临床三维步态分析系统的组成原理及其临床应用

三维步态分析系统的组成、原理及其临床应用-孟殿怀、励建安

三维步态分析系统的组成、原理及其临床应用

孟殿怀、励建安

南京医科大学第一附属医院康复医学科

步行是人类的基本功能，任何神经、肌肉及管关节疾患均可能导致步行功能障碍。步态分析对人体行走方式进行客观记录并对步行功能进行系统评价。

步态分析分为定性（目测）分析和定量分析两大类。前者是由医务人员通过目测观察患者的行走过程，并作出大体的分析，此法比较粗略，仅限于定性分析。

定量步态分析研究始于19世纪末，早期主要是借助一些简单的设备（如卷尺、秒表等）辅助分析，常见的如足印法、电子角度计测定法等。20世纪70年代以后定量步态分析发展较快，80年代以后转向采用高速摄像设备的三维步态分析。目前常用的临床步态分析系统进行定量步态分析的频率已经达到每秒60帧以上，测量长度的误差小于1毫米。

随着我国经济的快速发展、人民生活水平的提高，临床三维步态分析系统已经越来越受到国内医学界人士的青睐。可以预见，在未来的几年中，国内将有多家医疗单位添置临床三维步态分析系统。

1、步态分析的主要内容 定量步态分析所用参数大致可归纳为如下几类： ? 时间-距离参数，包括步长、步幅、步宽、步向角、步速、步频、步行周

期、支撑相时间、摆动相时间等。

? 运动学参数，是指步行中髋、膝、踝等关节的运动规律（角度、位移、

速度、加速度等），骨盆倾斜和旋转、身体重心位置的变化规律等。 ? 动力学参数，指引起运动的力学参数，包括地板反力、功与功率等。 ? 肌电活动参数，指步行过程中下肢主要肌肉的电生理活动指标。 ? 能量代谢参数，指人体运动过程中的能量代谢情况。 2、组成及原理

完整的临床三维步态分析系统应该包括：（1）步态分析仪；（2）测力平板；（3）动态体表肌电仪；（4）气体代谢分析仪。 2.1 步态分析仪

步态分析仪的功能主要是摄取人体在步行过程中各个关节点的运动轨迹，通

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过模型分析的方式进行三维重建，从而获得人体运动时的各种运动学参数。

从步态分析检测的媒介角度，可以将现有的步态分析仪分为三种类型：摄像型、红外光型和超声波型。 2.1.1 视频摄像型

通过视频设备（CCD摄像头）将人体行走过程摄取下来，然后逐帧、逐点的进行点阵分析。其优点是设备简单、受试者步态比较自然，但由于其分析定位主要依靠人工，对操作要求较高，误差较大，且只能进行二维平面分析，三维空间分析的精确度得不到保证。 2.1.2 红外光型

通过红外摄像头接收体表标记点发射或反射的红外光线，并根据相应的模型分析法，进行三维重建，从而得出人体各部分的三维运动轨迹。其优点是技术成熟，数据结果精确，操作简便快捷；缺点是对采集场地有一定的要求，且仪器设备价格相对较贵，在一定程度上限制了其推广。 2.1.3 超声波型

超声波型的原理与红外光型相似，由人体体表携带的超声发射探头发出超声波，经周围的超声接收探头接受，根据一定的模型设置，进行三维重建，得出人体的三维运动轨迹。其优点是设备价格相对低廉，操作也相对简单，数据也比较精确；但是超声波易于反射，必须消除周围物体的干扰，对周围环境要求较高，同时由于标记点体积较大，人体体表一次携带的标记点数量有一定的限制，仅适宜于进行人体节段性分析。 2.2 测力平板

测力平板可以对人体站立或行走时足底与支撑面之间的压力（垂直、左右、前后三个方向的力）进行测量和分析，获得反映人体下肢的机构、功能乃至全身的协调性等方面的信息，与步态分析仪结合，还可以得出人体运动时的各种动力学参数。

国外Carlet于1872年设计了一个鞋底充气袋，首先记录了行走时足-地作用力。而对作用于足上的动力学参数的最早的精确测量是由Elftman1938年设计的力板实现的。后来的测量方式的发展基本上都是基于这一“力板”的原理。

国内最早有记载的是上海第九人民医院于1986年研制了S9-1型步态分析系

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统，可以显示三维足-地作用力等信息。后来张潇等人对此也做了多项研究，并自行研制了一种测力台系统。

测力平板的硬件主要包括两块刚性力板和四个压力传感器。外界力作用于力板上，由力板传输到分布于力板四个角的压力传感器；压力传感器受力后发生弹性形变，根据其阻抗和容抗的改变可以测出其受力状况，从而间接获得人体足底与制成面之间的力的作用情况。 2.3 动态体表肌电图仪

肌电信号（EMG）是中枢神经系统支配肌肉活动时伴随的电变化。体表肌电因其无创测量的优点而在康复医学工程界倍受重视。

其主要原理是利用贴在体表的表面电极实时接收了人体题面肌电信号的变化，经过放大、滤波及模/数（A/D）转换，形成量化的肌电波形。

但体表肌电仍有一定的先天缺陷，如其信号的不稳定，受外界环境的干扰较大；肌电信号的量化方式与标准等，限制了其进一步的推广应用。目前国内有不少学者正在开展这方面的研究。 2.4 气体代谢分析仪

肺氧气（O2）和二氧化碳（CO2）交换是人体的一个动态生理过程。耗氧量被视为是人体新陈代谢过程的一个指标。运动时人体对氧的需求量增加。目前评估运动时能量消耗的指标主要有两种，一是能量消耗指数（Energy Expenditure Index，EEI），以一定速率步行时的心率变化为基础进行测量；另一种是步行时单位体重的氧耗量。对于评估运动能量消耗来说，测量氧气消耗则显得更为可靠。

气体代谢分析仪的主要原理是利用氧气和二氧化碳传感器测量人体呼出和吸入的氧气和二氧化碳含量，进而分析人体运动时的能量代谢状况。

步态分析中常用的能量分析的指标称为氧价（Oxygen Cost，OC），是一种定量评估运动能量消耗的指标，指运动时人体单位体重、单位距离所消耗的氧气量，单位为ml·kg-1·m-1。 3、临床应用

3.1 步态分析系统在假肢、支具和矫形器等康复器械研发中的应用

近年来，人们以人体生物力学和生物医学工程解剖学研究为基础，将现代先进的微电子技术、计算机控制技术、机械设计与制造技术、新材料技术以及康复

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医学工程等学科交叉融合，从而研制出许多更加协调、符合人体需求的康复器械。

虽然我国康复医学工程技术发展比较迅速，假肢、支具和矫形器等产品的质量也不断提高，国内假肢、支具和矫形器行业取得了可喜的成绩。但与国外发达国家同类产品相比，还有不小的差距。这当中除了制作材料的工艺不足外，与国内厂商在产品研发设计过程中的技术手段相对比较落后有关。目前，国内大部分研发单位和厂商在涉及下肢的康复产品研发中，仍然采用定性分析的方法，很少采用定量分析的手段。而对于下肢假肢、支具和矫形器研发来说，定量的步态分析所提供的各项参数无疑可以提高研发的效率。王人成等认为，定量的步态分析为假肢的仿生设计提供了有效的工具，是假肢设计目标参数获取的重要途径。 3.2 步态分析系统在假肢、支具和矫形器装配和训练中的应用

要想获得理想的装配效果，必须由康复医师、装配技师及患者三方面协作，同时在辅助以定量步态分析手段。刘永斌等研究结果表明，人在行走过程中左右下肢各动作的对称性受到不同程度的破坏时，就会出现异常步态，并提出了用行走时相对称性指数作为评价人体行走功能的一个指数，来评价假肢的装配效果。赵利，崔寿昌等人对42例下肢假肢患者进行了步态分析后认为，利用步态分析进行假肢代偿功能的评定是非常重要的一项可观指标。翁长水阐述了下肢永久性膝上和膝下假肢装配后常见的步态异常，并从假肢和人体解剖学角度分析了产生的原因，从而更好的改进假肢性能和指导患者的步行训练。 3.3 步态分析系统在矫形外科中的应用

张伟等认为，由于步态分析可将矫形外科检查中沿用已久的定性分析和直观描述转换为客观、精确的定量评价，因此，其在矫形外科的应用将越来越广。 3.4 步态分析系统在临床骨科的应用

张潇等人对57例正常人和31例患者进行步态分析后认为，患者步态参数与正常值的偏差程度提示了病情的严重程度，可以作为术前、术后评定骨科患者疾患程度、治疗效果的定量指标。

另外，骨关节手术或关节置换术的效果，也可以通过患者术前、术后步态分析的结果比较得出结论。孙天胜等人对人工髋关节置换术患者手术前后进行步态分析，结果发现患者术后步长、步速、步频、支撑相时间等参数术后均有明显改善，术后3个月改善达到最高水平。

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3.5 步态分析系统在手外科的应用

手的功能占整个上肢功能的90%，占全身功能的54%。但是手指运动比较复杂，有些手指运动方式如拇指对掌运动，至今尚无被人们普遍接受的精确测量方式，有关拇指腕掌关节运动学的活体研究的报道也较少。这对手外科手术的方案制定、术前功能预测、术后功能判断等带来了一定程度的影响。

自上世纪80年以来，随着三维动态系统的面世与发展，对手的三维运动与检测的研究逐渐得到发展，为临床手外科临床诊疗和科研提供了工具。 3.6 步态分析系统在康复科的应用

步态分析在脑瘫、儿麻后遗症诊断与治疗中已得到广泛关注。同时，在确定治疗方案（包括康复训练、神经肌肉阻滞、外科手术等）等方面，定量步态分析依然有着不可替代的作用，其主要作用如下： （1） 评定肢体残存的功能水平

（2） 辅助诊疗、协助制定康复治疗方案 （3） 评价康复治疗效果

在患者康复治疗前后进行步态分析，并比较其结果，可以比较定量客观的评价康复治疗效果。如有学者对脑瘫、偏瘫患者佩戴踝足矫形器前后进行步态分析，结果显示正确使用踝足矫形器可以显著提高步速、矫正肢体畸形、稳定踝关节、防止膝过伸，从而改善步态。 3.7 步态分析系统在体育科学中的应用

体育竞技活动是对人体运动极限的挑战，由于其激烈程度较大，常常出现运动损伤，这就需要使用三维步态分析系统对其进行分析，从而判断损伤程度，制定康复方案，并提出预防损伤的方法；同样，对运动员的运动方式进行分析，还可以从人体生物力学角度对其进行运动指导，从而提高运动成绩、预防损伤。 4、展望

目前制约临床三维步态分析系统推广的主要因素不外乎两点：一是仪器设备相对高昂的价格；二是操作相对复杂，要求操作人员有一定的医学、计算机、医疗器械等方面的综合知识。然而随着科学技术的不断发展，临床三维步态分析系统的价格将不断降低；同时目前国际上临床三维步态分析系统研发的一个重点就是“简化原则”，简化操作流程、简化结果输出。因此，我们有理由相信，未来

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