骨科生物力学之步态运动分析方法有哪些?

恩格斯说，直立行走，是从猿到人转变过程中“具有决定意义的一步”。直立行走的形成，意味着人类从丛林向草原生活的转变，长时间行走的能力也使人类走出非洲，走向世界。

图1 直立行走进化图

直立行走是人类最基本的能力。然而，有得必有失，人类不仅受益于此，而且也默默承受着直立行走之“痛”，如脊柱承重之“痛”、关节磨损之“痛”、分娩难产之“痛”、血压升高之“痛”。

图2 直立行走之“痛”

步态分析旨在利用人体解剖学、生理学和生物力学知识，对人体直立行走的状态进行分析研究。步态分析在临床神经肌骨系统疾病损伤后的辅助诊疗及康复评定、康复工程中假肢设计、体育科学领域运动表现分析及损伤预防、健康人群步态数据库建立、以及其他如机器人仿生等方面都发挥着重要的作用。

图3 步态周期划分

01 早期步态分析手段

早期的步态分析手段主要包括观察法、足印法及量表评估等。

图4 观察法

足印法是在受试者足底涂抹染料后让受试者走过地面上的白纸，由此测量足印的时空步态参数。

图5 足印法

临床常用的步态评估量表包括FAC功能独立性量表、Holden步行能力评定、计时起立行走测试（Time up and go, TUG）以及Tinetti步态评估量表等。

图6 步态评估量表

此类方法成本低、应用方便，但缺乏客观准确的数据信息，且容易受检查者主观影响，正逐渐被更加精准、量化的数字化手段所替代。

02 步态运动分析技术

目前常用的步态运动分析技术，根据操作复杂程度和精准性，依次有：二维视频分析技术、无标记运动捕捉技术、可穿戴惯性测量技术、小型/便携式关节运动分析技术、实验室大型红外三维运动捕捉技术、双平面立体骨透视运动分析技术等。

图7 步态运动分析技术

1) 二维视频分析技术

基于二维相机录像结合生物力学分析用于步态分析的方法近年来快速发展，该方法利用相机视频拍摄，搭配各种2D运动分析软件测量运动学参数，具有使用便捷、操作简单等优点。但无法测量三维数据，相机的放置位置不同可能引起视频拍摄视角的变化而影响精度，此外，缺乏标准化的视频分析方法，对运动学参数的计算没有统一的标准。

图8 二维视频分析技术

2) 无标记运动捕捉技术

基于深度相机的无标记运动捕捉技术，无需在被试对象身上放置任何装置，通过深度估计提供受试者运动时的实时三维信息。深度估计的方法包括结构光原理、飞行时间原理和双目立体视觉等技术，主要代表包括Intel的Realsense、Leap Motion的体感控制器、Stereolabs的ZED和微软的Kinect等。此类技术成本较低、操作简单，近年来亦受到研究人员的青睐，但其精度还有待进一步验证。

图8 无标记运动捕捉技术

3) 可穿戴惯性测量技术

基于可穿戴惯性传感器的步态分析技术，主要通过将惯性测量单元绑在人体的关键部位，实时测量各种状态下的运动学参数。惯性传感器主要包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，通过对这三种数据的融合可以精准的得到载体的姿态角和偏航角，进而估计人体各部位的运动状态，对加速度和角速度的积分可以测得步长、步速等时空步态参数。主要代表有Xsens MVN（Xsens, Enschede, the Netherlands）、Riablo（Euleria Health，Rovereto, Italy）。

图10 Xsens可穿戴惯性传感器测量技术

图11 Riablo可穿戴惯性传感器测量技术

4) 便捷关节运动分析技术

小型关节运动分析技术以Optiknee Xmotion（Innomotion, Shanghai, China）为代表，以一体化便携式三维运动捕捉摄像机替代大型红外光学动作捕捉设备的多组镜头，以固定模块的反光刚体替代散点，可采集步行过程中下肢三大关节的三维六自由度数据。相较于大型红外运动捕捉技术，极大地降低了操作环境要求，最小场地需求6㎡，单次测试约10分钟，最大采样频率60Hz，硬件精度0.3均方根，可用于临床、门诊、实验室等多种场景。

便携式关节运动分析技术Optiknee Pmotion（Innomotion, Shanghai, China）在小型动捕的基础上进一步精简化，将所有测试配件可装进航空箱大小的盒子里，总重量不超过20kg，最大采样频率60Hz，硬件精度0.3均方根，搭配外接电池可支持户外操作，适用于国家队运动员、军事训练等特殊场景随时随队监测，使用更加便捷。

图12 便捷式运动分析技术

5) 实验室大型红外运动捕捉技术

实验室大型红外运动捕捉技术（three dimensional motion analysis，3DMA）自20世纪60年代产生以来一直应用至今，是目前最常用的定量步态分析手段，通过红外高速摄像机采集人体在三维空间中的运动信息。3DMA分为主动式和被动式，主动式是指在被试对象身上佩戴可以发射红外线的发光二极管，主要代表有Optotrak (Northern Digital Inc, Canada)和Raptor Motion Analysis (Motion Analysis Corporation, USA)；被动式是指在被试对象身上粘贴反光标记点，目前最为常见，主要以Vicon（Vicon Motion Systems，Oxford, UK）、Qualisys（Qualisys，Sweden）和Optitrack（Natural Point，USA）为代表。3DMA通过多部高速红外相机同时记录反光标记点的位置来估算三维坐标，可以立体、动态、实时地监测和采集关节运动学和动力学参数。

图13 实验室大型运动捕捉技术

在实际应用中，3DMA通常需要一个相对独立且安静的环境，由专业研究人员进行试验环境架设、贴点、标定、采集及后期数据处理，因而成本较高、耗时较长，目前多用于科研或临床大型步态实验室。

图14 大型运动捕捉技术

6) 双平面立体骨透视运动分析技术

双平面荧光立体骨透视运动分析是一种新型的关节在体成像技术，旨在将荧光透视成像、影像拍摄技术结合二维/三维模型配准技术，用于分析人体运动中骨与关节的三维六自由度数据，可以消除皮肤及软组织误差。同时弥补了传统影像学技术（如X线、CT、MRI等）仅分析人体骨与关节内部静态成像的缺陷，精度可达亚毫米级别，是目前在体运动分析的“金标准”。

图15 双平面立体骨透视运动分析技术

03 总结

步态分析的应用范围十分广泛，涉及医疗、体育、康复等多个场景。为了满足不同的场景需求，步态分析技术也在飞速发展，如实验室科研人员要求技术的高精准度、临床医生则更关注量化、便捷及患者友好，选择合适的步态分析技术需要根据实际需求进行权衡。同时，也需要不断探索新的技术手段，提高步态分析的精度以及智能化水平，为临床医学、体育健康和康复治疗等领域提供更好的支持和服务。

图16 生命在于运动

部分参考文献：

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撰文：赵雅琦

编辑：黄敏慧

审核：兰 天

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