三维步态分析在骨科康复等临床医学的应用

三维步态分析在骨科康复等临床医学的应用

作者：刘安民先生，英国曼彻斯特索尔福德大学健康学院研究员

一步态分析研究的历史

行走是人类最基本的运动，行走的姿态可分为不同的类型。步态分析是一门有关人行走过程中, 体态, 骨骼间(关节) ，肌肉与肢体，以及肢体与外界物体间相对运动，力学关系的分析方法。步态分析是固体力学在生物系统应用(即生物力学)的典型范例。

人类对动物及自身姿态及运动的兴趣和研究起源可以

上溯到公元前三个多世纪的亚里士多德。他的‘动物的行走’被广泛认为是人类有关包括自身在内的动物行走研究的最

早专著。文艺复兴时期的艺术家达分奇被认为是生物力学的先驱之一，因为他首次在力学环境下研究人的骨骼解剖结构。十七世纪的法国物理家勒内·笛卡尔最早提出人和所有动物的行走都遵循统一的力学法则，他的这一思想对促进和推动生物力学的持续发展起到了重要作用。同一时期的意大利物理家乔瓦尼·阿方索·博雷利接受了这一思想，并对鸟和鱼等走，跑、跳、飞和游等动作进行了研究，他甚至在力学框架内研究了心脏的活塞运动。确定人体重心的位置，测量出吸和呼的空气量，并指出吸气是肌肉收缩造成，而呼气

是由于身体组织弹性造成。博雷利首次阐明骨肌系统的杠杆结构对运动而不是力本身的放大作用。肌肉必须产生足以克服运动阻力的力才能实现运动。受伽利略影响，他在牛顿三大定律发表前便建立了直观了解关节静力平衡规律的方法。

运动是生物力学的重要组成部分，有关动物运动及人类步态的研究随着工业革命的开始得到进一步发展，首先，著名的德国爱德华·韦伯和威廉·韦伯兄弟正式系统地对人类行走进行了研究，1836年合著了‘人类行走力学’。随后, 相机的发明对生物运动学产生了巨大推动作用。该时期的法国生理学家艾蒂安·朱尔斯·马雷在专著‘动物机械原理’中，提出了动物，人和机器都遵守同一物理法则，人体仅是有生命的机器的理论。他利用自己发明的步枪式连拍照相机成功记录了鹈鹕等多种鸟，动物及人的动作。英国人爱德华·迈布瑞奇(与其同龄,同与1904去世)几乎于同一时期在美国利用多架相机，成功捕捉了奔马连续动作的多幅照片，不仅证明马在奔跑的过程中会产生四蹄离地的瞬间，而且证明了法国人马雷理论的正确性。这二位开创性的工作使得他们被后人尊为生物力学的先驱。他们采用的联系动作连拍摄影的方法到目前为止还是步态分析的重要组成部分。

上个世纪四十年代，二战造成的众多伤残人员对假肢的大量需求促进了步态分析的研究。当时的假肢无论在设计和临床应用都没有成熟的步态生物力学理论可寻。每个残疾人

的假肢都是经多次重复试验确定，不仅设计匹配无优化，而且耗时。美国的骨科医生维恩·托马斯·茵曼和结构工程师出身的著名假肢设计师的霍华德·戴维斯·艾博哈特(初为茵曼的截肢病人)共同开展了大量针对人类行走生物力学的系

统研究1,2,3,4。不仅确定了各个肢体在每个步态周期的运动，而且测得了着地足的地面支反力以及肌肉在收缩时的肌电

信号。力和肌电信号的引入极大地推动了步态生物力学的发展。他们发现的决定健康正常行走的诸多要素为假肢的设计，以及后来的步态分析临床应用奠定了基础。

电子及计算机技术的迅速发展，使得基于红外线摄影的数字化运动捕捉和分析系统在过去的三十多年间逐步发展

成为广为应用的临床步态分析工具。步态分析已经从图像观察为主的文字描述模式发展成了精确的三维数字报告模式。目前，一份综合步态试验结果可以包括多平面同步录相，运动，地面支反力，足底压力，肌电信号及能耗(耗氧)量的详细记录。通过生物力学分析软件处理，一份包括步态时空变量(步宽，步(跨)长，步频和线性速度)，三维关节角度(可以是非相邻肢体间相对转角)，角速度，角加速度，关节力，力矩和功率，以及肌腱长度变化和肌腱力的步态分析报告可以在步态试验后迅速形成。步态分析的准确性和全面性使其在临床诊断和科研中得到了越来越多应用。二步态试验室的基本构成目前的运动捕捉及分析设备分为传感器式

和光标信号式两种。传感器式的运动捕捉系统是以测量加速度和角转动惯量(陀螺仪)为基础的运动定位方法。其特点是价格相对便宜，运动信号的测量不需参考坐标系，方便用于试验室(户)外。但存在零飘和信号误差积累的问题。基于光标信号的运动捕捉系统又分为主动光标式和被动光标式。典型的被动发光光标产品系列有瑞典的QUAULISYS系统,英国的VICON系统，美国的MOTIONANALYSIS和OptiTrack 系统，这些系统以其灵活简单的布光标方便性在步态及运动分析试验室得到广泛应用。此外，也有功能相同但以主动光标为特点的主动型运动捕捉系统，如英国的CODA和加拿大的NDI系统。这些运动捕捉系统与测力设备，表面肌电测试等系统一起构成一个现代步态试验室。一个现代步态分析试验室(图1)的主要设备及软件：·一个宽敞的实验室(行走步道长度应在６米以上，以保障采集的步态周期均匀，稳定)；·两个摄相机(用于从前面和侧面对患者的步态试验录相)；·一套三维运动捕捉系统(一般至少要８个摄像头，增加镜头数，可以提高运动数据质量)；·一至两个嵌入实验室行走地板中的测力板(两个以上的测力板会提高力数据采集的效率)；·一套体表肌电测量系统(常用８－１６通道，即监测８－１６块肌肉活动度)，；·一套足底压力测量系统(可选)；·一套耗氧测量系统(可选)；·步态分析软件，如美国CMOTION 的VISUAL3D 软件等。图1: 英国

曼彻斯特索尔福德大学健康学院

三步态分析的基本方法临床步态分析的关键是相关医生与生物力学工程师对人体行走生物力学的正常规律和参数的全面掌握5。这包括标准健康人正常自然行走的速度，步频，步(跨)长，着地足在支撑相所用时间，摆腿相所用时间以及支撑相在一个步态周期所占的百分比。标准健康人正常行走时每一块肌肉收缩的时序和持续时间。标准健康人正常行走时地面支反力在三个平面(矢状面，冠状面和水平面)分量的变化规律和变化范围。标准健康人正常行走时关节运动在三个平面分量的变化规律和角度变化范围。标准健康人正常行走时关节力矩和机械功率在三个平面分量的变化规律和变化范围。标准健康人指的身体健康，体重身高在标准正常范围，足踝，下肢及神经系统无缺陷，残疾和运动疾病病史的人。测试者以自己常用的均匀速度和步态行走被认为是正常自然行走。基于标准正常数据库，临床步态分析报告可以通过病态步态数据与标准正常数据的对比而产生(图2)。步态分析的结果可以确定步态畸形患者的各个关节运动，受力异常情况，肌肉功能以及相关肌肉是否存在痉挛或神经控制紊乱等问题。到目前为止，标准健康人正常行走时标准数据结果已经在国际生物力学界的多年科研中取得共识。不同步态试验室公布和采用的正常数据和生物力学变量在一个步态周期的正常变化曲线都十分接近。然而，由于系