正常青年人步态时空和运动学参数的可靠性分析

陈龙伟，王 珏，高 琳，石 磊

1 引言

随着计算机技术的发展，越来越多的研究机构利用三维步态分析对人体步行进行深入分析。三维步态分析是利用三维运动捕捉系统、测力台以及肌电仪等设备对步态的时空、运动学、动力学及肌电参数进行的全方位分析。它具有客观、准确的特点，被国际上公认为步态分析的黄金标准，广泛地应用于康复医学、人机功效学和运动人体科学等领域［5，6，12］。

步行是由人体多个系统协调配合完成的一种较为复杂的运动过程。这一过程受到诸多因素的影响，中间某个环节出现偏差，都会影响步行测试的结果。尽管三维步态分析数据具有客观、准确的特点，但由于人体步行受到各种因素的影响，步态参数存在随机误差。根据统计学原理，增加测试次数能够提高测试数据的可靠性。［3］但随着测试次数的增多，一方面会增加实验成本；另一方面，多次重复测试使受试者生理、心理等客观因素会受到一定程度的影响，从而影响测试的结果。这就给我们提出了一个值得思考的问题：步态实验达到多少次才能够保证数据具有较高的可靠性？目前国内对于此方面尚未给予足够重视。国外学者对步态分析的可靠性进行了部分的研究，其研究结果有一定的差异。但由于各自的实验条件不同，使得测量结果横向比较存在一定的困难。

正常青年人的步态特征较为稳定，一般作为运动人体科学、临床步态分析的参照。对于正常青年人步态可靠性分析具有现实的意义。本研究利用组内相关系数（Intra-class correlation coefficients，ICC）对步态分析中时空参数和运动学参数进行可靠性分析，确定正常青年人步态分析的最佳测试次数，为步态分析标准化提供参考。

2 资料与方法

2.1 资料

35例正常青年人来自西安交通大学，平均年龄27.5±7.4岁，平均身高1.70±0.12m，平均体重65.6±8.31kg。被试均无影响正常步行的疾病。被试均被告知实验目的并同意进行实验。

2.2 仪器和方法

2.2.1 实验仪器

OPTOTRAK三维运动捕捉系统3020（Northern Digital Inc.）、FP4060-10测力台（BERTEC Corporation）。

2.2.2 方法

被试穿T恤和短裤，赤足进行测试。下肢模型采用Helen Hayes Marker Set，远红外Marker点位置为左右股骨大转子、内外侧膝、内外侧踝、足跟、足部最宽处两侧、髂前上棘。［1，5，6，11］测试方式为听到信号后，被试用正常步速在指定区域向前行进5～6步。测试前练习3～5次后，采集有效测试8次。所有测试均由固定的两位研究人员共同完成。

2.3 步态分析参数

时空参数：步态周期时间、双支撑时间、步长、跨步长、步速。

运动学参数：髋、膝、踝关节活动范围和最大角度。

为了便于研究，步态周期被定义为左足两次足跟接触地面的时间间隔（0％和100％）。步长为同一足两次接触地面之间的距离。为了测量稳态步行各参数，起步过程和止步过程的数据在分析时删除。每一次测试取一个完整的步态周期进行分析。

2.4 数据分析

数据分析使用SPSS 17.0软件分别计算2～8次测试步态各参数的ICC值，其置信区间取95％。根据文献资料以及临床和实验的要求，ICC值要求达到0.9以上说明数据的可靠性较好［4，15，17］。

3 研究结果

3.1 步态的时空参数

步态的时空参数测试结果见表1。每次测试选取1个步态周期、完成4次测试，可使所选时空参数的ICC值均达到0.9以上。其中完成2次测试可使双支撑时间的ICC值均达到0.9以上。

3.2 步态的运动学参数

步态运动学参数测试结果见表2。每次测试选取1个步态周期、完成6次测试，可使所选运动学参数的ICC值均达到0.9以上。其中完成3次测试可使膝关节运动学参数的ICC值均达到0.9以上。

表1 步态时空参数的均值及不同测试次数的ICC值一览表

表2 步态运动学参数均值及不同测试次数的ICC值一览表

4 讨论

4.1 时空参数

时空参数是步态分析中描述时间和空间位置的参数。本研究选取国内、外研究中经常采用的步态周期时间、双支撑时间、步长、跨步长、步速作为步态分析参数。与相关文献的对比发现，本次研究的步态时空各参数与相关研究结果相近［7，8，12，15，17，18］。

4.2 运动学参数

运动学参数种类较多，是步态分析的重要参数。本研究选取了髋、膝、踝关节活动范围和最大角度作为运动学参数，其原因在于选择的参数均为实验室和临床经常分析的运动学参数。与相关文献的对比发现，除踝关节角度略高于STEINWENDER的研究结果外，其他运动学参数均与相关研究结果相近［9，18］。

4.3 步态参数的可靠性

通过文献的查阅，在国内、外的步态分析实验中，根据实验设计和被试条件的不同，步态参数测试次数主要在1～12次之间，差异较大。［14］即便是同一类实验，测试次数也有较大的差异，其中大多数研究未对所选测试次数的合理性做出解释。测试次数的确定对于步态实验的设计是十分重要的。对于同一类实验来说，测试次数的不同将影响测试的结果，从而使实验数据的横向比较产生一定的困难。如何统一测试次数的标准，需要首先从步态参数可靠性较好的正常青年人步态特征参数进行分析。

目前，步态参数可靠性分析的主要方法有多重相关系数（Coefficient of Multiple Correlation，CMC）、多重决定系数（Coefficients of Multiple Determination，CMD）和ICC 3种。在国外相关的23项研究中，使用CMC和CMD作为评价方法有8项，使用ICC的有6项。［9］根据实验设计的需要，本研究选择ICC对测试数据进行分析。通过对8次测试步态参数的分析（表1、表2），发现随着测试次数的增加，各类参数的ICC值均有一定程度的提高。这证明增加重复测量的次数可以提高步态参数的可靠性。［16］

时空参数结果表明，正常青年人每次测试取一个步态周期、重复测试4次就能使时空参数均达到较高的可靠性（ICC值＞0.9）。研究结果高于MCGINLEY报道的2次和刘志等报道的3次。［2，14］在时空参数中，双支撑参数测试值较为稳定，这也是部分研究将其作为临床评价步行能力指标的原因。

运动学参数结果表明，正常青年人需要重复测试6次就能使运动学参数均达到较高的可靠性（ICC值＞0.9）。这一结果与MONAGHAN的研究一致，低于MCGINLEY等人报道的10次；［14，16］在运动学参数中，膝关节参数较髋关节和踝关节参数稳定，这与MAYNARD、LABBE等人的研究结果一致。［10，13］这种现象主要是由膝关节本身的解剖结构和活动范围所决定的。本次研究的时空参数和运动学参数相比，ICC达到0.9时，时空参数需要测试的次数较运动学参数少，即正常青年人步态时空参数较运动学参数更为稳定。［14］

本研究由于测试条件的限制，每次测试只能取一个步态周期进行分析，且步态分析只分析了时空参数和运动学参数的可靠性。为了全面、深入地分析步态参数的可靠性，进一步的可能的工作方向为：条件允许的情况下，步态参数可靠性分析应尽可能加入动力学参数，以保证研究的全面性；尽量在一次测试中多取几个有效的步态周期进行分析，深入分析不同步态周期前提下步态参数的可靠性问题。

通过对正常青年人步态的时空参数和运动学参数的可靠性分析，可以得出：1）正常青年人每次测试取一个步态周期、重复测试4次就能使时空参数达到较高的可靠性；2）同样条件下，正常青年人需要重复测试6次就能使运动学参数达到较高的可靠性；3）正常青年人的时空参数的可靠性高于运动学参数。

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