基于SPLYZA Motion的无标记步态分析初步验证：实际测量条件下的波形一致性研究

《Sensors》：Initial Validation of Markerless Gait Analysis Using SPLYZA Motion: Waveform Agreement Under Practical Measurement Conditions

　　

摘要专业翻译 本研究旨在通过评估实际测量条件下的波形一致性，对基于SPLYZA Motion的无标记步态分析开展初步验证。研究人员将关节角度波形与基于标记的动作捕捉系统所获取的数据进行比较。结果显示，SPLYZA Motion在躯干和下肢近端关节运动学方面与参考系统具有良好的一致性。在远端关节观察到较大误差，尤其是在遮挡和较高步频条件下；然而，这些差异具有相位依赖性，并未对整体波形模式产生实质性影响。上述发现提示，SPLYZA Motion在实际测量条件下可作为重复性波形步态评估的补充工具。在考虑更广泛的临床应用之前，仍需在更大规模和更多样化的人群中开展进一步验证。

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一、研究背景与问题

步态评估在康复医学和临床保健中具有核心地位，通过时空参数（如步行速度和步幅长度）以及运动学参数（描述关节运动和节段行为）来反映个体身体状况。步态运动学对年龄相关变化和病理改变高度敏感，是老年人功能衰退的重要指标。神经疾病或肌肉骨骼疾病患者常表现出异常关节运动模式，且近年研究已证实运动学步态参数在功能衰退早期检测和疾病发生预测方面具有潜力。

然而，准确获取步态运动学在常规临床实践中并不总是可行。光学动作捕捉系统虽被广泛视为获取步态运动学的金标准，但其高成本、复杂设置和耗时的测量流程限制了其在常规临床中的应用。无标记动作捕捉技术作为实用替代方案应运而生，包括基于深度传感器的系统和基于视频的方法。已有研究在受控条件下报告了此类系统可接受的可靠性和有效性水平，但仍存在重要方法学挑战：二维视频步态分析中的节段遮挡问题（远离摄像机的肢体被对侧肢体部分或完全遮挡）可能影响运动学估计精度；在有限帧率、步行速度变化等现实约束下的鲁棒性尚未得到充分检验。此外，以往验证研究多聚焦于代表性数值或平均运动学指标，对相位依赖性波形一致性和重复试验中的个体内一致性关注不足，而这两方面对于纵向监测和个体前后比较尤为关键。

二、研究目的与意义

本研究旨在填补上述空白，对基于SPLYZA Motion的无标记步态分析系统开展初步验证。该验证的独特之处在于同时关注相位依赖性波形一致性和实际测量约束下的个体内一致性。作为未来在老年人和临床人群中开展验证的初步步骤，本研究在健康成年人中于受控测量条件下进行，以确立无标记系统与参考系统之间的基本一致性，为无标记步态分析在重复性和个体化评估中的应用提供初步证据。

三、关键技术方法

本研究招募4名健康成年男性（平均年龄38.0±7.8岁，身高1.77±0.04 m，体质量78.0±13.2 kg），排除存在影响步态的肌肉骨骼损伤、疼痛或神经疾病者。研究经广岛大学人文社会科学研究科伦理委员会（No. HR-ES-001489）和吉备国际大学伦理委员会（No. 23-33）批准。

实验采用80和100步/min两种节律条件（由节拍器控制），每名受试者在每种条件下完成20次步行试验。数据采集使用两台iPhone SE（第二代）以30 fps帧率分别从正面（额状面）和右侧（矢状面）录制视频，摄像机距地面1.0 m、距步行路径中心5.0 m。参考数据采用由10台红外摄像机（100 Hz采样率）组成的光学标记动作捕捉系统（Vicon MX）获取，标记点配置基于Plug-in Gait模型。无标记分析使用SPLYZA Motion（ver. 1.24.2）深度学习模型提取27个解剖标志点的二维坐标。数据处理方面，两种系统的轨迹数据均经二阶巴特沃斯低通滤波器（截止频率6 Hz）滤波，关节角度通过自定义MATLAB脚本计算，步态周期以右侧初始触地（IC）事件为界进行时间归一化并重采样至200个数据点，每个周期划分为10个10%相位区间。缺失数据采用缺失区间前最后观测值进行填补。波形一致性通过均方根误差（RMSE，归一化为%RMSE）和多重相关系数（CMC，≥0.75表示良好一致性）进行量化。

四、研究结果

4.1 缺失标志点数据

矢状面中，遮挡侧肩关节屈伸的缺失数据率最高（80步/min为59.2%，100步/min为63.6%），遮挡侧踝关节背屈/跖屈缺失率较低（分别为2.9%和4.7%），其余关节角度及额状面各关节缺失率均较低。

4.2 关节角度波形

矢状面代表性波形显示，无标记系统在髋关节和膝关节等近端关节与标记系统高度吻合；远端关节（尤其是踝关节）出现较大偏差，波形形状和幅度差异更为明显。

4.3 相位依赖性%RMSE

矢状面%RMSE呈现明显的相位依赖性变化，远端关节在特定相位出现升高，近端关节总体较低（遮挡侧肩关节除外）；额状面%RMSE相对稳定，相位波动极小。100步/min条件下的%RMSE总体高于80步/min，但相位依赖模式得以保持。

4.4 相位依赖性CMC

多数关节和相位区间CMC值显示良好波形一致性，近端关节持续保持高水平一致性；遮挡侧肩关节和踝关节在特定相位出现低于0.75的CMC值。矢状面CMC在特定相位出现降低，额状面CMC相对稳定。100步/min条件下CMC略低于80步/min。

4.5 受试者变异性

各参与者%RMSE和CMC的个体内变异性均较小，表明重复试验中测量结果具有一致性。

五、讨论与结论

讨论部分指出，近端关节（躯干、髋、膝）与参考系统一致性较好，远端关节和遮挡影响相位误差较大，且这些差异呈相位局部化分布而非均匀分布。30 fps帧率在舒适和稍快步频下基本维持波形一致性，但100步/min时误差略增，提示时间分辨率限制可能影响快速运动时的估计精度。遮挡对关节角度估计的影响呈相位依赖性而非全局性。与OpenPose、MediaPipe、OpenCap等既往无标记方法研究一致，近端关节一致性较好而远端节段精度下降，提示这些局限性可能反映二维无标记方法的普遍特征（源于透视投影和自遮挡），而非SPLYZA Motion特有的问题。个体内变异性小，对个体内重复评估（如康复前后比较和纵向监测）具有潜在价值。研究局限性包括：样本量小且仅限于健康成年男性；二维视频固有的矢状面节段遮挡；缺失数据采用末值填补可能影响遮挡相位的一致性；额状面与矢状面记录间的同步精度未定量验证；未评估峰值关节角度等离散运动学参数。

结论部分：本初步验证表明，在实际测量条件下，SPLYZA Motion在躯干和下肢近端关节方面与基于标记的参考系统具有较好的波形一致性。远端关节和较高步频条件下观察到较大差异，但这些差异局限于步态周期的特定相位而非均匀分布于整个波形。上述发现提示，SPLYZA Motion在实际测量条件下可作为重复性波形步态评估的补充工具。在考虑更广泛的临床应用之前，仍需在更大规模和更多样化的人群（包括步态受损个体）中开展进一步验证。