三維步態(tài)在腦卒中足下垂患者下肢節(jié)段協(xié)調(diào)性分析的應(yīng)用

沈新培， 夏清 ，杜玲玲

腦卒中亦稱腦血管意外，是發(fā)病率和致殘率均較高的疾病之一，存活者中約80%的腦卒中偏癱患者伴有不同程度的肢體、言語、意識(shí)等功能障礙[1-2]，其中20%的腦卒中患者步行時(shí)出現(xiàn)足下垂現(xiàn)象[3]，嚴(yán)重影響步行能力和生活質(zhì)量。既往對(duì)腦卒中偏癱患者的研究主要側(cè)重于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，對(duì)下肢協(xié)調(diào)性的研究鮮有涉及。目前普遍認(rèn)為，協(xié)調(diào)性是指在時(shí)間和空間上，身體不同部位和關(guān)節(jié)維持一種動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的能力[4]。節(jié)段間協(xié)調(diào)平面定律可定量評(píng)定不同運(yùn)動(dòng)形式下的協(xié)調(diào)功能[5-18]。因此本研究在節(jié)段間協(xié)調(diào)平面定律的基礎(chǔ)上，通過主成分分析來進(jìn)一步探討腦卒中偏癱足下垂患者下肢運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)模式。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2019年11月～2020年10月在合肥市第二人民醫(yī)院康復(fù)科住院的腦卒中偏癱足下垂患者15例為觀察組，入選標(biāo)準(zhǔn)：符合《中國急性缺血性腦卒中診治指南2018》和《中國腦出血診治指南2019》診斷標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)頭顱CT或MRI檢查證實(shí)；單側(cè)發(fā)病，均伴有足下垂步態(tài)；肌張力評(píng)定：偏癱側(cè)下肢改良AshworthⅠ+級(jí)及以下；運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)評(píng)定：偏癱側(cè)下肢Brunnstrom分期IV期及以上；在無需他人或輔助器具幫助下能獨(dú)立且安全行走至少10m；受試者均簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：生命體征不穩(wěn)定或伴有明顯認(rèn)知障礙，簡(jiǎn)易精神狀態(tài)檢查量表評(píng)分<24分，視聽理解障礙，無法配合完成檢測(cè)；伴有神經(jīng)系統(tǒng)病變、骨關(guān)節(jié)功能障礙等其他影響步行能力或致足下垂的疾病，如腦干、小腦病變，關(guān)節(jié)畸形、骨折、退行性改變等；雙側(cè)發(fā)病；病歷資料不全或依從性差。采用配對(duì)設(shè)計(jì)的方法選取與觀察組年齡相近(±5歲)、性別相同及左右側(cè)一致的健康者為對(duì)照組進(jìn)行配對(duì)：對(duì)照組一與觀察組偏癱側(cè)配對(duì)，其中8例左側(cè)，7例右側(cè)；對(duì)照組二與觀察組非偏癱側(cè)配對(duì)，7例左側(cè)，8例右側(cè)。2組一般資料比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見表1。

表1 2組患者一般資料比較

1.2 方法 以合肥市第二人民醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科步態(tài)實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，采用Codamotion三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)(Charnwood Dynamics Ltd，英國)，包括4臺(tái)cx1捕捉器、下肢步態(tài)套件、標(biāo)定槍。運(yùn)用標(biāo)定槍標(biāo)記左右髂前上棘、左右股骨內(nèi)外側(cè)髁、左右踝內(nèi)外側(cè)髁以及空間靜態(tài)點(diǎn)。向受試者詳細(xì)介紹測(cè)試過程及注意事項(xiàng)并予以示范后，囑受試者以舒適的自然狀態(tài)，在裸足狀態(tài)下行走數(shù)次。受試者熟悉流程后開始正式采集，每位受試者至少采集6次，并從中選取中間較為穩(wěn)定的3個(gè)步態(tài)周期作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) ①時(shí)空參數(shù)：步速、步長、步頻、支撐期百分比。②下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)：髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)矢狀面的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍(range of motion，ROM)，最大踝背屈角度、最大踝跖屈角度。③大腿、小腿、足部仰角范圍和仰角峰值出現(xiàn)時(shí)間：大腿的仰角定義為大腿相對(duì)于矢狀面中與地面垂直線的傾斜角，當(dāng)遠(yuǎn)端定點(diǎn)位于大腿的近端定點(diǎn)之前時(shí)為正角。小腿仰角定義為相對(duì)于矢狀面中與地面垂直線的傾斜角，當(dāng)遠(yuǎn)端定點(diǎn)位于小腿的近端定點(diǎn)之前時(shí)為正角。足部仰角定義為第五趾骨與足跟連線相對(duì)于矢狀面中與地面垂直線的傾斜角，當(dāng)?shù)谖逯汗歉哂谧愀鷺?biāo)記時(shí)，大于90°。把每一個(gè)受試者的步態(tài)周期時(shí)間百分化，并在分析中使用多個(gè)步態(tài)周期的平均角度[19]。在健康人行走過程中，大腿仰角、小腿仰角和足部仰角軌跡在3D空間中形成一個(gè)典型的水滴形步態(tài)環(huán)圖(on origin)并且非?？拷罴褦M合平面[4-7，19-20]。④方差百分比及比值：本文采用主成分分析即PCA(Principal component analysis)，得出具有參考意義的是PC1(pricipal component 1)、PC2、PC3和每個(gè)PC代表的方差百分比即PV1(percent variance 1)、PV2和PV3。每個(gè)PC的方差百分比表示該P(yáng)C的方差在全部方差中的比重，方差百分比越大表明該主成分綜合原始變量信息的能力越強(qiáng)[21]。在本研究中對(duì)照組一、二，觀察組偏癱側(cè)和非偏癱側(cè)各有一組PC1、PC2、PC3，PV1、PV2、PV3。PV1和PV2可確定仰角共變的最佳擬合平面，PV3是步態(tài)環(huán)的平面度指數(shù)(當(dāng)PV3=0，出現(xiàn)完全協(xié)變平面)。PV1和PV2可分別反映步態(tài)環(huán)的高度和寬度[22]。

2 結(jié)果

2.1 3組運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)比較 對(duì)照組一與對(duì)照組二各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。觀察組偏癱側(cè)與非偏癱側(cè)比較，步頻、支撐期百分比、髖關(guān)節(jié)ROM、膝關(guān)節(jié)ROM、最大踝背屈角度、小腿、足部仰角范圍均減小(均P<0.01)，步長、最大踝跖屈角度均增加(均P<0.01)；步速、踝關(guān)節(jié)ROM、大腿仰角范圍差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。觀察組偏癱側(cè)與對(duì)照組一比較，步速減慢、步長減短、步頻減小、支撐期百分比延長(均P<0.01)，髖關(guān)節(jié)ROM、膝關(guān)節(jié)ROM、踝關(guān)節(jié)ROM、最大踝背屈角度、大腿、小腿、足部仰角范圍均減小(均P<0.01)，最大踝跖屈角度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。觀察組非偏癱側(cè)與對(duì)照組二比較，步速減慢、步長減短(均P<0.01)，髖關(guān)節(jié)ROM、膝關(guān)節(jié)ROM、踝關(guān)節(jié)ROM、最大踝跖屈角度、大腿、小腿、足部仰角范圍均減小(均P<0.01)，支撐期百分比延長(P<0.01),步頻和最大踝背屈角度差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。見表2。

表2 3組步行中運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)比較

2.2 3組仰角峰值出現(xiàn)時(shí)間 觀察組偏癱側(cè)與對(duì)照組一比較，大腿仰角峰值出現(xiàn)時(shí)間延遲(P<0.01)，觀察組偏癱側(cè)與非偏癱側(cè)和對(duì)照組一其余參數(shù)比較以及觀察組非偏癱側(cè)和對(duì)照組二比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見表3。

表3 3組各節(jié)段仰角峰值出現(xiàn)時(shí)間 %，M(P25，P75)

2.3 3組仰角方差百分比及比值比較 觀察組偏癱側(cè)與非偏癱側(cè)各參數(shù)比較均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。觀察組偏癱側(cè)與對(duì)照組一比較以及觀察組非偏癱側(cè)與對(duì)照組二比較，PV1和PV1/PV2均減小(均P<0.01)，PV2均增大(均P<0.01)，PV3差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。見表4。

表4 3組仰角方差百分比及比值比較

2.4 三維步態(tài)環(huán)圖 觀察組偏癱側(cè)與非偏癱側(cè)分別與對(duì)照組一、對(duì)照組二比較，步態(tài)環(huán)圖偏離正常水滴形態(tài)，表現(xiàn)為高度降低、尾部消失、扭曲。觀察組偏癱側(cè)與非偏癱側(cè)比較，步態(tài)環(huán)路圖高度較低。見圖1a～c(分辨率：8050×2057)。

3 討論

正常步行周期始于一側(cè)足跟著地到該側(cè)足跟再次著地。腦卒中后足下垂表現(xiàn)為在步行周期的擺動(dòng)相，患肢踝關(guān)節(jié)無法背屈或背屈緩慢無力。本研究發(fā)現(xiàn)腦卒中偏癱足下垂患者偏癱側(cè)和非偏癱側(cè)與對(duì)照組比較，支撐期百分比延長。偏癱側(cè)與非偏癱側(cè)比較，支撐期百分比縮短。說明足下垂患者在步行中偏癱側(cè)下肢缺乏足夠負(fù)重能力，無法很好地支撐體重完成非偏癱側(cè)擺動(dòng)邁步。觀察組偏癱側(cè)髖膝踝各關(guān)節(jié)活動(dòng)度較對(duì)照組一均減小，這可能與偏癱側(cè)下肢各關(guān)節(jié)活動(dòng)受限，控制能力降低，分離運(yùn)動(dòng)不充分有關(guān)[24]。同時(shí)偏癱側(cè)最大踝背屈角度較對(duì)照組一降低，這符合足下垂步態(tài)的基本特征[26-30]。腦卒中偏癱足下垂的主要原因是腦卒中偏癱足下垂患者在擺動(dòng)相時(shí)因小腿前肌群(脛骨前肌)及外側(cè)肌群(腓骨長短肌)激活不足，出現(xiàn)廢用性肌萎縮[25]，同時(shí)小腿三頭肌長期痙攣[26]，導(dǎo)致足背屈無力、跟腱攣縮，在支撐相前期全腳掌或足尖先著地。在臨床治療過程中可著重加強(qiáng)脛前肌肌力訓(xùn)練，小腿三頭肌牽拉訓(xùn)練、踝關(guān)節(jié)控制訓(xùn)練等以改善患者的足下垂步態(tài)[27-30]。

觀察組偏癱側(cè)與對(duì)照組一比較，非偏癱側(cè)與對(duì)照組二比較，結(jié)果均為步長變短，步頻減小，步行速度降低。觀察組非偏癱側(cè)步長小于偏癱側(cè)，步頻大于偏癱側(cè)。上述結(jié)果表明腦卒中偏癱足下垂患者步行能力下降，偏癱側(cè)通過非偏癱側(cè)代償完成步行。在健康者行走過程中，跖屈肌是向前推進(jìn)的主要?jiǎng)恿31-32]。由于腦卒中偏癱足下垂患者偏癱側(cè)跖屈肌損傷，患者利用非偏癱側(cè)跖屈肌增加向前的推進(jìn)力，在偏癱側(cè)腿擺動(dòng)期重心進(jìn)一步向前移動(dòng)，從而增加了偏癱側(cè)步長，這與Allen等[33]研究結(jié)果一致，即腦卒中偏癱患者通常依賴于非偏癱側(cè)代償改善其步行對(duì)稱性。

步行是一個(gè)復(fù)雜的循環(huán)過程,它包括許多關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，步行的協(xié)調(diào)是通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制相關(guān)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)自由度從而實(shí)現(xiàn)肢體的協(xié)調(diào)。我們對(duì)腦卒中偏癱足下垂步態(tài)是否遵循節(jié)段間協(xié)調(diào)平面規(guī)律進(jìn)行了檢測(cè)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)組偏癱側(cè)、非偏癱側(cè)及對(duì)照組的各節(jié)段仰角進(jìn)行主成分分析，發(fā)現(xiàn)各組PC1和PC2可解釋接近95%的原始變量，代表各組數(shù)據(jù)的基本特征。觀察組的偏癱側(cè)、非偏癱側(cè)分別與對(duì)照組和一對(duì)照組比較，發(fā)現(xiàn)平面自由度PV3差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這證明腦卒中偏癱足下垂步態(tài)符合節(jié)段間協(xié)調(diào)平面定律。觀察組偏癱側(cè)和非偏癱側(cè)的大腿、小腿及足部仰角范圍明顯小于對(duì)照組一、二，但觀察組非偏癱側(cè)和偏癱側(cè)的大腿仰角范圍沒有明顯差異，結(jié)合偏癱側(cè)大腿和足部仰角峰值時(shí)間較對(duì)照組一延遲，考慮與患者在步行中通過非偏癱側(cè)下肢支撐相延長、增加步頻、減小步長的方式對(duì)偏癱側(cè)肢體進(jìn)行代償相關(guān)，并且偏癱側(cè)肢體傾向增大屈髖角度、增加步長以彌補(bǔ)偏癱側(cè)下肢各關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍不同程度的受限對(duì)步行能力的影響[33]。Bleyenheuft等[34]研究證明在痙攣性腦卒中患者注射肉毒桿菌毒素2個(gè)月后，雙下肢仰角明顯改善，偏癱側(cè)節(jié)間協(xié)調(diào)能力提高，非偏癱側(cè)協(xié)調(diào)能力趨近正常。這提示在臨床治療中，可通過降低小腿三頭肌肌張力增加踝背屈角度，減輕足下垂步態(tài)，改善患者雙下肢協(xié)調(diào)能力。

郭忠武等[34]通過主成分分析發(fā)現(xiàn)在步行過程中步態(tài)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)是足跟接觸地面瞬間。腦卒中足下垂患者的仰角軌跡在三維坐標(biāo)圖上偏離典型的形狀。在觀察組中，偏癱側(cè)和非偏癱側(cè)出現(xiàn)步態(tài)環(huán)路異常，偏離正常的曲線,表現(xiàn)為步態(tài)環(huán)變矮，高尖尾部消失。觀察對(duì)照組一和二的三維步態(tài)環(huán)圖，可發(fā)現(xiàn)典型水滴形步態(tài)環(huán)圖出現(xiàn)高尖尾部現(xiàn)象，這是因?yàn)樵谧愀貢r(shí)，足部和小腿節(jié)段仰角幾乎同時(shí)到達(dá)峰值，且大腿節(jié)段處于仰角曲線平緩期，隨后重心前移，全腳掌著地，足部仰角迅速降至平臺(tái)期。結(jié)合表3，對(duì)照組一、二各節(jié)段仰角峰值出現(xiàn)時(shí)間均集中在足跟著地時(shí)，觀察組偏癱側(cè)小腿和足部仰角峰值出現(xiàn)時(shí)間不一致，且觀察組偏癱側(cè)大腿仰角峰值與對(duì)照組一相比明顯延遲，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。觀察組偏癱側(cè)因踝背屈困難足部仰角在足著地后缺乏迅速下降的過程，而非偏癱側(cè)因?yàn)檫~步不充分使得其足部仰角曲線直接進(jìn)入平臺(tái)期。上述結(jié)果使得圖1c中非偏癱側(cè)與偏癱側(cè)三維步態(tài)環(huán)路的尾部出現(xiàn)不同程度的異常，即扭曲，甚至消失等情況，是協(xié)調(diào)功能異常的關(guān)鍵點(diǎn)，可作為描述足下垂患者下肢協(xié)調(diào)障礙標(biāo)志之一。為了更科學(xué)的解釋觀察組三維環(huán)圖的形狀，在主成分分析所得出的結(jié)果中可知，PV1和PV2反映了三維步態(tài)環(huán)路的高度和寬度，PV1/PV2即高寬比可一定程度上體現(xiàn)三維步態(tài)環(huán)圖的形狀[22]。Bleyenheuft等[35]認(rèn)為PV1/PV2的值越大，步態(tài)環(huán)路就越接近于一條線段。如表4所示，觀察組偏癱側(cè)和非偏癱側(cè)分別與對(duì)照組一、二相比，高寬比均減小，因此在三維步態(tài)環(huán)圖中，觀察組偏癱側(cè)和非偏癱側(cè)與對(duì)照組一和二相比圖形較為矮寬，結(jié)果與圖中三維步態(tài)環(huán)路顯示結(jié)果一致。圖1c顯示觀察組偏癱側(cè)的步態(tài)環(huán)路偏差較非偏癱側(cè)更明顯，偏癱側(cè)與非偏癱側(cè)與對(duì)照組一、二相比，PV1減少而PV2增加，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。主要原因可能與非偏癱側(cè)下肢的代償作用相關(guān)[33]。以往研究表明PV值的變化提示步態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)生改變，Martinoa等[23]認(rèn)為遺傳性痙攣性截癱患者相對(duì)于對(duì)照組PV1減小，PV2增大，說明其下肢協(xié)調(diào)功能受損。結(jié)合本文結(jié)果，在行走狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)組偏癱側(cè)的PV1減少和PV2增加提示腦卒中偏癱足下垂患者協(xié)調(diào)障礙。

注：三維步態(tài)環(huán)圖是將大腿、小腿和足部的仰角繪制成3D空間步態(tài)路徑，環(huán)路形狀反映了不同節(jié)段之間的相位關(guān)系。隨著時(shí)間的推移，這條路徑以逆時(shí)針方向前進(jìn)，足跟接觸地面(IC)和足趾離開地面(TO)階段分別對(duì)應(yīng)于環(huán)的頂部和底部[23]。灰色為對(duì)照組，藍(lán)色為觀察組偏癱側(cè)，黑色為觀察組非偏癱側(cè)。

綜上所述，腦卒中偏癱足下垂患者在步行中偏癱側(cè)下肢缺乏足夠負(fù)重和控制能力，步行能力下降，協(xié)調(diào)功能受損，依賴非偏癱側(cè)下肢進(jìn)行相應(yīng)代償協(xié)助完成步行。除卻3D步態(tài)環(huán)圖的直觀體現(xiàn)外，PV值的改變可能是腦卒中偏癱足下垂患者協(xié)調(diào)障礙的標(biāo)志之一。但本研究亦存在不足之處，本研究樣本量偏小，未從主成分分析所得數(shù)據(jù)進(jìn)一步量化偏癱側(cè)下肢髖膝踝關(guān)節(jié)代償方式，有待后期研究進(jìn)一步完善。