(1 上海市兒童醫(yī)院骨科，上海 200062； 2 上海交通大學機械與動力工程學院)

三維運動捕捉系統(tǒng)是一種新興的步態(tài)分析技術，通過紅外線高速攝影機、測力臺、表面肌電、計算機多系統(tǒng)共同獲得步態(tài)相關參數，綜合分析受試者的步態(tài)特點，能夠準確地鑒別并分析異常運動，并能通過運動學、動力學及動態(tài)肌電圖的分析確定異常運動的原因，可用于診斷、評價運動功能和指導治療，對于科研和臨床功能評價均是一種客觀的、可靠的參考工具。KAWAMURA等[1]的研究表明，視覺步態(tài)分析和三維步態(tài)分析只有在初步接觸地面時膝關節(jié)屈曲和骨盆傾斜度方面具有相似的可靠性，其他定量評估參數的可靠性均不如三維步態(tài)分析。三維步態(tài)分析系統(tǒng)目前在國內評定兒童運動功能方面還處于起步階段，對正常人的步態(tài)研究主要是針對于成年人群體，對于健康兒童的研究報道甚少，而且大多是單一的單參數分析，年齡跨度小，樣本量普遍不足，尚無比較完整的國內兒童正常值及某種疾病異常值的數據庫，這必會限制符合中國兒童發(fā)育規(guī)律的運動功能研究，所以建立中國正常兒童步態(tài)參數的數據庫有極其重要的意義。VICON三維運動捕捉系統(tǒng)是目前國際先進并且公認的、能客觀地評價人體步態(tài)的定量分析系統(tǒng)[2]。本試驗的目的是能應用該系統(tǒng)，采集和分析不同年齡段健康發(fā)育兒童步態(tài)數據，建立健康兒童的步態(tài)參數模型，在此基礎上分析各種疾病導致的病理性兒童步態(tài)的異常參數和曲線，為病理步態(tài)的診斷和治療提供參考依據?，F將結果報告如下。

1 對象和方法

1.1 研究對象

2017年3月—2017年6月，我科招募了350名不同年齡段健康發(fā)育的兒童，在上海市兒童醫(yī)院步態(tài)分析實驗室接受步態(tài)測試并獲取數據。所有受試者分別來自上海市各個小學和初中的學生，按年齡分為7歲組、8歲組、9歲組、10歲組、11歲組、12歲組、13歲組、14歲組、15歲組共9組。其中7歲組40人，8歲組37人，9歲組35人，10歲組38人，11歲組36人，12歲組42人，13歲組43人，14歲組41人，15歲組38人。其中男175人，女175人。所有受試者要求能完全配合檢查，能自然行走，按照中國學齡期兒童標準排除肥胖[3]，均無下肢肌肉、骨骼和神經系統(tǒng)疾病，雙下肢無明顯不等長，無膝內翻、膝外翻，無既往下肢手術史。測試前向每位受試者家屬解釋本試驗的目的和注意事項，取得監(jiān)護人同意。試驗經過上海市兒童醫(yī)院倫理委員會批準。

1.2 儀器

英國VICON光學運動捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件主要包括8個高速紅外攝像頭、信號轉換控制器、標定架，同時連接4個三維測力臺，可進行垂直地面作用力分析，能同步獲得行走過程中的運動學和動力學參數。應用檢測和分析軟件校準傳感器、數據采集和處理，把測試數據通過圖表、視頻、三維等多種形式顯示出來，給研究者以直觀的感受。

1.3 方法

1.3.1測試前準備 測試范圍內確定無一切發(fā)光的物體，避免對數據采集的干擾。受試者暴露腰部以下的肢體部分，對衣物上的反光點予以遮擋。然后用標定框架對整個測試系統(tǒng)進行標定。首先記錄受試者的身高、體質量等信息，然后用統(tǒng)一大小的標記球(直徑14 mm)進行體表標記，總共16個標記點，分別置于髂前上棘、髂后上棘、股骨外側上1/3、股骨外上髁、脛骨外側上1/3、外踝、足跟、第3跖趾關節(jié)背側，每側8個標記點，標記位置如圖1、2。

1.3.2步態(tài)分析測試方法 測試由同一位有豐富步態(tài)分析經驗的技師進行。測試前囑受試兒童在測力臺外用習慣的姿勢和速度來回行走數次，使其適應試驗環(huán)境。然后囑受試兒童保持標準站立姿勢，系統(tǒng)記錄各標記點的空間測試原點，建立靜態(tài)模型，注意受試者的所有反光點都應在紅外線區(qū)域內，然后囑受測兒童按照平時的行走方式及速度勻速、直線行走于步行地毯上，往返5次。采集自然行走狀態(tài)下的步態(tài)圖像，保證行走過程中每只腳分別完整踏在一塊測力臺上，從中選取行走姿態(tài)自然、圖像質量好、完整包含16個標記點的3個圖像用于步態(tài)分析。記錄時間和空間數據(雙足支撐時間、單足支撐時間、支撐相所占比、步頻、步寬、步長、步幅、步速)；記錄受試者自然行走狀態(tài)下矢狀面髖、膝、踝關節(jié)活動角度，其中髖關節(jié)活動角度為股骨大轉子與髂前、髂后上棘連線之間的垂線與股長軸的夾角，正角度表示屈曲角度，負角度表示伸展角度；膝關節(jié)活動角度為股長軸與脛長軸的夾角，正角度表示屈曲角度，負角度表示伸展角度；踝關節(jié)活動角度為脛長軸與第5跖骨的長軸之間的夾角，正角度表示背屈角度，負角度表示跖屈角度。同時記錄受試者自然行走狀態(tài)下垂直地板作用力。在人體行走時垂直地板作用力在每個步態(tài)周期轉折點時會出現極值，足跟著地時會有一個沖擊力，即產生第一個峰值(P1)，隨著足跟的逐漸放平，重心降低，當足底受力面積最大時出現谷值(V)，隨后足跟開始離地，在前足蹬地時發(fā)生另一個作用力，即產生第二個峰值(P2)。對時空參數數據進行下肢長度的歸一化，對動力學參數進行數據體質量的歸一化，排除下肢長度、體質量的差異對數據準確性的影響，以更好地評價一個人的步態(tài)，取平均值進行統(tǒng)計分析(掃描文后二維碼觀看本文研究方法的相關視頻)。

圖1測試者正面觀

圖2 測試者背面觀

2 結 果

2.1 受試兒童基本資料

男、女不同年齡組兒童腿長、體質量等比較差異無顯著性(P>0.05)。見表1。

表1 受試兒童基本資料

2.2 受試兒童自然行走步態(tài)的下肢時空參數

各個時空參數左右側之間的相關系數都高于0.85，說明左側和右側的相關性高，可以認為受試者在自然行走下，兩側下肢時間-空間參數分布規(guī)律一致，各年齡段兒童的左右下肢協(xié)調性好，對稱性高。見表2?？傮w比較，男性和女性兒童的步頻、步長、步寬、步幅、步速、雙足支撐時間等參數無明顯差異(P>0.05)，只有男孩的單足支撐時間長于女孩，差異有顯著性(P<0.05)。通過對7～15歲兒童步態(tài)時空參數的年齡變化特征進行分析，可以看出，兒童的步長隨年齡增長呈現出逐漸增加的趨勢，但每個年齡段比較差異無顯著性(P>0.05)。從7歲到8歲有一個明顯的步頻加快的過程(F=13.752，P<0.05)，8歲以后開始穩(wěn)定，并且基本隨年齡增長呈現出逐漸減少的趨勢，8～15歲間的每個年齡段無顯著性差異(P>0.05)。8歲兒童的步速比7歲兒童明顯增加，差異有顯著性(F=13.748，P<0.05)，8歲以后步速仍呈逐漸增加的趨勢，但趨于平穩(wěn)，差異無顯著性(P>0.05)。7～15歲的步寬基本平穩(wěn)，無顯著差異(P>0.05)。在兒童的成長過程中，受試兒童的單、雙足支撐時間均呈現出逐漸增加的趨勢，但差異無顯著統(tǒng)計學意義(P>0.05)，在正常步速下支撐時相平均占整個步態(tài)周期的63.6%。各年齡組間步幅比較差異無顯著性(P>0.05)。見表3。

表2 正常兒童左右側下肢時空參數比較

表3 受試兒童下肢時空參數

2.3 受試者自然行走狀態(tài)下矢狀面髖、膝、踝關節(jié)活動角度

受試兒童自然行走狀態(tài)下，矢狀面左右側髖、膝、踝關節(jié)活動角度分布規(guī)律一致(P>0.05)。見表4。同一指標同一性別不同年齡段兒童的活動角度差異亦無顯著意義(P>0.05)。同一年齡段內不同性別同一指標比較差異無顯著性(P>0.05)。到支撐末期，髖關節(jié)從屈曲變?yōu)樯熘睜顟B(tài)，足離地前髖關節(jié)伸直角度達到最大值。進入擺動期后，髖關節(jié)屈曲角度增大，逐漸達到最大狀態(tài)。在擺動初期膝關節(jié)的屈曲角度達到最大。到足跟著地時期，膝關節(jié)伸直角度變?yōu)樽畲?。隨著身體的前傾，踝關節(jié)開始背伸運動。到蹬離期，蹬地動作使踝關節(jié)快速跖屈，這時會產生最大的跖屈角度。見表5，圖3。

2.4 受試者自然行走步態(tài)的垂直地板作用力

本研究受試者的垂直地板作用力曲線見圖4，研究發(fā)現7～15歲正常兒童垂直地板作用力曲線同國外同齡人相同[4]，由2個波峰和1個波谷組成。本研究結果顯示，在第一個雙足支撐相末期，隨著腳尖離地，負荷全部移至該側下肢，支撐反作用力達到最大，出現第一個峰值，然后進入單足支撐時相階段，到了單足支撐時相中期，垂直作用力變?yōu)樽钚?，即為谷值。隨后在單足支撐相末期，隨著腳尖離地，垂直作用力達到第二個峰值。由表6、7可以看出，左右足的曲線分布規(guī)律一致，性別及各年齡組間峰值和谷值大小比較差異無顯著性(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。峰值和谷值的出現時間用從開始行走到分別出現峰值和谷值的時間在步態(tài)周期中所占百分比表示。隨著年齡增大，P1出現的時間(T1)相對有所延后，而P2的出現時間(T2)會相對提前。

表4 正常兒童左右側下肢運動學參數比較

表5 不同組矢狀面髖、膝、踝關節(jié)最大活動角度

表6 正常兒童左右側下肢動力學參數比較

3 討 論

時空參數是步態(tài)分析中最常用的參數，它能反映出人行走時最基本的步行特征和步行功能。時空參數很大程度上取決于身體形態(tài)，已經證實步速、下肢長度、體質量等因素均會影響兒童步態(tài)成熟過程中大部分步態(tài)參數[5]。本試驗強調受試者必須按照習慣的步速勻速行走，并將數據分別進行下肢長度和體質量的歸一化，目的是排除上述因素對試驗準確性的影響。單足的平衡能力能夠反映出一個人的步態(tài)是否穩(wěn)定，由于兒童行走初期平衡能力弱，只有采用縮短單足支撐時間，延長雙足支撐時間的辦法才能保持身體平衡[6]。GUFFEY等[7]發(fā)現，3歲之后兒童的單足支撐相逐漸延長并達到成年人水平。

表7 不同組垂直地板作用力的峰值、谷值和出現時間比較

T3代表谷值出現時間。

A：左右髖關節(jié)屈曲伸展角度曲線；B：左右膝關節(jié)屈曲伸展角度曲線；C：左右踝關節(jié)背伸跖屈角度曲線。綠色曲線代表左側，紅色曲線代表右側。

圖3受試者自然行走步態(tài)的矢狀面髖、膝、踝關節(jié)活動角度曲線

步寬也是反映兒童步態(tài)發(fā)展的重要參數，后者能夠從空間角度來反映兒童橫向穩(wěn)定性的變化[8]。張海濤等[9]研究發(fā)現，4歲兒童的單足支撐期較短，5歲左右單足支撐時間與成人接近。5歲之前步頻較快，之后步頻逐漸減小，6歲后接近成人水平。隨著兒童年齡的增長步寬減小，并趨于穩(wěn)定。本研究發(fā)現，7～15歲兒童的步行時空參數除單足支撐相外沒有性別的差異。步長隨年齡增長呈現增加趨勢，14歲接近國內成人水平[10]，而步頻自8歲后呈現減少趨勢，12歲前后接近國內成人水平[10]；8歲兒童的步速明顯快于7歲，8歲以后步速仍呈增加趨勢，但趨于平穩(wěn)，提示8歲兒童已經具有較好的行走能力；7～15歲步寬無明顯變化，提示兒童在7歲以后行走已經穩(wěn)定。單、雙足支撐時間隨年齡增長均呈現出增加趨勢，7歲即達到成人水平[10-11]。本研究結果基本與上述國內外研究結果相符合。

正常兒童垂直地板作用力曲線呈“M”形，有2個波峰和1個波谷。綠色曲線代表左側，紅色曲線代表右側。

圖4受試者自然行走步態(tài)的垂直地板作用力曲線

步態(tài)的運動學分析，主要是對行走過程中觀察到的肢體包括各個關節(jié)的位置、角度、速度以及加速度的具體描述。絕大部分的下肢關節(jié)步態(tài)分析多是針對髖、膝、踝等關節(jié)的矢狀面活動角度和活動范圍的研究。下肢關節(jié)在運動中的角度變化和活動范圍能一定程度上反映相應關節(jié)的功能情況和關節(jié)之間的協(xié)調關系，可以更客觀、直接及形象地描述步行中身體重心、骨盆位置的運動變化規(guī)律。幼兒獨立行走初期下肢關節(jié)角度曲線與成人有很大差異，隨著行走經驗的增加，下肢3個關節(jié)的屈曲角度將不斷減小[12]。SMITH等[13]發(fā)現，6～10歲的正常兒童下肢關節(jié)角度曲線除髖關節(jié)、膝關節(jié)的旋轉活動隨年齡變化存在差異以外其他基本相似。GANLEY等[14]結合前人的研究結果，將7歲兒童和成年人運動學參粘進行對比，發(fā)現7歲兒童步態(tài)的運動學特征基本達到成年人的水準。通過與我國成人關節(jié)運動學參數比較發(fā)現，本研究受試兒童的髖、膝、踝關節(jié)角度最大值及角度范圍是高于成人水平的，而且隨著年齡的增長，關節(jié)活動曲線逐漸接近于成人，但是兒童的關節(jié)曲線形態(tài)與成人基本相同[15]。

垂直地板反作用力是最重要的動力學參數，即測力臺給足底的垂直方向的作用力，可反映步行時支撐下肢的負重和離地能力[16]。一個正常的垂直作用力變化軌跡出現兩個波峰和一個波谷，是因為人體在行走時，重心發(fā)生兩次擺動，重心的抬高和降低引起加速度改變，進而導致力的變化。COUSINS等[17]通過對學齡期兒童足底壓力分布特征研究發(fā)現，兒童步行時的足底壓力曲線為雙峰形，不存在性別差異，但是左右側有一定的差異。JOHN等[18]發(fā)現較年幼兒童在減速階段時的垂直地板反作用力峰值要高于加速階段，并且較年幼兒童由減速階段轉換到加速階段的時間點相對提前。KUNG等[19]發(fā)現2歲以上兒童的垂直地板作用力曲線與成人曲線已經基本相似。YAN等[20]研究發(fā)現，1歲兒童的反作用力曲線中僅有一個波峰，但隨著年齡的增長，第二峰值逐漸增加，但是始終沒有超過體質量的100%。有研究表明速度越大，第一峰值越大，足跟觸地沖擊力大于蹬地力，因此曲線中第一峰值大于第二峰值[21]，但也有學者認為是第二峰值大于第一峰值[22]。本試驗顯示7～15歲正常兒童垂直地板作用力曲線呈“M”形，第二峰值的均值大于第一峰值的均值。而且隨著年齡增大，第一峰值的出現時間相對延后，而第二峰值的出現時間會相對提前。峰值和谷值的大小在性別及各年齡組間卻并無明顯差異，所以在分析垂直地板作用力時，不能只考慮速度，可能還與下肢肌肉等身體結構因素有關。

本文的研究對象覆蓋7～15歲的健康兒童，應用先進的VICON三維運動捕捉系統(tǒng)同時對兒童自然行走的時空參數、運動學參數和動力學參數進行檢測并分析，擴展和完善了國內不同年齡段的兒童步態(tài)數據，初步揭示中國健康兒童的步行時空特征及其變化規(guī)律，但是本研究也存在不足之處，比如：①沒有結合兒童表面肌電信號進行研究。②研究的樣本量不足。③缺少對兒童冠狀面及橫斷面的關節(jié)運動變化的觀察。在以后的研究中會給予充分綜合考慮，以完善相關研究結果。