基于单目二维(2D)视频的多发性硬化患者无标记(markerless)步态分析

《Multiple Sclerosis and Related Disorders》：Video-based 2D markerless gait analysis in people with multiple sclerosis

　　

摘要：多发性硬化(Multiple Sclerosis, MS)是一种神经退行性疾病，常伴早期出现并渐进性恶化的步态损害，严重影响患者的活动能力与独立性。扩展残疾状态量表(Expanded Disability Status Scale, EDSS)被广泛用于量化MS患者的整体残疾程度，但步态异常可表现为特定的时空(spatiotemporal)及运动学(kinematic)改变，而这些并未在EDSS评分标准中明确描述。在此背景下，定量步态分析可为运动功能提供补充信息。本研究探讨采用无标记(markerless)、单摄像机二维(2D)视频方法提取MS患者定量步态参数，并检验这些测量指标是否随EDSS指数反映的整体残疾水平而变化。研究人员记录20例MS患者以舒适步速行走的标准摄像机影像，利用姿态估计算法获取关键点(keypoint)位置并提取时空参数及下肢（大腿thigh、小腿shank、足foot）抬高角(elevation angle)。评估上述测量指标与残疾评分之间的关联性。结果显示，随着残疾程度加重，归一化步长(normalized stride length)与步时(stride time)显著减小；此外，小腿(shank)与足(foot)抬高角的活动度(range of motion, ROM)与残疾评分呈强相关。研究结果表明，下肢尤其是远端节段(distal segments)抬高角ROM可作为残疾相关步态损害敏感指标。所提出的2D视频方法为一种低成本、无创且不受限的MS客观步态评估工具。

论文解读：基于单目二维视频的多发性硬化患者无标记步态分析

多发性硬化(Multiple Sclerosis, MS)是青年成人最常见的非创伤性致残性中枢神经系统脱髓鞘疾病，步态损害是其最常见且严重影响生活质量的症状，甚至在疾病早期即可出现。目前临床评估MS残疾程度主要采用扩展残疾状态量表(Expanded Disability Status Scale, EDSS)，该量表虽能反映整体神经功能障碍及步行距离与辅助具需求，但对步态具体的时空(spatiotemporal)参数及矢状面(sagittal plane)运动学(kinematics)改变不够敏感，且无法捕捉早于临床残疾评分出现的细微步态异常。传统定量步态分析依赖光学运动捕捉系统（需粘贴反光标记点）或穿戴式惯性传感器(inertial measurement units, IMU)，虽精度较高但因设备昂贵、操作复杂、便携性差，难以在临床常规开展。近年来计算机视觉与人体姿态估计(pose estimation)算法的发展使基于普通RGB视频的无标记(markerless)步态分析成为可能，可用标准视频提取关节角度与时空参数，但在MS人群中应用单摄像机二维(2D)视频并结合EDSS关联分析的研究仍较少。为此，Turolla等人于《Multiple Sclerosis and Related Disorders》发表本研究，探索利用MediaPipe Pose从侧位2D视频中提取MS患者步态时空参数及下肢抬高角(elevation angle)活动度(range of motion, ROM)，并分析其与EDSS评分的相关性，验证该方法作为低成本临床步态评估工具的可行性。

主要关键技术方法

研究人员招募20例符合2017年McDonald诊断标准的MS患者（EDSS ≤ 6分，允许使用助行器），于室内直线行走并以30 fps、1280×720像素侧位RGB摄像机采集矢状面步态视频。采用开源MediaPipe Pose（BlazePose模型）检测33个人体关键点(keypoint)，滤除置信度＜0.7帧后做分段三次Hermite插值补全、零相移低通Butterworth滤波（截止频率7 Hz）及基于帧间位移的自适应伪迹校正。基于滤波后髋、膝、踝、足指尖坐标计算：步时(stride time)、归一化步长（步长像素值/腿长像素值）、归一化平均速度、支撑期(stance phase)与摆动期(swing phase)百分比；以及大腿(thigh)、小腿(shank)、足(foot)矢状面抬高角θ_thigh、θ_shank、θ_foot，取其一个步态周期内最大值减最小值得到各节段ROM。以Spearman秩相关分析各参数与EDSS评分（序数等级）的关联，Bonferroni-Holm法校正多重比较。

研究结果

3.1. Spatiotemporal parameters（时空参数）

经Spearman相关分析显示：归一化步长与EDSS呈中度负相关（ρ = ?0.548, p = 0.037），步时(stride time)与EDSS呈强正相关（ρ = 0.646, p = 0.008），归一化平均速度与EDSS呈强负相关（ρ = ?0.765, p < 0.001），表明残疾程度越高步长越短、步时越长、速度越慢。支撑期百分比（ρ = 0.298, p = 0.404）与摆动期百分比（ρ = ?0.062, p = 0.793）与EDSS无显著相关。

3.2. Range of motion analysis（活动度分析）

小腿(shank)抬高角ROM与EDSS呈强负相关（ρ = ?0.688, p = 0.002），足(foot)抬高角ROM与EDSS呈强负相关（ρ = ?0.604, p = 0.006），即残疾程度越高远端节段角活动度越小；大腿(thigh)抬高角ROM与EDSS无显著相关（ρ = ?0.200, p = 0.400）。抬高角波形总体保留生理周期性，高EDSS者主要表现为小腿与足ROM减小，尤以摆动相(swing phase)明显。

讨论与结论

研究人员指出，传统时空参数反映步态整体效率下降，而小腿与足抬高角ROM较大腿段更敏感地捕获了MS患者随残疾加重出现的远端节段运动控制受损——可能关联踝关节控制及推离(push-off)力学减退，这类改变未体现在EDSS评分细则中。单摄像机2D无标记视频分析虽无法获取额状面与水平面运动及存在透视投影误差，但可可靠提取矢状面时空参数与抬高角ROM，且与EDSS显著相关，可作为EDSS之外补充早期或细微步态异常的定量工具，适用于临床常规或纵向随访。本研究受限于样本量较小(n=20)、未设健康对照组、未校正年龄与病程混杂因素，属探索性研究，未来需在更大队列中验证并考察其纵向监测与康复评估价值。

综上，研究人员得出结论：基于MediaPipe Pose的单目2D无标记(markerless)视频可有效提取MS患者步态时空参数及下肢抬高角ROM；其中归一化步长、步时、速度与EDSS显著相关，小腿与足抬高角ROM与EDSS呈强负相关，是残疾相关步态损害的敏感指标；该方法为低成本、无创、简便的客观步态评估手段，可为MS临床残疾评估提供补充定量信息。