《JMIR Formative Research》：Wearable Sensor–Derived Gait Parameters Across Self-Reported Physical Activity Levels in Individuals With Knee Osteoarthritis and Healthy Controls: Pilot Cross-Sectional Validation Study
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背景：可穿戴惯性测量单元（IMU）提供了可扩展的客观步态评估，但针对运动捕捉的详细步幅级验证及其反映膝骨关节炎（KOA）中身体活动（PA）相关步态差异的能力尚未完全阐明。目的：本研究旨在评估与光学运动捕捉相比，足部安装的IMU衍生的步态参数在KOA患者和健康对
背景：可穿戴惯性测量单元（IMU）提供了可扩展的客观步态评估，但针对运动捕捉的详细步幅级验证及其反映膝骨关节炎（KOA）中身体活动（PA）相关步态差异的能力尚未完全阐明。目的：本研究旨在评估与光学运动捕捉相比，足部安装的IMU衍生的步态参数在KOA患者和健康对照者中的技术有效性。作为次要探索性目标，研究人员评估了IMU衍生的步态参数是否因自报PA水平而异。方法：在这项初步横断面验证研究中，20名参与者（KOA：n=10，50%；健康对照：n=10，50%）完成了3种标准化步行条件（自定步速、快速步速和耐力等效）。IMU衍生的步态参数与运动捕捉在步幅级（≥5000步）进行比较，使用Pearson相关、组内相关系数（ICC）、平均绝对误差、均方根误差和Bland-Altman分析。参与者完成了Stanford Brief Activity Survey以对PA水平进行分类。鉴于初步设计，二次分析强调效应量和95%置信区间（CI）。通过方案完成率、数据完整性和耐受性评估可行性。结果：IMU衍生的步速与运动捕捉表现出高度一致性（r=0.99；ICC=0.98，95% CI 0.95-0.99；平均绝对误差=0.07 m/s；偏倚=0.01 m/s；95%一致性界限 -0.14至0.16 m/s）。步幅长度和步频表现出类似的高度一致性（ICC范围0.96-0.97）。所有参与者均完成了方案，不良事件极少。探索性分析表明，报告较高PA的参与者表现出方向性更快的步速和更长的步幅长度，效应量为小到中等，而不活跃的参与者表现出更高的站立相关节律参数。结论：足部安装的IMU在不同步行条件下与运动捕捉表现出强烈的步幅级一致性，支持在KOA和健康人群中的技术有效性。探索性发现表明，可穿戴衍生的步态参数可能反映活动相关差异；然而，需要更大规模的纵向研究来确认这些初步信号。
**研究背景与问题**
膝骨关节炎（KOA）是一种常见的肌肉骨骼疾病，临床评估主要依赖影像学检查和患者报告结局指标（PROMs），但这些方法无法充分捕捉日常活动中的真实世界运动障碍。可穿戴惯性测量单元（IMU）提供了可扩展的客观步态评估手段，但既往研究存在方法学空白：缺乏在多种步行条件下同时进行运动捕捉验证与身体活动（PA）分层分析的整合，且不清楚IMU衍生步态参数是否在自报PA水平间存在差异。为此，研究人员开展了这项初步横断面验证研究，旨在评估足部安装IMU的技术有效性，并探索步态参数与PA水平的关系。该研究发表在《JMIR Formative Research》。
**研究设计与结论**
研究人员纳入20名受试者（10名KOA患者，10名健康对照），完成三种标准化步行条件（自定步速、快速步速和6分钟步行测试），使用足部安装的Shimmer3 IMU平台（三轴加速度计和陀螺仪）采集数据，并与Vicon光学运动捕捉系统进行步幅级对比。主要结论：IMU衍生的步速、步长和步频与运动捕捉显示高度一致性（ICC≥0.96，偏倚极小），验证了技术有效性。次要探索性分析显示，自报PA较高的参与者步速更快、步长更长，而不活跃参与者表现出更高的站立相关节律参数，方向性效应量小到中等。该研究为未来大样本纵向研究提供了效应量估计和可行性证据。
**关键技术与方法**（不超过250字）
样本来源：来自耶鲁大学和斯坦福大学的20名受试者（KOA患者和健康对照）。主要技术方法：使用Shimmer3可穿戴IMU平台（三轴加速度计和陀螺仪，采样率102.4 Hz，重采样至200 Hz）安装在足背，通过验证算法检测足跟触地和脚尖离地事件，提取时空参数（步速、步长、步频、站立比、推地比、足平比等）。与Vicon光学运动捕捉系统（200 Hz）同步验证。统计分析采用Pearson相关、组内相关系数（ICC，双向混合效应模型，绝对一致性）、平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）和Bland-Altman分析。PA分类使用Stanford Brief Activity Survey（SBAS）。
**研究结果**
**可行性结果（参与者层面）**：通过方案完成率、数据完整性和耐受性评估，所有20名受试者完成全部步行测试和患者报告问卷，数据缺失率低于3%，仅2例轻微不良事件（皮肤刺激），表明足部安装IMU步态评估在KOA和健康成人中可行。
**主要目的：运动捕捉验证**：通过比较IMU与运动捕捉在步幅级（≥5000步）的时空参数，步速显示强一致性（r=0.99，ICC=0.98，95% CI 0.95-0.99，MAE=0.07 m/s，偏倚0.01 m/s，95%一致性界限-0.14至0.16 m/s）。步长（ICC=0.96）和步频（ICC=0.97）同样高度一致，足跟触地和脚尖离地时间差异约10 ms，支持算法在不同步行条件下的技术有效性。
**次要目的：自报PA水平的探索性差异**：根据SBAS将受试者分为活跃和不活跃组，活跃组在步速、步长和峰值角速度上方向性更高，效应量小到中等（Cohen d约0.44-0.72），不活跃组表现出更高的足平比和站立相关节律参数（如推地比、足平比）。
**调整分析（方向性稳定性评估）**：调整年龄、性别、BMI和种族后，方向性趋势稳定，但置信区间宽，表明结果需谨慎解释。
**讨论与结论**
讨论部分指出，主要发现支持IMU技术有效性，与既往文献一致，但未评估关节运动学或载荷参数。方向性差异可能与KOA代偿策略相关，如不活跃参与者较高的足平比和站立比可能反映步态稳定性改变。研究局限性包括样本量小、横断面设计及未进行多重比较校正。结论部分翻译如下：在这项初步横断面验证研究中，足部安装的可穿戴惯性测量单元（IMU）在标准化步行条件下与光学运动捕捉表现出高度一致性，具有高组内相关系数（ICC）和极小系统偏倚。这些发现支持在KOA成人中使用足部安装可穿戴IMU进行步幅级步态评估的技术有效性和可行性。探索性分析提示步态参数在自报身体活动（PA）水平间存在方向性差异，但鉴于样本量小、横断面设计及缺乏多重比较校正，这些关联应视为假设生成。需要更大规模的纵向研究来确认这些初步信号，并确定可穿戴衍生步态参数随时间推移与疾病严重程度、PA行为及临床有意义结局的关系。
