)測得的步態(tài)時空參數(shù)準確率高于只采用加速度、陀螺儀等慣性傳感器的系統(tǒng)[7-8]。

測試時左右腳同步進行數(shù)據(jù)采集，并通過無線藍牙將采集到的傳感器信號實時傳輸?shù)街悄芙K端，經(jīng)過軟件分析后，可以提取出步態(tài)的時空參數(shù)、踝關節(jié)三維運動參數(shù)以及足底壓力分布情況。

1.3 研究方法 ①開始測試前向受試者解釋實驗過程及注意事項；②受試者選擇適合尺寸的可穿戴設備，身著輕薄服裝；③選定一條長10 m、寬3 m的走道作為步態(tài)分析走道，并由操作者對可穿戴設備進行校準；④測試時要求受試者在不受干擾的狀態(tài)下，以直線勻速行走10 m，共記錄2次，使用基于融合聲音與運動傳感器的步態(tài)分析技術對受試者進行步態(tài)分析，軟件可自動分析受試者相關步態(tài)參數(shù)。正式測試前受試者需在走道上行走2次以適應環(huán)境。

步態(tài)時間-空間參數(shù)：①步幅：即同一側足跟前后連續(xù)2次著地點間的縱向直線距離。②步頻：每分鐘平均步數(shù)（步數(shù)/分）。③擺動相時間：指足離開地面向前邁步到再次落地之間的時間。④支撐相時間：下肢接觸地面的時間，包括單足支撐相時間及雙足支撐相時間。⑤步速：步行的平均速度（m/s）。⑥足偏角：足中心線與同側步行直線之間的夾角。

踝關節(jié)運動學參數(shù)：包括離地角度、著地角度及矢狀面、冠狀面、水平面最小角度、最大角度。其中，矢狀面角度以足尖向上為正值，向下為負值；冠狀面以足背內翻為正值，外翻為負值；水平面以足尖向外為正值，足尖向內為負值。

1.4 統(tǒng)計學處理 采用SPSS 23.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，所有計量資料根據(jù)正態(tài)分布用的形式描述。對病例組患側及對照組進行兩獨立樣本t檢驗以評估系統(tǒng)敏感性，P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學意義。對2次測試結果使用組內相關系數(shù)（intraclass correlation coefficient，ICC）分析重測信度。根據(jù)J. Richard Landis和Gary G. Koch的標準[9]：ICC值在0.81～1.00表示重測信度好，0.61～0.80為中等，0.41～0.60為一般，0.11～0.40為較低，＜0.10表示無一致性。

2 結果

2.1 敏感性 病例組患側步態(tài)時空參數(shù)與對照組比較，步幅縮短，步頻及步速下降，擺動相時間、支撐相時間及雙足支撐時間延長，比較差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.01）。病例組患側步行時踝關節(jié)運動學參數(shù)與對照組比較，結果顯示偏癱側踝背屈下降，比較差異具有統(tǒng)計學意義（表1）。

2.2 重測信度 受試者正常行走時，本研究所采用的融合聲音與運動傳感器的步態(tài)分析技術2次測量所得的時空參數(shù)及關節(jié)角度的ICC均較高（0.901～0.996），提示該步態(tài)分析技術重測信度較好（P＜0.001）（表2）。

3 討論

與傳統(tǒng)的足印法及目前實驗室步態(tài)分析常用的三維步態(tài)分析法相比，融合聲音與運動傳感器的步態(tài)分析技術具有操作簡單、成本較低、對測試場地無特殊要求等優(yōu)勢。本研究旨在評測該技術的穩(wěn)定性，驗證其重復測量的一致性及準確性。

步態(tài)不對稱是卒中后步態(tài)的重要特點[10]，偏癱患者與社區(qū)正常成人步幅、步頻、步速及雙足支撐時間等參數(shù)比較具有差異。大部分偏癱步態(tài)表現(xiàn)為患肢單足支撐相顯著縮短、雙足支撐相延長，步幅縮短，步頻、步速降低，典型的劃圈步態(tài)為擺動相足下垂、足內翻、直膝、髖關節(jié)外旋。本研究對偏癱組及正常對照組的各項步態(tài)時空參數(shù)及關節(jié)角度進行比較，統(tǒng)計學分析顯示，本研究結果與既往研究結果相似[6，11-13]，提示偏癱患者患側下肢的步速顯著減慢，步幅、步頻顯著低于對照組，且擺動時間、總支撐時間、雙足支撐時間顯著延長，踝關節(jié)背屈下降。其中，步行速度是評估偏癱患者行走能力的重要客觀指標，偏癱患者步速減慢考慮為多因素共同作用的結果，包括肌力下降、平衡功能受損及運動功能恢復較差等。有學者認為偏癱患者步幅縮短考慮與如下因素相關：①患肢肌力下降導致擺動相早期足部離開地面的推進力不足；②患側足趾離地及擺動相早期髖關節(jié)屈肌力量弱；③患肢擺動相晚期減速過快；④健側支撐期髖關節(jié)伸肌過度活動[14]。偏癱患者步行時主要依賴健側下肢負重，導致偏癱側單足支撐相縮短，雙足支撐相延長，形成不對稱步態(tài)，增加行走時能量消耗及摔倒風險，可嚴重影響患者獨立生活能力。本研究中偏癱組的步態(tài)參數(shù)與對照組相比差異均具有統(tǒng)計學意義，提示該步態(tài)分析系統(tǒng)對患者步態(tài)異常具有較高敏感性。

表1 病例組與對照組步態(tài)時間-空間參數(shù)及步行時踝關節(jié)運動學參數(shù)比較

表2 步態(tài)分析的重測信度

此外，本研究測量所得的步態(tài)時空參數(shù)及踝關節(jié)活動角度的ICC值均＞0.8，且95%可信區(qū)間較集中，提示本測試系統(tǒng)具有良好的信度。

本研究不僅測量了正常成人及卒中偏癱患者步行的時空參數(shù)，也記錄行走時矢狀面、冠狀面及橫斷面的踝關節(jié)角度的參數(shù)；同時，對該步態(tài)分析系統(tǒng)進行了重測信度的分析，可深入了解該分析系統(tǒng)的優(yōu)勢及劣勢。相較于傳統(tǒng)的三維步態(tài)分析法，本研究中的步態(tài)分析系統(tǒng)無法評估膝關節(jié)及髖關節(jié)的運動參數(shù)，因此在涉及多關節(jié)角度分析比較時，本方法略顯不足，還需結合其他步態(tài)評估方式。

綜上所述，基于融合聲音與運動傳感器的步態(tài)分析技術具有便攜、省時、操作簡單、較好的穩(wěn)定性及靈敏性等特點，可用于臨床中對步態(tài)的測試及評估。