正常青年人步態(tài)時(shí)空和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的可靠性分析

陳龍偉，王 玨，高 琳，石 磊

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究機(jī)構(gòu)利用三維步態(tài)分析對(duì)人體步行進(jìn)行深入分析。三維步態(tài)分析是利用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、測(cè)力臺(tái)以及肌電儀等設(shè)備對(duì)步態(tài)的時(shí)空、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及肌電參數(shù)進(jìn)行的全方位分析。它具有客觀、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，被國(guó)際上公認(rèn)為步態(tài)分析的黃金標(biāo)準(zhǔn)，廣泛地應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)學(xué)、人機(jī)功效學(xué)和運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)等領(lǐng)域［5，6，12］。

步行是由人體多個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合完成的一種較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程。這一過程受到諸多因素的影響，中間某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差，都會(huì)影響步行測(cè)試的結(jié)果。盡管三維步態(tài)分析數(shù)據(jù)具有客觀、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，但由于人體步行受到各種因素的影響，步態(tài)參數(shù)存在隨機(jī)誤差。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，增加測(cè)試次數(shù)能夠提高測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性。［3］但隨著測(cè)試次數(shù)的增多，一方面會(huì)增加實(shí)驗(yàn)成本；另一方面，多次重復(fù)測(cè)試使受試者生理、心理等客觀因素會(huì)受到一定程度的影響，從而影響測(cè)試的結(jié)果。這就給我們提出了一個(gè)值得思考的問題：步態(tài)實(shí)驗(yàn)達(dá)到多少次才能夠保證數(shù)據(jù)具有較高的可靠性？目前國(guó)內(nèi)對(duì)于此方面尚未給予足夠重視。國(guó)外學(xué)者對(duì)步態(tài)分析的可靠性進(jìn)行了部分的研究，其研究結(jié)果有一定的差異。但由于各自的實(shí)驗(yàn)條件不同，使得測(cè)量結(jié)果橫向比較存在一定的困難。

正常青年人的步態(tài)特征較為穩(wěn)定，一般作為運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)、臨床步態(tài)分析的參照。對(duì)于正常青年人步態(tài)可靠性分析具有現(xiàn)實(shí)的意義。本研究利用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（Intra-class correlation coefficients，ICC）對(duì)步態(tài)分析中時(shí)空參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行可靠性分析，確定正常青年人步態(tài)分析的最佳測(cè)試次數(shù)，為步態(tài)分析標(biāo)準(zhǔn)化提供參考。

2 資料與方法

2.1 資料

35例正常青年人來自西安交通大學(xué)，平均年齡27.5±7.4歲，平均身高1.70±0.12m，平均體重65.6±8.31kg。被試均無影響正常步行的疾病。被試均被告知實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟⑼膺M(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 儀器和方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

OPTOTRAK三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)3020（Northern Digital Inc.）、FP4060-10測(cè)力臺(tái)（BERTEC Corporation）。

2.2.2 方法

被試穿T恤和短褲，赤足進(jìn)行測(cè)試。下肢模型采用Helen Hayes Marker Set，遠(yuǎn)紅外Marker點(diǎn)位置為左右股骨大轉(zhuǎn)子、內(nèi)外側(cè)膝、內(nèi)外側(cè)踝、足跟、足部最寬處兩側(cè)、髂前上棘。［1，5，6，11］測(cè)試方式為聽到信號(hào)后，被試用正常步速在指定區(qū)域向前行進(jìn)5～6步。測(cè)試前練習(xí)3～5次后，采集有效測(cè)試8次。所有測(cè)試均由固定的兩位研究人員共同完成。

2.3 步態(tài)分析參數(shù)

時(shí)空參數(shù)：步態(tài)周期時(shí)間、雙支撐時(shí)間、步長(zhǎng)、跨步長(zhǎng)、步速。

運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)：髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍和最大角度。

為了便于研究，步態(tài)周期被定義為左足兩次足跟接觸地面的時(shí)間間隔（0％和100％）。步長(zhǎng)為同一足兩次接觸地面之間的距離。為了測(cè)量穩(wěn)態(tài)步行各參數(shù)，起步過程和止步過程的數(shù)據(jù)在分析時(shí)刪除。每一次測(cè)試取一個(gè)完整的步態(tài)周期進(jìn)行分析。

2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析使用SPSS 17.0軟件分別計(jì)算2～8次測(cè)試步態(tài)各參數(shù)的ICC值，其置信區(qū)間取95％。根據(jù)文獻(xiàn)資料以及臨床和實(shí)驗(yàn)的要求，ICC值要求達(dá)到0.9以上說明數(shù)據(jù)的可靠性較好［4，15，17］。

3 研究結(jié)果

3.1 步態(tài)的時(shí)空參數(shù)

步態(tài)的時(shí)空參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表1。每次測(cè)試選取1個(gè)步態(tài)周期、完成4次測(cè)試，可使所選時(shí)空參數(shù)的ICC值均達(dá)到0.9以上。其中完成2次測(cè)試可使雙支撐時(shí)間的ICC值均達(dá)到0.9以上。

3.2 步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表2。每次測(cè)試選取1個(gè)步態(tài)周期、完成6次測(cè)試，可使所選運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的ICC值均達(dá)到0.9以上。其中完成3次測(cè)試可使膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的ICC值均達(dá)到0.9以上。

表1 步態(tài)時(shí)空參數(shù)的均值及不同測(cè)試次數(shù)的ICC值一覽表

表2 步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)均值及不同測(cè)試次數(shù)的ICC值一覽表

4 討論

4.1 時(shí)空參數(shù)

時(shí)空參數(shù)是步態(tài)分析中描述時(shí)間和空間位置的參數(shù)。本研究選取國(guó)內(nèi)、外研究中經(jīng)常采用的步態(tài)周期時(shí)間、雙支撐時(shí)間、步長(zhǎng)、跨步長(zhǎng)、步速作為步態(tài)分析參數(shù)。與相關(guān)文獻(xiàn)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本次研究的步態(tài)時(shí)空各參數(shù)與相關(guān)研究結(jié)果相近［7，8，12，15，17，18］。

4.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)種類較多，是步態(tài)分析的重要參數(shù)。本研究選取了髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍和最大角度作為運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，其原因在于選擇的參數(shù)均為實(shí)驗(yàn)室和臨床經(jīng)常分析的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。與相關(guān)文獻(xiàn)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除踝關(guān)節(jié)角度略高于STEINWENDER的研究結(jié)果外，其他運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)均與相關(guān)研究結(jié)果相近［9，18］。

4.3 步態(tài)參數(shù)的可靠性

通過文獻(xiàn)的查閱，在國(guó)內(nèi)、外的步態(tài)分析實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和被試條件的不同，步態(tài)參數(shù)測(cè)試次數(shù)主要在1～12次之間，差異較大。［14］即便是同一類實(shí)驗(yàn)，測(cè)試次數(shù)也有較大的差異，其中大多數(shù)研究未對(duì)所選測(cè)試次數(shù)的合理性做出解釋。測(cè)試次數(shù)的確定對(duì)于步態(tài)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)是十分重要的。對(duì)于同一類實(shí)驗(yàn)來說，測(cè)試次數(shù)的不同將影響測(cè)試的結(jié)果，從而使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的橫向比較產(chǎn)生一定的困難。如何統(tǒng)一測(cè)試次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，需要首先從步態(tài)參數(shù)可靠性較好的正常青年人步態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行分析。

目前，步態(tài)參數(shù)可靠性分析的主要方法有多重相關(guān)系數(shù)（Coefficient of Multiple Correlation，CMC）、多重決定系數(shù)（Coefficients of Multiple Determination，CMD）和ICC 3種。在國(guó)外相關(guān)的23項(xiàng)研究中，使用CMC和CMD作為評(píng)價(jià)方法有8項(xiàng)，使用ICC的有6項(xiàng)。［9］根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的需要，本研究選擇ICC對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過對(duì)8次測(cè)試步態(tài)參數(shù)的分析（表1、表2），發(fā)現(xiàn)隨著測(cè)試次數(shù)的增加，各類參數(shù)的ICC值均有一定程度的提高。這證明增加重復(fù)測(cè)量的次數(shù)可以提高步態(tài)參數(shù)的可靠性。［16］

時(shí)空參數(shù)結(jié)果表明，正常青年人每次測(cè)試取一個(gè)步態(tài)周期、重復(fù)測(cè)試4次就能使時(shí)空參數(shù)均達(dá)到較高的可靠性（ICC值＞0.9）。研究結(jié)果高于MCGINLEY報(bào)道的2次和劉志等報(bào)道的3次。［2，14］在時(shí)空參數(shù)中，雙支撐參數(shù)測(cè)試值較為穩(wěn)定，這也是部分研究將其作為臨床評(píng)價(jià)步行能力指標(biāo)的原因。

運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)結(jié)果表明，正常青年人需要重復(fù)測(cè)試6次就能使運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)均達(dá)到較高的可靠性（ICC值＞0.9）。這一結(jié)果與MONAGHAN的研究一致，低于MCGINLEY等人報(bào)道的10次；［14，16］在運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)中，膝關(guān)節(jié)參數(shù)較髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)參數(shù)穩(wěn)定，這與MAYNARD、LABBE等人的研究結(jié)果一致。［10，13］這種現(xiàn)象主要是由膝關(guān)節(jié)本身的解剖結(jié)構(gòu)和活動(dòng)范圍所決定的。本次研究的時(shí)空參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)相比，ICC達(dá)到0.9時(shí)，時(shí)空參數(shù)需要測(cè)試的次數(shù)較運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)少，即正常青年人步態(tài)時(shí)空參數(shù)較運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)更為穩(wěn)定。［14］

本研究由于測(cè)試條件的限制，每次測(cè)試只能取一個(gè)步態(tài)周期進(jìn)行分析，且步態(tài)分析只分析了時(shí)空參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的可靠性。為了全面、深入地分析步態(tài)參數(shù)的可靠性，進(jìn)一步的可能的工作方向?yàn)椋簵l件允許的情況下，步態(tài)參數(shù)可靠性分析應(yīng)盡可能加入動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以保證研究的全面性；盡量在一次測(cè)試中多取幾個(gè)有效的步態(tài)周期進(jìn)行分析，深入分析不同步態(tài)周期前提下步態(tài)參數(shù)的可靠性問題。

通過對(duì)正常青年人步態(tài)的時(shí)空參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的可靠性分析，可以得出：1）正常青年人每次測(cè)試取一個(gè)步態(tài)周期、重復(fù)測(cè)試4次就能使時(shí)空參數(shù)達(dá)到較高的可靠性；2）同樣條件下，正常青年人需要重復(fù)測(cè)試6次就能使運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)達(dá)到較高的可靠性；3）正常青年人的時(shí)空參數(shù)的可靠性高于運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。

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