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基于行走时脚摆角的步态识别方法
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3秒自动关闭窗口膝关节骨性关节炎步态分析的研究进展作者:程晏(上海市东方医院)&王予彬(上海市东方医院)&上传时间: 15:35:43
&&& 膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis，KOA)是中老年人最常见的骨关节病，随年龄增大，患病率迅速上升，大于65岁人群中50％以上有骨性关节炎的X 线片表现。OA 是中老年人关节疼痛和致残的主要原因。据世界卫生组织(WHO)统计，OA 在女性患病率中占第四位，在男性患病率中占第八位，我国60 岁以上人群KOA 发病率高达49％。一项涉及中国6 大城市(西安、石家庄、上海、广州、哈尔滨、成都)的流行病学调查显示，6 城市40 岁以上人群膝关节骨性关节炎总患病率已高达15.6％。该疾病所导致的疼痛、关节功能障碍严重降低了中老年人的活动能力，大大增加了患者的医疗费用和社会负担，因而备受重视。KOA 除了会导致疼痛及关节功能障碍之外，还会引起步态异常。现代步态分析技术为KOA 患者的步态分析提供了多种有效、可行的手段。这些技术参数主要包括骨关节和肌肉的力学指标采集(包括运动学和动力学)以及步行过程中各肌肉肌电活动的监测和氧价分析等。本文就膝关节骨性关节炎患者步态分析技术的研究进展作一综述。 1 运动学研究方法 1.1研究设备现状 &&& ①足印法：是步态分析最早期和简易的方法之一。在足底涂上墨汁，步行通道上铺白纸。通过留下的足迹可以测得步长、步宽等数据。该方法比较落后，现代步态分析已经基本不采用。②平面定点摄像技术：运动学分析首先要对运动对象进行拍摄。目前采用录像机或高速录像机，拍摄结果可直接进入电脑，利用图像软件按帧解析图像，再将这些图像输入运动解析软件中，按场解析，采集每幅图像特征点的二维坐标。采集完成后，对原始数据进行平滑。根据任一肢体环节两端点上的解剖标志点的坐标数据，可以很容易地算出该环节的空间绝对角度，根据两个相邻环节的角度，可容易地算出关节角度，从而求得速度和加速度。另外，对人体各环节进行隔离受力分析，根据牛顿定律及单个物体的动量矩定理列出运动方程，采取从肢体远侧关节开始逐步计算至近侧关节的运算步骤，求得所有关节的反作用力及合肌力矩。③三维分析系统：以多个红外线高速摄影机为主的立体三维运动分析系统。通过光电位置敏感器件构成特殊的红外光点摄像机，它具有位置光电转换功能，能直接记录并解算出标志点的三维空间坐标信息。一台摄像机只能确定运动物点二维坐标信息，通过多台摄影机的立体摄影技术，可获得运动物体的空间三维坐标。获得三维坐标后，继而可求得角度和速度，利用逆向动力学方法便可计算出动力学指标。 1.2KOA患者步态运动学改变 &&& 步态分析中基本的运动学参数包括：步幅、步速、步频、步宽、步长、足偏角、步行周期、髋膝踝三个关节在水平面和矢状面上角度的周期性变化规律等。其中，步幅、步速、步频、步宽、步长、足偏角等属于时空参数；髋、膝、踝三个关节在水平面和矢状面上角度的周期性变化属于关节角度参数。 1.2.1时空参数的改变：在步态分析应用中常见的时空参数有步频、步幅、步长、步速、步态周期、支撑期百分比等。步长是一侧肢体足跟(足尖)到另一侧足跟(足尖)的距离；步幅是一侧足跟着地到再次着地时的距离，是连续两个步长的总合；步态周期是完成一个步幅所用的时间。在自主步速行走时，步频、步幅、步长、步态周期等时空参数与身高、性别、年龄有关。支撑期百分比通常和年龄有关。 &&& 从临床接触到的KOA 患者来看，其外观步态已经有所改变：步速、步长、步频均会降低，步行中受累侧膝关节关节活动度减小，减小的幅度与KOA 严重程度有一定关系。Chen CP 等在一项涉及55 例女性的步态分析实验中，发现KOA 患者的步态参数相比正常人有特征性的改变，包括步速减慢、步频降低、步幅变短、跨步时间延长。Lewek MD等人在一项涉及30 例（12 例女性，18 例男性）的步态分析研究中获得了类似的结果。KOA 患者步态周期中支撑相时间与摆动相时间的比例发生改变：Astephen JL等在一项大型的步态研究（50 例KOA 患者，63 例对照组）中发现：KOA 患者支撑相占步态周期的比例较对照组显著增加；我国的赵恒等学者的两项研究中也有相类似的结果；更有学者细化地分析了步态周期中足跟着地相、最初接触相、整足接触相和前足离地相的时间比例。Hai-yan Fu 等对比了40 例老年骨性关节炎患者与10 例青年对照组的步态运动学特点，发现KOA 患者足跟触地阶段时间百分比、前足离地阶段时间百分比均降低，前足触地阶段、全足支撑阶段时间百分比增高。 1.2.2 关节角度参数的改变：人体主要靠髋、膝、踝关节角度的规律性变化,使左右腿持续交替摆动而实现行走的。在影响下肢关节活动的内部因素中，关节角度会受年龄的影响，不同年龄的人群下肢关节角度具有相应的年龄特征。一般认为老年人和儿童屈髋角度较青壮年大，而膝关节角度较小。 &&& KOA 患者患膝的活动角度会减小：Mundermann A 等通过步态分析研究42 例双膝内侧间室骨关节炎患者和42 例健康对照后发现，包括足跟着地期伸膝角度、支撑期最大屈膝角度和支撑期最大伸膝角度均有减小；Farrokhi S对12 例正常人和14 例KOA 患者进行步态分析，结果发现足跟着地期KOA 患者的膝关节屈曲程度要远小于正常人，内侧室KOA 患者较正常人表现出了膝关节内收增加，而内外侧室KOA 患者则较正常人出现了膝关节的外展增加。然而这种关&&&&&>
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