三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)用于國內(nèi)學(xué)齡期及青春期健康發(fā)育兒童步態(tài)分析的研究

(1 上海市兒童醫(yī)院骨科，上海 200062； 2 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是一種新興的步態(tài)分析技術(shù)，通過紅外線高速攝影機(jī)、測(cè)力臺(tái)、表面肌電、計(jì)算機(jī)多系統(tǒng)共同獲得步態(tài)相關(guān)參數(shù)，綜合分析受試者的步態(tài)特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地鑒別并分析異常運(yùn)動(dòng)，并能通過運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及動(dòng)態(tài)肌電圖的分析確定異常運(yùn)動(dòng)的原因，可用于診斷、評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)功能和指導(dǎo)治療，對(duì)于科研和臨床功能評(píng)價(jià)均是一種客觀的、可靠的參考工具。KAWAMURA等[1]的研究表明，視覺步態(tài)分析和三維步態(tài)分析只有在初步接觸地面時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲和骨盆傾斜度方面具有相似的可靠性，其他定量評(píng)估參數(shù)的可靠性均不如三維步態(tài)分析。三維步態(tài)分析系統(tǒng)目前在國內(nèi)評(píng)定兒童運(yùn)動(dòng)功能方面還處于起步階段，對(duì)正常人的步態(tài)研究主要是針對(duì)于成年人群體，對(duì)于健康兒童的研究報(bào)道甚少，而且大多是單一的單參數(shù)分析，年齡跨度小，樣本量普遍不足，尚無比較完整的國內(nèi)兒童正常值及某種疾病異常值的數(shù)據(jù)庫，這必會(huì)限制符合中國兒童發(fā)育規(guī)律的運(yùn)動(dòng)功能研究，所以建立中國正常兒童步態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫有極其重要的意義。VICON三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是目前國際先進(jìn)并且公認(rèn)的、能客觀地評(píng)價(jià)人體步態(tài)的定量分析系統(tǒng)[2]。本試驗(yàn)的目的是能應(yīng)用該系統(tǒng)，采集和分析不同年齡段健康發(fā)育兒童步態(tài)數(shù)據(jù)，建立健康兒童的步態(tài)參數(shù)模型，在此基礎(chǔ)上分析各種疾病導(dǎo)致的病理性兒童步態(tài)的異常參數(shù)和曲線，為病理步態(tài)的診斷和治療提供參考依據(jù)?，F(xiàn)將結(jié)果報(bào)告如下。

1 對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象

2017年3月—2017年6月，我科招募了350名不同年齡段健康發(fā)育的兒童，在上海市兒童醫(yī)院步態(tài)分析實(shí)驗(yàn)室接受步態(tài)測(cè)試并獲取數(shù)據(jù)。所有受試者分別來自上海市各個(gè)小學(xué)和初中的學(xué)生，按年齡分為7歲組、8歲組、9歲組、10歲組、11歲組、12歲組、13歲組、14歲組、15歲組共9組。其中7歲組40人，8歲組37人，9歲組35人，10歲組38人，11歲組36人，12歲組42人，13歲組43人，14歲組41人，15歲組38人。其中男175人，女175人。所有受試者要求能完全配合檢查，能自然行走，按照中國學(xué)齡期兒童標(biāo)準(zhǔn)排除肥胖[3]，均無下肢肌肉、骨骼和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，雙下肢無明顯不等長，無膝內(nèi)翻、膝外翻，無既往下肢手術(shù)史。測(cè)試前向每位受試者家屬解釋本試驗(yàn)的目的和注意事項(xiàng)，取得監(jiān)護(hù)人同意。試驗(yàn)經(jīng)過上海市兒童醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 儀器

英國VICON光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件主要包括8個(gè)高速紅外攝像頭、信號(hào)轉(zhuǎn)換控制器、標(biāo)定架，同時(shí)連接4個(gè)三維測(cè)力臺(tái)，可進(jìn)行垂直地面作用力分析，能同步獲得行走過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。應(yīng)用檢測(cè)和分析軟件校準(zhǔn)傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理，把測(cè)試數(shù)據(jù)通過圖表、視頻、三維等多種形式顯示出來，給研究者以直觀的感受。

1.3 方法

1.3.1測(cè)試前準(zhǔn)備 測(cè)試范圍內(nèi)確定無一切發(fā)光的物體，避免對(duì)數(shù)據(jù)采集的干擾。受試者暴露腰部以下的肢體部分，對(duì)衣物上的反光點(diǎn)予以遮擋。然后用標(biāo)定框架對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。首先記錄受試者的身高、體質(zhì)量等信息，然后用統(tǒng)一大小的標(biāo)記球(直徑14 mm)進(jìn)行體表標(biāo)記，總共16個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，分別置于髂前上棘、髂后上棘、股骨外側(cè)上1/3、股骨外上髁、脛骨外側(cè)上1/3、外踝、足跟、第3跖趾關(guān)節(jié)背側(cè)，每側(cè)8個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記位置如圖1、2。

1.3.2步態(tài)分析測(cè)試方法 測(cè)試由同一位有豐富步態(tài)分析經(jīng)驗(yàn)的技師進(jìn)行。測(cè)試前囑受試兒童在測(cè)力臺(tái)外用習(xí)慣的姿勢(shì)和速度來回行走數(shù)次，使其適應(yīng)試驗(yàn)環(huán)境。然后囑受試兒童保持標(biāo)準(zhǔn)站立姿勢(shì)，系統(tǒng)記錄各標(biāo)記點(diǎn)的空間測(cè)試原點(diǎn)，建立靜態(tài)模型，注意受試者的所有反光點(diǎn)都應(yīng)在紅外線區(qū)域內(nèi)，然后囑受測(cè)兒童按照平時(shí)的行走方式及速度勻速、直線行走于步行地毯上，往返5次。采集自然行走狀態(tài)下的步態(tài)圖像，保證行走過程中每只腳分別完整踏在一塊測(cè)力臺(tái)上，從中選取行走姿態(tài)自然、圖像質(zhì)量好、完整包含16個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的3個(gè)圖像用于步態(tài)分析。記錄時(shí)間和空間數(shù)據(jù)(雙足支撐時(shí)間、單足支撐時(shí)間、支撐相所占比、步頻、步寬、步長、步幅、步速)；記錄受試者自然行走狀態(tài)下矢狀面髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)角度，其中髖關(guān)節(jié)活動(dòng)角度為股骨大轉(zhuǎn)子與髂前、髂后上棘連線之間的垂線與股長軸的夾角，正角度表示屈曲角度，負(fù)角度表示伸展角度；膝關(guān)節(jié)活動(dòng)角度為股長軸與脛長軸的夾角，正角度表示屈曲角度，負(fù)角度表示伸展角度；踝關(guān)節(jié)活動(dòng)角度為脛長軸與第5跖骨的長軸之間的夾角，正角度表示背屈角度，負(fù)角度表示跖屈角度。同時(shí)記錄受試者自然行走狀態(tài)下垂直地板作用力。在人體行走時(shí)垂直地板作用力在每個(gè)步態(tài)周期轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)極值，足跟著地時(shí)會(huì)有一個(gè)沖擊力，即產(chǎn)生第一個(gè)峰值(P1)，隨著足跟的逐漸放平，重心降低，當(dāng)足底受力面積最大時(shí)出現(xiàn)谷值(V)，隨后足跟開始離地，在前足蹬地時(shí)發(fā)生另一個(gè)作用力，即產(chǎn)生第二個(gè)峰值(P2)。對(duì)時(shí)空參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行下肢長度的歸一化，對(duì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)體質(zhì)量的歸一化，排除下肢長度、體質(zhì)量的差異對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，以更好地評(píng)價(jià)一個(gè)人的步態(tài)，取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(掃描文后二維碼觀看本文研究方法的相關(guān)視頻)。

圖1測(cè)試者正面觀

圖2 測(cè)試者背面觀

2 結(jié) 果

2.1 受試兒童基本資料

男、女不同年齡組兒童腿長、體質(zhì)量等比較差異無顯著性(P>0.05)。見表1。

表1 受試兒童基本資料

2.2 受試兒童自然行走步態(tài)的下肢時(shí)空參數(shù)

各個(gè)時(shí)空參數(shù)左右側(cè)之間的相關(guān)系數(shù)都高于0.85，說明左側(cè)和右側(cè)的相關(guān)性高，可以認(rèn)為受試者在自然行走下，兩側(cè)下肢時(shí)間-空間參數(shù)分布規(guī)律一致，各年齡段兒童的左右下肢協(xié)調(diào)性好，對(duì)稱性高。見表2。總體比較，男性和女性兒童的步頻、步長、步寬、步幅、步速、雙足支撐時(shí)間等參數(shù)無明顯差異(P>0.05)，只有男孩的單足支撐時(shí)間長于女孩，差異有顯著性(P<0.05)。通過對(duì)7～15歲兒童步態(tài)時(shí)空參數(shù)的年齡變化特征進(jìn)行分析，可以看出，兒童的步長隨年齡增長呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，但每個(gè)年齡段比較差異無顯著性(P>0.05)。從7歲到8歲有一個(gè)明顯的步頻加快的過程(F=13.752，P<0.05)，8歲以后開始穩(wěn)定，并且基本隨年齡增長呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì)，8～15歲間的每個(gè)年齡段無顯著性差異(P>0.05)。8歲兒童的步速比7歲兒童明顯增加，差異有顯著性(F=13.748，P<0.05)，8歲以后步速仍呈逐漸增加的趨勢(shì)，但趨于平穩(wěn)，差異無顯著性(P>0.05)。7～15歲的步寬基本平穩(wěn)，無顯著差異(P>0.05)。在兒童的成長過程中，受試兒童的單、雙足支撐時(shí)間均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，但差異無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，在正常步速下支撐時(shí)相平均占整個(gè)步態(tài)周期的63.6%。各年齡組間步幅比較差異無顯著性(P>0.05)。見表3。

表2 正常兒童左右側(cè)下肢時(shí)空參數(shù)比較

表3 受試兒童下肢時(shí)空參數(shù)

2.3 受試者自然行走狀態(tài)下矢狀面髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)角度

受試兒童自然行走狀態(tài)下，矢狀面左右側(cè)髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)角度分布規(guī)律一致(P>0.05)。見表4。同一指標(biāo)同一性別不同年齡段兒童的活動(dòng)角度差異亦無顯著意義(P>0.05)。同一年齡段內(nèi)不同性別同一指標(biāo)比較差異無顯著性(P>0.05)。到支撐末期，髖關(guān)節(jié)從屈曲變?yōu)樯熘睜顟B(tài)，足離地前髖關(guān)節(jié)伸直角度達(dá)到最大值。進(jìn)入擺動(dòng)期后，髖關(guān)節(jié)屈曲角度增大，逐漸達(dá)到最大狀態(tài)。在擺動(dòng)初期膝關(guān)節(jié)的屈曲角度達(dá)到最大。到足跟著地時(shí)期，膝關(guān)節(jié)伸直角度變?yōu)樽畲蟆ｋS著身體的前傾，踝關(guān)節(jié)開始背伸運(yùn)動(dòng)。到蹬離期，蹬地動(dòng)作使踝關(guān)節(jié)快速跖屈，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大的跖屈角度。見表5，圖3。

2.4 受試者自然行走步態(tài)的垂直地板作用力

本研究受試者的垂直地板作用力曲線見圖4，研究發(fā)現(xiàn)7～15歲正常兒童垂直地板作用力曲線同國外同齡人相同[4]，由2個(gè)波峰和1個(gè)波谷組成。本研究結(jié)果顯示，在第一個(gè)雙足支撐相末期，隨著腳尖離地，負(fù)荷全部移至該側(cè)下肢，支撐反作用力達(dá)到最大，出現(xiàn)第一個(gè)峰值，然后進(jìn)入單足支撐時(shí)相階段，到了單足支撐時(shí)相中期，垂直作用力變?yōu)樽钚?，即為谷值。隨后在單足支撐相末期，隨著腳尖離地，垂直作用力達(dá)到第二個(gè)峰值。由表6、7可以看出，左右足的曲線分布規(guī)律一致，性別及各年齡組間峰值和谷值大小比較差異無顯著性(P>0.05)，但第二峰值的平均值要普遍高于第一峰值的平均值。峰值和谷值的出現(xiàn)時(shí)間用從開始行走到分別出現(xiàn)峰值和谷值的時(shí)間在步態(tài)周期中所占百分比表示。隨著年齡增大，P1出現(xiàn)的時(shí)間(T1)相對(duì)有所延后，而P2的出現(xiàn)時(shí)間(T2)會(huì)相對(duì)提前。

表4 正常兒童左右側(cè)下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)比較

表5 不同組矢狀面髖、膝、踝關(guān)節(jié)最大活動(dòng)角度

表6 正常兒童左右側(cè)下肢動(dòng)力學(xué)參數(shù)比較

3 討 論

時(shí)空參數(shù)是步態(tài)分析中最常用的參數(shù)，它能反映出人行走時(shí)最基本的步行特征和步行功能。時(shí)空參數(shù)很大程度上取決于身體形態(tài)，已經(jīng)證實(shí)步速、下肢長度、體質(zhì)量等因素均會(huì)影響兒童步態(tài)成熟過程中大部分步態(tài)參數(shù)[5]。本試驗(yàn)強(qiáng)調(diào)受試者必須按照習(xí)慣的步速勻速行走，并將數(shù)據(jù)分別進(jìn)行下肢長度和體質(zhì)量的歸一化，目的是排除上述因素對(duì)試驗(yàn)準(zhǔn)確性的影響。單足的平衡能力能夠反映出一個(gè)人的步態(tài)是否穩(wěn)定，由于兒童行走初期平衡能力弱，只有采用縮短單足支撐時(shí)間，延長雙足支撐時(shí)間的辦法才能保持身體平衡[6]。GUFFEY等[7]發(fā)現(xiàn)，3歲之后兒童的單足支撐相逐漸延長并達(dá)到成年人水平。

表7 不同組垂直地板作用力的峰值、谷值和出現(xiàn)時(shí)間比較

T3代表谷值出現(xiàn)時(shí)間。

A：左右髖關(guān)節(jié)屈曲伸展角度曲線；B：左右膝關(guān)節(jié)屈曲伸展角度曲線；C：左右踝關(guān)節(jié)背伸跖屈角度曲線。綠色曲線代表左側(cè)，紅色曲線代表右側(cè)。

圖3受試者自然行走步態(tài)的矢狀面髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)角度曲線

步寬也是反映兒童步態(tài)發(fā)展的重要參數(shù)，后者能夠從空間角度來反映兒童橫向穩(wěn)定性的變化[8]。張海濤等[9]研究發(fā)現(xiàn)，4歲兒童的單足支撐期較短，5歲左右單足支撐時(shí)間與成人接近。5歲之前步頻較快，之后步頻逐漸減小，6歲后接近成人水平。隨著兒童年齡的增長步寬減小，并趨于穩(wěn)定。本研究發(fā)現(xiàn)，7～15歲兒童的步行時(shí)空參數(shù)除單足支撐相外沒有性別的差異。步長隨年齡增長呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，14歲接近國內(nèi)成人水平[10]，而步頻自8歲后呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，12歲前后接近國內(nèi)成人水平[10]；8歲兒童的步速明顯快于7歲，8歲以后步速仍呈增加趨勢(shì)，但趨于平穩(wěn)，提示8歲兒童已經(jīng)具有較好的行走能力；7～15歲步寬無明顯變化，提示兒童在7歲以后行走已經(jīng)穩(wěn)定。單、雙足支撐時(shí)間隨年齡增長均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，7歲即達(dá)到成人水平[10-11]。本研究結(jié)果基本與上述國內(nèi)外研究結(jié)果相符合。

正常兒童垂直地板作用力曲線呈“M”形，有2個(gè)波峰和1個(gè)波谷。綠色曲線代表左側(cè)，紅色曲線代表右側(cè)。

圖4受試者自然行走步態(tài)的垂直地板作用力曲線

步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，主要是對(duì)行走過程中觀察到的肢體包括各個(gè)關(guān)節(jié)的位置、角度、速度以及加速度的具體描述。絕大部分的下肢關(guān)節(jié)步態(tài)分析多是針對(duì)髖、膝、踝等關(guān)節(jié)的矢狀面活動(dòng)角度和活動(dòng)范圍的研究。下肢關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中的角度變化和活動(dòng)范圍能一定程度上反映相應(yīng)關(guān)節(jié)的功能情況和關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，可以更客觀、直接及形象地描述步行中身體重心、骨盆位置的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。幼兒獨(dú)立行走初期下肢關(guān)節(jié)角度曲線與成人有很大差異，隨著行走經(jīng)驗(yàn)的增加，下肢3個(gè)關(guān)節(jié)的屈曲角度將不斷減小[12]。SMITH等[13]發(fā)現(xiàn)，6～10歲的正常兒童下肢關(guān)節(jié)角度曲線除髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)隨年齡變化存在差異以外其他基本相似。GANLEY等[14]結(jié)合前人的研究結(jié)果，將7歲兒童和成年人運(yùn)動(dòng)學(xué)參粘進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)7歲兒童步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征基本達(dá)到成年人的水準(zhǔn)。通過與我國成人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，本研究受試兒童的髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度最大值及角度范圍是高于成人水平的，而且隨著年齡的增長，關(guān)節(jié)活動(dòng)曲線逐漸接近于成人，但是兒童的關(guān)節(jié)曲線形態(tài)與成人基本相同[15]。

垂直地板反作用力是最重要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，即測(cè)力臺(tái)給足底的垂直方向的作用力，可反映步行時(shí)支撐下肢的負(fù)重和離地能力[16]。一個(gè)正常的垂直作用力變化軌跡出現(xiàn)兩個(gè)波峰和一個(gè)波谷，是因?yàn)槿梭w在行走時(shí)，重心發(fā)生兩次擺動(dòng)，重心的抬高和降低引起加速度改變，進(jìn)而導(dǎo)致力的變化。COUSINS等[17]通過對(duì)學(xué)齡期兒童足底壓力分布特征研究發(fā)現(xiàn)，兒童步行時(shí)的足底壓力曲線為雙峰形，不存在性別差異，但是左右側(cè)有一定的差異。JOHN等[18]發(fā)現(xiàn)較年幼兒童在減速階段時(shí)的垂直地板反作用力峰值要高于加速階段，并且較年幼兒童由減速階段轉(zhuǎn)換到加速階段的時(shí)間點(diǎn)相對(duì)提前。KUNG等[19]發(fā)現(xiàn)2歲以上兒童的垂直地板作用力曲線與成人曲線已經(jīng)基本相似。YAN等[20]研究發(fā)現(xiàn)，1歲兒童的反作用力曲線中僅有一個(gè)波峰，但隨著年齡的增長，第二峰值逐漸增加，但是始終沒有超過體質(zhì)量的100%。有研究表明速度越大，第一峰值越大，足跟觸地沖擊力大于蹬地力，因此曲線中第一峰值大于第二峰值[21]，但也有學(xué)者認(rèn)為是第二峰值大于第一峰值[22]。本試驗(yàn)顯示7～15歲正常兒童垂直地板作用力曲線呈“M”形，第二峰值的均值大于第一峰值的均值。而且隨著年齡增大，第一峰值的出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)延后，而第二峰值的出現(xiàn)時(shí)間會(huì)相對(duì)提前。峰值和谷值的大小在性別及各年齡組間卻并無明顯差異，所以在分析垂直地板作用力時(shí)，不能只考慮速度，可能還與下肢肌肉等身體結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。

本文的研究對(duì)象覆蓋7～15歲的健康兒童，應(yīng)用先進(jìn)的VICON三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)同時(shí)對(duì)兒童自然行走的時(shí)空參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)并分析，擴(kuò)展和完善了國內(nèi)不同年齡段的兒童步態(tài)數(shù)據(jù)，初步揭示中國健康兒童的步行時(shí)空特征及其變化規(guī)律，但是本研究也存在不足之處，比如：①?zèng)]有結(jié)合兒童表面肌電信號(hào)進(jìn)行研究。②研究的樣本量不足。③缺少對(duì)兒童冠狀面及橫斷面的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變化的觀察。在以后的研究中會(huì)給予充分綜合考慮，以完善相關(guān)研究結(jié)果。