張騰宇,李立峰,季潤,王強,王喜太

步態(tài)分析是生物力學(xué)的特殊分支,能夠?qū)θ梭w行走時的肢體和關(guān)節(jié)活動進行運動學(xué)觀察和動力學(xué)分析,提供一系列時間、幾何、力學(xué)等參數(shù)值和曲線[1]。Vicon三維步態(tài)分析系統(tǒng)是目前較為先進的、能夠客觀定量地評定人體步行功能的系統(tǒng),可以較全面地反映患者的運動康復(fù)功能狀態(tài),在臨床步態(tài)分析中具有重要意義。

1 對象與方法

1.1 對象 健康成人20名,其中男性10名,女性10名;膝上截肢患者10名,男性 7名,女性3名;膝下截肢患者8名,男性5名,女性3名。受試者分別為本單位員工及在單位臨床部門裝配假肢或進行康復(fù)訓(xùn)練的患者,年齡集中在24～38歲。所有受試者均無神經(jīng)疾患及心肺疾患,健康受試者均無下肢肌肉、骨骼疾患;截肢患者均為因交通事故、外傷等引起的截肢,殘肢長度12～23 cm。向每位受試者解釋本研究的目的及步驟,并征得其同意,采取自愿參加的形式。

1.2 儀器 采用英國Vicon公司生產(chǎn)的三維步態(tài)分析系統(tǒng)對受試者進行步態(tài)分析。步態(tài)系統(tǒng)硬件主要包括6個高速紅外拍攝頭、2個測力平臺以及若干反光標記球等。系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為50 Hz,圖像分辨率1280×1024,測試場地布局如圖1所示。其中灰色部分為攝像頭可以拍攝到的有效范圍,測試場地空間高度為3.5 m。每塊測力平臺的長度為464 mm,寬度為508 mm。

1.3 實驗步驟 首先調(diào)整環(huán)境光線、溫度,為受試者進行個人信息錄入,并更換實驗專用服裝(下身著運動短褲或緊身服),然后使用14 mm標記球進行體表標記。標記位置如圖2。

圖1 測試場地布局

啟動Vicon系統(tǒng)及拍攝頭,并進行系統(tǒng)校正。將各個攝像頭分別在Vicon系統(tǒng)內(nèi)調(diào)整校好,進入3D模式,選出圖像最清晰的區(qū)域,在步道上標出該區(qū)域的范圍。采集開始前,首先要求受試者在步道上自由行走數(shù)次,以適應(yīng)實驗環(huán)境,同時要求受試者調(diào)整起步初始點和步幅,以保證行走過程中每只腳分別踏在一塊測力板上。

受試者站立在測試區(qū)域前邊緣處;采集開始后,受測者原地站立3 s,然后以自然步態(tài)常速向前行走,注意受試者的每只腳應(yīng)分別踏在每一塊測力板上;走到測試區(qū)域后邊緣處,原地站立3 s,結(jié)束一次采集并保存采集到的數(shù)據(jù)。

1.4 觀測指標 觀測受試者行走過程中的步頻、跨步長、步態(tài)周期時間、支撐期時間、擺動期時間、軀干運動、關(guān)節(jié)運動角度和地面對人體的反作用力。

2 結(jié)果

健康人群及下肢截肢患者的步態(tài)參數(shù)對比見表1,其中截肢者的支撐期百分比為殘肢側(cè)數(shù)據(jù)。

表1 健康人與下肢截肢者的步態(tài)參數(shù)

在得到步態(tài)時空參數(shù)的同時,三維步態(tài)分析系統(tǒng)能夠描繪不同受試者的運動學(xué)和力學(xué)曲線。由于國產(chǎn)的普通機械式膝關(guān)節(jié)和sach腳在國內(nèi)裝配量較大,臨床上較為常見,因此在膝上截肢患者和膝下截肢患者中,分別選取穿戴JB810四連桿膝關(guān)節(jié)膝上截肢患者和普通sach腳的膝下截肢患者,對其運動學(xué)和力學(xué)曲線進行對比分析。膝上截肢患者為男性,年齡26歲,身高182 cm,交通事故引起的膝上截肢,殘肢長度22 cm;膝下截肢患者為男性,年齡24歲,身高178 cm,交通事故引起的膝下截肢,殘肢長度17 cm。

人體行走過程中,對于下肢各關(guān)節(jié),其角度在矢狀面上的變化能夠在一定程度上反映步態(tài)的對稱性特征。并且,對于健康人和截肢患者,其矢狀面上的角度也存在著較大的差異性。

選取一個步態(tài)周期內(nèi),膝上截肢患者健肢側(cè)與殘肢側(cè)的各關(guān)節(jié)角度在矢狀面上的變化曲線進行對比,如圖3所示,其中,實線為健肢側(cè)的數(shù)據(jù),虛線為殘肢側(cè)數(shù)據(jù)。圖中可見,膝上假肢穿戴者殘肢的髖關(guān)節(jié)擺動幅度與健肢側(cè)相比較小;為了保證支撐期的穩(wěn)定性,四連桿膝關(guān)節(jié)從結(jié)構(gòu)上限制了支撐期關(guān)節(jié)的活動范圍,因此假肢膝關(guān)節(jié)的角度曲線在支撐期僅表現(xiàn)出很小的彎曲。固定的踝關(guān)節(jié)和假腳在運動過程中表現(xiàn)出與人體踝關(guān)節(jié)較大的差異性。

圖4描述膝下截肢患者健肢側(cè)與殘肢側(cè)的各關(guān)節(jié)角度在矢狀面上的變化曲線。其中,實線為健肢側(cè)的數(shù)據(jù),虛線為殘肢側(cè)數(shù)據(jù)。可以看出,膝下假肢穿戴者殘肢的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)運動與健肢的運動基本一致,主要不同表現(xiàn)在固定的踝關(guān)節(jié)和假腳與人體踝關(guān)節(jié)運動存在較大的差異性。

除了關(guān)節(jié)角度的變化,人體運動過程中所受的地面反作用力同樣可以反映步態(tài)的不同特征。圖5為一個步態(tài)周期內(nèi)截肢患者健肢側(cè)與殘肢側(cè)所受地面反作用力在垂直方向上的對比曲線。其中,實線為健肢側(cè)的數(shù)據(jù),虛線為殘肢側(cè)數(shù)據(jù)?？梢钥闯?膝上截肢患者假肢側(cè)的受力時間較健肢側(cè)短,即支撐期較短,而膝下截肢患者假肢側(cè)的受力時間和健肢側(cè)幾乎相等,這與前面的支撐期百分比分析結(jié)果一致。

圖6表示膝下截肢患者健肢側(cè)與殘肢側(cè)所受地面反作用力在前后方向和左右方向上的對比曲線。

關(guān)于下肢截肢患者健肢與殘肢所受地面反作用力存在差異的原因,還有待在今后的工作中進一步分析研究。

3 討論

本文利用Vicon三維步態(tài)分析系統(tǒng)對健康人群和下肢截肢患者的步態(tài)時空參數(shù)和運動學(xué)參數(shù)進行對比研究。結(jié)果表明,三維步態(tài)分析系統(tǒng)可對截肢患者裝配假肢后的效果評價提供客觀、真實的數(shù)據(jù)。通過對以上健康人和下肢截肢患者的步態(tài)進行分析,了解假肢穿戴者的步態(tài)特征,結(jié)合臨床經(jīng)驗,分析假肢穿戴者與健康人步態(tài)差異產(chǎn)生的原因,可以為制定康復(fù)訓(xùn)練方案提供切實可行的依據(jù),同時為假肢的設(shè)計、裝配提供一定的依據(jù)和評價標準[4-5]。

本研究只是針對三維步態(tài)分析系統(tǒng)在下肢截肢患者康復(fù)方面所做的一項基礎(chǔ)性研究。接下來,希望以該系統(tǒng)為平臺,建立一套完整的人體步態(tài)分析及殘疾人運動康復(fù)評價系統(tǒng),用于步態(tài)測評及下肢殘疾者的康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)。

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