正常青年人步態(tài)時空和運動學(xué)參數(shù)的可靠性分析

陳龍偉，王 玨，高 琳，石 磊

1 引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究機構(gòu)利用三維步態(tài)分析對人體步行進行深入分析。三維步態(tài)分析是利用三維運動捕捉系統(tǒng)、測力臺以及肌電儀等設(shè)備對步態(tài)的時空、運動學(xué)、動力學(xué)及肌電參數(shù)進行的全方位分析。它具有客觀、準(zhǔn)確的特點，被國際上公認為步態(tài)分析的黃金標(biāo)準(zhǔn)，廣泛地應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)學(xué)、人機功效學(xué)和運動人體科學(xué)等領(lǐng)域［5，6，12］。

步行是由人體多個系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合完成的一種較為復(fù)雜的運動過程。這一過程受到諸多因素的影響，中間某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差，都會影響步行測試的結(jié)果。盡管三維步態(tài)分析數(shù)據(jù)具有客觀、準(zhǔn)確的特點，但由于人體步行受到各種因素的影響，步態(tài)參數(shù)存在隨機誤差。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，增加測試次數(shù)能夠提高測試數(shù)據(jù)的可靠性。［3］但隨著測試次數(shù)的增多，一方面會增加實驗成本；另一方面，多次重復(fù)測試使受試者生理、心理等客觀因素會受到一定程度的影響，從而影響測試的結(jié)果。這就給我們提出了一個值得思考的問題：步態(tài)實驗達到多少次才能夠保證數(shù)據(jù)具有較高的可靠性？目前國內(nèi)對于此方面尚未給予足夠重視。國外學(xué)者對步態(tài)分析的可靠性進行了部分的研究，其研究結(jié)果有一定的差異。但由于各自的實驗條件不同，使得測量結(jié)果橫向比較存在一定的困難。

正常青年人的步態(tài)特征較為穩(wěn)定，一般作為運動人體科學(xué)、臨床步態(tài)分析的參照。對于正常青年人步態(tài)可靠性分析具有現(xiàn)實的意義。本研究利用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（Intra-class correlation coefficients，ICC）對步態(tài)分析中時空參數(shù)和運動學(xué)參數(shù)進行可靠性分析，確定正常青年人步態(tài)分析的最佳測試次數(shù)，為步態(tài)分析標(biāo)準(zhǔn)化提供參考。

2 資料與方法

2.1 資料

35例正常青年人來自西安交通大學(xué)，平均年齡27.5±7.4歲，平均身高1.70±0.12m，平均體重65.6±8.31kg。被試均無影響正常步行的疾病。被試均被告知實驗?zāi)康牟⑼膺M行實驗。

2.2 儀器和方法

2.2.1 實驗儀器

OPTOTRAK三維運動捕捉系統(tǒng)3020（Northern Digital Inc.）、FP4060-10測力臺（BERTEC Corporation）。

2.2.2 方法

被試穿T恤和短褲，赤足進行測試。下肢模型采用Helen Hayes Marker Set，遠紅外Marker點位置為左右股骨大轉(zhuǎn)子、內(nèi)外側(cè)膝、內(nèi)外側(cè)踝、足跟、足部最寬處兩側(cè)、髂前上棘。［1，5，6，11］測試方式為聽到信號后，被試用正常步速在指定區(qū)域向前行進5～6步。測試前練習(xí)3～5次后，采集有效測試8次。所有測試均由固定的兩位研究人員共同完成。

2.3 步態(tài)分析參數(shù)

時空參數(shù)：步態(tài)周期時間、雙支撐時間、步長、跨步長、步速。

運動學(xué)參數(shù)：髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動范圍和最大角度。

為了便于研究，步態(tài)周期被定義為左足兩次足跟接觸地面的時間間隔（0％和100％）。步長為同一足兩次接觸地面之間的距離。為了測量穩(wěn)態(tài)步行各參數(shù)，起步過程和止步過程的數(shù)據(jù)在分析時刪除。每一次測試取一個完整的步態(tài)周期進行分析。

2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析使用SPSS 17.0軟件分別計算2～8次測試步態(tài)各參數(shù)的ICC值，其置信區(qū)間取95％。根據(jù)文獻資料以及臨床和實驗的要求，ICC值要求達到0.9以上說明數(shù)據(jù)的可靠性較好［4，15，17］。

3 研究結(jié)果

3.1 步態(tài)的時空參數(shù)

步態(tài)的時空參數(shù)測試結(jié)果見表1。每次測試選取1個步態(tài)周期、完成4次測試，可使所選時空參數(shù)的ICC值均達到0.9以上。其中完成2次測試可使雙支撐時間的ICC值均達到0.9以上。

3.2 步態(tài)的運動學(xué)參數(shù)

步態(tài)運動學(xué)參數(shù)測試結(jié)果見表2。每次測試選取1個步態(tài)周期、完成6次測試，可使所選運動學(xué)參數(shù)的ICC值均達到0.9以上。其中完成3次測試可使膝關(guān)節(jié)運動學(xué)參數(shù)的ICC值均達到0.9以上。

表1 步態(tài)時空參數(shù)的均值及不同測試次數(shù)的ICC值一覽表

表2 步態(tài)運動學(xué)參數(shù)均值及不同測試次數(shù)的ICC值一覽表

4 討論

4.1 時空參數(shù)

時空參數(shù)是步態(tài)分析中描述時間和空間位置的參數(shù)。本研究選取國內(nèi)、外研究中經(jīng)常采用的步態(tài)周期時間、雙支撐時間、步長、跨步長、步速作為步態(tài)分析參數(shù)。與相關(guān)文獻的對比發(fā)現(xiàn)，本次研究的步態(tài)時空各參數(shù)與相關(guān)研究結(jié)果相近［7，8，12，15，17，18］。

4.2 運動學(xué)參數(shù)

運動學(xué)參數(shù)種類較多，是步態(tài)分析的重要參數(shù)。本研究選取了髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動范圍和最大角度作為運動學(xué)參數(shù)，其原因在于選擇的參數(shù)均為實驗室和臨床經(jīng)常分析的運動學(xué)參數(shù)。與相關(guān)文獻的對比發(fā)現(xiàn)，除踝關(guān)節(jié)角度略高于STEINWENDER的研究結(jié)果外，其他運動學(xué)參數(shù)均與相關(guān)研究結(jié)果相近［9，18］。

4.3 步態(tài)參數(shù)的可靠性

通過文獻的查閱，在國內(nèi)、外的步態(tài)分析實驗中，根據(jù)實驗設(shè)計和被試條件的不同，步態(tài)參數(shù)測試次數(shù)主要在1～12次之間，差異較大。［14］即便是同一類實驗，測試次數(shù)也有較大的差異，其中大多數(shù)研究未對所選測試次數(shù)的合理性做出解釋。測試次數(shù)的確定對于步態(tài)實驗的設(shè)計是十分重要的。對于同一類實驗來說，測試次數(shù)的不同將影響測試的結(jié)果，從而使實驗數(shù)據(jù)的橫向比較產(chǎn)生一定的困難。如何統(tǒng)一測試次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，需要首先從步態(tài)參數(shù)可靠性較好的正常青年人步態(tài)特征參數(shù)進行分析。

目前，步態(tài)參數(shù)可靠性分析的主要方法有多重相關(guān)系數(shù)（Coefficient of Multiple Correlation，CMC）、多重決定系數(shù)（Coefficients of Multiple Determination，CMD）和ICC 3種。在國外相關(guān)的23項研究中，使用CMC和CMD作為評價方法有8項，使用ICC的有6項。［9］根據(jù)實驗設(shè)計的需要，本研究選擇ICC對測試數(shù)據(jù)進行分析。通過對8次測試步態(tài)參數(shù)的分析（表1、表2），發(fā)現(xiàn)隨著測試次數(shù)的增加，各類參數(shù)的ICC值均有一定程度的提高。這證明增加重復(fù)測量的次數(shù)可以提高步態(tài)參數(shù)的可靠性。［16］

時空參數(shù)結(jié)果表明，正常青年人每次測試取一個步態(tài)周期、重復(fù)測試4次就能使時空參數(shù)均達到較高的可靠性（ICC值＞0.9）。研究結(jié)果高于MCGINLEY報道的2次和劉志等報道的3次。［2，14］在時空參數(shù)中，雙支撐參數(shù)測試值較為穩(wěn)定，這也是部分研究將其作為臨床評價步行能力指標(biāo)的原因。

運動學(xué)參數(shù)結(jié)果表明，正常青年人需要重復(fù)測試6次就能使運動學(xué)參數(shù)均達到較高的可靠性（ICC值＞0.9）。這一結(jié)果與MONAGHAN的研究一致，低于MCGINLEY等人報道的10次；［14，16］在運動學(xué)參數(shù)中，膝關(guān)節(jié)參數(shù)較髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)參數(shù)穩(wěn)定，這與MAYNARD、LABBE等人的研究結(jié)果一致。［10，13］這種現(xiàn)象主要是由膝關(guān)節(jié)本身的解剖結(jié)構(gòu)和活動范圍所決定的。本次研究的時空參數(shù)和運動學(xué)參數(shù)相比，ICC達到0.9時，時空參數(shù)需要測試的次數(shù)較運動學(xué)參數(shù)少，即正常青年人步態(tài)時空參數(shù)較運動學(xué)參數(shù)更為穩(wěn)定。［14］

本研究由于測試條件的限制，每次測試只能取一個步態(tài)周期進行分析，且步態(tài)分析只分析了時空參數(shù)和運動學(xué)參數(shù)的可靠性。為了全面、深入地分析步態(tài)參數(shù)的可靠性，進一步的可能的工作方向為：條件允許的情況下，步態(tài)參數(shù)可靠性分析應(yīng)盡可能加入動力學(xué)參數(shù)，以保證研究的全面性；盡量在一次測試中多取幾個有效的步態(tài)周期進行分析，深入分析不同步態(tài)周期前提下步態(tài)參數(shù)的可靠性問題。

通過對正常青年人步態(tài)的時空參數(shù)和運動學(xué)參數(shù)的可靠性分析，可以得出：1）正常青年人每次測試取一個步態(tài)周期、重復(fù)測試4次就能使時空參數(shù)達到較高的可靠性；2）同樣條件下，正常青年人需要重復(fù)測試6次就能使運動學(xué)參數(shù)達到較高的可靠性；3）正常青年人的時空參數(shù)的可靠性高于運動學(xué)參數(shù)。

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