步態分析技術發展現況與未來趨勢

呂東武教授

國立台灣大學醫學工程學研究所

在許多先進國家，步態分析己被廣泛運用於神經骨骼肌肉系統疾病之診斷以及治療的規劃與評估。除了教學單位外，越來越多醫院設有步態分析實驗室以提供臨床服務並從事相關研究。此外，步態分析資料與技術更是各式骨科植入物、矯具、輔具以及復健器材之研發極為重要的依據與工具，也是客觀評估各種治療方法並找出改進方向的最佳利器。這些進展實賴步態分析量測方法的持續進步以及各類疾病步態特徵之知識的累積與建立。步態分析在骨科生物力學、復健工程與醫學工程等領域一直扮演著重要的角色，其未來的發展勢必對這些領域有積極且正面的影響。本文主要是從生物力學的觀點，探討步態分析發展歷史、量測方法與臨床應用的現況以及未來發展可能的方向。

歷史背景

人體各種動作係透過骨骼、肌肉、韌帶及關節彼此間複雜而又高度協調的力的互動所達成，任何一個環節出問題均會減損動作功能。因此，瞭解各元件受力情形對病因的確認、治療方法的選定以及療效的評估均有直接的幫助。早在十七世紀初Giovanni Borelli (1608-1679) 首度以力學與幾何方法探討骨骼肌肉系統於動作時之力學表現，提出許多假說與推論，並將成果發表於De Motu Animalium (The Movements of Animals)一書。雖然他的一些論點後來經証實並不正確，但是他啟發了此後人體姿勢與動作的力學研究，故被尊稱為生物力學之父。雖然對人體內部受力情形的探索起源甚早，然而截至目前為止，除了在極為特殊的情況下，例如透過裝有量測裝置的人工關節進行局部力量量測外，人體之內力仍然無法直接測得。因此，估算人體內力數值至今仍是生物力學家最大的挑戰。對人體動作的研究也由於內力估算的困難，長久以來仍止於探討動作中運動學與動力學之相關變數，包括關節角度、力矩及功率等。

對人體動作的興趣更早可以追溯至達文西（Leonardo da Vinci, 1452-1519)時期。他以其藝術成就為世人所知，然而他對科學的貢獻更是卓著。他曾解剖了至少三十具屍體，詳細研究人體各部解剖結構，加上對動作的仔細觀察與研究，使其畫作中的人物不僅結構精確，其力與動態的完美表現更是空前。將動作分析從一個觀察性的科學提升為定量的科學則歸功於Etienne Jules Marey (1838-1904)。他自行設計了一些儀器以量測步態中各類資料。例如，他利用氣壓原理量測足部與地面之相互作用，可說是第一個測力板。他受賽馬愛好者Leland Stanford之請，試圖証明馬匹跑步時四蹄有一瞬間同時離地。然而，真正提供直接証據的則是Edweard Muybridge (1830-1904)。他受聘Stanford，接續Marey的工作，利用自己發明的快速攝影技術來記錄馬匹的運動。他的發明是現代電影拍攝方法的濫觴，因而被稱為攝影學之父。他的實驗在Stanford所有的賽馬場，亦即今日的Stanford University進行。此後，他持續利用高速攝影技術拍攝動物與人類運動情形，並發表一系列經典攝影集，奠定其於動作分析領域的地位。Muybridge的方法使人們得以觀察到各種動作的細節。他帶領動作分析進入攝影量測的階段，對動作分析的貢獻卓著。

用電影拍攝方法研究人體動作之困難在於必須靠人力在每一格影像量得身體肢段之特定點座標以進行運動學之定量分析，相當費時費力。在電腦發明前，這類量測與分析也僅止於平面二維（two-dimensional）的資料。雖然只能取得平面資料，卻也提供了前所未有的有效工具，使步態分析研究有長足進步。七Ｏ年代以紅外線高速攝影機為主的立體三維(three-dimensional) 動作分析系統，配合電腦高速運算能力，大大提升了步態分析的精度與效率，也使步態分析在臨床的應用得以實現及推廣。現代的動作分析系統大多利用數個紅外線高速攝影機（臨床用攝影機速度為每秒六十次），在進行適當空間校正後，攝取貼於受試者身上特定位置之反光球於動作過程中之三度空間位置座標，再配合測力板測得之地面反作用力，計算出各關節之運動與受力情形。這套數學分析方法係由兩位德國科學家Wilhelm Braune及Otto Fischer在1891所發展。他們結合非侵入性的攝影量測資料與數學模型以計算關節受力並用以研究士兵負重行進之力學。該方法主要是將量得之皮膚標記座標微分兩次得到該肢段的加速度，再配合肢段的質量、慣性矩等資料以及由測力板所測得地面反力，利用牛頓力學計算而得各關節之合力與合力矩。此法一般稱為逆向動力分析。目前步態分析軟體大致仍採用類似方法。

現階段發展上所面臨的問題

現代步態分析的成長與茁壯有一部份與二次世界大戰似乎有密切關係。戰後在美國，大量肢體損傷的退役軍人需要骨科治療、義肢輔具的裝置以及後續的復健。為了提供較好的醫療服務，而有進一步深入了解步態的需要。加州大學的Inman及其研究團隊對這個時期臨床步態分析的發展有重要的貢獻。

目前推廣臨床步態分析之限制，除了無法提供內力資料外，主要是因為其運動學量測的可靠度尚未臻圓滿，特別是在冠狀面與額狀面之量測值(比如關節之內轉及外展角等)誤差仍大。雖然矢狀面上的數據對臨床診斷與評估己証實有相當高的參考價值，然而，因為步態不正常之病人，如腦性麻痺患者，其異常處主要發生在冠狀面與額狀面上，故此限制之影響不容忽視。目前常用的動作分析系統均使用皮膚標記，惟皮膚與骨頭相對的移動造成量測之誤差(皮膚移動誤差；skin movement artefacts)甚巨，最近研究證明皮膚移動誤差對冠狀面與額狀面上的關節運動精度之影響遠大於矢狀面。再者，傳統方法將各肢段個別處理，並未考慮加入關節之限制條件，以致由於皮膚移動之誤差而造成明顯的人為的關節移位(artefactual joint dislocation)。因此，減少皮膚移動誤差將可改善步態分析所得資料之品質以利擴展其臨床之應用。

現有動作分析系統大致上仍限於量測反光標記的位置與座標，並未詳細模擬骨頭、肌肉、韌帶與關節面等元件。臨床使用者僅就反光標記的位置很難對受試者於步行時各肢段的空間位置以及關節角度與位置有明確的掌握。此外，一般系統以簡化的數學模型進行逆向動力分析求得關節的角度、合力矩以及功率並將資料分解成三個解剖平面的分量再以圖表方式表現。一個病患的步態分析資料通常得以上百張圖表示，若比較治療前後資料則其圖表數量之多不言可喻。要從為數眾多的圖表中重建該病人步行時各肢段、關節的空間位置變化以及肌肉作用的型態相當困難。目前一般臨床步態實驗室會配合錄影影像進行判讀。但是，錄影影像僅限一特定方向，無法獲取完整的空間資訊。因此，資料的判讀需要各相關專業具相當經驗的人員共同為之，包括醫師、治療師以及醫學工程師。如何透過改變步態資料表現方式協助臨床使用者判讀步態分析結果是一個極其重要的課題。目前的趨勢是利用三維電腦圖像的技術重建病人的運動。

雖然步態分析系統尚無法提供身體內力資料，但是科學家設法估算內力的努力一直未中斷。目前作法上是利用逆向動力分析計算所得的關節合力與合力矩，配合骨骼肌肉系統之幾何與力學特性資料以求取身體各受力元件如骨頭、肌肉、韌帶與關節面等之受力情形。因此，必須藉由骨骼肌肉系統之詳細數學解剖模型之建立，方能決定在動作過程中，各元件之幾何形狀及作用線。雖然，文獻上己有相關數學模型的描述，但是所提模型或過於簡略或著重某些特定關節，且均未能考慮皮膚標記之移動誤差，因此並不適用於臨床步態分析。

此外，由於人體骨骼肌肉系統係一贅餘系統，我們擁有的肌肉數目遠多於維持平衡所需。雖然如此的安排是骨骼肌肉系統代償機制的基礎，但是在力學上卻使內力的估算格外困難。因為所要求解之肌肉數目遠多於可用以求解之平衡方程式，所以理論上內力計算問題具有無窮多組解。換言之，在動作中的任一瞬間，我們的肌肉間有無窮多個組合可用以達成該動作。因此，要決定該一瞬間我們的神經系統選擇了那一個組合並非易事。文獻中有各種方法陸續被提出，但是究竟何者最能反應真實情況，至今尚無共識，因為理論的驗証非常困難。一般研究均以肌電圖做定性之檢驗，模型計算所得之內力值多未經定量的驗証。這也是現代動作分析系統未能提供內力資料的主要原因。

可能的解決方法

由上述討論可知，目前步態分析系統在神經骨骼肌肉系統疾病之診斷、治療方法之規劃與評估等方面要持續有所貢獻並推而廣之，在量測技術與生物力學研發上，有三個問題必須面對：皮膚移動誤差、骨骼肌肉系統各解剖元件之數學模擬、以及內力計算能力之突破與定量之驗証。玆就筆者在此三大問題上，研究所得之結果與經驗，概略說明之。

解決皮膚移動誤差的問題除了在實驗技術上改進外，例如慎選皮膚標記黏貼位置，主要是利用數學的方法並考慮力學條件將量得訊號之雜訊濾去以降低對步態或動作分析所得結果之影響。如先前提及，傳統分析方法將各肢段個別處理，並未考慮關節之限制，以致造成明顯的、不合理的關節移位。筆者最近發表一新的方法，利用關節之限制條件以及全面性誤差補償機制，針對皮膚標記移動誤差做整體的最佳化，並經實驗証明可顯著減低皮膚移動誤差，增加各關節之軸向旋轉及內縮與外展角度之精確度。計算所得關節合力與合力矩亦比傳統方法精確。目前正進一步透過裝有骨外固定器病人，探討大人及小孩在步態及動作過程中皮膚移動誤差之型態與兩者之差異，藉以發展一系統性的方法以改善傳統作法，降低皮膚移動誤差對步態分析所得數據之影響，並去除關節不合理位移之情形，以增進步態分析之臨床應用可靠度，不僅有助推廣步態分析之臨床應用，更可促進相關領域之發展。

骨骼肌肉系統數學解剖模型之建立，傳統作法是以數學描述各肢段長度、關節中心以及肌肉與韌帶的作用線。其中，關節大多過度簡化，不僅無法精確反應關節之運動，也直接影響肌肉與韌帶作用線的正確性以及內力之計算。此外，此類模型也不易以圖像方式表現實驗數據以協助臨床使用者判讀分析結果。有別於傳統方法，筆者利用CT與MR影像資料在電腦上以三維圖像技術重建人體骨盆暨下肢骨骼肌肉系統之幾何形狀以建立一個完整的數學解剖模型。其中各解剖結構均各自獨立建構並以數學描述其形狀，以利後續依步態實驗動態資料控制各結構之相關位置。這種作法與一般CT或MRI系統軟體提供之三維圖像有所不同。由於肢段間之運動取決於關節之結構，因此特別著重各個關節的模擬及相關的死體實驗驗證。該模型可配合皮膚標記實驗數據，精確地描述各受力解剖結構隨著肢段之擺動而改變的形狀與作用線。不僅提供了內力分析所需之資料更有助實驗數據之表現，有利臨床使用者對分析結果之判讀。

該模型以步態實驗室量得之運動與地面反力資料計算肌肉、韌帶力量及股骨內力，再用肌電圖進行定性驗証，並得滿意結果。與文獻中既有模型一般，該模型亦待定量之檢驗。筆者於英國牛津大學骨科工程中心與倫敦大學大學學院合作，在患有股骨近端骨癌病人之體內，於骨癌切除術後，植入大型的股骨義肢 (femoral prostheses)，其內裝有應變計，並以遙測（telemetry）技術量得病人動作中，其股骨（義肢）軸向內力之數值。另在病人肢段上特定位置貼上反光標記，並以三維運動量測系統與測力板同步紀錄病人之運動資料、地面反力及肌電訊號。該模型利用病人之運動與地面反力資料求得下肢各受力結構的力量，以肌電資料定性確認後再與同步量取之股骨內力比較，完成定量驗証並得滿意結果。該項研究不僅首度完成下肢數學模型之定量驗証，更藉由肌肉力量與股骨內力之資料深入探討肌力對股骨荷重之交互作用。研究證明股骨軸向壓力絕大部分來自肌肉之作用，而外力作用在下肢所產生之彎矩則由肌肉拉力與股骨軸向壓力所形成之力偶所承擔，因此，股骨所受彎矩便非常小。由於股骨荷重對人工髖關節與膝關節等相關植入物之設計、測試與植入後的固定與使用度極具重要性，因此，該研究將有助爾後人工植入物設計與相關臨床問題的解決。由此例可知步態分析配合適當數學模型分析之骨科臨床應用絕不止於目前商業步態分析系所能提供的。是以，現有的步態分析系統仍有極大的發展空間。

未來發展方向

步行是人類行動最主要的方法也是人體動作中重覆性最高的一種。從一歲開始學習走路起，隨著神經骨骼肌肉系統的成熟，步行成為一個不假思索的動作，直到神經骨骼肌肉系統受損或病變，而輕易地表現在步態上。因此，步態分析用在診斷與評估神經骨骼肌肉系統疾病上有其優點與必要性。而藉由步態分析技術發展的治療方法、輔具、植入物等則可回饋到治療與矯正異常步態之上，以協助病人恢復正常行動功能。基於此，步態分析的持續發展是可以預期的。而考慮現階段面臨的問題，延續目前的成果，未來在技術上可有以下幾個癹展方向：

一、皮膚標記移動誤差之減少與排除，例如癹展無標記分析系統等。

二、結合電腦圖像與醫用影像技術，進一步建立完整人體骨骼肌肉系統模型，以利臨床測試與應用。

三、繼續發展在人工植入物裝置感測器的技術，藉以建立關節受力的完整資料。

四、本土步態分析資料庫之建立，包括正常步態資料、各類疾病步態以及量測方法程序標準化等。

五、電腦輔助資料擷取與判讀。

結語

隨著新技術的癹展，步態分析系統將更客易操作，分析所得資料將更精確、更完整、更方便判讀，應用的範圍也將更廣泛。然而，技術的發展終究必須以服務病患為依歸。因此，如何將這些技術用在疾病診斷以及治療的規劃與評估上，則有待臨床醫師、治療師與醫學工程師的共同密切合作與努力。