步態(tài)分析技術(shù)在腰椎間盤突出癥臨床診斷和功能評估中的應(yīng)用進(jìn)展

張琳聆,王輝昊

腰椎間盤突出癥(lumbar disc herniation, LDH)是成年人腰痛和下肢神經(jīng)痛最常見的病因之一,具有發(fā)病率高、復(fù)發(fā)率高、病程長的特點(diǎn)[1-3],若在早期不加以干預(yù)治療,異常步態(tài)會引起腰背部和下肢肌肉力學(xué)失衡,最終造成殘疾[4-5]。目前臨床對于LDH突出節(jié)段和神經(jīng)軟組織受累情況的診斷主要依靠傳統(tǒng)體格檢查和影像學(xué)檢查來完成。直腿抬高試驗(yàn)對LDH的敏感性較高,但是特異性不足;磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是判斷LDH突出位置的金標(biāo)準(zhǔn),對軟組織分辨能力較高,具備安全、靈敏的特點(diǎn)[6-7],但該檢查是在患者處于靜息臥位下完成的,無法得知患者在正常站立和行走情況下腰椎的實(shí)際功能,故難以判斷患者在日常生活中椎間盤和神經(jīng)、周圍軟組織等的具體受壓狀況。傳統(tǒng)體格檢查和影像學(xué)檢查的不足呼吁著更優(yōu)化的評估手段,而步態(tài)分析技術(shù)的出現(xiàn)恰好迎合了這一需求。運(yùn)用三維步態(tài)分析技術(shù),我們可以獲取動態(tài)狀態(tài)下下肢骨關(guān)節(jié)的時空參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)和運(yùn)動學(xué)參數(shù),從而更為客觀地評估患者運(yùn)動功能水平,提示病情的嚴(yán)重程度、評估治療效果,指導(dǎo)制定干預(yù)方案,為臨床診斷和康復(fù)訓(xùn)練提供依據(jù)[8]。隨著信息采集技術(shù)的不斷完善,三維步態(tài)分析技術(shù)已被廣泛運(yùn)用于臨床,成為臨床診斷和療效評估的重要手段[9-11]。

1 步態(tài)分析技術(shù)機(jī)制概述

步態(tài)分析是運(yùn)用人體解剖學(xué)、生理學(xué)、力學(xué)原理等知識對人體步行姿態(tài)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)觀察和動力學(xué)分析的一種技術(shù),屬于生物力學(xué)的分支[11-12],目前常用的步態(tài)分析系統(tǒng)有主要由動作捕捉系統(tǒng)、表面肌電系統(tǒng)(surface Electromyography,sEMG)和足底壓力測量系統(tǒng)組成[13]。以Vicon動作捕捉系統(tǒng)為例,其機(jī)制是利用電磁系統(tǒng)或者光學(xué)將人體動作轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù),建立三維坐標(biāo)系,再結(jié)合時間參數(shù)計算出機(jī)體各節(jié)段的速度和加速度;表面肌電系統(tǒng)是通過動態(tài)肌電圖拾取運(yùn)動肌肉的肌電信號并將其放大,進(jìn)而獲得肌肉強(qiáng)度和活動時間等信息,評估神經(jīng)系統(tǒng)對骨骼肌肉的支配情況和肌肉疲勞狀態(tài),從而鑒別異常步態(tài)[14-16];足底壓力測量系統(tǒng)則是通過測量足底和在支撐相中對地面的作用力和地面反作用力來觀測足底受力中心的變化,進(jìn)而對肌肉的異常受力進(jìn)行判斷[3,16]。三維步態(tài)模型種類多樣,有針對性矢狀面進(jìn)行測量的傳統(tǒng)步態(tài)模型(conventional gait model,CGM),也有對冠狀面、矢狀面、水平面進(jìn)行同步觀測的六自由度三維步態(tài)模型(calibrated anatomical system technique,CAST)。傳統(tǒng)步態(tài)模型的特點(diǎn)是插入式、對矢狀面進(jìn)行觀測,是步態(tài)分析中應(yīng)用最廣泛,也是最具體的模型[8,17]。CAST模型的特點(diǎn)是能夠?qū)χw冠狀面、矢狀面、水平面三個維度進(jìn)行同步分析。常用于步態(tài)分析的仿真軟件有AnyBody、Opensim、LifeMOD等,臨床根據(jù)不同的情況選擇不同的設(shè)備進(jìn)行評估。

2 步態(tài)分析技術(shù)的使用共識

步態(tài)分析的模型和方法多樣,根據(jù)研究目的的不同,在模型選擇和觀測指標(biāo)上也存在諸多差異?；颊叩哪挲g、性別、體重、測量方案、測量時是否穿鞋、采用的對照方式等的不同也可能會對研究結(jié)果產(chǎn)生影響,但其在使用過程中也遵循一定的共性:①觀測面:人體在行走過程中的活動規(guī)律在矢狀面上較為顯著,因此對于運(yùn)動學(xué)參數(shù)和動力學(xué)參數(shù)的觀測主要集中在矢狀面[18]。②觀測方法:步速是監(jiān)測下肢步態(tài)異常中最為靈敏、最基礎(chǔ)的參數(shù),步頻可以反映步態(tài)的節(jié)奏和穩(wěn)定性;步寬變大會使得步行中身體的穩(wěn)定性下降,三者在步態(tài)穩(wěn)定性中具有特異性,常作為步態(tài)分析的重要觀測指標(biāo);目前研究發(fā)現(xiàn),LDH患者的步態(tài)存在步幅加快和減慢兩個截然不同的現(xiàn)象,可能與患者行走習(xí)慣有關(guān),其特異性有待進(jìn)一步研究。其次,考慮到鞋子重量對足底壓力的影響,測試中常選擇在裸足行走的狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,裸足可作為LDH患者步態(tài)數(shù)據(jù)采集的基本要求之一[19-20]。③人體是一個統(tǒng)一的整體,牽一發(fā)而動全身,下肢的步態(tài)異常常與脊柱的生物力學(xué)異常相關(guān),因此,在評估和改善下肢運(yùn)動功能的同時應(yīng)注重整體觀念,注意觀測脊柱和骨盆的生物力學(xué)變化。④單一的步態(tài)評估方法無法獲得滿意結(jié)果,臨床常需要結(jié)合傳統(tǒng)體格檢查和影像學(xué)檢查共同作出診斷,并納入數(shù)字評分法(numeric rating scale,NRS) 、視覺模擬評分法(visual analogue score,VAS)、 Oswestry功能障礙指數(shù)評分法(Oswestry disability index,ODI)和日本骨科協(xié)會評估治療分?jǐn)?shù)(Japanese orthopaedic association scores,JOA)等手段對患者的肌肉平衡狀態(tài)和異常步態(tài)給出完整的認(rèn)識[21-25]。⑤在宋莎莎等[17]對于髖關(guān)節(jié)屈伸活動范圍的研究中發(fā)現(xiàn),自身對照得出“活動范圍無明顯變化”的結(jié)論,而在和健康組對照中則得出“有明顯變化”的結(jié)果,說明自身對照在一定程度上會忽略患者健側(cè)代償性步態(tài)失衡而造成的錯誤參照,對客觀參數(shù)產(chǎn)生負(fù)面影響[26],因此在研究過程中,采取自身對照與健康組對照相結(jié)合的對照方法更為合理,且更具有說服力。

3 LDH常見的異常步態(tài)

研究發(fā)現(xiàn),LDH患者在步態(tài)時空參數(shù)、運(yùn)動學(xué)參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)和肌電參數(shù)上與皆正常人存在明顯差異。如Natarajan[27]、毛晶[28]、劉慧等[29]的研究發(fā)現(xiàn),LDH患者在行走過程中普遍存在步速減緩、步長縮短、支撐相時間延長的情況,部分患者還存在足底壓力降低且分布不均、步幅加快或者減慢的情況。Huang[20]、Kuai等[30]在對下肢步態(tài)參數(shù)的分析中還發(fā)現(xiàn),LDH患者還存在髖膝關(guān)節(jié)活動范圍減小、運(yùn)動肌肉收縮頻率降低、搖擺持續(xù)時間不對稱、行走時骨盆和腰椎旋轉(zhuǎn)變大、疼痛與步態(tài)不穩(wěn)之間存在正相關(guān)關(guān)系等現(xiàn)象;宋莎莎[17]、鄭陳帆等[26]在采用健康組對照+自身對照方式的情況下發(fā)現(xiàn),LDH患者的步態(tài)異常不僅僅存在于患側(cè)下肢,其健側(cè)下肢的步態(tài)也顯示出異常,其原因可能與健側(cè)長期代償受力有關(guān)。

4 LDH步態(tài)失衡的機(jī)制探索

LDH患者步態(tài)失衡的機(jī)制目前尚未十分明確[12,32],從運(yùn)動學(xué)角度來看,可能是出于人體的自我保護(hù)機(jī)制[26,33-34],Govind等[35]的研究也認(rèn)同了這一觀點(diǎn),他們認(rèn)為,該機(jī)制具體表現(xiàn)為疼痛回避:人體的正常步態(tài)是由神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼肌肉系統(tǒng)、髖膝踝以及足部個小關(guān)節(jié)的共同配合完成的[15-16],其中任何一個環(huán)節(jié)的失調(diào)都可能引起步態(tài)異常,患者腰椎病變壓迫神經(jīng)和周圍軟組織,引起患肢疼痛,無力支撐上身重量,因此被迫調(diào)節(jié)運(yùn)動方式,例如采用減少患側(cè)觸地時間、縮短步長的方式來緩解疼痛,與此同時,健側(cè)代償受力,長此以往導(dǎo)致患側(cè)下肢肌肉萎廢不用,肌力降低,雙側(cè)下肢生物力學(xué)平衡失調(diào)[20]。研究認(rèn)為,患者骨盆和腰椎旋轉(zhuǎn)角度隨步長增加而呈正相關(guān)變化的原因也來自于機(jī)體的自我保護(hù)機(jī)制:患者下肢運(yùn)動策略的長期改變會加重腰椎退行性病變,在進(jìn)行大幅邁步時,通過旋轉(zhuǎn)胸部與腿的擺動運(yùn)動相一致,可以限制脊柱旋轉(zhuǎn)的幅度,從而減輕脊柱的異常受力和旋轉(zhuǎn),緩解脊柱和骨盆的不適感[19,31,35]。步態(tài)失衡的足底生物力學(xué)變化主要來自于骨小梁的病變[36]:在脊柱和髖膝關(guān)節(jié)異常受力的環(huán)境下,骨小梁易發(fā)生不同程度的骨折、囊性改變或者軟骨下骨硬化,長此以往導(dǎo)致足部受力異常,足底壓力分布不均[37]。

5 步態(tài)分析技術(shù)使用中的局限性

5.1 設(shè)備普適性不足 步態(tài)分析系統(tǒng)在臨床運(yùn)用較為廣泛,覆蓋了醫(yī)、工領(lǐng)域的各個方面[20,38-39],但因LDH患者年齡、病情、設(shè)備的可操作性、研究者自身因素等各方面因素的影響,其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用依然存在一些缺陷,比如:CGM是進(jìn)行下肢步態(tài)分析應(yīng)用最廣泛、最具體的模型,但是易受軟組織偽影的影響,表面標(biāo)記點(diǎn)會隨著關(guān)節(jié)位置的變化而出現(xiàn)誤差,容易導(dǎo)致采集的動態(tài)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確;采用立體投影模式的無標(biāo)記運(yùn)動捕捉系統(tǒng)在一定程度上彌補(bǔ)了CGM模型的不足,且具有操作簡單、成本低廉的優(yōu)勢,但易受算法、環(huán)境因素的影響[13];可穿戴加速器在臨床的應(yīng)用也較廣泛,對脊柱特異性病態(tài)損傷具有敏感性,但是其在臨床應(yīng)用中的安全性和普適性仍有待證實(shí)[40];能量消耗和體力活動智能裝置系統(tǒng)(intelligent device for energy expenditure and physical activity,IDEEA)在步態(tài)分析中較也為常用,具有無創(chuàng)、便攜的特點(diǎn),但是使用過程中存在設(shè)備和重癥患者難以適配的情況,例如,在吳建賢等[41]的研究中就出現(xiàn)2例病情嚴(yán)重患者無法完成指示動作的情況,提示該設(shè)備在對LDH重癥患者能力評估中的可行性不高,臨床應(yīng)用需要因人制宜。除此之外,目前步態(tài)分析普遍選擇在固定時間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,而采用這種方法獲得的數(shù)據(jù)與患者真實(shí)步態(tài)參數(shù)可能存在偏差, 而用可穿戴設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)持續(xù)采集的方法更具有客觀性和真實(shí)性[29,42-46],但是可穿戴設(shè)備的普及還有較長的時間跨度。由此可見,步態(tài)分析系統(tǒng)在臨床的應(yīng)用中也存在一定局限性,在使用過程中應(yīng)該因人、因時、因地制宜。

5.2 肌電測量技術(shù)不成熟 步態(tài)分析中肌電測量系統(tǒng)的局限性主要表現(xiàn)在兩個方面,一是目前的研究中對于表面肌電圖的應(yīng)用十分有限,表面肌電測量數(shù)據(jù)運(yùn)用較少,且由于肌肉冗余問題、肌肉合力等的影響,其數(shù)據(jù)的參考價值仍存在爭議[23]。二是深層肌電測量技術(shù)尚不成熟,眾所周知,腰椎和骨盆周圍的肌肉和軟組織在維持腰椎和骶髂關(guān)節(jié)正常應(yīng)力的過程中發(fā)揮著重要作用[47],肌肉軟組織的失衡和腰椎、骨盆關(guān)節(jié)失衡之間可以相互影響,因此腰椎和骨盆周圍軟組織的生物力學(xué)以及深層肌電參數(shù)也應(yīng)該被視為研究的重點(diǎn)。

5.3 正常步態(tài)數(shù)據(jù)庫尚未建立 本次研究發(fā)現(xiàn),各項(xiàng)研究中納入患者的年齡跨度較大,大部分研究都集中于單時間點(diǎn)的橫斷面評價,且研究中健康組對照和者自身左右對照的方法也存在缺陷:由于沒有進(jìn)行年齡分組,且各年齡階段的正常步態(tài)數(shù)據(jù)庫尚未建立,所謂的“健康組”狀態(tài)未必健康,因此臨床研究缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的參考。

5.4 縱向研究缺乏 步態(tài)分析中關(guān)于LDH的臨床分型并未十分明確,未對單節(jié)段突出和多節(jié)段突出的步態(tài)作詳細(xì)比較,如徐欣[47]、張勤良等[48]的研究中,納入的患者包含了L3/4、L4/5、L5/S1單節(jié)斷、雙節(jié)斷等不同突出類型,且研究中未對不同突出節(jié)段患者的步態(tài)進(jìn)行分類比較,而是將其籠統(tǒng)地歸為“LDH異常步態(tài)”中,這可能導(dǎo)致臨床對不同類型LDH的治療缺乏針對性,未來的研究可以對不同節(jié)段病變的步態(tài)特征進(jìn)行比較,以便更好地指導(dǎo)個性化治療。

6 小結(jié)與展望

步態(tài)分析技術(shù)是臨床進(jìn)行LDH診斷和療效評估的重要手段,相較于傳統(tǒng)的體格檢查,它具有客觀、全面、靈敏、準(zhǔn)確等特點(diǎn)[43-44],能夠?qū)⒐强啤⒖祻?fù)科常用的定性分析化為客觀準(zhǔn)確的定量指標(biāo),且在結(jié)合NRS 評分、VAS評分、JOA評分和ODI 評分等評估手段的情況下還可以大大提高檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性。隨著技術(shù)的進(jìn)步,可穿戴設(shè)備其憑借著自身便攜、穿戴方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)勢逐漸成為康復(fù)評估和治療的主流。而針對步態(tài)分析系統(tǒng)存在的諸多問題,未來的研究可以將重點(diǎn)放在以下幾個方面:①探索深層肌電圖的無創(chuàng)測量技術(shù),完善軟件中預(yù)測肌肉冗余力技術(shù),提高所獲取數(shù)據(jù)的精確性和客觀性;②探索不同觀測指標(biāo)的特異性和精確性,拓展便攜式可穿戴設(shè)備在臨床診療中的應(yīng)用;③開展LDH不同突出節(jié)段和突出類型的異常步態(tài)的縱向研究,為臨床提供更具有個性化的治療方案。④建立健康人群不同年齡階段的步態(tài)數(shù)據(jù)庫,為LDH的診療評估提供標(biāo)準(zhǔn)化參考。