基于膝關節角度測量裝置的腦卒中偏癱患者步態分析

張 健, 杜明家, 穆景頌, 朱宗俊, 王 勇

(1.合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省立醫院 康復醫學科,安徽 合肥 230036; 3.安徽中醫藥大學第一附屬醫院 針灸康復科,安徽 合肥 230031)

0 引 言

腦卒中患者在發病半年后存在不同程度的下肢功能性障礙,主要包括偏癱和步態異常等[1-2],會嚴重影響患者日常生活自理能力。大多數偏癱患者由于身體平衡能力差、膝關節彎曲角度減小和步態異常,在行走時身體出現左右搖擺的現象,極易跌倒[3]。因此,腦卒中患者步態的科學分析對患者的康復訓練特別是提高患者步行能力至關重要[4]。臨床上,痙攣狀態偏癱患者的步態異常主要原因是偏癱側足下垂、內翻以及膝關節過伸,行走時表現為拖曳步態或劃圈步態[5-6]。目前醫生主要根據經驗及目測分析偏癱患者的步態,這種方法可靠性低、主觀性大,不能精準評估患者步態異常的程度及病因,進而影響患者的康復訓練[7]。因此對偏癱患者步態數據的定量分析將有助于患者的治療和康復訓練。

目前應用的步態分析方法主要有以下2種:① 通過在特定的場所利用系統標記的方法,成本較高;② 通過裝有傳感器的便攜式穿戴裝置實時采集步態數據。例如:文獻[8-13]利用基于加速度計和陀螺儀的慣性姿態傳感器采集被測人員的步態參數;文獻[14-15]利用采集到的被測人員的步態參數,開發了一種用于步態監測的耳戴式傳感器;文獻[16]提出一種使用慣性加速度傳感器的方法,采集步行時肢體各關節的角度;文獻[17]通過慣性加速度傳感器和磁力計傳感器進行膝關節運動角度的實時檢測。以上2種方法的缺點在于需要將傳感器固定在肢體準確的位置以減小數據誤差。文獻[18]使用運動追蹤傳感器實時采集人在步行時肢體各關節的角度及步行的過程變化量,該方法不需要將傳感器固定在肢體準確的位置,即可對偏癱患者的步態數據進行實時和定量的分析。

步態參數的準確測量最終是為了幫助患者恢復步態。近幾十年利用低頻脈沖電刺激儀對偏癱患者步態恢復的研究取得了很大的進步,電刺激作為一種能使癱瘓肌肉收縮產生運動的方法,能夠對功能性運動障礙人群的步態進行矯正,該方法已被廣泛應用于恢復神經系統受損人群的異常步態[19-20],因此可以借助電刺激輔助偏癱患者實現自主行走。自20世紀60年代首次報道使用電刺激改善中風患者的步態以來[21],電刺激已被證明是一種在改善肢體運動功能方面極具前景的技術[22]。文獻[23]利用傳感器采集步態的角速度數據,在步態周期的擺動期使用電刺激。以上研究雖然分段進行了電刺激,但沒有根據患者步態異常的根本原因進行明確的電刺激。

本文利用自行研制的膝關節角度測量裝置,對腦卒中偏癱患者的步態進行定量分析,并與正常人的步態進行對比,量化分析痙攣狀態患者在步態周期內的膝關節角度變化;根據分析結果提出基于低頻脈沖電刺激儀與膝關節角度測量裝置結合的痙攣狀態患者步行康復策略,應用于臨床患者的康復訓練。

1 原 理

1.1 裝置總體設計

根據實驗需求,設計了一款便攜式膝關節角度測量裝置,該裝置包括肢體固定模塊、連接模塊、數據處理及顯示模塊。

肢體固定模塊有3根彈性綁帶,用于將裝置固定在受試者腿部;連接模塊包括2個鋁合金連桿;數據處理及顯示模塊由電路板、霍爾角度傳感器、電源、藍牙組成,霍爾角度傳感器安裝在2個連桿的轉動連接處。

1.2 裝置設計

該膝關節角度測量裝置選用STM32F103 RCT6微處理器,采用STM32F103RCT6的最小系統及其SWD下載模式;添加霍爾角度傳感器的模擬信號分壓電路及模數轉換引腳連接,1.3寸OLED顯示屏通過ⅡC通訊協議連接,HC-05藍牙模塊通過串口通訊的方式進行引腳連接;選用5 V鋰電池進行供電,設計5.0～3.3 V的降壓電路,5 V鋰電池可進行充放電循環使用。電路中添加了通電指示燈及程序運行指示燈。基于STM32F103RCT6微處理器,編寫角度的AD轉換程序、HC-05的藍牙轉串口程序、ⅡC協議的OLED屏顯示程序等。

膝關節角度測量系統原理如圖1所示。

圖1 系統原理圖

本研究選用上海盤卓自動化科技有限公司的P3022系列無觸點旋轉式霍爾角度傳感器。其動態噪聲小,分辨率高;輸入電壓為5 V,順時針旋轉0°～360°對應輸出0～5 V(DC)。該型非接觸式角度傳感器使用磁鐵感應芯片的原理,將磁鐵旋轉的角度轉化成模擬電壓信號,傳感器結構微小,測量時基本無摩擦阻力,可在不同的環境下使用。同時選用STM32微控制器來實現所需要的信號采集、處理及其傳輸的嵌入式軟硬件系統設計。最后通過3D打印的方式完成裝置外殼的加工制作。

P3022霍爾角度傳感器如圖2所示。

圖2 P3022霍爾角度傳感器

綜上所述,將裝置的機械結構和裝置的外殼加工完成并組裝,安裝該裝置的電路板及角度傳感器,并通過細銅線相互連接。5 V鋰電池安裝在電路板的下面并固定。所有與肢體有接觸的連桿和外殼均粘貼海綿進行防護。將帶有魔術貼的綁帶固定在裝置外殼,便于安裝在受試者的肢體上。

自行研制的膝關節角度測量裝置實物圖如圖3所示。

1.彈性綁帶 2.OLED顯示屏 3.電源 4.霍爾角度傳感器5.連桿 6.電路板 7.藍牙

1.3 數據采集

首先將角度傳感器輸出的0～5 V(DC)模擬信號,通過電阻分壓及穩壓電路的方式降到0～3.3 V(DC);再經過STM32微處理器進行AD轉換,分辨率為12位;然后通過STM32微處理器將數據以藍牙無線通信的方式發送到電腦上位機系統。

由于肢體在運動過程中的頻率較低,本研究設計的采樣頻率為100 Hz,滿足了數據實時完整采集的需要。試驗采集的數據實時顯示在OLED顯示屏上,并實時地通過HC-05藍牙轉串口模塊發送到電腦的上位機采集系統。上位機接收的實時數據可保存為txt文件格式,用于后續數據分析。

1.4 正常步態周期介紹

正常人的1個步態周期是指一側足跟由著地到擺動至再次著地,1個步態周期由一側足跟著地時的支撐期和足趾離地時的擺動期組成,支撐期占1個周期總時間的60%,擺動期占1個周期總時間的40%[24],1個完整的步態周期如圖4所示。

圖4 1個完整的步態周期

圖5 步態檢測試驗過程

正常步態表現為肢體在支撐期和擺動期互相變換,肢體肌肉群自發的產生屈肌和伸肌的循環亢奮[25]。1個正常步態周期中,支撐期和擺動期各包含3個階段。支撐期早期為足跟首次觸地至全足著地,足跟觸地時肢體的運動速度減小,身體重心慢慢向前轉移,主要肌肉包括股四頭肌、臀大肌、脛前肌等;支撐期中期一只腳著地,此時單足支撐身體重心,主要肌肉包括比目魚肌和腓腸肌;支撐期末期為足跟離地至足趾離地,此時肢體加速運動離地,身體重心向對側肢體轉移,主要肌肉包括比目魚肌、股四頭肌等收縮。當肢體由支撐期向擺動期轉變時,髖關節先進行彎曲動作。擺動期早期足趾不完全離地,此時髖關節屈動帶動膝關節彎曲,主要肌肉為股四頭肌;擺動期中期足趾仍未完全離地,與地面有接觸摩擦,此時踝關節背屈,主要肌肉為脛前肌;擺動期末期足趾完全離地至足跟著地,此時肢體向前運動減速,主要肌肉包括股四頭肌、臀大肌、脛前肌等[24-26]。

綜上所述,1個正常步態周期中,在支撐期膝關節先彎曲后伸展,然后再彎曲;在擺動期膝關節彎曲肢體收縮,擺動中期膝關節彎曲至最大,直至足跟觸地前膝關節再伸展。因此,在1個完整步態周期中,人體下肢主要是依靠肱四頭肌完成屈膝動作。

2 試 驗

本臨床試驗選擇在中國科學技術大學附屬第一醫院(安徽省立醫院)進行。受試者為腦卒中偏癱患者和正常人。

受試患者的入選標準包括:① 腦卒中所致的下肢偏癱患者;② 患者意識清晰,能夠理解并配合檢查者完成整個試驗過程;③ 患者可以獨立行走至少10 m,行走過程無明顯的疼痛。受試患者的排除條件包括:① 患者行走過程中下肢肢體肌肉出現攣縮現象;② 患者患有膝關節疼痛的其他病癥,或者膝關節有損傷;③ 下肢軟癱的患者。

選取中國科學技術大學附屬第一醫院8名符合標準的痙攣狀態偏癱患者(左側下肢異常偏癱5例,右側下肢異常偏癱3例)作為試驗組,每位患者在試驗前均簽署了臨床試驗研究知情同意書。同時選取6名正常人作為對照組。

試驗之前,受試患者盡量保持立正姿態,全身肢體放松,檢查者將膝關節角度測量裝置穿戴在患者患側的下肢肢體上;然后,受試患者以自己習慣的速度,獨立在測試走廊直線行走8 m。所有受試者在同一地點、同一時間段進行試驗,試驗過程無任何交流。受試患者在行走過程中,數據被實時保存記錄下來;對照組6名正常成年人兩側下肢均穿戴此裝置,同時檢測兩側肢體的步行數據。試驗過程如圖3所示。

3 試驗結果分析

3.1 數據處理

基于8名受試患者(下文用“S”表示)和6名受試正常人(下文用“Y”表示)的下肢步行數據進行分析。受試患者和正常人膝關節角度動態變化曲線如圖6、圖7所示。

(a)

(a)

受試患者和正常人膝關節角度活動范圍θ見表1、表2所列。

表1 受試偏癱患者膝關節角度活動范圍

表2 受試正常人膝關節角度活動范圍

6名正常人步行時膝關節角度活動范圍為46.85°±3.94°,8名偏癱患者步行時膝關節角度活動范圍為25.76°±13.99°,兩組比較差異有統計學意義(P<0.01)。

3.2 腦卒中偏癱患者的膝關節角度分析

痙攣狀態患者在步行時,下肢關節角度異常是最明顯的特征。

正常人在1個完整的步態周期中,膝關節角度動態變化曲線是平滑的,膝關節角度活動范圍在46°左右(見圖7)。偏癱患者步行時由于下肢肌張力高,膝關節彎曲時受到阻力,導致膝關節無法繼續彎曲,膝關節彎曲到最大角度時患者的伸膝肌群產生痙攣狀態,直接表現為患者膝關節角度活動范圍遠小于正常人,膝關節角度動態變化曲線不平滑,步態步幅小,步速緩慢,有時也會出現膝關節膝過伸的情況(見圖6)。

具體到每位患者,偏癱患者S1、S2、S4在患側肢體處于擺動期步行時,膝關節彎曲到一定角度不變,出現一段穩定期,此時偏癱患者患側肢體產生了痙攣狀態,關節阻力矩和肌張力增大,患者的肢體出現了與痙攣狀態抗衡的階段;偏癱患者S3、S5、S8在患側肢體處于擺動期步行時,膝關節的屈膝和伸膝為連續動作,此時偏癱患者的步態已經形成記憶模式,步行時膝關節角度彎曲一定的度數,不再進行主動的彎曲;偏癱患者S6、S7在患側肢體處于擺動期步行時,膝關節屈膝彎曲一定度數后,在伸膝動作時產生了膝過伸的現象,此時偏癱患者的步態出現了屈膝和伸膝痙攣狀態。

偏癱患者由于痙攣狀態等級不同,步態異常程度特別是膝關節角度活動范圍也會存在差異,個別患者還會出現膝過伸的現象。而目前臨床上對于痙攣等級的評定主要靠醫生評定,缺乏客觀性,因此可以通過對膝關節活動角度的量化來輔助醫生評定患者痙攣狀態等級,這對改進痙攣等級評定方法具有重要意義。

另外,痙攣狀態偏癱患者步態異常是步行時產生的痙攣導致膝關節角度活動范圍小于正常人,因此可以通過提高患者膝關節角度活動范圍來改善步態,這為痙攣狀態偏癱患者的步態恢復提供了思路。

3.3 痙攣狀態偏癱患者的步態康復訓練策略

在痙攣狀態偏癱患者的步態康復訓練階段,通過患者在步行時穿戴膝關節角度測量裝置可以得到患者在不同階段的膝關節角度動態變化曲線以及膝關節角度活動范圍,醫生可以通過觀測曲線的平滑程度和膝關節角度活動范圍的變化情況以及與正常人數據的對比結果,準確評估患者的康復情況。

該裝置還能與電刺激裝置結合用于患者異常步態的矯正。針對偏癱患者步態異常的主要原因,即膝關節彎曲時出現不同程度的痙攣狀態,提出膝關節角度測量裝置和低頻脈沖電刺激儀相結合的步行康復策略,使用低頻脈沖電刺激儀刺激患者下肢患側擺動期的伸膝痙攣肌肉群即肱四頭肌實現步態矯正。

本研究涉及的低頻脈沖電刺激儀為單通道的獨立模塊,該模塊與膝關節角度測量裝置的控制模塊相連,電刺激的另一端通過導聯線將帶電極片的一端貼附在患側肢體的股四頭肌肌群上。使用膝關節角度測量裝置的控制模塊控制電刺激儀的工作與停止。電刺激模塊的頻率在50 Hz以上才能滿足肌肉的完全性收縮,單次刺激時長應小于1 s,以防止膝關節過度彎曲。電刺激模塊刺激痙攣狀態肌肉群時,可促使肌肉群肌肉收縮和減小肌張力,使肌肉群的伸屈肌張力平衡。

步態康復訓練的具體方法為偏癱患者在有扶手的安全通道進行步行,通過膝關節角度測量裝置的角度傳感器計算偏癱患者行走時的步數。首先在偏癱患者的患側肢體穿戴膝關節角度測量裝置,并在股四頭肌的肌肉群粘貼電刺激模塊的電極片;然后膝關節角度測量裝置通過傳感器檢測患者患側肢體行走的步數及患側膝關節的活動角度;在本裝置檢測到患者步行了5步并計算出膝關節的活動角度后,在患者的下一步施加電刺激;當患者在下一步行走過程中膝關節彎曲至小于計算出的膝關節活動角度的5°,即肢體將要產生痙攣狀態時,膝關節角度測量裝置的控制模塊控制電刺激模塊刺激股四頭肌肌群1次,并在之后每個步態周期的同一時刻進行電刺激,同時記錄患者行走的步數;患者患側肢體被電刺激10次之后停止電刺激;當患者再次行走了5步后,膝關節角度測量裝置重新計算出患者患側肢體膝關節的活動角度,并依據該值繼續在此后的10個步態周期中對患者患側肢體施加電刺激;重復以上2個步驟,每15步為1個周期,直至偏癱患者停止步行康復訓練,并實時輸出偏癱患者患側肢體行走的步數及膝關節活動角度。通過觀測患者步行時膝關節角度活動范圍的改變,可以定量分析患者的康復訓練效果。

本文方法沒有對偏癱患者的患側肢體進行持續的電刺激,而是在患者行走過程中將要出現痙攣狀態時再施加電刺激,這有助于患者行走時步態的矯正。而且患者在步行康復訓練時,其膝關節的活動角度是實時變化的,因此不能依據固定的膝關節活動角度值進行電刺激,而應該邊檢測邊刺激。研究結果表明,在偏癱患者康復訓練的不同階段,加強偏癱患者步行時步態的規范訓練,有助于患者步頻、步長的標準化和提高痙攣狀態偏癱患者的步行速度。

偏癱患者步態的量化分析是一個非常復雜的問題,本文方法使用的可穿戴傳感器裝置只分析膝關節的角度和步態周期,操作簡單易懂,便于患者日常使用。該方法能為患者在家或醫院進行隨時康復訓練提供有效的幫助,具有一定的臨床應用研究價值。

4 結 論

本文基于8名受試偏癱患者和6名受試正常人步行數據的分析,得出偏癱患者步態異常主要表現在膝關節角度活動范圍小于正常人,其深層次的原因是患者患側肢體進行屈膝動作時會產生痙攣狀態,肌張力增高,膝關節無法繼續彎曲;針對性地提出基于膝關節角度測量裝置和低頻脈沖電刺激相結合的方法,在偏癱患者患側肢體發生痙攣狀態之前或之時刺激患側肢體股四頭肌肌群,促使肌肉收縮從而度過痙攣狀態起始點,幫助膝關節繼續彎曲直至伸膝運動。

該康復策略作為步態康復訓練的一種新方法,可在臨床上應用推廣;同時,膝關節角度測量裝置可以對患者的步態參數進行量化分析,定量評估患者的康復訓練效果,為康復訓練的實時反饋提供有效依據。