電腦輔助動態分析的醫學應用
92/03/19
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林啟禎｜
成功大學醫學院骨科／中華民國小兒骨科醫學會
看過電影如魔鬼終結者或電動玩具遊戲如運動比賽裡的虛擬影像做出人體的動作嗎？這些科技魔術的第一步是把明星與運動員請到實驗室裡，在他們身上放置許多反光球，當他們在做動作時，便利用數位攝影機，將代表肢體的反光球訊號作動態紀錄，再把動態資訊利用電腦程式輔助模擬在虛擬影像裡，就大功告成了。這個過程的前半段叫做動態分析，如果針對走路則叫做步態分析，這不只是好玩、超炫的科技遊戲，在醫學的應用上也有很高的價值！
步態分析的發展
步態分析的起源可以追溯到一四九二年，在這個哥倫布發現新大陸的年代裏，文藝復興的科學藝術怪傑達文西（Leonardo da Vinci, 1452-1519）也完成一幅堪稱動態分析濫觴的世界名畫〈人體比例圖〉。達文西不但對人體肌肉的線條解剖有相當細膩的研究，對於其動態也很有興趣，而這幅畫也就是典型的代表。從繪圖的階段，到後來的照相、錄影及數位化資料，步態分析影響近代的文明其實已經超過五百年了。
十六、七世紀，歐洲的貴族流行騎馬、賽馬與賽狗，競爭加上賭金的誘因，許多人便開始研究賽馬與賽狗在跑步中的細節，以連續取像的方式將其周期的肢體位置記錄下來，並進行分析，作為比賽中判斷勝出機會的參考。
隨著工業革命與現代科技的進步，取像與記錄的方式日新月異，分析測量工具的發展也一日千里，時間點上越來越精密且連續，由位置、位置轉變算出速度與加速度，由關節角度、角度轉變算出旋轉速度與角加速度，由兩度空間突破到三度空間，利用地板反力板算出動作對地板的作用力與反作用力，再算出每一關節的動力學資料，動作的秘密便無所遁形了。
第二次世界大戰中，德國拿這些技術來研究軍人負重行軍的能力，以便提高行軍作戰的能力。戰後，因為肢殘的人數大量增加，醫學上也開始留意對肢殘的人作步態分析，使他們可以用義肢或手術改善行走功能，效果十分顯著。
但真正在臨床應用上蓬勃發展，並且成為治療利器，還是這二十年來隨著電腦快速發展而來的。最早是運用在老人的中風與殘障，以及兒童的腦性麻痺與發展障礙的研究上。
一九八○年，被尊為現代步態分析先趨的骨科醫師大衛．薩遮蘭德（David Sutherland）說︰「步態分析改變了對行走步態的了解，也改變了對病理步態治療的思維。」這十多年來，對於行走異常的治療技術突飛猛進，步態分析絕對功不可沒。
動態分析在醫學上的應用
骨骼關節系統與動作功能是骨科醫學臨床與研究最關切的問題。尤其是對兒童而言，無論是成長的自然過程，或是因疾病產生的問題，對其步態行走的功能，如果缺少客觀明確的評估方式，便很容易因為缺少基準點或標準值的比較，而無法正確地診斷。如果診斷拿捏的尺度不佳，可能會重症輕判，低估了問題的嚴重性，忽略了適當的處置；也可能會輕症重判，誇大了正常的個人差異，而予以大驚小怪的治療。
現代的步態分析，就是利用電腦數位化的科技，將人類行走的步態，化成具體的數據加以分析。而步態周期分析，就是指步速、步頻、步距及對稱性等，都可以利用數據分析的方式呈現；每個關節的位置、角度、角加速度與速度，都可以化為圖表，個別或與其他關節一起研討。更神奇的是，利用在地板架設反力板，可以得知地板反作用力加諸在腳底、足踝、膝、髖、骨盆與脊椎的大小，進一步得到關節受力、力距、功率，以及關節在行走過程當中的力學變化等資料。另外，加上動態肌電圖可以知道肌肉所扮演的角色，利用耗氧量分析可以了解心肺功能的負擔。
因此，可以說，人類所有的行動功能，及其背後的機轉與生物力學秘密，都將無所遁形，鉅細靡遺地加以剖析，最後可以讓臨床醫師判讀成為參考資料。而其臨床運用更足以使臨床醫師有充分能力量化描述一個因為某一種特殊疾病所造成步態改變或惡化的程度，甚至去定義該疾病嚴重的程度。因此，現代化的步態分析，是利用穿在肢體上的外部標記，在電腦上來模擬走路時的肢段，計算出一些參數。
一般而言，神經病變與骨骼肌肉系統的疾病都會造成行走上的問題。從臨床的角度來看，治療如何真正地改變病情的演化呢？疾病的自然病史最終的演變結果為何？病理步態與正常人的差別有多大或多有意義呢？這些問題，我們期望步態分析可以回答。因為疾病狀態改變了肌肉、骨骼及神經乃至關節的協調平衡及互動，因而影響了步態，而步態分析正可以抽絲剝繭幫我們分解出來。因此，在骨科學、復健及神經學的領域裡，應用步態分析來解決臨床問題的研究正如雨後春筍般地發展了起來。
在以腦性麻痺為主的治療及分析上，因為步態分析提供的資料，使臨床的診斷及治療更加精緻，因此已經成為病理步態治療不可或缺的工具。並且由於它的協助，許多對疾病治療的理念及方法，在近十年來也有很大的突破。例如，使我們對橫跨兩關節以上的雙關節肌肉的重要性有更進一步的了解；也明白了多重軟組織放鬆術的選擇尺度，知道可單獨放鬆；有一些髖屈曲萎縮可以不必因為放鬆屈曲肌而造成無力，因為只要在股骨端做切骨術便可以達成此目的；將股骨肌轉移到倉鼠肌可以治療膝蓋僵直等。而這些，在過去憑個別經驗為主的治療選擇中，是無法發展出來的。
實例說明
步態分析的醫學應用最重要的是能夠對每一個病例，提供一個過去傳統檢驗方法無法輕易判斷的臨床問題。有些只要步態分析的資料便能輕易找到答案，有的則需要別的研究結果來印證。 小明是一位四歲半的男孩，他因兩側馬蹄內翻足在六個月時曾經接受過兩側足踝的手術矯正，爾後雖然恢復順利，可是其母親經常覺得他走路時會有扁平步態，即以足跟著地並以足跟離地，與正常步態以足跟著地而以趾尖離地不同。於是病童被帶至門診求診，在步態分析之前，絕大部分的醫師都認為問題出在手術時將後腳跟的阿基里腱延長太多，因此建議將之再動一次手術縫緊一些。
不過，步態分析中的動態肌電圖發現並非如此，真正使病童無法順利跨步時使用腳尖的原因，竟然是兩側的前脛骨肌，原本應該在站立期後半段放輕鬆的，卻是持續地在作用而導致足踝一直維持在背曲的角度，當然腳趾便無法向下壓作為向前走路的推進動力。因此，手術的真正選擇，應該是想辦法降低前脛骨肌的不當作用，而不是去加強阿基里腱。這是動態肌電圖應用的例子。
小華是一位十四歲的女孩，她有右腳輕微的Ｏ形腿，外表看起來並不厲害，照Ｘ光測量大小腿骨頭的夾角，相對於正常左側的零度，右側是內翻六度。通常六度的內翻並不嚴重，但她的膝蓋有點疼痛，初診的醫師不太確定這個痛感是否與Ｏ形腿相關，因此轉介來作步態分析。
步態分析中的動力學關節力矩資料顯示，右膝的內翻力矩不正常地比左側大兩倍，其絕對值則很接近老年人發生內翻性退化性關節炎的值。當然，這無法直接證明痛與內翻的關係，但合理的推測是當膝關節承受如此大的異常內翻力矩時，老年人是退化性關節的疼痛，年輕人雖無關節炎但會疼痛也是很有可能的，而且久而久之會不會變成早發性關節炎的致病因素呢？這個建構在科學證據上的推理使得手術矯正內翻變形顯得合理；術後不但Ｘ光顯示外形改善了，步態分析的追蹤報告也顯示其內翻力矩回到正常值了，小華的膝痛也不見了。這是動力學協助醫療判斷的實證。
有時同類病患的研究也可以提供某一類疾病不同特徵的分類。例如，腦性麻痺兒童走路時，每位病童都各有不同，但如果無法歸納出一些共同的特徵，則在治療上便有許多困難。因此，經過統計原理歸類之後，至少可以分為輕微跳躍型、曲膝型、反曲膝型及僵直膝型等五型，每一型不但在運動學即關節角度的變化上有共同的特色，其在動力學如關節力矩及功率與動態肌電圖上，也都有類似的表現。這種分類法，可幫助醫師在初步判斷如何治療病理步態上有很好的出發點及基準點。
另外，我們也報告過的研究是有內八字腳的前進步伐時，其對膝關節的內翻力矩有增加的作用。這個發現，使我們在某病人因為馬蹄內翻足且有膝內翻現象需要手術治療時，我們判斷出只有改正了其馬蹄內翻所造成的足內八現象，便同時也可矯正膝內翻的現象，使得原本預計要作膝內翻的矯正手術可以節省下來不必執行。這意味著可以用較小的手術、較短的手術時間、流較少的血與承受較輕的痛苦，便可以幫忙病患改善走路的步態，使其走得更穩定、更快與更安全。
動態與步態分析不是電腦科技輔助下出現的時髦玩意，而是精密科學將一個整體的動作化成許多可以分析參考的數字與圖表，作為客觀統計及歸納的工具。因此，如果應用在醫學上，便可以協助醫師透視許多肉眼看不出來的病理步態，使得診斷與治療的判斷不再只是依賴經驗，而且能以更科學的方式來呈現。當未來電腦科技運算更快的時候，許多目前非常耗時的計算都將簡化，許多不易了解的圖表也將更容易親近。如此，動態或步態異常的診治便會愈來愈精緻而正確了。
