Gaitboter與Noraxon步態(tài)分析系統(tǒng)時空參數(shù)的一致性比較

高明明，何澤佳，惲?xí)云?，龍舟，王成，王向東

1.首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，北京市 100068；2.中國康復(fù)研究中心北京博愛醫(yī)院康復(fù)評定科，北京市 100068；3.中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所數(shù)字經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)研究院，浙江杭州市 310015；4.洛陽中科信息產(chǎn)業(yè)研究院，河南洛陽市 471934；5.中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，北京市100190

步態(tài)分析是針對步行運動異常進行分析、診斷，并對觀察到的異常運動進行臨床解讀，指導(dǎo)干預(yù)方案的制訂和效果評價[1]，是臨床醫(yī)師及衛(wèi)生專業(yè)人員評估神經(jīng)性或外科性功能受限所致異常步態(tài)模式的重要工具[2]。步態(tài)分析檢查包括定性分析和定量分析[3]，定量分析中最常檢測的步態(tài)時空參數(shù)有步長、步頻、步速等。國內(nèi)多使用三維步態(tài)分析系統(tǒng)進行檢測，但其價格相對較高，同時對空間、檢測環(huán)境有一定要求，國內(nèi)尚未普及[4]。

中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研制的Gaitboter (蓋力步)步態(tài)分析系統(tǒng)，具有可穿戴、對檢查場地?zé)o特殊要求等優(yōu)點，可實時獲得步態(tài)時空參數(shù)[5]，成本低，操作簡便，但其所得參數(shù)的準(zhǔn)確性尚未進行研究。本研究分別應(yīng)用Gaitboter 步態(tài)分析系統(tǒng)與Noraxon 步態(tài)分析系統(tǒng)[6]采集健康成年人步態(tài)的時空參數(shù)，并對兩種系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)進行一致性分析，以觀察Gaitboter步態(tài)分析系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的檢測效果，為該系統(tǒng)的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2019 年2 月至4 月，選取本院職工、陪護和中國科學(xué)院研究人員中的健康成年人35 例，其中男性16例，女性19 例；年齡18～56 歲，平均(34.86±9.82)歲；身高150～176 cm，平均(164.54±6.34)cm；體質(zhì)量45～75 kg，平均(57.70±7.41) kg。所有被試均無下肢運動障礙，無下肢神經(jīng)、肌肉、骨骼系統(tǒng)疾患。

本研究已經(jīng)中國康復(fù)研究中心醫(yī)學(xué)倫理委員會審批(No.2020-086-1)。所有被試均簽署知情同意書。

1.2 測試設(shè)備

1.2.1Noraxon步態(tài)分析系統(tǒng)

采用MyoMotion 三維運動采集與分析系統(tǒng)(美國Noraxon 公司)和MyoPressure 足底壓力采集與分析系統(tǒng)(美國Noraxon公司)進行測試。

MyoMotion 三維運動采集與分析系統(tǒng)通過傳感器建立一個人體三維模型，快速獲得人體關(guān)節(jié)的活動角度、加速度和肢體本身的運動方向角。該系統(tǒng)由7 個關(guān)節(jié)角度傳感器、1 個信號接收器和1 個采集與分析軟件組成，傳感器內(nèi)含加速度計、陀螺儀等慣性測量模塊和高性能嵌入式微處理器數(shù)據(jù)采集處理模塊[7]，用綁帶分別固定于患者骶骨、雙側(cè)股骨外側(cè)、雙側(cè)脛骨外側(cè)和雙側(cè)足背處。系統(tǒng)硬件數(shù)據(jù)的采樣頻率為100 Hz，可同步采集患者髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)在矢狀面、冠狀面和垂直面的運動數(shù)據(jù)，并將其通過無線傳感器實時同步至電腦軟件中進行步態(tài)分析[7]。

MyoPressure 足底壓力采集與分析系統(tǒng)，通過采集和分析受試者在靜止及運動狀態(tài)下的足底壓力，分析其足部結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由1 個0.6×2 m 足底壓力測試板、1 條USB 數(shù)據(jù)線和1 個分析軟件組成，壓力測試板下設(shè)置了數(shù)千個壓力傳感器，能夠分析靜態(tài)和動態(tài)足底壓力的分布情況，并通過數(shù)據(jù)線將采集結(jié)果實時傳輸至電腦軟件中進行足底壓力分析。系統(tǒng)硬件數(shù)據(jù)的采樣頻率為120 Hz。

1.2.2Gaitboter步態(tài)分析系統(tǒng)

Gaitboter 步態(tài)分析系統(tǒng)由1 個可穿戴步態(tài)采集設(shè)備和1 個步態(tài)分析軟件組成?？纱┐鞑綉B(tài)采集設(shè)備外觀為日常穿著的運動鞋，內(nèi)置多傳感器(1 個麥克風(fēng)傳感器、1 個9 軸慣性運動傳感器和8 個薄膜壓力傳感器)融合的步態(tài)數(shù)據(jù)采集電路，其中微型麥克風(fēng)的采樣頻率為4000 Hz，慣性運動傳感器和足底薄膜壓力傳感器的采樣頻率均為66 Hz，步態(tài)數(shù)據(jù)采集電路包含步態(tài)原始數(shù)據(jù)采集模塊、處理器模塊、無線收發(fā)模塊、存儲模塊和電源模塊。步態(tài)分析軟件安裝于平板電腦上，可實時接收步態(tài)采集設(shè)備發(fā)送的步態(tài)數(shù)據(jù)并進行分析。

1.3 測試方法

在開始測試前，向受試者講解測試過程及注意事項，確保其充分理解并配合。受試者在同一天內(nèi)分別進行Noraxon 步態(tài)分析和Gaitboter 步態(tài)分析。所有測試均由1 名具有豐富經(jīng)驗的康復(fù)醫(yī)師(負(fù)責(zé)Noraxon 步態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析)和1 名中國科學(xué)院的工程師(負(fù)責(zé)Gaitboter步態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析)進行。測試時室內(nèi)保持安靜，室溫約為24 ℃。

1.3.1Noraxon步態(tài)分析

被試脫掉鞋子取直立位，佩戴、安裝7 個關(guān)節(jié)角度傳感器，囑被試在壓力測試板上以自然步速來回行走4次以適應(yīng)步行環(huán)境，然后開始正式測試。測試時，被試需先靜止站立10 s 以進行姿態(tài)校準(zhǔn)，然后在壓力測試板上來回行走2 次，得到2 組測試結(jié)果，按時間先后順序分別與Gaitboter步態(tài)測試結(jié)果進行比較。行走測試長度為6 m，壓力測試板居中，以保證測試反映被試行走的真實自然狀態(tài)。

1.3.2Gaitboter步態(tài)分析

被試穿戴好合適尺碼的步態(tài)采集設(shè)備，在地面上以自然步速來回行走(與壓力測試板的長度相等)4 次以適應(yīng)腳下的采集設(shè)備，然后開始正式測試。測試時，被試在地面上來回行走2 次，得到2 組測試結(jié)果，按時間先后順序分別與Noraxon 步態(tài)測試結(jié)果進行比較。

1.3.3觀察指標(biāo)

記錄受試者的站立相及邁步相時間比例、足偏角、跨步長、步行周期、步頻、步速等時空參數(shù)。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 22.0 與MedCalc 12.0 統(tǒng)計學(xué)軟件進行數(shù)據(jù)處理。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)[8](intraclass correlation coefficients,ICC)及Bland-Altman 法[9]分析兩種步態(tài)分析方法的一致性。ICC 值0.41～0.60 表示信度中等，0.61～0.80 表示信度可接受，0.81～1.00表示信度良好[10]。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

Noraxon 與Gaitboter 步態(tài)分析系統(tǒng)兩次測試所得時空參數(shù)之間比較，ICC值0.691～0.835，信度較好(表1)。Bland-Altman法一致性檢驗顯示，Noraxon 與Gaitboter 步態(tài)分析系統(tǒng)所得時空參數(shù)間的一致性較好。見圖1～圖12。

3 討論

步態(tài)分析是對人行走的系統(tǒng)性研究[11]。對患者進行步態(tài)分析，有助于了解步態(tài)異常的性質(zhì)和程度，提供有關(guān)受試者功能水平的信息[12]，為分析異常步態(tài)原因[13]和矯正異常步態(tài)提供必要資料，為制定康復(fù)治療計劃[14]和評定康復(fù)療效提供客觀依據(jù)[3,15]。

中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研制的Gaitboter 步態(tài)分析系統(tǒng)是一種便攜式的、對檢查場地?zé)o特殊要求的新型步態(tài)分析系統(tǒng)，目前國內(nèi)、外均未見其他團隊?wèi)?yīng)用該系統(tǒng)進行研究的相關(guān)報道，為了使其早日投入臨床使用，本研究將其測試所得時空參數(shù)與Noraxon 步態(tài)分析系統(tǒng)進行比較，觀察二者的一致性。

表1 兩種步態(tài)分析時空參數(shù)ICC值比較(共70組數(shù)據(jù))

圖1 左側(cè)站立相的Bland-Altman散點圖

圖2 右側(cè)站立相的Bland-Altman散點圖

圖3 左側(cè)邁步相的Bland-Altman散點圖

圖4 右側(cè)邁步相的Bland-Altman散點圖

圖5 左側(cè)足偏角的Bland-Altman散點圖

圖6 右側(cè)足偏角的Bland-Altman散點圖

圖7 左步長時長的Bland-Altman散點圖

圖8 右步長時長的Bland-Altman散點圖

圖9 跨步長的Bland-Altman散點圖

圖10 步行周期的Bland-Altman散點圖

圖11 步頻的Bland-Altman散點圖

圖12 步速的Bland-Altman散點圖

本研究顯示，兩種步態(tài)分析系統(tǒng)所得時空參數(shù)的信度較好，表明兩種測量方法所得時空參數(shù)的一致性較高。其中部分參數(shù)的ICC 值相對較小，一種可能是由于本研究被試均為健全人，所采集的數(shù)據(jù)均為正常步態(tài)數(shù)據(jù)，因此這些參數(shù)的數(shù)值都很接近，而ICC 是被測者間變異方差占總變異的比例，如若被測者測量值范圍比較局限，即變異較小時，即使兩個測量值非常近似，ICC 值也不大[16]；另一種可能是本研究樣本量較小，我們會在今后的研究中擴大樣本量進一步分析。

由Bland-Altman 散點圖可知，兩種步態(tài)測試方法所得兩次時空參數(shù)的差值均集中于均等線(差異=0)附近，表明兩種測試方法所得時空參數(shù)差異較小。其中，跨步長的測量誤差相對較大，可能是由于Noraxon 步態(tài)分析系統(tǒng)的足底壓力板長度有限(2 m)，被試為了在壓力板上踩足4個腳印(左、右腳分別2個)造成身高較高者在行走過程中需人為縮短跨步長以滿足測試需要，從而可能造成部分被試Noraxon 步態(tài)分析系統(tǒng)測得的跨步長短于Gaitboter系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)，此亦為Noraxon 步態(tài)分析系統(tǒng)目前所存在的問題，當(dāng)條件允許時，我們將延長足底壓力板以進一步完善研究結(jié)果。

此外，步長是行走時左右足跟或足尖先后著地時兩點間的縱向直線距離[3]，跨步長相當(dāng)于左、右兩個步長相加。Noraxon 步態(tài)分析系統(tǒng)通過足底壓力板可以分析左、右步長參數(shù)，而Gaitboter步態(tài)分析系統(tǒng)由于直接踩在地面上無足印標(biāo)記，故暫不能分析步長，此問題將在今后的研究中加以改進。

本研究的不足之處在于樣本量相對較小，且50歲以上的受試者僅有3 例，在接下來的研究中我們將進一步擴大樣本量并將受試者年齡段上限增至70歲，以求獲得更加準(zhǔn)確的分析結(jié)果。

綜上所述，Gaitboter 與Noraxon 步態(tài)分析系統(tǒng)所得站立相和邁步相時間比例、跨步長、步頻、步速、足偏角等時空參數(shù)的一致性較好，且Gaitboter步態(tài)分析系統(tǒng)具有穿戴方便、可操作性強、不受場地限制等優(yōu)點，可進一步用于病理步態(tài)以觀察其信度與效度。