青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸癥運動學(xué)研究

劉　丹　唐占英　肖　靜　李薇薇　林　婕　袁薇娜　胡志俊

(上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬龍華醫(yī)院康復(fù)科，上海，200032)

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青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸癥運動學(xué)研究

劉丹唐占英肖靜李薇薇林婕袁薇娜胡志俊

(上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬龍華醫(yī)院康復(fù)科，上海，200032)

目的:從生物力學(xué)角度著手探索青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸癥(Adolescent Idiopathic Scoliosis，AIS)的病理機制，通過對患者與正常青少年脊柱兩側(cè)肌肉生物力學(xué)指標的分析進一步研究青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸癥對患者運動功能的影響。加強對AIS的病理現(xiàn)象和機制的分析和認識，解釋AIS的重要病理現(xiàn)象。方法：選取2014年3月至2014年9月在上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬龍華醫(yī)院康復(fù)科就診的青少年20例，其中特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者及無脊柱側(cè)凸青少年各10例。以步態(tài)分析、表面肌電檢測技術(shù)手段為檢測途徑，對患者與正常青少年運動學(xué)指數(shù)、平衡指數(shù)等生物力學(xué)指標進行比較。針對運動學(xué)指標的實驗研究共選取10例AIS患者為研究組與對照組10例患者進行對比。檢測步頻指數(shù)、各步態(tài)時相所占百分比等步態(tài)時空參數(shù)；步長、跨步長、步態(tài)周期及膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)三個關(guān)節(jié)的活動角度等運動特征。結(jié)果：青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸癥患者在單步時間、跨步時間方面差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，但其他時空指標并未出現(xiàn)明顯的異常。髖關(guān)節(jié)活動角度范圍等平衡參數(shù)相明顯大于正常組，兩者相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。結(jié)論：1)AIS可能使患者雙側(cè)下肢運動學(xué)特征產(chǎn)生改變。同時也提示雙側(cè)下肢運動學(xué)特征的改變很有可能是青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸癥的一個重要發(fā)病誘因；2)AIS患者支撐能力可能沒有明顯異常；3)特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者兩側(cè)肢體關(guān)節(jié)周圍肌群動作的不協(xié)調(diào)或兩側(cè)肢體應(yīng)力改變是導(dǎo)致這一步態(tài)特征的主要原因。

步態(tài)分析；青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸癥；椎旁肌；生物力學(xué)

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸癥(Adolescent Idiopathic Scoliosis，AIS)作為一種常見的脊柱疾病其主要病理改變是脊椎發(fā)生三維空間內(nèi)的變形，本疾病在青少年中有3%的發(fā)病率[1]，好發(fā)于女性兒童，女男發(fā)病性別比例為8∶1[2]。特發(fā)性脊柱側(cè)凸癥嚴重影響青少年的脊柱健康，嚴重者甚至引起內(nèi)臟器官的功能異常，如因胸廓畸形而造成心、肺功能障礙，神經(jīng)受牽拉壓迫而疼痛，壓迫脊髓繼而導(dǎo)致下肢癱瘓等。根據(jù)相關(guān)文獻報道[3]，30%的患者畸形很有可能會持續(xù)進展并持續(xù)加重。

在中醫(yī)學(xué)里青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸癥屬于小兒龜背范疇。小兒龜背表現(xiàn)為脊骨彎曲突起，形如龜背。小兒骨質(zhì)未堅，曲背久坐，沒有及時矯正，脊骨受損；或由于缺乏營養(yǎng)、發(fā)育障礙；或因脊骨局部疾患以致變形?！缎核幾C直訣》中已有本病脊柱畸形的證候記載，指出：“兒生下客風(fēng)入脊，遂與骨髓，即成龜背。”中醫(yī)學(xué)認為筋束骨，骨張筋，互相協(xié)作從而完成人體的正常運動。AIS的病因病機在外責(zé)之于筋傷肉瞤，在內(nèi)責(zé)之于肝脾腎功能失調(diào)[4]?！秲?nèi)經(jīng)》曰：“骨為干”。《醫(yī)宗金鑒·正骨心法要旨》宗《內(nèi)經(jīng)》之說，指出：巔頂骨等顱骨“內(nèi)涵腦髓”，脊椎骨等“下盡尻骨之端，上載兩肩，內(nèi)系藏腑，其兩旁諸骨，附接橫疊，而彎合于前，則為胸脅也”。骨性剛強，既可支持形體，又能保衛(wèi)內(nèi)臟，是人體之支架，為筋起止之所?！秲?nèi)經(jīng)素問·痿論》中記載有：“宗筋主束骨而利關(guān)節(jié)也”。

骨骼是人體包括脊柱在內(nèi)的剛性支撐，是一切運動的根本支柱；筋肌是連結(jié)脊柱骨骼形成脊柱關(guān)節(jié)的組織，骨骼對脊柱關(guān)節(jié)具有支撐和保護作用，肌肉的收縮和舒張，實現(xiàn)了脊柱的各種運動，是人體脊柱運動的動力來源[5]。肢體的運動，雖有賴于筋骨，但筋骨離不開氣血的溫煦濡養(yǎng)，氣血化生，濡養(yǎng)充足，筋骨功能才可勁強。而且筋骨又是肝腎的外合，肝腎同源，分主筋骨，筋骨相連，傷筋必動骨，損骨必傷筋[6]。因此，在對慢性筋骨病的治療中，都必須要有整體觀念，注意與肝腎兩臟的關(guān)系。肝血充盈，腎精充足，則筋勁骨強。同時通過經(jīng)絡(luò)周而復(fù)始將氣血輸布全身，使人體的皮肉筋骨、四肢百骸得到氣血的濡養(yǎng)，以維持其正常的生理活動，因此肝腎氣血盛衰、經(jīng)絡(luò)通暢關(guān)系到筋骨的成長與衰退[7]。如果長期久坐，坐姿不正確，脊柱過度負荷勞累，或先天脊柱發(fā)育異常等都可能損傷脊柱的骨骼、筋肉，導(dǎo)致筋骨失衡，從而引發(fā)或加重特發(fā)性脊柱側(cè)凸[8]。

AIS具體發(fā)病機理尚不明確，多數(shù)研究者廣泛認可的理論主要集中在以下幾個方面：椎旁肌肉活動異常與椎體本身的發(fā)育異常、內(nèi)分泌的異常因素以及神經(jīng)系統(tǒng)(如前庭功能、位置覺等)的異常等[9]。

脊柱的筋骨平衡依賴于肌肉和軟組織組成的筋系統(tǒng)和椎體及椎間盤組成的骨系統(tǒng)。筋系統(tǒng)的失衡會導(dǎo)致筋骨系統(tǒng)整體的改變。繼而影響整體脊柱的動靜力平衡，從而誘發(fā)“筋骨平衡”的病理表現(xiàn)[10]。

從系統(tǒng)層面而言，直立的姿勢與骨盆以上的腰段脊柱擴大有十分密切的關(guān)系[11]。研究發(fā)現(xiàn)它與脊柱側(cè)凸癥患者腰椎的外觀改變有很大關(guān)聯(lián)[12]。從生物力學(xué)的角度來看，這種運動姿勢的轉(zhuǎn)變似乎在功能和效率方面都有很大的提升，但與之伴隨的反向作用力的產(chǎn)生使得椎體無法適應(yīng)，繼而使得脊柱的結(jié)構(gòu)更加容易被改變。由此可以認為，直立姿勢很有可能是脊柱側(cè)凸的一個重要誘發(fā)因素[13]。盡管如此，這一病理機制也并非只是人體所特有，針對四足動物而言也已經(jīng)有脊柱側(cè)凸的實驗?zāi)Ｐ徒14]。關(guān)于筋骨失衡的生物力學(xué)研究目前還僅限于實驗動物階段，如何利用現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)手段進行臨床基礎(chǔ)研究針對AIS患者脊柱筋骨系統(tǒng)進行力學(xué)評價，對于AIS在發(fā)育階段的早期積極治療意義深遠[15]。我們理解筋骨結(jié)構(gòu)是一套復(fù)雜的運動學(xué)特征結(jié)構(gòu)，由于其復(fù)雜的構(gòu)成以及活動檢測指標的不確定性通常需要系統(tǒng)有效的宏觀研究方法對其進行有效的分析。三維步態(tài)分析技術(shù)技術(shù)作為一種系統(tǒng)宏觀的運動學(xué)研究手段，可針對復(fù)雜的肢體運動進行有效的綜合分析，并從宏觀角度觀察其變化規(guī)律。

因此，在“中醫(yī)筋骨”并重指導(dǎo)下，結(jié)合現(xiàn)代生物力學(xué)分析方法，采用步態(tài)分析、技術(shù)手段，開展青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸癥的研究，探索脊柱生物力學(xué)失衡對脊柱筋骨系統(tǒng)破壞繼而導(dǎo)致青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸癥的病理機制，加強對脊柱側(cè)凸的病理現(xiàn)象和機制的分析和認識，解釋其重要病理現(xiàn)象，為治療青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸癥提供實驗證據(jù)和操作指導(dǎo)。

1　材料與方法

1.1研究對象選取2014年3月至2014年9月在上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬龍華醫(yī)院康復(fù)科就診的青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者共10例作為實驗組，其中男4例，女6例；右側(cè)凸4例，左側(cè)凸6例,側(cè)凸角度(23.64±2.65)度；年齡(14±2)歲。健康青少年10例作為對照組，經(jīng)過龍華醫(yī)院康復(fù)科進行臨床檢查，脊柱生長發(fā)育正常，且體型勻稱，走路姿勢正常，排除骨性關(guān)節(jié)疾病，自愿參加實驗，男女各5例；年齡(13±2)歲。所有受試者均沒有接受手術(shù)治療，同時在以往臨床檢查中沒有發(fā)現(xiàn)任何神經(jīng)系統(tǒng)的疾病，在進行實驗的全過程中受試者被要求不得佩戴任何形式的矯形支具。

1.2實驗設(shè)備英國VICON公司紅外三維運動捕捉系統(tǒng)；分析軟件Vicon IQ。

1.3測試方法

1.3.1測試準備1)環(huán)境準備：測試房間釆用白光光源，防止室外自然光線照射造成干擾。行走步道長9 m，測量前讓受試者先進行適應(yīng)性行走，保持測試環(huán)境清潔。2)儀器準備：標定步態(tài)分析系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行校正。首先以校正用T形架在全空間進行動態(tài)校正，然后將校正用T形架置于測力板相應(yīng)位置進行靜態(tài)校正。3)受試者準備：受試者下肢穿著適于測量的衣物，以保證關(guān)節(jié)標志點充分暴露，在測試人員的指導(dǎo)下首先進行測試環(huán)境的熟悉練習(xí)，熟悉練習(xí)過程中囑受試者以自然步態(tài)赤足走過足底壓力測量平板，不規(guī)定步幅、步速。

1.3.2模型建立1)按照三維步態(tài)分析模型在受試者下肢進行標定點(maker)的粘貼，共16 maker。2)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集：受試者按實驗員的指示下靜止站立于測力臺中央，身體直立站位，兩臂水平展開，兩腳與肩同寬，針對解剖學(xué)姿勢下靜態(tài)動作進行拍攝。3)動態(tài)數(shù)據(jù)采集：以自然步態(tài)赤足走過行走步道，對于運動過程中的生物力學(xué)參數(shù)以及運動學(xué)參數(shù)進行采集。4)所有實驗規(guī)定動作結(jié)束后，檢查確定實驗數(shù)據(jù)是否完整無誤。之后更換下一名受試者，重復(fù)上述過程。

1.4主要觀察指標

1.4.1步態(tài)周期步態(tài)周期站立相和擺動相。站立相5期：最初接觸/足跟著地、負重反應(yīng)、站立中期、站立末期、擺動前期。擺動相分成分為3個期：擺動前期、擺動中期、擺動末期。

1.4.2時間參數(shù)時間參數(shù)包括單步時間、跨步時間、步頻、步速。單步時間指步行周期中邁一步所需要的時間，即從一側(cè)下肢足跟首次著地至對側(cè)下肢足跟再次著地為止所用時間。以秒為計時單位。在正常情況下，雙下肢的單步時間相等。如果雙側(cè)下肢單步時間不等，提示步態(tài)的不對稱?？绮綍r間指完成一個步行周期所需要的時間，即從一側(cè)下肢足跟著地至該下肢足跟再次著地所經(jīng)過的時間。以秒為計時單位。

1.4.3距離參數(shù)步態(tài)的距離參數(shù)包括步長、跨步長、步寬。步長指行走時左右足跟或者足尖兩點間在前進方向上的直線距離。我們將左腳向前邁一步稱左步長，右腳向前邁一步稱右步長。正常人行走時，左右側(cè)下肢步長及時間基本相等，當左右步長不一致時，則反映步態(tài)的不對稱性。例如偏癱步態(tài)的不對稱性，表現(xiàn)在健側(cè)步長縮短，而患側(cè)步長相對延長。

1.4.4步態(tài)周期中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)主要活動度包括各關(guān)節(jié)最大伸展角度、最大屈曲角度、最大活動范圍、觸地時刻角度、離地時刻角度。

2　結(jié)果

2.1步態(tài)周期參數(shù)特征側(cè)凸組與正常組比較，2組雙側(cè)下肢雙側(cè)支撐期差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。2組雙側(cè)下肢單側(cè)支撐期、雙側(cè)下肢單側(cè)支撐期所占百分比差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表1。

表1　AIS患者與正常人雙側(cè)下肢步態(tài)周期指標差值比較±s)

注：與正常組對比，*P<0.05，**P<0.01。

2.2步態(tài)周期時間參數(shù)特征側(cè)凸組與正常組比較，2組步頻相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。2組雙側(cè)下肢單步時間、雙側(cè)下肢跨步時間相比差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。2組雙側(cè)下肢步速差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表2。

表2　AIS患者與正常人雙側(cè)下肢時間指標差值比較±s)

注：與正常組對比，*P<0.05，**P<0.01。

2.3步態(tài)周期距離參數(shù)參數(shù)側(cè)凸組與正常組比較，2組雙側(cè)下肢步長、跨步長、步寬均差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表3。

表3　AIS患者與正常人雙側(cè)下肢距離參數(shù)差值比較±s)

注：與正常組對比，*P<0.05，**P<0.01。

2.4髖關(guān)節(jié)平衡指數(shù)側(cè)凸組與正常組比較，髖關(guān)節(jié)最大伸展角度、觸地時刻角度及離地時刻角度4組之間差異均沒有統(tǒng)計學(xué)意義。髖關(guān)節(jié)最大屈曲角度進行統(tǒng)計分析，研究結(jié)果顯示，4組間相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義。進一步進行兩兩比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，側(cè)凸組凸側(cè)下肢與正常組左側(cè)及右側(cè)下肢之間髖關(guān)節(jié)最大屈曲角度、髖關(guān)節(jié)最大活動范圍的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。見表4。

2.5膝關(guān)節(jié)平衡指數(shù)側(cè)凸組與正常組比較，膝關(guān)節(jié)最大伸展角度、最大屈曲角度、最大活動范圍、觸地時刻角度及離地時刻角度4組之間差異均沒有統(tǒng)計學(xué)意義。見表5。

2.6踝關(guān)節(jié)平衡指數(shù)分析側(cè)凸組與正常組比較，受試者踝關(guān)節(jié)最大伸展角度左側(cè)、右側(cè)下肢之間踝關(guān)節(jié)最大伸展角度差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。踝關(guān)節(jié)最大屈曲角度、最大活動范圍、觸地時刻角度及離地時刻角度4組之間差異均沒有統(tǒng)計學(xué)意義。見表6。

表4　AIS患者與正常人髖關(guān)節(jié)動力學(xué)指數(shù)比較±s)

注：與正常組左側(cè)對比，*P<0.05，**P<0.01，與正常組右側(cè)對比，△P<0.05，△△P<0.01。

表5　AIS患者與正常人膝關(guān)節(jié)動力學(xué)指數(shù)比較±s)

注：與正常組左側(cè)對比，*P<0.05，**P<0.01，與正常組右側(cè)對比，△P<0.05，△△P<0.01。

表6　AIS患者與正常人踝關(guān)節(jié)動力學(xué)指數(shù)比較±s)

注：與側(cè)凸組凸側(cè)對比，*P<0.05，**P<0.01。

3　討論

三維步態(tài)分析技術(shù)作為一種系統(tǒng)宏觀的運動學(xué)研究手段針對復(fù)雜的肢體運動進行有效的綜合分析，并從宏觀角度觀察其變化規(guī)律。三維步態(tài)分析對行進中的各種參數(shù)進行適時采集和處理，得到關(guān)節(jié)運動角度，利用內(nèi)在軸線和歐拉旋轉(zhuǎn)角度來描述行走過程中關(guān)節(jié)的三維運動情況[16]。其運動學(xué)參數(shù)通常包括人體重心分析、步行時間-空間以及肢體的階段性運動[17]。正常下肢髖關(guān)節(jié)活動角度的特點是在邁步相中期達到頂點，并保持到站立相開始，有利的跖屈，保證我們在行走過程中身體能夠有力向前移動，才能保證正常的行走速度[18]。

步長、步頻、步速是步態(tài)分析最基本的參數(shù)，步長、步頻及步速出現(xiàn)縮短減慢或延長加快表明步行過程出現(xiàn)了某些異常[19]。以往研究通常致力于對患病人群與健康人群單側(cè)下肢參數(shù)絕對值的比較，忽視了個體差異導(dǎo)致的偏差，并未分析個體雙側(cè)下肢各項指數(shù)差值所反應(yīng)的異常[20]。

本次研究結(jié)果顯示，在步態(tài)周期參數(shù)指標方面特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者凸側(cè)下肢的雙足支撐相明顯大于正常組下肢，單足支撐相與單足支撐相所占百分比與正常組相比沒有明顯差異，在臨床檢查中，雙足支撐相來判斷步態(tài)的對稱性，因此雙足支撐相出現(xiàn)異?？梢蕴崾拘凶咧锌赡艹霈F(xiàn)步態(tài)不對稱，同時也提示患者支撐能力可能存在一定程度上的異常。時間指標方面特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者凸側(cè)下肢的步頻、單步時間、跨步時間明顯大于正常組下肢，在正常情況下，雙下肢的時間指標相等，雙側(cè)下肢時間指標的差值明顯增大，提示步態(tài)可能出現(xiàn)單側(cè)偏移不對稱，特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者凸側(cè)下肢運動狀態(tài)出現(xiàn)顯著異常。通過三維步態(tài)分析手段測量青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者與正常青少年雙側(cè)下肢運動學(xué)特征，并對雙側(cè)下肢參數(shù)的差異進行對比，進一步量化反映了脊柱側(cè)凸患者運動功能的改變情況。

AIS患者兩腿的膝關(guān)節(jié)在運動過程中沒有出現(xiàn)明顯的不對稱，屈伸范圍也沒有太大異常。然而，與正常組相比髖關(guān)節(jié)在足跟著地階段存在過度屈曲，髖關(guān)節(jié)的伸展與屈曲角度相比正常人有很大的變化，提示軀干在額狀面和橫截面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)運動出現(xiàn)了不平衡。除此之外，髖關(guān)節(jié)角度在觸地和離地瞬間變化相對不大，這提示髖關(guān)節(jié)的不對稱性只在一定程度上受到影響，但這也提示AIS患者對身體的控制能力以及在運動中保持身體穩(wěn)定的能力弱于正常人。踝關(guān)節(jié)方面最大伸展角度也有明顯的變化，提示在行走過程中踝關(guān)節(jié)活動度也在一定程度上受到影響。特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者兩側(cè)肢體關(guān)節(jié)周圍肌群動作的不協(xié)調(diào)或兩側(cè)肢體應(yīng)力改變是導(dǎo)致這一步態(tài)特征的主要原因。

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(2015-06-08收稿責(zé)任編輯：張文婷)

The Kinematics of Adolescent Idiopathic Scoliosis Disease Research

Liu Dan, Tang Zhanying,Xiao Jing,Li Weiwei,Lin Jie,Yuan Weina,Hu Zhijun

(Longhua hospital affiliated to Shanghai university of traditional Chinese medicine，Shanghai 200032,China)

Objective:To explore the pathological mechanism of adolescent idiopathic scoliosis(AIS)from the point of biomechanics，we further study the impact of AIS on adolescent patients' motor function with the analysis of both patients' and typical adolescents' biomechanics indexes.We enhance the analysis and understanding of pathological mechanism of AIS to explain its important pathological phenomena.Methods:20 adolescents who visited the Rehabilitation Department of Longhua Hospital affiliated to Shanghai University of Traditional Chinese Medicine from March to September during 2014 were selected，among which 10with AIS and 10 without AIS.With gait analysis and surface electromyography，we compared the kinematic and equilibrium indexes between adolescents with AIS and without AIS.Against the experimental study of kinematic indexes，10 cases are adolescents with AIS(research group)and 10 cases are without AIS(control group).We tested the stride frequency indexes，ratio of gait phases，step length，stride length，gait cycle，activity angles of knee joint，ankle joint and hip joint.Results:There was significant difference between the time of single step and stride step of AIS(P<0.05)，and no significant difference in other indexes of time and space.The activity angles of hip joint were obviously larger than those in control group(P<0.05).Conclusion:1)AIS may change the kinematic characteristic of adolescent patients' bilateral lower limbs.Simultaneously，that change could be an important predisposing factors of AIS.2)There may be no significant difference in supporting capacity of adolescents with AIS.3)Either the uncoordinated movement of muscle groups around bilateral limbs and joints of adolescents with AIS or the stress change of bilateral limbs is the major cause of asymmetric gaits of AIS.

Gait analysis;Adolescent idiopathic scoliosis;Paraspinal muscle;Biomechanics

胡志俊(1962.10—)，男，博士，主任醫(yī)師，科室主任，研究方向：中西醫(yī)結(jié)合康復(fù)學(xué)；非手術(shù)療法治療骨退行性疾病，E-mail：hzjz1062@163.com

R681.5；R24

A doi：10.3969/j.issn.1673-7202.2016.01.024