陸蓉蓉，高天昊，李策，郭帥，王志勇，白玉龍

1.復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，上海市200040；2.上海大學(xué)，上海市200436；3.上海金矢機(jī)器人科技有限公司，上海市200436

目的 在腦卒中患者恢復(fù)中，維持站立位和坐位的能力對后續(xù)日常生活活動能力改善產(chǎn)生一定的影響。目前臨床上缺乏對姿勢控制能力有效的定量評價方式。本研究評價以骨盆質(zhì)心為基礎(chǔ)的姿勢圖參數(shù)在評價不同姿勢站立和適宜速度步行時的可靠性。

方法 2018年5月17日至6月3日，納入79例健康青年人，在智能化下肢助行機(jī)器人上分別進(jìn)行雙腳站立、左/右腳站立和10 m適宜速度步行評定。運(yùn)動結(jié)束后由系統(tǒng)自動計算出姿勢圖參數(shù)。測試分兩次進(jìn)行，兩次測試間隔1 d。

結(jié)果 在雙腳站立姿勢圖測定中，額狀面平均擺幅、矢狀面平均擺幅、重心移動軌跡總長度和重心移動總面積的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC)＞0.70；在左/右腳站立姿勢圖測定中，左腳站立相所評估參數(shù)的ICC＞0.70，右腳站立相上述參數(shù)的ICC＞0.49。在適宜速度10 m步行姿勢圖測定中，重心移動軌跡總長度和重心移動總面積的ICC＞0.75。將受試者不同姿勢站立相姿勢圖進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)雙腳站立較單腳站立更為穩(wěn)定(P＜0.01)，優(yōu)勢側(cè)對站立穩(wěn)定性并無明顯影響(P＞0.05)。

結(jié)論 以骨盆質(zhì)心為基礎(chǔ)進(jìn)行姿勢圖評價能可靠地反映在雙腳站立、左/右腳站立和適宜速度步行時的姿勢控制，在正常人群中有較好的可重復(fù)性。

在腦卒中患者中，運(yùn)動障礙是最常見的功能障礙之一，他們的跌倒風(fēng)險較同年齡段的健康人顯著增高。同時，跌倒也是腦卒中患者在康復(fù)過程中最容易出現(xiàn)的并發(fā)癥之一[1]。腦卒中患者下肢肌肉力量的不對稱、感覺輸入減退[2]和心理因素等都會造成在運(yùn)動過程中的跌倒風(fēng)險增加[3-5]，其姿勢控制呈現(xiàn)不對稱和不穩(wěn)定的特征[6-7]。

在腦卒中患者運(yùn)動功能的恢復(fù)過程中，靜態(tài)站立是后續(xù)坐-站轉(zhuǎn)移功能和步行功能進(jìn)一步改善的第一步，確?；颊吣馨踩行У赝瓿伸o態(tài)站立是后續(xù)功能性動作有序安全出現(xiàn)的前提條件[8-9]。目前的康復(fù)治療強(qiáng)調(diào)精準(zhǔn)的個體化康復(fù)治療方案，但是我們常用的評定量表則多為半定量或者定性的量表，如常用的Berg平衡量表[10]。Berg平衡量表在腦卒中患者平衡功能評定中雖然有效，但是也存在一定不足。一是存在天花板效應(yīng)[11]，二是它并不是一種動態(tài)的評估方法[12]。因此，很多研究開始將姿勢圖參數(shù)用于下肢運(yùn)動功能和平衡功能的評價。有研究證實(shí)姿勢圖參數(shù)能可靠有效地評價某些運(yùn)動過程，如蹲站運(yùn)動[13]和坐-站-坐運(yùn)動[14]。

為了進(jìn)一步評估姿勢圖參數(shù)在步行過程中的應(yīng)用的前景，我們設(shè)計一款智能助行康復(fù)機(jī)器人。與既往以足底壓力為基礎(chǔ)[15]的下肢機(jī)器人所不同的是，我們著眼于骨盆位置的變化，對動作的穩(wěn)定性和對稱性進(jìn)行評價。由于靜態(tài)站立是后續(xù)功能性活動的基礎(chǔ)，本研究中首先對雙腳站立、左腳站立、右腳站立和適宜速度步行時評價的可信性進(jìn)行評估。

1 資料與方法

1.1 研究對象

2018年5月17日至6月3日在復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院招募健康志愿者79名為受試者，其中男性54名，女性25名，平均年齡(23.09±3.84)歲，平均身高(170.20±7.50)cm，平均體質(zhì)量(62.32±1.14)kg，所有受試者都為右利手。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①無認(rèn)知障礙；②無嚴(yán)重視力障礙；③無平衡功能障礙；④愿意參加試驗。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①有神經(jīng)肌肉系統(tǒng)及肌肉骨骼系統(tǒng)的疾病史，如腦卒中、帕金森病等；②不穩(wěn)、眩暈和感覺功能缺失等癥狀；③其他可能引起平衡異常的疾病；④關(guān)節(jié)炎；⑤未能糾正的視力障礙；⑥體位性低血壓；⑦嚴(yán)重的心肺疾?。虎喾寐樽礞?zhèn)靜劑，或抗焦慮藥、抗抑郁藥。

本研究方案已經(jīng)通過復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院倫理委員會審核[No.(2017)臨審第(368)號]。

1.2 研究設(shè)備

1.2.1 基本原理

應(yīng)用智能助行下肢機(jī)器人(iReGo)，見圖1。受試者佩戴完腰帶后，用卡環(huán)將骨盆兩側(cè)與設(shè)備的萬向結(jié)牢固連接。當(dāng)骨盆移動時，帶動萬向結(jié)發(fā)生移動、擺動和側(cè)傾運(yùn)動。見圖2。骨盆支撐結(jié)構(gòu)通過采集一個編碼器、四個壓力傳感器的信號，可以實(shí)時計算出骨盆質(zhì)心(pelvic centroid)的軌跡。

圖1 智能助行下肢機(jī)器人(iReGo)

圖2 腰帶和萬向結(jié)連接示意圖

如圖3所示，利用左右兩側(cè)各兩個壓力傳感器和已知的彈簧系數(shù)，可以計算出骨盆兩側(cè)沿X方向的移動量，從而計算出骨盆質(zhì)心沿X方向的移動量；利用擺動編碼器可以測出骨盆質(zhì)心沿Y方向的擺動量。據(jù)此可以繪制出骨盆質(zhì)心在XY平面內(nèi)的移動軌跡。

圖3 結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 參數(shù)計算原理

重心移動軌跡總面積計算方式：

(1)輸入：平面上n個點(diǎn)P1,P2,…,Pn的坐標(biāo)(xi,yi)。

(2)輸出：點(diǎn)集凸包圖面積。

1)將點(diǎn)集按縱坐標(biāo)y值的大小重新排序，并以P1,P2,…,Pn重新標(biāo)記。其中y值最小點(diǎn)設(shè)為P1，如有相同最小y坐標(biāo)的點(diǎn)，則選擇其中橫坐標(biāo)x最小點(diǎn)記為P1。

2)把其他各點(diǎn)按P1Pi與P1所在水平線所成的夾角值按升序排序，夾角相同時，以P1Pi的距離由小到大進(jìn)行排序，完成對其余各點(diǎn)P2,…,Pn的重新編號。

3)使用矢量法依次檢查相鄰的3個點(diǎn)Pi,Pi+1,Pi+2。如果∠Pi+Pi+1Pi＜180，則點(diǎn)由Pi前進(jìn)到Pi+1；如果∠Pi+Pi+1Pi≥180，則刪去頂點(diǎn)Pi+1，并退回到鏈表中前一個點(diǎn)Pi-1Pi。

4)遍歷所有點(diǎn)之后，余下的點(diǎn)就是凸包圖的頂點(diǎn)。

5)在已知凸包各頂點(diǎn)坐標(biāo)的條件下，利用組合三角法求包絡(luò)面積。

其計算公式為：

式中，S從i=3開始依次計算，直至凸包圖頂點(diǎn)集的最后一點(diǎn)，并將所得Si-2值累計，從而得出總面積S。

重心移動軌跡總長度計算方式：

計算Pi-1Pi之間的距離，從i=1開始依次計算，直至點(diǎn)集中的最后一點(diǎn)，并將所有距離累加，從而得出總軌跡長度L。

1.2.3 研究方法

本研究為觀察性研究。

一名熟悉該系統(tǒng)操作的康復(fù)醫(yī)師作為評定者。整個評定過程在智能助行下肢機(jī)器人上進(jìn)行。盡量保持兩次試驗環(huán)境相同。

試驗前，評定者首先向受試者解釋試驗的目的和試驗過程中所需要注意的具體事項，以求得到受試者的充分理解和配合，使其放松心情，有助于整個試驗的順利進(jìn)行。在評定過程中，要求受試者正視前方，盡量將身體的重量平均地分布于兩側(cè)下肢，在整個評定過程中盡量控制身體，減少搖擺。整個試驗在安靜的環(huán)境下完成，并且試驗過程中的視覺環(huán)境良好。

整個評定分為2次，第2次評定在第1次評定后1 d進(jìn)行。

1.2.3.1 雙腳站立平衡測定

受試者穿戴完畢后，站在智能助行下肢機(jī)器人中央，雙腳與肩同寬，雙手自然置于身體兩側(cè)，直視前方，自然站立。在測試過程中，囑受試者盡可能保持姿勢穩(wěn)定。見圖4。整個采集過程為1 min，包括適應(yīng)時間10 s和數(shù)據(jù)采集時間50 s。

圖4 雙腳站立平衡測試

利用編碼器測得人骨盆中心的左右擺動幅度，利用前后四個壓力傳感器和彈簧彈性系數(shù)計算出人前后擺動的幅度。根據(jù)人相對于最初中間位置實(shí)時的偏離情況，下位機(jī)TwinCat PLC以10 ms為周期采集人的實(shí)時擺動幅度，上位機(jī)軟件以1 s為周期獲取左右、前后的擺動輻度，顯示在界面上并存取下來。

1.2.3.2 左/右腳站立平衡測定

受試者穿戴完畢后，單腳(左/右腳)站立在智能助行下肢機(jī)器人中央，雙手自然置于身體兩側(cè)，直視前方，自然站立。在測試過程中，囑受試者盡可能保持姿勢穩(wěn)定。

整個采集過程為1 min，包括適應(yīng)時間10 s和數(shù)據(jù)采集時間50 s。

1.2.3.3 步行時平衡測定

受試者雙手扶把手，以適宜速度直線行走10 m。行走過程中，下位機(jī)TwinCat以10 ms為周期記錄行走距離信息和骨盆質(zhì)心的左右擺幅信息，上位機(jī)以1 s為周期取走記錄的信息。同時，為了保證記錄數(shù)據(jù)的可靠性，對前5 s的數(shù)據(jù)和最后5 s的數(shù)據(jù)舍棄，以行走距離為橫軸、左右擺幅為縱軸，計算左右擺幅與橫軸所構(gòu)成的絕對面積、左右擺幅與橫軸構(gòu)成曲線的總線長。

1.3 姿勢圖參數(shù)

本研究采用姿勢圖參數(shù)來評估雙腳站立、左/右腳站立和適宜速度10 m步行中的姿勢控制情況。雙腳站立和左/右腳站立平衡測定中的姿勢圖參數(shù)包括額狀面平均擺幅、矢狀面平均擺幅、重心移動軌跡總長度和重心移動軌跡總面積。在適宜速度10 m步行測試中的姿勢圖參數(shù)包括重心移動軌跡總長度和重心移動軌跡總面積。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 20.0對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。均數(shù)差異比較用方差分析。在方差分析前進(jìn)行正態(tài)性檢驗和方差齊性檢驗。信度分析統(tǒng)計方法采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intra-class correlation coefficient,ICC)作為評測指標(biāo)，評價該運(yùn)動評估方法的內(nèi)部信度。ICC＜0.4視為重測信度差，ICC在0.4～0.75之間視為重測信度較好，ICC＞0.75視為重測信度良好[16-17]。

2 結(jié)果

正態(tài)性檢驗和方差齊性檢驗顯示，前后2次測定的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，方差無顯著性差異(P＞0.05)。

2.1 雙腳站立平衡重測信度

在雙腳站立姿勢圖測定中，所評估參數(shù)的ICC＞0.70，提示具有較好或良好的重測信度。見表1。

2.2 左/右腳站立平衡重測信度

在左/右腳站立姿勢圖測定中，左腳站立相所評估參數(shù)的ICC＞0.70，提示具有較好或良好的重測信度。見表2。右腳站立相所評估參數(shù)的ICC＞0.49，提示具有較好或良好的重測信度。見表3。

2.3 不同姿勢站立相姿勢控制的比較

受試者不同姿勢站立相姿勢圖參數(shù)相比，雙腳站立情況下額狀面平均擺幅、矢狀面平均擺幅、重心移動軌跡總長度和重心移動軌跡總面積均明顯優(yōu)于左/右腳站立相的相應(yīng)參數(shù)(P＜0.01)；單腳站立相比較，除了右腳單腳站立相的額狀面平均擺幅顯著低于左腳單腳站立(P＜0.001)以外，其他姿勢圖參數(shù)無顯著性差異(P＞0.05)。見表4。

2.4 適宜速度10 m步行平衡重測信度

在適宜速度10 m步行姿勢圖測定中，所評估的參數(shù)的ICC值都在0.75以上，提示具有良好的重測信度見表5。

表1 健康成年人雙腳站立姿勢圖參數(shù)的重測信度

表2 健康成年人左腳站立姿勢圖參數(shù)的重測信度

表3 健康成年人右腳站立姿勢圖參數(shù)的重測信度

3 討論

腦卒中患者對姿勢的控制受多種因素的影響[18]，如運(yùn)動功能障礙、感覺減退或喪失、感知功能障礙和空間認(rèn)知變化等[19-20]。治療后期，維持坐站的能力會對日常生活活動能力產(chǎn)生較大的影響[21]。為了進(jìn)一步完善評定和治療方案，需要我們應(yīng)用一些定量的評定結(jié)果[22]。我們將智能化下肢助行機(jī)器人作為媒介，提供定量的姿勢評價結(jié)果。

重測信度又稱再測信度，為常用信度評估方法之一，反映測驗跨越時間的穩(wěn)定性和一致性，即應(yīng)用同一測驗方法，對同一組被試者先后兩次進(jìn)行測查，然后計算兩次測查所得分?jǐn)?shù)的關(guān)系系數(shù)，相關(guān)程度高，表示前后測量一致性高，穩(wěn)定性好。既往研究指出，靜態(tài)姿勢圖參數(shù)的重測信度良好(ICC＞0.75)[23-24]。

既往研究的姿勢圖參數(shù)以足底壓力作為基礎(chǔ)，所以在評定過程中，無法離開足底壓力傳感器，這從一定程度上制約了對動態(tài)過程如步行等姿勢控制的定量評價。我們所設(shè)計評定方法是以骨盆質(zhì)心——骨盆的幾何中心——作為基礎(chǔ)得到額狀面平均擺幅、矢狀面平均擺幅、重心移動軌跡總長度和重心移動軌跡總面積等姿勢圖參數(shù)，可以對靜態(tài)站立相(雙腳、左/右腳)和步行過程中的姿勢控制穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

在靜態(tài)平衡(雙腳站立相和左/右腳站立相)的姿勢圖評定中，除右腳站立相的重心移動總面積的ICC為0.49，其他參數(shù)的ICC都在0.70以上，顯示較好或良好的重測信度，提示利用這種方式可以定量地評價患者靜態(tài)平衡能力。在步行控制能力的評價中，我們對適宜速度10 m步行進(jìn)行評價，重心移動軌跡總長度和總面積的ICC都在0.85以上，顯示良好的重測信度，提示采用這種方式能定量地評價在步行過程中的姿勢控制能力，從而豐富了姿勢圖參數(shù)在動態(tài)平衡功能評價中的作用。無論是在靜態(tài)平衡還是在動態(tài)步行的評價中，以骨盆質(zhì)心為基礎(chǔ)的姿勢圖參數(shù)都具有較好或良好的重測信度，因此，應(yīng)用此種姿勢圖參數(shù)進(jìn)行評價是可行并且可靠的。

此外，我們還比較了健康受試者不同姿勢站立相控制的穩(wěn)定性，結(jié)果顯示，雙腳站立較單腳站立更加穩(wěn)定，這與從常態(tài)的推論相符。將單腳站立相的姿勢圖參數(shù)相比，除了右腳站立相的額狀面平均擺幅較左腳站立更穩(wěn)定以外，其他參數(shù)在左/右腳站立相都沒有顯著性差異。從該結(jié)果來看，再結(jié)合受試者都是右利手的情況考慮，在健康青年人群中，優(yōu)勢側(cè)并不會對站立相姿勢控制帶來顯著影響。但這一結(jié)果也促使我們思考另一個問題，即在中老年人群中，在肌肉力量降低的情況下，優(yōu)勢側(cè)下肢站立相，姿勢控制的穩(wěn)定性會不會更好？這需要我們設(shè)計進(jìn)一步的研究來驗證。

本研究的不足在于所納入的受試者都是健康青年人，缺少中老年受試者的數(shù)據(jù)。因為健康青年人的姿勢控制能力比中老年人更好，而臨床工作中我們所面臨的患者大多為中老年患者，可能中老年受試者的數(shù)據(jù)與患者相比更為匹配。通過收集與跌倒相關(guān)的信息，或能建立姿勢圖參數(shù)與跌倒發(fā)生風(fēng)險的相關(guān)性。此外，本研究中所應(yīng)用的設(shè)備只能反映姿勢控制的穩(wěn)定性，在對稱性方面缺乏評價結(jié)果。但是考慮到既往也有研究[25]指出，腦卒中患者負(fù)重的不對稱性改善也許與姿勢控制改善之間無直接聯(lián)系。因此，我們認(rèn)為，通過穩(wěn)定性相關(guān)參數(shù)的評價也有益于評定和治療方案的制定。

我們會在今后的研究中進(jìn)行中老年健康者人群的評定，收集與跌倒相關(guān)的信息，從而進(jìn)一步評價姿勢圖參數(shù)在跌倒預(yù)測中的價值。我們也會在下肢運(yùn)動障礙患者中進(jìn)行評估，定量地反映出不同情況下的姿勢控制能力，針對評定結(jié)果制定個體化治療方案。希望通過精準(zhǔn)評定帶來精準(zhǔn)治療，從而進(jìn)一步提高康復(fù)的療效。

綜上所述，以骨盆質(zhì)心為基礎(chǔ)進(jìn)行姿勢圖評價能可靠地反映在雙腳站立相、左/右腳站立相和適宜速度步行時的姿勢控制，所測參數(shù)在健康青年人群中有較好的可重復(fù)性，提示該方法或能動態(tài)評價上述過程中的姿勢控制能力。今后需要在中老年群體和患者群體中應(yīng)用這種方式來進(jìn)行功能評價和療效評價，進(jìn)一步探討上述參數(shù)與跌倒發(fā)生的關(guān)系。