融合聲音與運動傳感器的步態(tài)分析技術(shù)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(guān)節(jié)活動進行的運動學(xué)觀察及動力學(xué)分析，可提供基于一系列時間、幾何、力學(xué)等概念的參數(shù)值及曲線。近年來，步態(tài)分析技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注，已逐漸應(yīng)用于醫(yī)療、康復(fù)等領(lǐng)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(fù)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(shù)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(yīng)用中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研制的融合聲音與運動傳感器的步態(tài)分析技術(shù)，應(yīng)用可穿戴設(shè)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(shù)的信度及敏感性，為臨床使用該步態(tài)分析技術(shù)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(cè)偏癱者10例，右側(cè)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(xué)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(shè)備 本研究采用中國科學(xué)院計算技術(shù)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(shè)備與相應(yīng)的步態(tài)分析軟件。可穿戴步態(tài)采集設(shè)備外觀為日常穿著的運動鞋，鞋內(nèi)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(fēng)（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(shè)備發(fā)送的步態(tài)數(shù)據(jù)并進行分析，采用的技術(shù)包括雙通道穿戴式麥克風(fēng)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(guān)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(shè)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(shè)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(shù)對受試者進行步態(tài)分析，軟件可自動分析受試者相關(guān)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(yīng)環(huán)境。

步態(tài)時間-空間參數(shù)：①步幅：即同一側(cè)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(cè)步行直線之間的夾角。

踝關(guān)節(jié)運動學(xué)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(nèi)翻為正值，外翻為負值；水平面以足尖向外為正值，足尖向內(nèi)為負值。

1.4 統(tǒng)計學(xué)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(cè)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(xué)意義。對2次測試結(jié)果使用組內(nèi)相關(guān)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(jié)果

2.1 敏感性 病例組患側(cè)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(xué)意義（P＜0.01）。病例組患側(cè)步行時踝關(guān)節(jié)運動學(xué)參數(shù)與對照組比較，結(jié)果顯示偏癱側(cè)踝背屈下降，比較差異具有統(tǒng)計學(xué)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(shù)2次測量所得的時空參數(shù)及關(guān)節(jié)角度的ICC均較高（0.901～0.996），提示該步態(tài)分析技術(shù)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(shù)具有操作簡單、成本較低、對測試場地?zé)o特殊要求等優(yōu)勢。本研究旨在評測該技術(shù)的穩(wěn)定性，驗證其重復(fù)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(nèi)翻、直膝、髖關(guān)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(guān)節(jié)角度進行比較，統(tǒng)計學(xué)分析顯示，本研究結(jié)果與既往研究結(jié)果相似[6，11-13]，提示偏癱患者患側(cè)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(guān)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(jié)果，包括肌力下降、平衡功能受損及運動功能恢復(fù)較差等。有學(xué)者認為偏癱患者步幅縮短考慮與如下因素相關(guān)：①患肢肌力下降導(dǎo)致擺動相早期足部離開地面的推進力不足；②患側(cè)足趾離地及擺動相早期髖關(guān)節(jié)屈肌力量弱；③患肢擺動相晚期減速過快；④健側(cè)支撐期髖關(guān)節(jié)伸肌過度活動[14]。偏癱患者步行時主要依賴健側(cè)下肢負重，導(dǎo)致偏癱側(cè)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(fēng)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(xué)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(guān)節(jié)運動學(xué)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(guān)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(guān)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(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)的運動參數(shù)，因此在涉及多關(guān)節(jié)角度分析比較時，本方法略顯不足，還需結(jié)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(shù)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。