基于支持向量机的腰椎管狭窄症步态分析

Posted 2021-04-26 北京疼痛联盟

文章来源： Orthopedics 2015: 38:E959-E964.
编译： 窦智 首都医科大学宣武医院疼痛科

腰椎管狭窄症在超过65岁的腰椎手术患者中占很大比例。其诊断依靠体格检查和腰椎管狭窄的影像学证据。但导致患者症状的椎管狭窄阶段很难判断，本研究中作者采用步态分析的方法来提高诊断的准确率。目前已有的腰椎管狭窄症相关的步态分析研究，几乎都采用了昂贵的步态分析专用设备，例如地面反作 用力测力板（groundreaction force plate），不利于临床应用。此外，此类设备也难以获取患者行走过程中的运动学状态。因此，作者试图使用一种较为简单的运动分析(motion analysis)方法，来识别并定量分析腰椎管狭窄症病人的步态特征。并在此基础上，构建SVM（一种源于现代统计学习理论的机器学习算法）分类器，用以对健康受试者和伴有L4/L5神经根病的腰椎管狭窄症受试者进行分类。

本研究分为两个阶段，阶段I，获取伴有L4/L5神经根病的腰椎管狭窄症患者的步态特征。阶段II， 利用SVM对患者及健康受试者进行分类。本研究纳入13名健康受试者，以及33名有神经源性间歇性跛行的腰椎管狭窄症患者。健康受试者（5男； 8女；平均年龄40.2岁）无会引发步态紊乱的神经性或关节等疾病。腰椎管狭窄症患者分为2组：L4神经根病（L4组）和L5神经根病（L5组）其中L4组有7男、 4女（平均年龄70.2岁），L5组有9男、 13女（平均年龄73.8岁）。 将发光二极管制成的标记物固定于受试者患侧五个部位（肩峰、髂前上棘、腓骨头、外踝，以及第五跖骨头）（图1）。随后，所有受试者在跑步机上进行步行测试。如果受试者出现下肢疼痛而无法步行，作者将停止数据采集，如果受试者未感受到疼痛，受试者将步行5分钟。通过图1所示数码摄像机记录行走过程，截取测试停止前10s范围内的片段进行步态分析。作者主要关注下肢运动及关节角度变化，例如膝关节和髋关节的角度在步态时相中会呈现周期性变化。此外，还关注腓肠肌和股四头肌等受累部位的收缩情况，计算出标准化后的肌肉最大舒张长度、最大收缩长度，以及关节活动范围。纳入研究的步态特征包括： 1.摆动相时踝关节的活动幅度；2.摆动相时期踝关节的平均角度； 3.站立相初始阶段膝关节角度； 4.髋关节的活动度；5.腓肠肌舒张最大长度； 6.腓肠肌收缩最小长度； 7.腓肠肌收缩范围； 8.股四头肌舒张最大长度； 9.股四头肌收缩最小长度； 10.股四头肌收缩范围。

结果发现利用上述特征进行分类，总的准确率为 80.4%。其中健康对照组分类准确率最高， L4 组最低。对照组有 2 例误判为L4 组。 L4 组中，有 2 例误判为 L5 组， 1 例误判为对照组组。 L5 组中，有 2 例误判为对照组， 2 例误判为 L4 组。许多研究应用地面反作用力测力板进行步态分析，所测数据多为步速、跨步长、摆动和节律。然而作者希望以运动学和形态学为立足点，对腰椎管狭窄症患者的步态特征进行可视化及定量分析，关注于下肢的运动。当对神经性疾病进行运动学和形态学上步态特征进行评估时，需要考虑 2 个机制：第一个机制是痉挛和迟缓性麻痹通过肌肉影响到关节的运动，这个发现很好的反应出了疾病的自身特征。另一个机制是无意识步行策略，如步行时避免疼痛、对痉挛进行补偿等步行策略。本研究中， L4 组的步态特征为站立相初始阶段膝屈曲角度，对于股四头肌肌无力的患者，会出现膝过伸，以便减小足初始触地时对股四头肌的肌力的需求。 L5组步态特征为踝关节显示单峰波形，因为垂足导致足趾和踵同时触地。

当前研究的局限性包括样本量小、每组受试者的背景差异，性别和年龄差异对步态的影响等。但总的来说，作者提出了一种新的、简单的运动分析的测试方法，可鉴别一些有用的步态参数以区分健康受试者和 L4、L5 神经根损伤患者。

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