應用三維步態(tài)分析技術評價兒童特發(fā)性足內偏的步態(tài)參數(shù)特征

張亞茹，李陽，李一瀛，俞艷，魯瀟瀅，姜淑云

(上海中醫(yī)藥大學附屬岳陽中西醫(yī)結合醫(yī)院步態(tài)與運動分析中心，上海 200437)

足內偏即內八字，指足長軸相對前進方向內旋[1-2]，內偏角度超過5°為足內偏[3]。國內調查發(fā)現(xiàn)兒童足內偏患病率達23%[1]，國外研究達13.6%～14.5%，其中4歲兒童占30%，超過9歲兒童占7%且多數(shù)不存在自發(fā)改善的可能[4]。大部分兒童足內偏屬于正常發(fā)育表現(xiàn)，5歲前隨年齡增長得到改善，部分兒童伴隨明顯功能障礙，如走路笨拙、摔倒和絆倒頻率增加、短距離步行容易疲憊及跑步后膝關節(jié)或髖關節(jié)疼痛[5]。長期存在足內偏會導致距下關節(jié)過度旋前、髕骨不穩(wěn)、髕股關節(jié)病理性改變和髖關節(jié)炎等癥狀[4]。國內研究集中于足底壓力和矯形器具干預效果的探究，國外研究集中于健康人在不同足偏角的步態(tài)特征探索。研究認為3歲以上兒童足內偏需引起重視并且必要時給予干預[3，6]。因此，本研究旨在回顧性觀察5歲以上兒童足內偏的步態(tài)特征及影響因素，期望為兒童足內偏的早期評估及干預提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料 足內偏兒童均來源于2019年1月至2021年9月上海中醫(yī)藥大學附屬岳陽中西醫(yī)結合醫(yī)院步態(tài)與運動分析中心門診，共計48例(96個下肢)；從上海中醫(yī)藥大學附屬岳陽中西醫(yī)結合醫(yī)院步態(tài)與運動分析中心正常兒童步態(tài)數(shù)據(jù)庫中選取同年齡段的相同樣本量納入正常組。兩組一般資料比較見表1。該研究方案的實施獲得上海中醫(yī)藥大學附屬岳陽中西醫(yī)結合醫(yī)院倫理委員會批準，所有入組受試者均由法定監(jiān)護人簽署知情同意書。

表1 兩組兒童一般資料比較

1.2 納入與排除標準 本研究根據(jù)臨床常用的診斷標準及相關文獻[3]，計算支撐相足偏角的均值劃分入組標準。具體納入標準如下：(1)年齡5～10周歲，性別不限；(2)足偏角>-5°(見圖1)；(3)無明顯認知功能障礙，能夠配合測試；(4)理解、同意參加此次研究并簽署知情同意書。排除標準：(1)非特發(fā)性足內偏步態(tài)；(2)發(fā)育遲緩；(3)下肢有手術史，外傷史；(4)存在膝外翻、膝內翻、脊柱側彎。

正常對照組納入標準：(1)年齡5～10周歲，性別不限；(2)足偏角≤-5°(見圖1)；(3)世界衛(wèi)生組織(world health organizatio，WHO)生長發(fā)育指數(shù)在±2SD以內；(4)無早產史、手術史、外傷史及其他影響運動功能的疾病；(5)無認知功能障礙，能夠配合測試；(6)理解、同意參加此次研究并簽署知情同意書。正常對照組排除標準：(1)存在膝外翻、膝內翻、脊柱側彎；(2)雙下肢長度差異>1 cm。

圖1 足偏角示意圖

1.3 方法

1.3.1 標記點的放置 本研究參考的是Helen Hayes步態(tài)模型[7]，下肢的熒光標記點分別位于身體左、右兩側的髂前上棘、髂后上棘、股骨內/外側上髁凸起處、內/外踝凸起處、股骨大轉子與膝關節(jié)標記線間(手部下方)、膝關節(jié)與踝關節(jié)中線處、脛骨結節(jié)凸起處、第2/3跖骨頭間、第5跖骨頭凸起處、跟骨，共計24處，包括4個長桿熒光標記球(見圖2)。雙側股骨內上髁及內踝凸起處的標記點應用于靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，步行前需摘掉。

圖2 三維步態(tài)測試圖

1.3.2 數(shù)據(jù)采集流程 本研究采用三維步態(tài)分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，包括美國Motion Analysis公司運動捕捉鏡頭19臺，美國Bertec公司平面測力臺4塊，運動捕捉鏡頭采樣頻率為100 Hz，平面力臺采樣頻率為1 000 Hz。受試者在測試范圍內以自然步速行走，需采集每位受試者20個步態(tài)周期，并且包含單側下肢5個有效的力學數(shù)據(jù)。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析及處理 本研究的步態(tài)測試數(shù)據(jù)由上海中醫(yī)藥大學附屬岳陽中西醫(yī)結合醫(yī)院步態(tài)與運動分析中心的專業(yè)技術人員操作處理，使用Cortex 5.7數(shù)據(jù)采集軟件及Visual3D軟件分析處理兩組兒童在自然步速下的完整步態(tài)周期，并獲得下肢的時空參數(shù)、運動學參數(shù)、動力學參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.4 主要觀察指標 時空參數(shù)：步長、步速、步寬、支撐相時間百分比。運動學參數(shù)：髖關節(jié)初始著地的最大屈曲角度、支撐相最大內旋角度；膝關節(jié)擺動相最大屈曲角度、支撐相最大內旋角度；踝關節(jié)支撐相最大背屈角度、支撐相最大內旋角度。動力學參數(shù)：髖關節(jié)支撐相末期最大屈曲力矩、支撐相最大外展力矩；膝關節(jié)支撐相初期內收力矩峰值；足趾離地時踝關節(jié)最大跖屈力矩；髖、膝、踝關節(jié)最大功率。

2 結 果

2.1 時空參數(shù)比較 與健康對照組相比，足內偏組兒童的步寬明顯增加，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.01)；步長、步速和支撐相百分比相比，兩組差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05，見表2)。

表2 兩組兒童時空參數(shù)比較

2.2 運動學參數(shù)比較 與健康對照組相比，足內偏組兒童的髖關節(jié)最大屈曲角度明顯增加(P<0.001)，髖關節(jié)最大內旋角度增加(P<0.05)；膝關節(jié)最大內旋角度明顯增加(P<0.01)，膝關節(jié)最大屈曲差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；踝關節(jié)最大內旋角度顯著增加(P<0.001)，踝關節(jié)最大背屈角度減小(P<0.05，見表3)。

表3 兩組兒童運動學參數(shù)比較(°)

2.3 動力學參數(shù)比較 與健康對照組相比，足內偏組兒童的髖關節(jié)最大屈曲力矩增加(P<0.05)，最大外展力矩減小(P<0.05)，髖關節(jié)最大功率明顯減小(P<0.001)；膝關節(jié)內收力矩峰值明顯增加(P<0.001)，膝關節(jié)最大功率顯著增加(P<0.001)；踝關節(jié)最大跖屈力矩明顯減小(P<0.01)，踝關節(jié)最大功率差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05，見表4)。

表4 兩組兒童動力學參數(shù)比較

2.4 足內偏多元線性回歸分析 設足內偏為因變量，設髖、膝、踝關節(jié)最大內旋角度，踝關節(jié)最大背屈角度和髖關節(jié)最大外展力矩為自變量進行多元線性回歸分析，結果顯示足內偏與髖、膝、踝關節(jié)最大內旋角度，踝關節(jié)最大背屈角度和髖關節(jié)外展力矩呈顯著線性關系(P<0.05，見表5)。

表5 足內偏的多元線性回歸分析

3 討 論

3.1 足內偏兒童的時空參數(shù)特征 與健康對照組兒童相比，足內偏兒童的步寬明顯增加，這與Byrnes等[8]研究一致。步寬的增加能夠為擺動側下肢提供更多的空間越過支撐側下肢，提高步行的穩(wěn)定性，降低足內偏兒童摔倒的風險。

3.2 足內偏兒童的運動學參數(shù)特征 足內偏兒童在步行過程中髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的最大內旋角度較健康對照組兒童增加，足內偏形成的主要動態(tài)因素即步行中下肢力線在水平面的異常扭轉，明顯異常的足內偏步態(tài)往往由兩個及以上水平面的異常扭轉形成[2]，單個關節(jié)的內旋常常伴隨其他關節(jié)的代償性外旋而表現(xiàn)出正常步態(tài)[8]。本次研究結果的三個關節(jié)均表現(xiàn)為異常水平面的內旋，形成較為明顯的足內偏步態(tài)。

足內偏兒童髖關節(jié)內旋角度的增加可能是股骨頸前傾增加的體現(xiàn)，髖關節(jié)內旋角度增加與股骨前傾增加已被證明具有一致性[4-5，8]，股骨前傾增加會導致兒童在步行中摔跤頻率上升、短距離步行容易疲憊、跑步和踢足球等高運動技能活動中下肢容易受傷，從而造成兒童下肢功能水平出現(xiàn)嚴重的損害。隨著髖關節(jié)內旋角度的增加，兒童下肢功能會變得更差，并且伴隨兒童生長速度的增加，畸形對兒童下肢功能水平的惡化也會更加嚴重。與Byrnes等[5]研究一致，股骨頸前傾也會導致髖關節(jié)屈曲角度的增加[5，8]；當患者踝關節(jié)背屈角度不足時，其余的近端關節(jié)(膝關節(jié)、髖關節(jié))也會出現(xiàn)矢狀面屈曲角度增加的代償表現(xiàn)[9]。這可能是因為增加髖關節(jié)的屈曲角度能夠改善足廓清，有助于足內偏兒童的擺動腿越過支撐腿，提供了一個更安全的步態(tài)模式，避免兒童在步行中摔倒。

足內偏兒童的踝關節(jié)在支撐相最大背屈角度減少，主要原因包括踝關節(jié)跖屈肌的緊張或踝關節(jié)背屈肌的無力[10]。研究表明，當踝背屈角度減少時患者會增加整個運動鏈冠狀面或水平面的運動角度來代償，足內偏兒童存在整個水平面(踝、膝、髖關節(jié))的內旋，可能與兒童踝關節(jié)背屈角度減少有關，并且踝背屈角度的減少已被證明是髕股疼痛綜合征的風險因素之一[11]。

與健康對照組兒童相比，足內偏兒童在支撐相的膝關節(jié)最大內旋角度明顯增加，脛骨內旋增加會影響踝關節(jié)在支撐相的負荷和擺動下肢的足廓清，長期的靜態(tài)骨骼畸形、動態(tài)步態(tài)偏差和異常負荷可能會加速膝關節(jié)的退行性改變[4]。綜上所述，足內偏步態(tài)不僅影響兒童支撐相的穩(wěn)定性(杠桿臂功能障礙)和擺動下肢的足廓清，還可能導致絆倒和跌倒的頻率增加，對于雙側足內偏步態(tài)的兒童尤其如此[10]。局部關節(jié)活動角度的異常通常會影響到整個下肢鏈中其他關節(jié)的代償性活動，足內偏兒童在日常活動中下肢功能水平的下降可能與此有關。

3.3 足內偏兒童的動力學參數(shù)特征 力矩通常意味著肌肉的收縮[12]，足內偏兒童的髖關節(jié)外展力矩較健康對照組兒童減少，這與Roth等[5]研究結果一致，可能與髖關節(jié)內旋角度增加有關[8]。長期存在的髖關節(jié)內旋會導致其外展力臂減小，尤其臀小肌與臀中肌的有效力臂，導致髖關節(jié)外旋肌群的力量下降[13]。髖關節(jié)外展力矩減少使骨盆控制能力下降[5，14]，且顯著增加髖關節(jié)近端負荷及應力[15-16]。足內偏兒童的髖關節(jié)屈曲力矩在支撐相增加可與踝關節(jié)跖屈力矩峰值減小可能有關，踝跖屈力矩和功率的減少可以由屈髖力矩增加來代償，步行過程中的髖關節(jié)和踝關節(jié)存在動力學轉換的關系。Lewis等[17]研究得出踝跖屈肌力不足，可能會導致步行過程中屈髖肌的過度使用從而使髖關節(jié)受到損傷。

足內偏兒童在支撐相早期的膝關節(jié)內收力矩峰值明顯增加，通過改變壓力中心的位置從而對膝關節(jié)產生了動力學的影響[5，18]，三維步態(tài)分析方法測量的膝關節(jié)內收力矩是脛股內側和外側間動態(tài)壓力分布的有效和可靠指標，研究發(fā)現(xiàn)膝關節(jié)在支撐相早期的內收力矩較大時，膝關節(jié)炎進展的風險性可能會增加。

足內偏兒童與正常對照組兒童相比，踝關節(jié)最大跖屈力矩明顯減小，這表示足內偏兒童的踝跖屈力量可能存在不足[19]，脛骨過度內旋也會導致力臂的缺失，從而降低踝關節(jié)的動力學峰值進而影響身體前行的推進力。

功率指動態(tài)力的快速爆發(fā)，在行走過程中通常指肌肉的收縮[12]。足內偏兒童的髖關節(jié)最大功率明顯減小，膝關節(jié)最大功率明顯增加。髖關節(jié)功率損失時會通過其他關節(jié)產生更多的功率來代償其損失。足內偏兒童膝關節(jié)功率的增加可能對髖關節(jié)功率減少發(fā)揮了代償作用[20]，這可能會導致膝關節(jié)的損傷。DeVita等[21]在研究老年人與年輕人步態(tài)特征時發(fā)現(xiàn)，運動模式的改變體現(xiàn)在關節(jié)力矩和功率的重新分配，因此不同肌群對整體步行的相對貢獻也發(fā)生了改變。

3.4 足內偏影響因素分析 足內偏產生的原因包括單個下肢關節(jié)過度內旋且不存在其他關節(jié)代償外旋，或兩個以上關節(jié)過度內旋導致更為顯著的足內偏。本研究結果表明足內偏與髖、膝、踝關節(jié)過度內旋存在顯著的線性關系，踝關節(jié)背屈角度不足是髖、膝、踝關節(jié)發(fā)生代償內旋的根本原因，因此踝關節(jié)背屈角度減小及髖、膝、踝關節(jié)過度內旋是5歲以上兒童足內偏產生的主要原因，髖關節(jié)過度內旋是髖關節(jié)外展力矩減小和2歲以上兒童足內偏產生的主要原因。本研究表明髖關節(jié)外展力矩減小與足內偏存在顯著的線性關系，因此足內偏對兒童髖關節(jié)動力學存在顯著的影響，5歲以上兒童足內偏的髖關節(jié)需要引起重視。

3.5 小結 足內偏步態(tài)屬于正常兒童發(fā)育過程的表現(xiàn)，多數(shù)兒童足內偏在5歲前能夠得到改善。正常兒童的足內偏往往是由單個或多個骨骼異常引起的[22]，形成的下肢力線異常，不僅體現(xiàn)局部關節(jié)活動角度的異常，其他相鄰關節(jié)也會表現(xiàn)為關節(jié)活動角度、關節(jié)力矩、關節(jié)功率的代償反應，以及增加步寬改善步行平衡穩(wěn)定性。隨著兒童生長速度的增加，畸形對兒童下肢功能水平的惡化也會更加嚴重，一些青少年兒童在步行中容易疲勞，跑步中膝關節(jié)疼痛可能與此有關。目前的非手術療法包括矯正鞋、夜間夾板等對足內偏步態(tài)的改善并沒有矯正效果[23]，物理療法和針對性鍛煉的療效尚沒有可靠的研究[24]，因此10歲以上且伴有明顯的功能障礙或異常外觀的足內偏兒童可以考慮手術治療。然而手術存在多種并發(fā)癥和較高的風險性[25]，因此本研究通過對兒童足內偏的步態(tài)特征研究，希望為足內偏兒童的早期及時的評估和治療提供一定的參考意義，盡量避免兒童在生長發(fā)育中功能持續(xù)下降或后期需要手術治療。