步态分析系统关节置换术后评价中的应用

步态分析系统关节置换术后评价中的应用膝关节置换术后效果检测[1]

经过全膝关节置换术（TKA）后的病人，需要对其日常生活活动能力和运动能力作出评价。步态分析作为一个动态评估标准能够和病人实际的运动能力和舒适性作出客观的评价。然而，常见的步态实验室的测试环境只能够提供不到15米的分析距离，对于疲劳、爬楼梯等很多活动不能够充分的模拟出来。所以，结合传感器的动态步态分析更加适合于在日常生活活动中对TKA的结果测量。实验者使用的是自主研发并验证过的动态步态分析系统，由三个普通的传感器组成，每个传感器都包括一个三轴加速度传感器、一个三轴陀螺仪和一个三轴的磁力仪。将这些传感器通过弹性治疗磁带连接在病人身上。第一个传感器放置在腰骶部接合处，第二个传感器放在大腿外侧，距膝关节髂胫带20cm处，第三个传感器位于距膝关节尾部20cm的胫骨的中间槽（如图一）。这样放置可以保证在不同场景的运动中，最小限度的减少与骨骼的相对运动。

图1 传感器放置位置图

传感器的原始数据通过一个蓝牙与电脑进行实时传输，数据同步地使用我们自主研发的软件记录。传感器的初始位置在通过仰卧位的膝盖三个不同弯曲角度和直立站立5s进行校准。首先经过2min的热身行走调整和校准传感器，之后完成以下几个运动：（1）重复三次TUG；（2）自主选择速度在平面上行走100m；（3）用尽可能快的速度跑50m；（4）最大加速度冲刺时突然停下；（5）上下四层楼梯。全部实验对每个病人大约持续30min连续记录。

基本步态参数：行走速度、奔跑速度、步频、步长、步对称性；

其他参数：行走时、爬楼梯时、位置变换（从坐到立）膝盖最大弯曲角度（平均值和范围）；加速减速时膝盖的角速度。（为了保证结果可靠性，舍去最大值与最小值）。

预处理的数据经过数学分析用于表示由于膝盖关节的不稳定性而出现的疲劳效应和逃避运动。

表1. 6个病人手术前和手术后12个月的正常行走跑动的步态参数对比

表2. 术前与术后爬楼梯时计算得到的步态参数平均值

图2. 病人手术前行走时膝盖弯曲角度

图3. 病人手术后行走时膝盖弯曲角度

从图2和图3对比中，可看出该病人膝盖关节中侧不稳定性在术后不再出现（弯曲角度有变化）。

总的来说，动态步态分析能够客观地评价膝关节置换术后效果，并且能够演示包括突然停止或奔跑在内的活动数据，并且克服了临床打分和动作捕捉步态分析的局限性。

固定轴承(FB)和移动轴承(MB)的膝关节假体行走中比较[2]

对16个（性别配对为不同年龄的8组）经过全膝关节置换术后的病人在术前和术后9个月进行测试。病人随机接受FB（8个人）或MB（8个人）全膝关节假体，从而进行FB和MB的功能比较。

所用系统为12个摄像头的三维动作分析系统。测量参与者的身高、体重、双腿长以及膝盖和踝部宽度以得到适合参与者的系统。14个镜片反射式标记分别放置在两侧的髂前上棘、髂后上棘、大腿远端侧面三分之一处、小腿远端侧面三分之一处、踝侧面、脚后跟、第二跖骨前部。数据使用200HZ的Vicon Nexus捕捉。四个测力板放在7m宽的路上并将的到的信号放大1000倍进入Nexus，捕捉频率为1000HZ。两个膝盖对光装置放置在两边的中间和外侧上踝部来确定静态捕捉时的膝盖弯曲度的校准。在动态捕捉开始前，将该装置卸掉并换为两个镜片反射式标记放在膝盖外侧上踝部。参与者反复进行赤脚行走实验直到记录到三个完整步长。病人在术前和术后9个月都进行了测试。

图4 . FB组、MB组和对照组的统计测量参数

图5. FB组、MB组和对照组在术前和术后9个月的参数差异实验的目的是比较FB和MB假体植入膝盖后在行走时的三维膝盖生物力学差异。根据研究结果，FB和MB假体基本没有生物力学的区别，FB组和MB组在经过9个月的复原后，在时空、运动学、运动方面都没有明显的参数差异。

图6. MB、FB和对照组在术前、术后9个月的运动学参数差异（1）

图7. MB、FB和对照组在术前、术后9个月的运动学参数差异（2）本实验最重要的结论是在膝盖动力学的矢状平面上FB和MB组没有区别。而先前曾有过支持MB具有明显生物力学优势的报道和假设。

无领抛光骨水泥假体的全髋关节置换术(THR)效果评价[3]

将78个THR病人与17个健康的和72个体弱的没有做THR的老年人比较，使用临床结果测量和便携感应式步态分析设备进行5年和10年的跟进观测。

步态分析：

术后5年和10年后进行客观的步态分析。将一个轻量级便携式记录仪放在腰带上，在大腿和小腿上分别用魔术贴固定四个微型陀螺仪。这套系统易于使用且符合美国卫生和公众服务部的步态分析实验室标准。实验记录了病人用自己选择的正常速度在30m的走廊上行走的下肢运动。记录两次实验并取平均值进行分析。使用Physilog记录器进行传感器信号的数码化和存储以便于离线的2D步态分析。

结果：

51个平均年龄83.4岁的病人能够完成10年的后续跟进，并且结果十分良好。Mean Harris Hip和Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index(WOMAC)分数分别为81.2和10.5分。步态时空参数接近健康组并且优于体弱组。

图8. 步态时空参数比较

图9. 步态参数与其他研究的选择性比较

（THR：全髋关节置换组；FRAIL：72个参考的体弱老年人；FIT：健康的参考者；CON：对照组；ROM：活动范围）

我们所观察到的步频、步长、速度和所有活动范围的减小与Bennett等人的报道相似，但是，虽然平均年龄相似，在我们研究中的THR病人走路速度更快且有更好的步长，在大腿活动范围方面也有更好的表现。不同的是，我们的病人与Kyriazis和Rigas报道相比，步态模式更差一点，速度更慢、步频和步长也更小。但是对这些研究进行比较是困难的，因为总体上Kyriazis和Rigas的研究人员的年龄更小一些。我们在临床和放射的良好结果说明了步态模式的退化与较小的年龄有关而不是THR的影响。

总结：

在10年的后续跟进中，老年病人组中进行Lemania THR表现出比其他基本THR更好更