基于三維步態(tài)分析技術(shù)對拇外翻兒童步態(tài)變化的研究

俞艷 姜淑云 李陽 李一瀛 魯瀟瑩

上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院（上海200437）

拇外翻是指拇趾向足的外側(cè)過度傾斜超過正常生理角度，第1 跖骨向內(nèi)收的一種足部畸形。臨床拇外翻的診斷標(biāo)準(zhǔn)為第1 趾骨和第1 跖骨的關(guān)節(jié)傾斜角度超過15°，是前足最常見的病變之一[1]。拇外翻在成年人中發(fā)病及就診率最高，但國內(nèi)的流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，1491 例拇外翻就診患者在12 歲之前出現(xiàn)拇外翻癥狀者占46.1%[2]，國外的流行病學(xué)研究也表明，40%～50%的成年拇外翻患者，其癥狀早在兒童時期就已顯現(xiàn)[3]。Coughlin[4]發(fā)現(xiàn)兒童拇外翻中超過80%的患者為女性兒童，且在10歲以內(nèi)出現(xiàn)拇外翻癥狀者約占50%。日本研究發(fā)現(xiàn)10 歲以下的兒童拇外翻角度每年會增加1.5度，且大多數(shù)的畸形發(fā)生在10歲以下[5]。

兒童拇外翻的發(fā)病機(jī)理非常復(fù)雜。臨床研究認(rèn)為拇外翻的產(chǎn)生主要有遺傳因素和后天因素。溫建民等[2]臨床病例研究發(fā)現(xiàn)，兒童拇外翻中有家族史的高達(dá)83.11%，其中女性發(fā)病率較高。而后天因素則多與足內(nèi)在肌弱、足部韌帶松弛、柔韌性平足及第1跖骨內(nèi)翻等相關(guān)。

兒童時期的拇外翻多以形態(tài)結(jié)構(gòu)上的異常為主，多數(shù)無明顯疼痛[6]。而成年患者通常第1 跖趾關(guān)節(jié)處會形成疼痛性拇囊炎，并經(jīng)常伴有其他足趾畸形及前足疼痛等[7]。目前對成人拇外翻步態(tài)特征的研究較為全面，拇外翻畸形及拇囊腫會在步行時引起足、踝、膝及髖關(guān)節(jié)的異常應(yīng)力產(chǎn)生[8]，加速關(guān)節(jié)損耗，尤其會提高膝關(guān)節(jié)炎的罹患率[9，10]。然而成人拇外翻與兒童拇外翻的臨床癥狀表現(xiàn)并不相同，拇外翻是否對兒童踝、膝及髖關(guān)節(jié)造成影響有待進(jìn)一步探索。

本研究旨在探討兒童拇外翻的步態(tài)模式，分析拇外翻對足、踝、膝、髖關(guān)節(jié)的影響，提高臨床醫(yī)生及家長對兒童拇外翻的關(guān)注。

1 對象與方法

1.1 研究對象

拇外翻組與正常組性別、年齡、身高、體重及BMI指數(shù)差異無統(tǒng)計學(xué)意義(表1)。拇外翻組平均拇外翻角度為20.70° ± 6.12°，均屬于輕至中度拇外翻。

表1 受試者基本信息

1.2 儀器設(shè)備

本研究主要使用的設(shè)備為三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)，包括美國Motion Analysis 公司運(yùn)動捕捉鏡頭19 臺(型號為Raptor 4)，美國Bertec 公司三維測力臺4塊(型號為4060-07)(圖1)。運(yùn)動捕捉鏡頭采樣頻率為100 Hz，測力臺采樣頻率為1000 Hz。

1.3 測試流程

受試者相應(yīng)體表位置被貼放熒光標(biāo)記球，令其在測試區(qū)域自然步行。本研究所采用的三維步態(tài)模型為Helen Hayes模型[11]，需要31個熒光標(biāo)記球，其中包括4個長桿熒光標(biāo)記球。測試前需要貼熒光標(biāo)記球的體表標(biāo)志分別為：雙側(cè)肩峰、肱骨外上髁、橈骨莖突、髂前上棘、髂后上棘、股骨內(nèi)/外上髁、內(nèi)/外踝尖、跟骨、第1跖骨頭、第2/3跖骨間、第5跖骨頭及C7棘突；長桿熒光球分別放置于雙側(cè)股骨下1/3 處(長桿縱軸平行于股骨內(nèi)/外上髁連線)及雙側(cè)脛骨下1/3處(長桿縱軸平行于內(nèi)/外踝尖連線)(圖1)。雙側(cè)股骨內(nèi)上髁及內(nèi)踝尖處的4 個熒光球主要用于靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，采集步行數(shù)據(jù)時摘去。每個受試者采集20個步態(tài)周期，包含單側(cè)下肢5個有效測力臺數(shù)據(jù)。

圖1 三維步態(tài)測試設(shè)備及場景

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究所有步態(tài)測試及數(shù)據(jù)均由上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院步態(tài)與運(yùn)動分析中心專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行采集處理。使用Cortex 5.7 數(shù)據(jù)采集軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模分析，使用Visual 3D分析軟件對步態(tài)周期進(jìn)行定義處理和分析，根據(jù)模型計算得出時空參數(shù)、下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)。

1.5 指標(biāo)參數(shù)

1.5.1 時空參數(shù)

選取的時空參數(shù)指標(biāo)為步長、步速、步頻、步寬。步長指從一側(cè)足跟觸地到另一側(cè)足跟觸地之間的距離。步速指步行的速度，即單位時間內(nèi)步行的直線距離。步頻指單位時間內(nèi)行走的步數(shù)，亦與下肢運(yùn)動功能密切相關(guān)。步寬指步行過程中左、右兩足跟中點(diǎn)間的橫向距離。時空參數(shù)指標(biāo)可用于評估步行過程中的步行效率及平衡穩(wěn)定性等。

當(dāng)開關(guān)S2和S3關(guān)斷時,二極管D2和D3流過電流,如圖5(d)所示。此時A相電樞繞組的端電壓就是C相電壓,如圖6(d)所示。

1.5.2 運(yùn)動學(xué)參數(shù)

(1)支撐相末期踝關(guān)節(jié)最大背屈角度及足趾離地時踝關(guān)節(jié)最大跖屈角度：反映踝關(guān)節(jié)的背屈及跖屈功能。

(2)支撐相平均足偏角(foot progression angle，F(xiàn)PA)：是指步行時足的縱軸與同側(cè)足步行直線之間的夾角(圖2)，表示步行過程中足外偏或內(nèi)偏程度。

圖2 足偏角

(3)支撐相末期膝關(guān)節(jié)最小屈曲角度及擺動相膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度：反映膝關(guān)節(jié)的屈伸功能。

(4)髖關(guān)節(jié)內(nèi)/外旋平均角度：反映髖關(guān)節(jié)內(nèi)/外旋運(yùn)動功能。

(5)支撐相末期髖關(guān)節(jié)最大伸展角度：反映髖關(guān)節(jié)的伸展功能，與足蹬離地面事件相關(guān)。

1.5.3 動力學(xué)參數(shù)

地面反作用力(ground reaction force，GRF)：人在運(yùn)動過程中，身體重力和產(chǎn)生的肌肉力量在足與地面接觸時向地面施加一個與之大小相等且方向相反的力，簡稱“地反力”。在垂直地面反作用力中，在下肢足觸地時及蹬離地面時會呈現(xiàn)兩個高峰值，通常標(biāo)記為垂直方向地面反作用力第1 峰值(FZ1)、垂直方向地面反作用力第2峰值( FZ2)，整個地反力曲線呈現(xiàn)為雙峰曲線(圖3)。

圖3 地面反作用力

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

應(yīng)用SPSS22.0 統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，所有假設(shè)檢驗(yàn)均采用雙側(cè)檢驗(yàn)，以P≤0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。若拇外翻組與正常組數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布或近似正態(tài)分布，采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表達(dá)；若數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，采用非參數(shù)秩和檢驗(yàn)，用中位數(shù)(M)，上四分位數(shù)、下四分位數(shù)表達(dá)。

2 結(jié)果

2.1 踝、膝、髖關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動

拇外翻組與正常組踝、膝及髖關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動曲線相似，主要差異表現(xiàn)在拇外翻組支撐相末期踝關(guān)節(jié)最大背屈角度增加、膝關(guān)節(jié)最小屈曲角度增加、髖關(guān)節(jié)最大伸展角度減小以及足蹬離地面時踝關(guān)節(jié)最大跖屈角度減小(圖4～6)。

圖4 兩組踝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動曲線

圖5 兩組膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動曲線

圖6 兩組髖關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動曲線

由表2可知，與正常組相比較，拇外翻組踝關(guān)節(jié)支撐相末期最大背屈角度增加(P=0.026)，膝關(guān)節(jié)支撐相末期最小背屈角度增加(P=0.009)，髖關(guān)節(jié)支撐相末期最大伸展角度減小(P=0.010)，均具有統(tǒng)計學(xué)意義。足趾離地時踝關(guān)節(jié)最大跖屈角度與擺動相膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度無顯著性差異(P＞0.05)。

表2 兩組踝、膝及髖關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動參數(shù)比較(°)

2.2 足偏角與髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度

與正常組相比，拇外翻組支撐相平均足外偏角度減小，差異存在統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.001)；拇外翻組的髖內(nèi)旋角度呈增加趨勢(P=0.051)(表3)。

表3 兩組足偏角與髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度比較(°)

2.3 地面反作用力

拇外翻組與正常組相比，F(xiàn)Z1未見顯著性差異(P=0.064)，F(xiàn)Z2減小(P＜0.001)，存在顯著性差異(表4)。

表4 兩組地面反作用力比較(N/kg)

2.4 時-空參數(shù)

由表5可知，拇外翻組與正常組相比較，步速減慢(P=0.004)，步頻下降(P=0.034)，步長減小(P=0.041)，存在顯著性差異。步寬未見顯著性差異(P=0.150)。

表5 兩組時空參數(shù)比較

3 討論

3.1 拇外翻對支撐相末期前足軸的影響

本研究發(fā)現(xiàn)拇外翻組的支撐相末期踝關(guān)節(jié)背屈角度、膝關(guān)節(jié)屈曲角度較正常組增加，支撐相末期髖關(guān)節(jié)最大伸展角度較正常組減小，足蹬離地面時(支撐相末期)地反力第2 峰值較正常組減小。足跟抬起標(biāo)志著支撐相末期(步態(tài)周期31%～50%)開始，此時前足是體重的唯一支撐，跖骨頭的圓形輪廓和趾骨根部形成前足軸，使足和脛骨滾動前進(jìn)[12]。有研究表明，支撐相末期踝關(guān)節(jié)及足趾屈肌的跖屈拉力可穩(wěn)定踝關(guān)節(jié)和前足軸[13]。當(dāng)身體重心向前時，跖屈力量不足，不能有效地控制足和脛骨向前滾動的速度和程度，造成脛骨下落速度快于股骨，引起踝關(guān)節(jié)背屈及膝關(guān)節(jié)屈曲角度增加。而膝關(guān)節(jié)在支撐相末期的過度屈曲會限制髖關(guān)節(jié)的伸展。跖屈功能的下降會進(jìn)一步影響到足蹬離地面時對地面產(chǎn)生的作用力。

拇外翻形成時，拇趾相對第2足趾內(nèi)收角度增加，拇長、短屈肌及拇長、短伸肌屈伸拇趾時形成弓弦機(jī)制，進(jìn)一步增加拇外翻角度，同時影響其屈伸功能，造成第1 跖趾關(guān)節(jié)功能下降，前足軸可控性下降。其中拇長屈肌是小腿跖屈肌群組成之一，其活動時相為31%至擺動前期，是影響支撐相末期跖屈功能的重要因素之一。

3.2 拇外翻對足與髖關(guān)節(jié)在水平面運(yùn)動的影響

在本研究中，拇外翻兒童的足外偏角度較正常組減小，髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度較正常組呈增加趨勢。髖關(guān)節(jié)水平面的角度與足偏角密切相關(guān)。通常髖關(guān)節(jié)外旋角度的增加會引起足外偏角度增加，髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度增加會引起足外偏角度減小[14]。同理，拇外翻兒童步行時足外偏角度的減小亦會引起髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度的代償性增加。足偏角的增加或減小會影響足底壓力的分布[15]及膝關(guān)節(jié)的受力情況。研究者發(fā)現(xiàn)拇外翻步行時身體重心由足內(nèi)側(cè)向足外側(cè)偏移[16]，當(dāng)身體重心偏向足外側(cè)后，足外偏角會隨之減小。有研究表明，足外偏角的減小可引起膝內(nèi)翻力矩的減小，造成膝關(guān)節(jié)受力不平衡[17]。通常足偏角偏向外側(cè)時膝外側(cè)壓力增加，足偏角偏向內(nèi)側(cè)時膝內(nèi)側(cè)壓力增加[18]，因此足外偏角的逐漸減小會造成膝內(nèi)側(cè)壓力逐漸增加，膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)的損傷率提高。

3.3 拇外翻對步行效率的影響

研究結(jié)果顯示，拇外翻組的步速、步頻及步長較正常組減小。步速的下降通常與步長或/和步頻的減小有關(guān)[19]。

已有研究表明，步頻與足部關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)的變化直接相關(guān)[20]。當(dāng)足蹬離地面時，前足是唯一支撐，拇外翻的形成造成跖趾關(guān)節(jié)功能下降，前足軸穩(wěn)定性下降，足和脛骨滾動前進(jìn)效率下降，引起步頻減小。跖屈功能的下降引起足蹬離地面能力下降及髖關(guān)節(jié)在支撐末期的最大伸展角度不足，從而造成步長減小。步長及步頻的減小導(dǎo)致步速下降，因而拇外翻組的步行效率低于正常組。

4 小結(jié)

兒童拇外翻足第1跖趾關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)異常造成支撐相末期前足軸的運(yùn)動穩(wěn)定性下降，從而引起踝、膝及髖關(guān)節(jié)在支撐相末期的運(yùn)動異常，步行效率下降。步行時拇外翻兒童足外偏角度的減小引起髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度代償性增加，力線異?？蓪?dǎo)致膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)壓力增加，膝、髖關(guān)節(jié)的損傷風(fēng)險提高。

兒童拇外翻雖不會產(chǎn)生疼痛及拇囊腫等顯著癥狀，但會引起踝、膝及髖關(guān)節(jié)的代償性運(yùn)動，對關(guān)節(jié)存在一定的潛在危害。目前，臨床醫(yī)生對兒童拇外翻的關(guān)注不足，應(yīng)提早發(fā)現(xiàn)及干預(yù)，促進(jìn)兒童青少年的運(yùn)動發(fā)育。