三维运动捕捉系统用于国内学龄期及青春期健康发育儿童步态分析的研究

(1 上海市儿童医院骨科，上海 200062； 2 上海交通大学机械与动力工程学院)

三维运动捕捉系统是一种新兴的步态分析技术，通过红外线高速摄影机、测力台、表面肌电、计算机多系统共同获得步态相关参数，综合分析受试者的步态特点，能够准确地鉴别并分析异常运动，并能通过运动学、动力学及动态肌电图的分析确定异常运动的原因，可用于诊断、评价运动功能和指导治疗，对于科研和临床功能评价均是一种客观的、可靠的参考工具。KAWAMURA等[1]的研究表明，视觉步态分析和三维步态分析只有在初步接触地面时膝关节屈曲和骨盆倾斜度方面具有相似的可靠性，其他定量评估参数的可靠性均不如三维步态分析。三维步态分析系统目前在国内评定儿童运动功能方面还处于起步阶段，对正常人的步态研究主要是针对于成年人群体，对于健康儿童的研究报道甚少，而且大多是单一的单参数分析，年龄跨度小，样本量普遍不足，尚无比较完整的国内儿童正常值及某种疾病异常值的数据库，这必会限制符合中国儿童发育规律的运动功能研究，所以建立中国正常儿童步态参数的数据库有极其重要的意义。VICON三维运动捕捉系统是目前国际先进并且公认的、能客观地评价人体步态的定量分析系统[2]。本试验的目的是能应用该系统，采集和分析不同年龄段健康发育儿童步态数据，建立健康儿童的步态参数模型，在此基础上分析各种疾病导致的病理性儿童步态的异常参数和曲线，为病理步态的诊断和治疗提供参考依据。现将结果报告如下。

1 对象和方法

1.1 研究对象

2017年3月—2017年6月，我科招募了350名不同年龄段健康发育的儿童，在上海市儿童医院步态分析实验室接受步态测试并获取数据。所有受试者分别来自上海市各个小学和初中的学生，按年龄分为7岁组、8岁组、9岁组、10岁组、11岁组、12岁组、13岁组、14岁组、15岁组共9组。其中7岁组40人，8岁组37人，9岁组35人，10岁组38人，11岁组36人，12岁组42人，13岁组43人，14岁组41人，15岁组38人。其中男175人，女175人。所有受试者要求能完全配合检查，能自然行走，按照中国学龄期儿童标准排除肥胖[3]，均无下肢肌肉、骨骼和神经系统疾病，双下肢无明显不等长，无膝内翻、膝外翻，无既往下肢手术史。测试前向每位受试者家属解释本试验的目的和注意事项，取得监护人同意。试验经过上海市儿童医院伦理委员会批准。

1.2 仪器

英国VICON光学运动捕捉系统，该系统硬件主要包括8个高速红外摄像头、信号转换控制器、标定架，同时连接4个三维测力台，可进行垂直地面作用力分析，能同步获得行走过程中的运动学和动力学参数。应用检测和分析软件校准传感器、数据采集和处理，把测试数据通过图表、视频、三维等多种形式显示出来，给研究者以直观的感受。

1.3 方法

1.3.1测试前准备 测试范围内确定无一切发光的物体，避免对数据采集的干扰。受试者暴露腰部以下的肢体部分，对衣物上的反光点予以遮挡。然后用标定框架对整个测试系统进行标定。首先记录受试者的身高、体质量等信息，然后用统一大小的标记球(直径14 mm)进行体表标记，总共16个标记点，分别置于髂前上棘、髂后上棘、股骨外侧上1/3、股骨外上髁、胫骨外侧上1/3、外踝、足跟、第3跖趾关节背侧，每侧8个标记点，标记位置如图1、2。

1.3.2步态分析测试方法 测试由同一位有丰富步态分析经验的技师进行。测试前嘱受试儿童在测力台外用习惯的姿势和速度来回行走数次，使其适应试验环境。然后嘱受试儿童保持标准站立姿势，系统记录各标记点的空间测试原点，建立静态模型，注意受试者的所有反光点都应在红外线区域内，然后嘱受测儿童按照平时的行走方式及速度匀速、直线行走于步行地毯上，往返5次。采集自然行走状态下的步态图像，保证行走过程中每只脚分别完整踏在一块测力台上，从中选取行走姿态自然、图像质量好、完整包含16个标记点的3个图像用于步态分析。记录时间和空间数据(双足支撑时间、单足支撑时间、支撑相所占比、步频、步宽、步长、步幅、步速)；记录受试者自然行走状态下矢状面髋、膝、踝关节活动角度，其中髋关节活动角度为股骨大转子与髂前、髂后上棘连线之间的垂线与股长轴的夹角，正角度表示屈曲角度，负角度表示伸展角度；膝关节活动角度为股长轴与胫长轴的夹角，正角度表示屈曲角度，负角度表示伸展角度；踝关节活动角度为胫长轴与第5跖骨的长轴之间的夹角，正角度表示背屈角度，负角度表示跖屈角度。同时记录受试者自然行走状态下垂直地板作用力。在人体行走时垂直地板作用力在每个步态周期转折点时会出现极值，足跟着地时会有一个冲击力，即产生第一个峰值(P1)，随着足跟的逐渐放平，重心降低，当足底受力面积最大时出现谷值(V)，随后足跟开始离地，在前足蹬地时发生另一个作用力，即产生第二个峰值(P2)。对时空参数数据进行下肢长度的归一化，对动力学参数进行数据体质量的归一化，排除下肢长度、体质量的差异对数据准确性的影响，以更好地评价一个人的步态，取平均值进行统计分析(扫描文后二维码观看本文研究方法的相关视频)。

图1测试者正面观

图2 测试者背面观

2 结 果

2.1 受试儿童基本资料

男、女不同年龄组儿童腿长、体质量等比较差异无显著性(P>0.05)。见表1。

表1 受试儿童基本资料

2.2 受试儿童自然行走步态的下肢时空参数

各个时空参数左右侧之间的相关系数都高于0.85，说明左侧和右侧的相关性高，可以认为受试者在自然行走下，两侧下肢时间-空间参数分布规律一致，各年龄段儿童的左右下肢协调性好，对称性高。见表2。总体比较，男性和女性儿童的步频、步长、步宽、步幅、步速、双足支撑时间等参数无明显差异(P>0.05)，只有男孩的单足支撑时间长于女孩，差异有显著性(P<0.05)。通过对7～15岁儿童步态时空参数的年龄变化特征进行分析，可以看出，儿童的步长随年龄增长呈现出逐渐增加的趋势，但每个年龄段比较差异无显著性(P>0.05)。从7岁到8岁有一个明显的步频加快的过程(F=13.752，P<0.05)，8岁以后开始稳定，并且基本随年龄增长呈现出逐渐减少的趋势，8～15岁间的每个年龄段无显著性差异(P>0.05)。8岁儿童的步速比7岁儿童明显增加，差异有显著性(F=13.748，P<0.05)，8岁以后步速仍呈逐渐增加的趋势，但趋于平稳，差异无显著性(P>0.05)。7～15岁的步宽基本平稳，无显著差异(P>0.05)。在儿童的成长过程中，受试儿童的单、双足支撑时间均呈现出逐渐增加的趋势，但差异无显著统计学意义(P>0.05)，在正常步速下支撑时相平均占整个步态周期的63.6%。各年龄组间步幅比较差异无显著性(P>0.05)。见表3。

表2 正常儿童左右侧下肢时空参数比较

表3 受试儿童下肢时空参数

2.3 受试者自然行走状态下矢状面髋、膝、踝关节活动角度

受试儿童自然行走状态下，矢状面左右侧髋、膝、踝关节活动角度分布规律一致(P>0.05)。见表4。同一指标同一性别不同年龄段儿童的活动角度差异亦无显著意义(P>0.05)。同一年龄段内不同性别同一指标比较差异无显著性(P>0.05)。到支撑末期，髋关节从屈曲变为伸直状态，足离地前髋关节伸直角度达到最大值。进入摆动期后，髋关节屈曲角度增大，逐渐达到最大状态。在摆动初期膝关节的屈曲角度达到最大。到足跟着地时期，膝关节伸直角度变为最大。随着身体的前倾，踝关节开始背伸运动。到蹬离期，蹬地动作使踝关节快速跖屈，这时会产生最大的跖屈角度。见表5，图3。

2.4 受试者自然行走步态的垂直地板作用力

本研究受试者的垂直地板作用力曲线见图4，研究发现7～15岁正常儿童垂直地板作用力曲线同国外同龄人相同[4]，由2个波峰和1个波谷组成。本研究结果显示，在第一个双足支撑相末期，随着脚尖离地，负荷全部移至该侧下肢，支撑反作用力达到最大，出现第一个峰值，然后进入单足支撑时相阶段，到了单足支撑时相中期，垂直作用力变为最小，即为谷值。随后在单足支撑相末期，随着脚尖离地，垂直作用力达到第二个峰值。由表6、7可以看出，左右足的曲线分布规律一致，性别及各年龄组间峰值和谷值大小比较差异无显著性(P>0.05)，但第二峰值的平均值要普遍高于第一峰值的平均值。峰值和谷值的出现时间用从开始行走到分别出现峰值和谷值的时间在步态周期中所占百分比表示。随着年龄增大，P1出现的时间(T1)相对有所延后，而P2的出现时间(T2)会相对提前。

表4 正常儿童左右侧下肢运动学参数比较

表5 不同组矢状面髋、膝、踝关节最大活动角度

表6 正常儿童左右侧下肢动力学参数比较

3 讨 论

时空参数是步态分析中最常用的参数，它能反映出人行走时最基本的步行特征和步行功能。时空参数很大程度上取决于身体形态，已经证实步速、下肢长度、体质量等因素均会影响儿童步态成熟过程中大部分步态参数[5]。本试验强调受试者必须按照习惯的步速匀速行走，并将数据分别进行下肢长度和体质量的归一化，目的是排除上述因素对试验准确性的影响。单足的平衡能力能够反映出一个人的步态是否稳定，由于儿童行走初期平衡能力弱，只有采用缩短单足支撑时间，延长双足支撑时间的办法才能保持身体平衡[6]。GUFFEY等[7]发现，3岁之后儿童的单足支撑相逐渐延长并达到成年人水平。

表7 不同组垂直地板作用力的峰值、谷值和出现时间比较

T3代表谷值出现时间。

A：左右髋关节屈曲伸展角度曲线；B：左右膝关节屈曲伸展角度曲线；C：左右踝关节背伸跖屈角度曲线。绿色曲线代表左侧，红色曲线代表右侧。

图3受试者自然行走步态的矢状面髋、膝、踝关节活动角度曲线

步宽也是反映儿童步态发展的重要参数，后者能够从空间角度来反映儿童横向稳定性的变化[8]。张海涛等[9]研究发现，4岁儿童的单足支撑期较短，5岁左右单足支撑时间与成人接近。5岁之前步频较快，之后步频逐渐减小，6岁后接近成人水平。随着儿童年龄的增长步宽减小，并趋于稳定。本研究发现，7～15岁儿童的步行时空参数除单足支撑相外没有性别的差异。步长随年龄增长呈现增加趋势，14岁接近国内成人水平[10]，而步频自8岁后呈现减少趋势，12岁前后接近国内成人水平[10]；8岁儿童的步速明显快于7岁，8岁以后步速仍呈增加趋势，但趋于平稳，提示8岁儿童已经具有较好的行走能力；7～15岁步宽无明显变化，提示儿童在7岁以后行走已经稳定。单、双足支撑时间随年龄增长均呈现出增加趋势，7岁即达到成人水平[10-11]。本研究结果基本与上述国内外研究结果相符合。

正常儿童垂直地板作用力曲线呈“M”形，有2个波峰和1个波谷。绿色曲线代表左侧，红色曲线代表右侧。

图4受试者自然行走步态的垂直地板作用力曲线

步态的运动学分析，主要是对行走过程中观察到的肢体包括各个关节的位置、角度、速度以及加速度的具体描述。绝大部分的下肢关节步态分析多是针对髋、膝、踝等关节的矢状面活动角度和活动范围的研究。下肢关节在运动中的角度变化和活动范围能一定程度上反映相应关节的功能情况和关节之间的协调关系，可以更客观、直接及形象地描述步行中身体重心、骨盆位置的运动变化规律。幼儿独立行走初期下肢关节角度曲线与成人有很大差异，随着行走经验的增加，下肢3个关节的屈曲角度将不断减小[12]。SMITH等[13]发现，6～10岁的正常儿童下肢关节角度曲线除髋关节、膝关节的旋转活动随年龄变化存在差异以外其他基本相似。GANLEY等[14]结合前人的研究结果，将7岁儿童和成年人运动学参粘进行对比，发现7岁儿童步态的运动学特征基本达到成年人的水准。通过与我国成人关节运动学参数比较发现，本研究受试儿童的髋、膝、踝关节角度最大值及角度范围是高于成人水平的，而且随着年龄的增长，关节活动曲线逐渐接近于成人，但是儿童的关节曲线形态与成人基本相同[15]。

垂直地板反作用力是最重要的动力学参数，即测力台给足底的垂直方向的作用力，可反映步行时支撑下肢的负重和离地能力[16]。一个正常的垂直作用力变化轨迹出现两个波峰和一个波谷，是因为人体在行走时，重心发生两次摆动，重心的抬高和降低引起加速度改变，进而导致力的变化。COUSINS等[17]通过对学龄期儿童足底压力分布特征研究发现，儿童步行时的足底压力曲线为双峰形，不存在性别差异，但是左右侧有一定的差异。JOHN等[18]发现较年幼儿童在减速阶段时的垂直地板反作用力峰值要高于加速阶段，并且较年幼儿童由减速阶段转换到加速阶段的时间点相对提前。KUNG等[19]发现2岁以上儿童的垂直地板作用力曲线与成人曲线已经基本相似。YAN等[20]研究发现，1岁儿童的反作用力曲线中仅有一个波峰，但随着年龄的增长，第二峰值逐渐增加，但是始终没有超过体质量的100%。有研究表明速度越大，第一峰值越大，足跟触地冲击力大于蹬地力，因此曲线中第一峰值大于第二峰值[21]，但也有学者认为是第二峰值大于第一峰值[22]。本试验显示7～15岁正常儿童垂直地板作用力曲线呈“M”形，第二峰值的均值大于第一峰值的均值。而且随着年龄增大，第一峰值的出现时间相对延后，而第二峰值的出现时间会相对提前。峰值和谷值的大小在性别及各年龄组间却并无明显差异，所以在分析垂直地板作用力时，不能只考虑速度，可能还与下肢肌肉等身体结构因素有关。

本文的研究对象覆盖7～15岁的健康儿童，应用先进的VICON三维运动捕捉系统同时对儿童自然行走的时空参数、运动学参数和动力学参数进行检测并分析，扩展和完善了国内不同年龄段的儿童步态数据，初步揭示中国健康儿童的步行时空特征及其变化规律，但是本研究也存在不足之处，比如：①没有结合儿童表面肌电信号进行研究。②研究的样本量不足。③缺少对儿童冠状面及横断面的关节运动变化的观察。在以后的研究中会给予充分综合考虑，以完善相关研究结果。