腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥運動和動力學(xué)特征

黃萍 盧玄 戚威臣 陳博 沈崢嶸 鄧廉夫

腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥是腰椎小關(guān)節(jié)錯縫、腰椎小關(guān)節(jié)滑膜嵌頓、腰椎小關(guān)節(jié)炎的統(tǒng)稱。該疾病是人體運動如腰椎前屈、旋轉(zhuǎn)腰部、搬抬重物、彎腰扭身取物不當(dāng)導(dǎo)致腰部受力不均衡情況下腰肌不協(xié)調(diào)收縮致使腰椎小關(guān)節(jié)錯位、偏移以及滑膜嵌頓，從而造成滑膜充血腫脹、無菌性炎癥，刺激脊神經(jīng)后支的神經(jīng)感受器，引起腰部劇烈疼痛、活動障礙、肌肉痙攣及異常的腰椎運動模式。它是臨床上骨傷科常見病、多發(fā)病，易復(fù)發(fā)，多見于成年人，男性多于女性[1]。研究報道，腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥發(fā)病率為5%～35%[2]。有研究顯示，腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥容易反復(fù)發(fā)作，復(fù)發(fā)率為33%以上[3-4]。因此，如何有效評估患者病情，預(yù)防發(fā)生，提高臨床療效，防止復(fù)發(fā)，已成為目前國內(nèi)診治此類疾病的重點[5-6]。

目前腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥主要采用影像學(xué)檢查、評估量表評估病情進展和治療效果。研究發(fā)現(xiàn)，影像學(xué)檢查中局部骨關(guān)節(jié)改變的表現(xiàn)沒有較高的特異性[7]。腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者腰部運動能力的評估大多采用患者疼痛和功能自我評估量表，這些評估量表基本依據(jù)醫(yī)生目測或物理檢查以及患者主訴，患者訴腰部疼痛是一種主觀感受，源于多層次神經(jīng)系統(tǒng)，易受認知及情境因素影響，使得腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥的臨床癥狀與解剖結(jié)構(gòu)損害程度常不相符[8]。因此，臨床上對于腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥迫切需要引入一種新的適用的定量評估檢測方法。

現(xiàn)代Vicon 三維運動捕捉系統(tǒng)是目前國際公認的能夠客觀定量地評定人體運動功能的檢測系統(tǒng)，能夠準確對人體運動時的肢體和關(guān)節(jié)活動進行運動學(xué)和動力學(xué)測試，提供一系列運動學(xué)、動力學(xué)等參數(shù)和曲線，正日益受到關(guān)注，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的新熱點[9]。

腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥是與運動學(xué)、肌肉活動等生物力學(xué)因素關(guān)系密切的一種疾病。腰椎關(guān)節(jié)活動角度、腰部受力等參數(shù)的高低直接影響著腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥疾病進程。目前對患者運動學(xué)和動力學(xué)的定量分析國內(nèi)未見報道[10]。本研究采用英國Vicon三維運動捕捉系統(tǒng)評估腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者的運動學(xué)、動力學(xué)等參數(shù)，從生物力學(xué)角度探索腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者運動學(xué)規(guī)律、發(fā)病機制，為制定治療策略及預(yù)防復(fù)發(fā)提供客觀的理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 測試對象

在2018年1月至2020年11月，選擇上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院門診診斷為腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥的18例患者作為實驗組，其中男9例，女9例，年齡（61.00±16.45）歲（26～80歲），體質(zhì)量（63.89±10.33）kg（50～80 kg），身 高(1.66±0.08) m（1.50～1.81 m）；招募與腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者性別、年齡、體質(zhì)量、身高相匹配且無腰部疼痛的健康中老年人12名作為對照組。實驗組與對照組一般資料均無顯著性差異(P＞0.05)，具有可比性，見表1。兩組受試者均簽署知情同意書后參加測試，此研究經(jīng)過本醫(yī)院倫理委員會批準并簽字。

表1 實驗組與對照組一般資料比較

實驗組診斷標(biāo)準[11]：①有腰部扭傷史或腰肌勞損史；②主要臨床表現(xiàn)為腰部劇烈疼痛，活動受限，保持腰椎前屈位時可緩解疼痛，后伸時疼痛加重；③患者站立時髖、膝關(guān)節(jié)屈曲,臥位時屈伸側(cè)臥腰部呈腰椎后凸或腰部側(cè)傾的強迫體位；④觸診腰椎棘突有異樣改變，腰部肌肉痙攣，腰椎旁有壓痛、放射痛；⑤直腿抬高試驗呈陰性，下肢感覺、肌力及神經(jīng)反射正常。

實驗組納入標(biāo)準：①符合上述診斷標(biāo)準；②能夠獨自行走；③患者了解且愿意接受此測試。

實驗組排除標(biāo)準:①腰椎骨折、腰椎間盤突出癥急性發(fā)作；②合并有嚴重腰椎骨質(zhì)疏松癥、腰椎管狹窄、腰椎滑脫癥或其他嚴重畸形；③患有腰椎腫瘤或結(jié)核；④患有嚴重心臟病、高血壓、肝腎結(jié)石、腎功能不全等原發(fā)性疾病，存在精神疾??；⑤伴其他疾病不適合運動。

1.2 實驗儀器

采用英國Vicon 光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)采集、處理測試數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)硬件主要包括紅外線反光球、10臺紅外線高速攝像機、信息轉(zhuǎn)換控制器、電腦等，同時連接了美國AMTI-OR6-7型2個三維測力臺。在同一采樣時刻該系統(tǒng)10臺紅外高速攝像機對在掃描空間內(nèi)運動的Mark點的影像進行捕捉并運算，得出 Mark 點該時刻在空間的三維坐標(biāo)，根據(jù)這些坐標(biāo)和三維測力臺數(shù)據(jù)進行運動學(xué)和動力學(xué)分析，得到人體運動過程中的關(guān)節(jié)角度、速度、加速度以及動量和動能等物理量的變化規(guī)律。主要用到的軟件有2個，分別是Vicon Nexus 1.5.2檢測軟件和Polygon 3.5.1分析軟件。Vicon Nexus 1.5.2檢測軟件的主要功能包括校準傳感器、采集數(shù)據(jù)(采樣頻率為100 Hz)、智能數(shù)據(jù)處理和綜合運算后直接得出數(shù)據(jù)。Polygon 3.5.1分析軟件是多媒體的演示軟件，它可以把測試數(shù)據(jù)通過多種手段(如圖表、視頻等)全方位直觀地顯示給觀看者，并能進行數(shù)據(jù)分析。測試分析過程設(shè)定如下。脊椎角和胸部角定義設(shè)定：脊椎角為胸廓相對于骨盆的角度；胸部角為胸廓相對于地面的角度（圖1）。脊椎角（或胸部角）值設(shè)定：①矢狀面屈曲為正，伸展為負；②冠狀面左傾為正，右傾為負；③水平面左旋為正，右旋為負。

圖1 脊椎角及胸部角設(shè)定

1.3 測試方法

首先確定坐標(biāo)系，本研究設(shè)定左右(冠狀軸)方向運動為 X 軸，前后(矢狀軸)方向運動為 Y 軸，上下(垂直軸)方向運動為 Z 軸，根據(jù)測試對象的身高以及動作的運動范圍對10個鏡頭的高度、角度進行調(diào)整，使其運動區(qū)域處于鏡頭的中間位置。測試前關(guān)好門窗，拉好窗簾，防止外界光線射入，清除室內(nèi)一切發(fā)光的物體，避免外來的發(fā)光點對采集數(shù)據(jù)的干擾。調(diào)整室內(nèi)溫度25℃～28℃。

受試者脫鞋襪，更換實驗專用的緊身衣褲，防止衣物對反光點遮擋。由測試人員告知受試者此次實驗流程、注意事項、完成測試的要求，并訓(xùn)練2次，使受試者熟悉測試過程。

開啟Vicon三維運動捕捉測試系統(tǒng)，測量受試者身高、體質(zhì)量、肩峰端與肩關(guān)節(jié)活動中心之間距離、左右下肢長度（髂前上棘到內(nèi)踝的距離）、左右膝寬(膝內(nèi)側(cè)與外側(cè)之間的距離)、左右踝寬（內(nèi)外踝之間的距離）、左右肘寬（肘內(nèi)外側(cè)寬度）、左右腕寬（腕關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)寬度）、掌厚（手掌掌骨最厚部位厚度）。將測量的這些形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)輸入電腦已建立的受試者基本信息中，然后使用14 mm標(biāo)記球進行體表標(biāo)記，為了減少操作過程的系統(tǒng)誤差,標(biāo)記點的粘貼由實驗室的專人進行，并嚴格按規(guī)定的部位貼，共39個標(biāo)記點，標(biāo)記位置如下（圖2）。頭部（4 個）：右頭前（RFHD）、右頭后（RBHD）、左頭前（LFHD）、左頭后（LBHD）。軀干（5 個）：胸骨柄上端(CLAV)、胸骨柄下端(STRN)、第 7 頸椎(C7)、第 10 腰椎(T10) 、右肩胛骨中部(RBAK)。上肢（共14 個，左右側(cè)各 7 個）：右肩峰端（RSHO）、右上臂（RUPA）、右肘關(guān)節(jié)(RELB)、右前臂(RFRA)、右腕關(guān)節(jié)外側(cè)(RWRA)、右腕關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)(RWRB) 、右手背近第二掌骨頭(RFIN)、左肩峰端(LSHO)、左上臂（LUPA）、左肘關(guān)節(jié)(LELB)、左前臂(LFRA)、左腕關(guān)節(jié)外側(cè)(LWRA)、左腕關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)(LWRB)、左手背近第二掌骨頭(LFIN)。骨盆（4 個）：右髂前上棘（RASI）、右髂后上棘(RPSI)、左髂前上棘(LASI)、左髂后上棘(LPSI)。下肢（共12 個，左右側(cè)各 6 個）：右大腿(RTHI)、右膝關(guān)節(jié)(RKNE)、右小腿(RTIB)、右踝關(guān)節(jié)(RANK)、右足跟(RHEE)、右腳趾(RTOE)、左大腿(LTHI)、左膝關(guān)節(jié)(LKNE)、左小腿(LTIB)、左踝關(guān)節(jié)(LANK)、左足跟(LHEE)、左腳趾(LTOE)。

圖2 Vicon三維運動捕捉系統(tǒng)39個體表標(biāo)記點示意圖

測試由受過訓(xùn)練和有豐富臨床經(jīng)驗的技師進行。囑受試者抬頭挺胸、眼睛平視前方，保持標(biāo)準站立姿勢，建立Vicon三維運動捕捉靜態(tài)模型。然后告訴受試者按照平時習(xí)慣行走方式及速度在長9 m的測試區(qū)域上直走，保證行走過程中每只腳分別踏在1塊測力臺上，往返3次。從動態(tài)采集中選取圖像質(zhì)量好且行走姿態(tài)自然的數(shù)據(jù)進行處理，每人取1次行走中測力臺上的1個步態(tài)周期進行分析。

1.4 主要觀察指標(biāo)

主要觀察指標(biāo)有時間距離因子、脊椎角度、脊椎角速度和角加速度、胸部角度、胸部角速度和角加速度、腰部受力、腰部功率。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析。計數(shù)資料以百分比表示，兩組間比較采用 Fisher 確切概率法；計量資料比較采用獨立樣本均數(shù)t檢驗，正態(tài)分布的計量資料以x±s表示，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 時間距離因子

實驗組和對照組自然行走中時間距離因子見表2。實驗組患者在行走中步長、步幅、步速均較對照組減小，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表2 兩組受試者自然行走中時間距離因子比較

2.2 脊椎角度

在整個步態(tài)周期中，實驗組患者脊椎一直處于前屈狀態(tài)，前屈平均角度約9°，前屈最大角度約10°；活動范圍較小，矢狀面最大活動范圍約2°。實驗組脊椎屈曲角度平均值、角度峰值均較對照組增大，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)；實驗組脊椎矢狀面最大活動范圍較對照組減小，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)（表3）。

表3 兩組受試者脊椎屈曲角度和最大活動范圍比較/°

實驗組與對照組患者在步態(tài)周期中脊椎均進行了左傾右傾運動，左右傾的運動趨勢基本一致。但實驗組脊椎傾斜角度峰值和冠狀面最大活動范圍均較對照組減小，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)（表4）。

表4 兩組受試者脊椎傾斜角度和最大活動范圍比較/°

實驗組與對照組患者在步態(tài)周期中脊椎均進行了左旋右旋運動，左右旋轉(zhuǎn)的運動趨勢基本一致。實驗組與對照組患者旋轉(zhuǎn)角度平均值、峰值及水平面最大活動范圍均無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）（表5）。

表5 兩組受試者脊椎旋轉(zhuǎn)角度和最大活動范圍比較/°

2.3 脊椎角速度和角加速度

在整個步態(tài)周期中，實驗組脊椎角速度較對照組減慢。實驗組脊椎角速度平均值和峰值均較對照組減小，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)（表6）。

表6 兩組受試者脊椎角速度比較/rad·s-1

在整個步態(tài)周期中，實驗組脊椎角加速度波幅基本低于對照組，且脊椎角加速度較對照組減慢。實驗組脊椎角加速度平均值和峰值均較對照組減小，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)（表7）。

表7 兩組受試者脊椎角加速度比較/rad·s-2

2.4 胸部角度

在整個步態(tài)周期中，實驗組患者胸部一直處于前屈狀態(tài)，前屈幅度較大，前屈平均角度約25°，前屈最大角度約27°。實驗組胸部屈曲角度平均值和峰值均較對照組增大，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)（表8）。

表8 兩組受試者胸部屈曲角度和最大活動范圍比較/°

實驗組與對照組在步態(tài)周期中胸部均進行了左傾右傾運動，左右傾的運動趨勢基本一致。但實驗組胸部傾斜角度平均值較對照組減小，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)（表9）。

表9 兩組受試者胸部傾斜角度和最大活動范圍比較/°

在整個步態(tài)周期中，實驗組與對照組患者進行了左旋右旋運動，左右旋轉(zhuǎn)的運動趨勢大部分一致。但實驗組胸部旋轉(zhuǎn)角度峰值和水平面最大活動范圍均較對照組減小，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)（表10）。

2.5 胸部角速度和角加速度

在整個步態(tài)周期中，實驗組胸部角速度較對照組減慢。實驗組胸部角速度平均值和峰值均較對照組減小，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）（表11）。

在整個步態(tài)周期中，實驗組胸部角加速度較對照組減慢。實驗組胸部角加速度平均值和峰值均較對照組減小，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)（表12）。

表12 兩組受試者胸部角加速度比較/rad·s-2

2.6 三方向腰部受力

實驗組與對照組患者在步態(tài)周期中X軸方向腰部受力基本一致。兩組在步態(tài)周期中X軸方向腰部受力平均值和峰值無顯著性差異(P＞0.05)（下頁表13）。

表13 兩組受試者X軸方向腰部受力比較/N·kg-1

實驗組與對照組患者在步態(tài)周期中Y軸方向腰部受力基本一致。兩組在步態(tài)周期中Y軸方向腰部受力平均值和峰值無顯著性差異(P＞0.05)（表14）。

表14 兩組受試者Y軸方向腰部受力比較/N·kg-1

實驗組與對照組患者在步態(tài)周期中Z軸方向腰部受力基本一致。兩組在步態(tài)周期中Z軸方向腰部受力平均值和峰值無顯著性差異(P＞0.05)（表15）。

表15 兩組受試者Z軸方向腰部受力比較/N·kg-1

2.7 腰部功率

在步態(tài)周期中，實驗組腰部功率平均值較對照組減小，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)（表16）。

表16 兩組受試者腰部功率比較/W

3 討論

3.1 時間距離因子

腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者由于腰部疼痛，腰部活動受限，導(dǎo)致步行能力降低，步態(tài)異常。本研究顯示，腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者在行走中步長、步幅、步速均較正常人減小，實驗組與對照組差異有顯著性意義（P＜0.05）（表2）。這些數(shù)據(jù)進一步說明了腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者具體病情及全身的健康狀況，為臨床醫(yī)生準確評估病情、決定治療時間等提供了重要參考依據(jù)。

3.2 脊椎角度

腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者多既往有腰扭傷病史，不良體位或姿勢突然變化引起腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)輕微旋轉(zhuǎn)或側(cè)方移位，致使脊柱小關(guān)節(jié)發(fā)生錯位、滑膜嵌頓，最終導(dǎo)致血管、神經(jīng)及周圍組織損傷等，患者臨床多表現(xiàn)為腰部疼痛，腰部僵直，伴活動受限，嚴重者疼痛可向臀部、大腿放射[12]。因此，腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者在步行過程中脊椎保持前屈僵硬狀態(tài)，活動度減小。該類患者通過前屈固定，活動范圍減小來緩沖足剛著地時的沖力，減輕步行過程中產(chǎn)生的疼痛，有效補償腰椎關(guān)節(jié)功能失常，增加步行過程中腰部的穩(wěn)定性。

3.3 脊椎角速度和角加速度

人體運動過程中脊椎角速度和角加速度能反映腰部關(guān)節(jié)的運動能力[13]。本研究顯示，在整個步態(tài)周期中，實驗組脊椎角速度平均值、峰值和角加速度平均值、峰值均較對照組減小，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)（表6、7）。這說明腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者腰部運動能力有一定程度受限，腰部生物力學(xué)性能較正常有所減弱。

3.4 胸部角度

腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者胸部角度變化基本與脊椎角度變化一致（前屈角度增大、活動度減小）。胸腰部傾斜旋轉(zhuǎn)過大會改變軀干內(nèi)部結(jié)構(gòu)，直接增加脊柱載荷，加重腰部疼痛和損傷。因此，腰椎小關(guān)節(jié)癥紊亂患者行走過程中胸腰部保持前屈僵硬狀態(tài)，傾斜、旋轉(zhuǎn)幅度及最大活動范圍減小，以減輕步行過程中產(chǎn)生的疼痛，增加步行過程中的穩(wěn)定和平衡。

3.5 胸部角速度和角加速度

腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者胸部角速度、角加速度變化與脊椎角速度、脊角加速度變化一致（角速度和角加速度減慢）。運動速度被認為是影響脊柱胸腰部載荷的重要因素，快速運動會增加胸腰部骨肌系統(tǒng)損傷的風(fēng)險[14-15]?；颊呖赡芎ε略俅窝繐p傷和疼痛加重，采取強迫體位，減少活動或運動速度減慢。這說明腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者行走過程中胸腰部活動受到明顯限制，人體運動能力下降。

3.6 三方向腰部受力

腰部三方向受力是由Vicon 三維運動捕捉系統(tǒng)自帶軟件通過足底三方向反作用力逆動力學(xué)法計算所得。行走過程中，主要是雙下肢受力較大，腰部受力較小，所以實驗組患者在步態(tài)周期中三方向（X軸、Y軸、Z軸）腰部受力與對照組無顯著性差異。

3.7 腰部功率比較

功率表示作用在物體上的力與物體在力的方向上運動的速度的乘積。功率還指物體在單位時間內(nèi)所做功的多少,即功率是描述做功快慢的物理量[16]。本研究顯示，實驗組患者在步態(tài)周期中平均腰部功率較對照組減小，兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)（表16）。這提示實驗組患者在步態(tài)周期中腰部受力較小或腰部運動速度較慢，腰部所做的功較少。這可能的原因：①腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥一般均為遭受間接暴力所致，椎體間小關(guān)節(jié)受到過度牽拉扭轉(zhuǎn)致使小關(guān)節(jié)解剖關(guān)系發(fā)生微小改變，腰椎小關(guān)節(jié)半脫位，小關(guān)節(jié)滑膜嵌頓，肌肉受到卡壓、收縮無力；②患者腰部軟組織血管以及神經(jīng)功能受到創(chuàng)傷，腰部劇烈疼痛限制了腰部運動[17]；③患者自身調(diào)節(jié)后采取的一種保護性機制。

綜上所述，本研究采用先進的英國Vicon三維運動捕捉系統(tǒng)定量分析患者腰部的運動學(xué)、動力學(xué)等指標(biāo)，得出腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者存在明顯的生物力學(xué)特征性變化。而這些生物力學(xué)的特征性改變可能是影響病情的重要因素，根據(jù)這些理論數(shù)據(jù)，可客觀上把握腰椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者病情，為患者診治提供重要的參考依據(jù)。