青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎患者的三維步態(tài)特征研究

宋云雅,郭錦麗,曹策

(1.山西醫(yī)科大學(xué),山西 太原 030000;2.山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院骨科,山西 太原 030001)

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎癥(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)是指原因未明的青少年脊柱側(cè)彎,AIS發(fā)病率高達2%～4%,常見于10～18歲的青少年,男性及女性發(fā)病比例約為1∶8[1-2],表現(xiàn)在生物力學(xué)方面為患者運動失衡和步態(tài)障礙等異常[3]。步態(tài)分析是采用電子傳感器、紅外光電系統(tǒng)等設(shè)備測量雙下肢靜態(tài)站立及動態(tài)行走時的時空參數(shù),可動態(tài)檢查單個或多個關(guān)節(jié)中心在運動周期不同時相的三維空間的活動角度變化[4]。步態(tài)分析作為直觀描述步行過程中肢體運動的量化檢查與分析手段,為臨床評定下肢功能狀態(tài)提供了更加客觀的依據(jù)[5]。目前步態(tài)分析在臨床骨科[6]、矯形器研發(fā)[7]、康復(fù)效果評估[8]、體育運動學(xué)、人機智能工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[9-10],然而少有文獻報道對不同側(cè)彎方向的AIS患者在靜止站立狀態(tài)下的平衡性和動態(tài)行走狀態(tài)下的步態(tài)運動學(xué)變化。本研究通過分析不同側(cè)彎方向的AIS患者在靜態(tài)站立和動態(tài)行走期間的步態(tài)變化,有助于AIS患者的管理以及為患者的行為功能評估和康復(fù)治療效果提供步態(tài)數(shù)據(jù)支持。

1研究對象與方法

1.1 研究對象

1.1 AIS的納入標(biāo)準及排除標(biāo)準 納入標(biāo)準：(1)符合國際脊柱外科學(xué)會關(guān)于AIS的診斷標(biāo)準[11];(2)年齡10～18歲;(3)患者脊柱彎曲相似,包括胸右腰左的雙彎、胸右或者腰左的單彎;(4)雙下肢長度差<1 cm;(5)下肢及足部無明顯畸形;(6)未接受過脊柱側(cè)彎相關(guān)治療;(7)能理解并遵從指令獨立步行。排除標(biāo)準：(1)脊柱側(cè)彎嚴重,主彎Cobb角度>45 °,雙下肢長度差>1 cm,非特發(fā)性脊柱側(cè)彎;(2)神經(jīng)、肌肉、骨骼及精神等異?；疾∈氛?(3)有生長發(fā)育障礙及肌肉骨骼外傷史者;(4)患者及監(jiān)護人不同意或者無法配合完成步態(tài)分析評估者。

1.2 健康組納入標(biāo)準 (1)年齡10～18歲,性別不限;(2)生長發(fā)育正常,無手術(shù)史、創(chuàng)傷史及其他影響運動功能的疾病者;(3)能理解并遵從指令獨立步行者。

1.3 一般資料 選取2021年5月到2021年9月于山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院脊柱病區(qū)首次確診的10～18歲的胸腰段AIS患者30例,以脊柱側(cè)彎主彎方向的不同分為三組：左側(cè)彎組9例,右側(cè)彎組10例,“S”型側(cè)彎組11例;另招募10～18歲健康對照組10例。各組受試者年齡、性別、體重、身高等一般資料差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05,見表1)。該研究已獲得山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院倫理委員會審核批準(202000860),受試者或者其監(jiān)護人已簽署知情同意書。

表1 四組一般資料比較

1.2 方法

1.2.1 資料收集方法 通過調(diào)查者測量獲得患者一般資料(性別、年齡、身高和體重),由一名主任醫(yī)師觀察脊柱正位全長X線片上的側(cè)彎,根據(jù)側(cè)彎方向AIS患者分為左側(cè)彎、右側(cè)彎、“S”型側(cè)彎。

1.2.2 步態(tài)參數(shù)測量方法 (1)步態(tài)分析儀型號及注意事項。步態(tài)壓力分布平板測試系統(tǒng)型號：footscan 2 m HE;生產(chǎn)廠家：Rsscan Internetional。三維動態(tài)關(guān)節(jié)運動捕捉系統(tǒng)型號：codamotion 2CX1;生產(chǎn)廠家：Charnwood dynamics limited。footscan壓力傳感器置于平整、硬質(zhì)地面處,為了防止受試者行走時不自然,在傳感器表面鋪置一層極薄、無彈性布。在測力板前續(xù)接2 m,后續(xù)接1 m硬質(zhì)泡沫墊,提供緩沖區(qū),提高結(jié)果準確性。兩個三維動態(tài)關(guān)節(jié)運動捕捉攝像頭連線與footscan壓力傳感器長軸垂直,且距離達6 m。保證檢查室環(huán)境光線均勻,避免過強光線對檢查結(jié)果的干擾。按照說明要求對儀器分別進行校準。(2)受試者準備。事先告知受試者檢查目的及注意事項。受試者赤足,充分暴露雙下肢和腰部并佩戴相關(guān)檢查套件。體表骨骼標(biāo)志點標(biāo)定,雙側(cè)的髂前上嵴、股骨內(nèi)外側(cè)髁、內(nèi)外踝標(biāo)定,從而確定骨盆及雙下肢的三維空間位置。(3)步態(tài)數(shù)據(jù)采集。每位受試者檢查前先適應(yīng)性行走5～10次,消除其緊張情緒,盡量保證受試者以自然、真實的步態(tài)通過測試區(qū)域。每位檢查者重復(fù)采集3次完整步態(tài),步態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)采用3次記錄的平均值。

1.3 主要觀察指標(biāo)

1.3.1 靜態(tài)站立負重參數(shù) 測量四組研究對象在靜態(tài)站立狀態(tài)下的雙足負重情況。觀察不同側(cè)彎方向AIS患者與健康青少年的身體平衡情況,為縮小誤差,減少個體差異的影響,平衡性步態(tài)指標(biāo)(靜態(tài)站立負重、動態(tài)行走負重)采用比值率的形式(左足：右足),正常理論數(shù)值為“1”(如比值率>1,則說明左足負重>右足)。其中靜態(tài)站立負重直接采用體重的%表示。

1.3.2 時空參數(shù) 測量四組受試者在自然行走狀態(tài)時的負重、步速、步長、步頻、步寬、步行周期、支撐相所占步態(tài)周期百分比。

1.3.3 運動學(xué)參數(shù) 測量四組受試者在自然行走狀態(tài)時的兩側(cè)髖、膝、踝關(guān)節(jié)的活動范圍,可反映下肢關(guān)節(jié)的運動能力。

2 結(jié) 果

2.1 靜態(tài)站立負重及動態(tài)平衡性分析 四組受試者靜態(tài)足底負重差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05,見表2),其中左側(cè)彎組的左足負重大于右足,右側(cè)彎組的右足負重大于左足,“S”型側(cè)彎組和對照組負重趨于平衡。比較四組AIS患者負重動態(tài)平衡性發(fā)現(xiàn),左側(cè)彎組和“S”型側(cè)彎組在兩種狀態(tài)下的足底壓力負重比值率均>1(見表3)。

表2 四組靜態(tài)站立時足底負重分布情況

表3 四組AIS患者負重平衡性比較結(jié)果

2.2 步態(tài)分析參數(shù)

2.2.1 時空參數(shù) 分析各組受試者在自然行走狀態(tài)下的步速、步長、步頻、步寬、步行周期、總支撐相所占步態(tài)周期百分比發(fā)現(xiàn),四組AIS患者的步長差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05,見表4)。

表4 四組AIS患者步態(tài)時空參數(shù)比較

2.2.2 運動學(xué)參數(shù) 通過分析四組AIS患者在自然行走狀態(tài)下兩側(cè)關(guān)節(jié)活動范圍發(fā)現(xiàn),右側(cè)彎組兩側(cè)髖、膝、踝關(guān)節(jié)比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05,見表5)。

表5 四組髖、膝、踝關(guān)節(jié)兩側(cè)關(guān)節(jié)活動范圍比較

3 討 論

AIS是一種復(fù)雜的三維畸形,主要表現(xiàn)為椎體、胸部畸形、軀干外形不對稱,會引起患者頭、肩、軀干、骨盆在三維平面上的姿勢發(fā)生改變,加重患者的平衡功能障礙[12]。靜態(tài)站立時雙側(cè)足底壓力所占百分比可反映身體負重平衡性及脊柱的對稱性,動態(tài)行走時的平衡是人體在受到外力作用或處于運動狀態(tài)時維持穩(wěn)定姿勢、防止跌倒的能力[13-14]。

青春期是骨量持續(xù)增加的發(fā)展時期,研究表明AIS會造成低骨量,最終引發(fā)骨強度和骨量峰值的下降[15]。正常步態(tài)是在神經(jīng)、骨骼、肌肉等系統(tǒng)動態(tài)協(xié)調(diào)下形成的。脊柱是參與維持平衡狀態(tài)的重要結(jié)構(gòu),而AIS會顯著影響脊柱的靈活性,使脊柱發(fā)生側(cè)偏移,引起身體重心的改變,從而破壞患者的身體平衡性[16]。Haddas等[17]和朱飛龍等[18]研究發(fā)現(xiàn)AIS患者的側(cè)彎足底壓力大于對側(cè),“S”型側(cè)彎患者靜態(tài)站立時雙足底壓力對稱性優(yōu)于單向側(cè)彎患者的雙足底壓力。本研究中左、右側(cè)彎組靜態(tài)站立時側(cè)彎足壓力大于對側(cè),“S”型側(cè)彎組的兩側(cè)足底壓力對比并不明顯,趨于平衡狀態(tài);而動態(tài)行走時三個側(cè)彎組的兩側(cè)足壓力均趨于平衡狀態(tài)(比值率≈1),提示患者靜態(tài)站立時重心偏向側(cè)彎,使同側(cè)足負重增加,動態(tài)行走時身體反而趨向于平衡。Struber等[19]研究發(fā)現(xiàn),AIS患者靜態(tài)站立時存在不平衡,這種不平衡與彎曲方向有關(guān),自然行走時軀干相對于骨盆向凹側(cè)旋轉(zhuǎn),補償機制使患者身體在動態(tài)行走時趨于平衡。Caan等[20]通過觀察36例Cobb角在25 °～45 °之間的特發(fā)性“S”型脊柱側(cè)凸的患者發(fā)現(xiàn),脊柱側(cè)凸曲線對姿勢穩(wěn)定性有重要影響,骨盆會反向偏移來補償脊柱彎曲側(cè)的干擾,站立位時“S”型側(cè)彎對脊柱的代償作用可使身體趨于平衡穩(wěn)定。因此不同側(cè)彎方向的AIS患者在靜態(tài)站立負重各不相同,“S”型側(cè)彎患者的平衡性優(yōu)于左、右側(cè)彎組患者。

軀干是身體最大的部分,約占身體重量的50%,變形的脊柱曲線會引起軀干和身體質(zhì)量分布的改變,最終影響自身運動,尤其是骨盆[21]。人體關(guān)節(jié)相互影響,當(dāng)關(guān)節(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)時,身體會代償性通過軀干力量糾正,促進不良體態(tài)的形成,使患者雙下肢負重受力不平衡,整體重心發(fā)生偏移,運動軌跡也會存在較大偏移[22]。AIS患者在步行時由于受到視覺、前庭覺、軀體本體感覺的影響,常表現(xiàn)出運動學(xué)異常特征[23]。比利時研究團隊發(fā)現(xiàn),脊柱側(cè)凸嚴重程度與步長相關(guān),AIS患者步長明顯減小[24]。本研究中不同彎曲方向的AIS患者與對照組相比步長均減少。AIS患者的時空特點與側(cè)彎方向之間的關(guān)系仍需進一步研究。

研究發(fā)現(xiàn),運動狀態(tài)下AIS患者側(cè)凸節(jié)段的脊柱比其他節(jié)段存在更高的載荷積累[25],同時AIS患者從踝關(guān)節(jié)到膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的能量成本逐漸增加[26],這就要求AIS患者比健康受試者付出更多的能量來進行習(xí)慣性運動。Garg等發(fā)現(xiàn)由于運動和身體姿勢相關(guān)的生物力學(xué)在方向上產(chǎn)生不對稱,使脊柱畸形僵硬或腰椎和骨盆等肌肉的雙側(cè)激活時間延長,AIS患者行走時肩部、骨盆、髖關(guān)節(jié)[27]、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)矢狀面運動均減少[28],提示AIS患者兩側(cè)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)活動范圍減少與脊柱僵硬變形及不對稱的肌肉活動有關(guān)。脊柱結(jié)構(gòu)畸形會影響骨盆的結(jié)構(gòu),進而影響髖部運動。Syczewska等[29]通過比較身體兩側(cè)之間的步態(tài)參數(shù)發(fā)現(xiàn),AIS右側(cè)畸形對髖關(guān)節(jié)影響更為明顯,活動范圍較小。本研究中右側(cè)彎組AIS患者行走時,髖關(guān)節(jié)活動范圍差異明顯,可能與納入右側(cè)彎的嚴重程度有關(guān),而側(cè)彎方向?qū)οリP(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運動范圍差異無統(tǒng)計學(xué)意義。目前已有研究表明髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動度等步態(tài)參數(shù)異常與脊柱側(cè)彎嚴重程度有關(guān)[20],而由于同主題研究缺少,不同側(cè)彎方向AIS對患者運動學(xué)參數(shù)的影響仍需要從更多數(shù)據(jù)研究中進一步證實。

本研究通過使用步態(tài)分析發(fā)現(xiàn),不同側(cè)彎方向的AIS患者靜態(tài)站立負重及平衡性、步態(tài)分析時空參數(shù)、運動學(xué)參數(shù)差異均有統(tǒng)計學(xué)意義,為AIS患者的步態(tài)功能評估和康復(fù)治療效果提供步態(tài)數(shù)據(jù)支持。由于本研究納入患者側(cè)彎角度僅限于<45 °,難以全面分析到不同角度AIS患者的運動特點;雖然觀察到的差異有統(tǒng)計學(xué)意義,但樣本量不足,無法根據(jù)不同側(cè)彎分組進行更細化的研究;骨盆、椎旁肌肉組織等對脊柱的受力和步態(tài)特性具有一定影響,未來應(yīng)擴大樣本量,考慮更多的影響因素,提高結(jié)果的可參考性和普遍性。