BTS三维运动捕捉系统在步态分析中的信度

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0190

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

红外运动捕捉：通过红外摄像头(主动发射红外线)及粘贴在人体骨性标志点上的反光球(反射红外线)，红外摄像头能够实时捕捉到标记点在空间上的三维坐标，通过模型的构建及缩放，从而计算出人体运动过程中的时空参数、运动学参数，获取人体运动轨迹。

三维步态分析：能够借助专业设备获取人体时空参数、各个关节的运动学参数、动力学参数，通过专业的分析，可以推测出患者步态异常的主要原因，进而对诊疗方案的确定具有一个非常重要的作用，同时也能够对于设计出的治疗方案进行评估，以验证设计的治疗方案是否存在问题。

摘要

背景：临床上三维运动捕捉系统对临床诊疗方案确定及治疗效果的判断有着越来越重要的作用。

目的：探讨意大利BTS红外运动捕捉系统在时空参数、运动学参数的信度。

方法：选择28例青年志愿者，由评估者A和评估者B分别运用BTS三维运动捕捉系统对志愿者进行步态评估，记录下步速、步长、步宽、步频等时空参数及髋膝踝等在矢状面、水平面、冠状面的运动学参数，同一评估者行组内比较，两评估者进行组间比较，采用ICC进行信度分析。

结果与结论：①除了骨盆活动、踝关节在水平面重测信度及测量者间信度稍差，其他如时空参数、髋膝关节3个平面运动活动幅度、踝关节矢状面、额状面上重测信度和测量者间信度具有较好的相关性(ICC>0.75)；②结果提示，该红外运动捕捉系统除了骨盆活动、踝关节水平面活动信度相对较低，其余时空参数及运动学参数信度较高，可应用于大部分步态异常相关临床研究。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0003-2180-4000(郭永亮)

关键词: 步态分析, 红外运动捕捉系统, 时空参数, 运动学参数, 信度

Abstract:

BACKGROUND: Three-dimensional motion capture system plays an increasingly important role in determining the program of treatment and checking the outcome of therapy in clinic.

OBJECTIVE: To investigate the reliability of temporal-spatial parameters and kinematic parameters taken by three-dimensional (3D) motion capture system (BTS Bioengineering, Milan, Italy).

METHODS: Totally 28 young volunteers were recruited for gait analysis with 3D motion capture system by two evaluators, A and B. The parameters which consisted of speed, step length, step width, cadence and the angle of the pelvis, the hip, the knee and the ankle at sagittal, horizontal, and coronal planes were recorded. Data were compared within the group evaluated by the same evaluator, and data were compared among groups evaluated by two evaluators. The reliability was analyzed using ICC.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Retest and interdetector reliability was poor in pelvic movement and ankle movement in the horizontal plane. The remaining parameters showed good correlation of the retest and interdetector reliability such as temporal-spatial and kinematic parameters, motion range at three planes, ankle sagittal, frontal planes within and between groups (ICC > 0.75). (2) Results indicate that the temporal-spatial and kinematic obtained from BTS 3D motion capture has clinically acceptable intertrial repeatability, except the movement of pelvis and ankle in the horizontal plane. It can be used in clinical research in mostly abnormal gait analysis.

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Key words: Gait, Infrared Rays, Ankle Joint, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

郭永亮，冯重睿，张新斐. BTS三维运动捕捉系统在步态分析中的信度[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(23): 3665-3669.

Guo Yong-liang, Feng Chong-rui, Zhang Xin-fei . Reliability of BTS three-dimensional motion capture system in gait analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(23): 3665-3669.

图/表（结果） 2

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引言

材料方法

1.1 设计 信度测试试验。

1.2 时间及地点 于2016年11月至2017年5月于广东三九脑科医院康复训练中心完成。

1.3 对象 选择28名青年健康志愿者，其中男13名，女15名；年龄20-40岁，平均(27.50±7.21)岁；身高155-180 cm，平均(165.75±6.57) cm；体质量为50-80 kg，平均(60.58±7.24)kg。

纳入标准：①步行流畅且步行过程无因贴上marker点等产生不适感；②无严重认知障碍，可配合及理解指令；③双下肢无外伤及手术史；④均签署知情同意书。

排除标准：①既往存在影响下肢正常活动，如痛风、疼痛，及正常活动范围受限者；②无法理解指令者；③由于各种原因中途退出者。

1.4 方法 试验采用意大利BTS公司的SMART-D 400红外运动捕捉系统，由6个红外摄像头(采集频率100 Hz)、两个同步相机(BTS eVixta，采集频率40 Hz)、两个测力平台(BTS P6000D)组成。

志愿者先在实验室随意行走5 min，以适应环境，首先录入志愿者的一般情况资料，如体质量、身高、骨盆宽度、双下肢长度等基本资料，随后根据Davis heel模块在测试者双侧肩峰、C₇棘突、双侧髂前上棘、髂后上棘连线中点、双侧大转子、股骨外侧髁、腓骨小头、外踝、足跟、第五跖骨外侧缘相应体表位置粘贴marker点(荧光球)，在双侧大转子与股骨外侧髁中点、腓骨小头与外踝连线中点绑上带有marker点的小棍，共22个标记点。粘贴标记物后让被测试者裸足站在测力平台中央5-7 s，得到其静止站立时各标记关节的角度。随后让被测试者在步行道上以自然步态往返6次，提取其中稳定的4个步态周期数据，运用系统自带软件Smart Analyzer软件进行各参数分析，取平均值。

此次试验主要由评估者A和评估者B完成，其中评估者A于不同日对相同时间段同一志愿者进行测试，收集2组数据；评估者B收集1组数据，时间段尽量相同，3次数据收集时间间距不超过1周。

1.5 主要观察指标 ①时空参数：包括步速、步长、步宽、步频、步行周期时相构成比、各时相时间；②运动学参数：三维平面骨盆、髋膝踝活动幅度角度值。

1.6 统计学分析 所得数据以x(_)±s表示，采用SPSS 19.0统计数据包对数据进行处理及统计分析，信度测试采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)进行分析，显著性水平α=0.05，ICC>0.75为一致性极佳，0.40-0.75为一致性良好，<0.40为一致性差^[7]。

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讨论

从19世纪开始，步态分析被广泛应用在很多不同领域，如运动领域，刑侦领域如身份识别，医学领域等等^[8]。三维步态分析，目前广泛应用于帕金森疾病疗效及诊疗方案的确定上^[9-12]、脑瘫手术方案及效果的判断^[13-17]、脑卒中康复^[18-21]、骨科等领域^[22-26]。步态分析除了应用于传统神经肌肉骨骼分析之外，还广泛应用于其他领域，如Cimolin 等^[27]将厌食症和神经性贪食症步态与正常人进行对比，发现厌食症与神经性厌食症两种患者髋膝关节活动与正常人相差较大，踝关节跖屈角度较正常人明显增大，考虑可能是由于饮食的异常，导致肌肉骨骼生长发育异常，从而引起生物力学的改变。Danino等^[28]运用三维步态分析系统对痉挛型脑瘫患者裸足与穿着踝足矫形器的步态偏向角进行研究，结果发现穿着踝足矫形器的患者，足内旋角度较裸足患者加大，提示矫形器可能是改变脑瘫患者生物力学对线的一种重要的工具。Hatton等^[29]运用步态分析设备评估纹理鞋垫与平底鞋垫对于预防老年患者跌倒的研究上显示，穿上纹理鞋垫的患者步速、步长、跨步长明显小于穿平底鞋垫的患者(P=0.02)，且在平衡测试参数方面，两者差异无显著性意义(P > 0.05)，这说明对于有跌倒史的老年患者来说，穿上纹理鞋垫并不能有一个比较明显的即时效果，长时效果尚不明确。

三维运动捕捉，与二维评估传感器不同的是，能够通过多个摄像头捕捉同一个荧光球，从而比较准确地计算出荧光球在空间任何方向上的位置^[30]，常被用来评估下肢及躯干的运功功能，被认为是动态运功功能评估的金标准^[31]。

近几十年来，三维运动捕捉系统得到了广泛的开发，市面上也有大量的关于三维运动捕捉系统的软件和设备^[2-5^，^30]，国内已有较多的医院及机构引进国外相关设备，并且对于其进行相关研究^[4-6]。Cescon等^[32]利用BTS运动捕捉系统做过对光捕捉系统及电磁类运动捕捉系统做过对比研究，结果发现光捕捉系统的角度及位置误差较小，而电磁系统的捕捉系统随着距离的增大，其坐标系定位误差则越大。Benedetti等^[33]对于不同实验室中的不同设备所采集的数据进行分析，发现21个试验室中所采集的数据中，在骨盆、髋膝旋转角度上差异相对较大，其余的数据一致性较好(R² > 0.90)。?uk等^[34]利用BTS运动捕捉系统检测国际生物力学学院自行设计的6个自由度模型的运动学参数的可信度，结果发现除了在骨盆旋转、膝关节旋转上可信度差之外，模型可信度较好。

该文通过评估者A于不同时间对相同志愿者进行测评及评估者B对同一批志愿者进行测评进行重测信度及测量者间信度研究，发现在时空参数上，有较好的相关性，其中95%可信区间较为集中，ICC值大部分在0.85以上。在运动学参数上，骨盆活动、髋膝踝在冠状面、额状面、矢状面重测信度较好(P < 0.05)，其中髋膝踝重测信度较好，大部分ICC值在0.75以上，骨盆3个面的重测信度相对稍差，测量者间信度也相对稍差，踝关节在额状面的测量者间信度相对稍差，ICC值为0.707，这基本与国外对红外捕捉系统类步态分析的研究结果相一致^[32-34]，Bruno等^[35]运用两种不同骨盆模型的运动捕捉方法，一种是将标记点粘贴在2个髂前上棘及髂嵴上，另外一种是将标记点分别粘贴在2个髂后上棘及髂嵴上，然后比较两种不同模型下骨盆运动的变化，发现两种不同模型的参数是有差异的，这种差异可能是因为标记点的方向不同而引起的，但是两种模型的结果曲线是非常相似的，对于运动轨迹的判断则无明显影响。而此次试验中骨盆可信度相对较差，可能有几个原因引起：①这可能与贴在髂前上棘的marker点由于所粘贴的解剖位置骨性标志与皮肤贴合程度相对于其他骨性标志点稍差，在行走过程中，由于肌肉的收缩抑或脂肪抖动，都可能会加大骨性标志与皮肤的位置，导致产生的位移误差较大，使得得出的结果误差相对较大；②骨盆上的标记点较少，而骨盆实际上是有骶骨、尾骨、髂骨、髋骨等几块骨骼构成，相对自由度较多，在骨盆的3个维度上相对复杂，仅用3个标记点无法较好的反映骨盆的活动，故在试验中骨盆3个维度的数据可信度相对稍差。足部由于骨性结构较为复杂，由28块骨头及26个关节组成^[36]，而经常定义了其中6个功能性关节，且把足部分为后足、中足、前足3个部分^[37]。而在此次试验中，在足部位置只有跟骨、第五跖骨外侧、外踝3个标记点，同样存在对于足部的活动观察不全面的问题。国外在足部方面观察的模型构建上，有很多相关文献，通过运动捕捉系统，实时获取足部关节活动的变化的文献，如Louey等^[38]通过足部模型的构造，在步行过程中，通过计算机软件的计算，可以计算出足底压力中心的变化。Oosterwaal等^[39]通过CT扫描一个健康人的足部，建立了一个Glasgow-Maastricht足部模型(GM-模型)，然后再足部特定皮肤表面粘贴43个标记点，就能够获取足部完整的各个方向的运动角度。Kainz等^[40]对运动捕捉系统中的4种模型，Plug-in-gait模型、6个自由度模型、opensim软件中gait2392两种模型进行可信度分析，发现所有模型可信度都比较好，不同的只是不同模型能够解决的问题不同，比如如果要解决脑瘫患者手术效果模拟的问题，可能用opensim中的“gait2392”模型会更加适合，这可能与粘贴在患者本身的标记点数量以及软件后台处理相关。

如果想要对骨盆活动有一个较为详细的轨迹判断，可以增加标记点的粘贴，重新构建属于骨盆的一个模型，而在足部位置只有第5跖骨外侧、跟骨这两个点，加上外踝处的一个标记点，标记点太少，所以在计算所有足部关节运动上有所欠缺，对于一些着重观察足部疾病，如足内翻、足外翻、马蹄足、扁平足等问题，可以通过足部模型的重新构建，或者结合测力平台上及表面肌电提供的数据进行观察，才能有一个比较详细的数据，具体模型构造可参照Jenkyn等^[37]及Oosterwaal等^[39]的文章。

综上所述，该红外运动捕捉系统运用Davis Heel模块对于观察整体下肢步态分析中，信度较高，可以应用于大部分异常步态临床研究，但是对于躯干、骨盆及足部等局部解剖结构较为复杂的部位，则需要增加标记点，重新构建模型，或者需要结合表面肌电、足底压力等其他检查手段，才能有一个比较准确的诊断结果。此次试验仍存在不足之处，对于用BTS运动捕捉系统应用不同模型，是否具有同样的结果，或者应用其他模型有更好的可信度，这个仍有待下一步的研究。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程