青少年特發性脊柱側凸癥運動學研究

劉　丹　唐占英　肖　靜　李薇薇　林　婕　袁薇娜　胡志俊

(上海中醫藥大學附屬龍華醫院康復科，上海，200032)

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青少年特發性脊柱側凸癥運動學研究

劉丹唐占英肖靜李薇薇林婕袁薇娜胡志俊

(上海中醫藥大學附屬龍華醫院康復科，上海，200032)

目的:從生物力學角度著手探索青少年特發性脊柱側凸癥(Adolescent Idiopathic Scoliosis，AIS)的病理機制，通過對患者與正常青少年脊柱兩側肌肉生物力學指標的分析進一步研究青少年特發性脊柱側凸癥對患者運動功能的影響。加強對AIS的病理現象和機制的分析和認識，解釋AIS的重要病理現象。方法：選取2014年3月至2014年9月在上海中醫藥大學附屬龍華醫院康復科就診的青少年20例，其中特發性脊柱側凸患者及無脊柱側凸青少年各10例。以步態分析、表面肌電檢測技術手段為檢測途徑，對患者與正常青少年運動學指數、平衡指數等生物力學指標進行比較。針對運動學指標的實驗研究共選取10例AIS患者為研究組與對照組10例患者進行對比。檢測步頻指數、各步態時相所占百分比等步態時空參數；步長、跨步長、步態周期及膝關節、踝關節、髖關節三個關節的活動角度等運動特征。結果：青少年特發性脊柱側凸癥患者在單步時間、跨步時間方面差異有統計學意義(P<0.05)，但其他時空指標并未出現明顯的異常。髖關節活動角度范圍等平衡參數相明顯大于正常組，兩者相比差異有統計學意義(P<0.05)。結論：1)AIS可能使患者雙側下肢運動學特征產生改變。同時也提示雙側下肢運動學特征的改變很有可能是青少年特發性脊柱側凸癥的一個重要發病誘因；2)AIS患者支撐能力可能沒有明顯異常；3)特發性脊柱側凸患者兩側肢體關節周圍肌群動作的不協調或兩側肢體應力改變是導致這一步態特征的主要原因。

步態分析；青少年特發性脊柱側凸癥；椎旁肌；生物力學

青少年特發性脊柱側凸癥(Adolescent Idiopathic Scoliosis，AIS)作為一種常見的脊柱疾病其主要病理改變是脊椎發生三維空間內的變形，本疾病在青少年中有3%的發病率[1]，好發于女性兒童，女男發病性別比例為8∶1[2]。特發性脊柱側凸癥嚴重影響青少年的脊柱健康，嚴重者甚至引起內臟器官的功能異常，如因胸廓畸形而造成心、肺功能障礙，神經受牽拉壓迫而疼痛，壓迫脊髓繼而導致下肢癱瘓等。根據相關文獻報道[3]，30%的患者畸形很有可能會持續進展并持續加重。

在中醫學里青少年特發性脊柱側凸癥屬于小兒龜背范疇。小兒龜背表現為脊骨彎曲突起，形如龜背。小兒骨質未堅，曲背久坐，沒有及時矯正，脊骨受損；或由于缺乏營養、發育障礙；或因脊骨局部疾患以致變形。《小兒藥證直訣》中已有本病脊柱畸形的證候記載，指出：“兒生下客風入脊，遂與骨髓，即成龜背。”中醫學認為筋束骨，骨張筋，互相協作從而完成人體的正常運動。AIS的病因病機在外責之于筋傷肉瞤，在內責之于肝脾腎功能失調[4]。《內經》曰：“骨為干”。《醫宗金鑒·正骨心法要旨》宗《內經》之說，指出：巔頂骨等顱骨“內涵腦髓”，脊椎骨等“下盡尻骨之端，上載兩肩，內系藏腑，其兩旁諸骨，附接橫疊，而彎合于前，則為胸脅也”。骨性剛強，既可支持形體，又能保衛內臟，是人體之支架，為筋起止之所。《內經素問·痿論》中記載有：“宗筋主束骨而利關節也”。

骨骼是人體包括脊柱在內的剛性支撐，是一切運動的根本支柱；筋肌是連結脊柱骨骼形成脊柱關節的組織，骨骼對脊柱關節具有支撐和保護作用，肌肉的收縮和舒張，實現了脊柱的各種運動，是人體脊柱運動的動力來源[5]。肢體的運動，雖有賴于筋骨，但筋骨離不開氣血的溫煦濡養，氣血化生，濡養充足，筋骨功能才可勁強。而且筋骨又是肝腎的外合，肝腎同源，分主筋骨，筋骨相連，傷筋必動骨，損骨必傷筋[6]。因此，在對慢性筋骨病的治療中，都必須要有整體觀念，注意與肝腎兩臟的關系。肝血充盈，腎精充足，則筋勁骨強。同時通過經絡周而復始將氣血輸布全身，使人體的皮肉筋骨、四肢百骸得到氣血的濡養，以維持其正常的生理活動，因此肝腎氣血盛衰、經絡通暢關系到筋骨的成長與衰退[7]。如果長期久坐，坐姿不正確，脊柱過度負荷勞累，或先天脊柱發育異常等都可能損傷脊柱的骨骼、筋肉，導致筋骨失衡，從而引發或加重特發性脊柱側凸[8]。

AIS具體發病機理尚不明確，多數研究者廣泛認可的理論主要集中在以下幾個方面：椎旁肌肉活動異常與椎體本身的發育異常、內分泌的異常因素以及神經系統(如前庭功能、位置覺等)的異常等[9]。

脊柱的筋骨平衡依賴于肌肉和軟組織組成的筋系統和椎體及椎間盤組成的骨系統。筋系統的失衡會導致筋骨系統整體的改變。繼而影響整體脊柱的動靜力平衡，從而誘發“筋骨平衡”的病理表現[10]。

從系統層面而言，直立的姿勢與骨盆以上的腰段脊柱擴大有十分密切的關系[11]。研究發現它與脊柱側凸癥患者腰椎的外觀改變有很大關聯[12]。從生物力學的角度來看，這種運動姿勢的轉變似乎在功能和效率方面都有很大的提升，但與之伴隨的反向作用力的產生使得椎體無法適應，繼而使得脊柱的結構更加容易被改變。由此可以認為，直立姿勢很有可能是脊柱側凸的一個重要誘發因素[13]。盡管如此，這一病理機制也并非只是人體所特有，針對四足動物而言也已經有脊柱側凸的實驗模型建立[14]。關于筋骨失衡的生物力學研究目前還僅限于實驗動物階段，如何利用現代康復醫學手段進行臨床基礎研究針對AIS患者脊柱筋骨系統進行力學評價，對于AIS在發育階段的早期積極治療意義深遠[15]。我們理解筋骨結構是一套復雜的運動學特征結構，由于其復雜的構成以及活動檢測指標的不確定性通常需要系統有效的宏觀研究方法對其進行有效的分析。三維步態分析技術技術作為一種系統宏觀的運動學研究手段，可針對復雜的肢體運動進行有效的綜合分析，并從宏觀角度觀察其變化規律。

因此，在“中醫筋骨”并重指導下，結合現代生物力學分析方法，采用步態分析、技術手段，開展青少年特發性脊柱側凸癥的研究，探索脊柱生物力學失衡對脊柱筋骨系統破壞繼而導致青少年特發性脊柱側凸癥的病理機制，加強對脊柱側凸的病理現象和機制的分析和認識，解釋其重要病理現象，為治療青少年特發性脊柱側凸癥提供實驗證據和操作指導。

1　材料與方法

1.1研究對象選取2014年3月至2014年9月在上海中醫藥大學附屬龍華醫院康復科就診的青少年特發性脊柱側凸患者共10例作為實驗組，其中男4例，女6例；右側凸4例，左側凸6例,側凸角度(23.64±2.65)度；年齡(14±2)歲。健康青少年10例作為對照組，經過龍華醫院康復科進行臨床檢查，脊柱生長發育正常，且體型勻稱，走路姿勢正常，排除骨性關節疾病，自愿參加實驗，男女各5例；年齡(13±2)歲。所有受試者均沒有接受手術治療，同時在以往臨床檢查中沒有發現任何神經系統的疾病，在進行實驗的全過程中受試者被要求不得佩戴任何形式的矯形支具。

1.2實驗設備英國VICON公司紅外三維運動捕捉系統；分析軟件Vicon IQ。

1.3測試方法

1.3.1測試準備1)環境準備：測試房間釆用白光光源，防止室外自然光線照射造成干擾。行走步道長9 m，測量前讓受試者先進行適應性行走，保持測試環境清潔。2)儀器準備：標定步態分析系統，對系統進行校正。首先以校正用T形架在全空間進行動態校正，然后將校正用T形架置于測力板相應位置進行靜態校正。3)受試者準備：受試者下肢穿著適于測量的衣物，以保證關節標志點充分暴露，在測試人員的指導下首先進行測試環境的熟悉練習，熟悉練習過程中囑受試者以自然步態赤足走過足底壓力測量平板，不規定步幅、步速。

1.3.2模型建立1)按照三維步態分析模型在受試者下肢進行標定點(maker)的粘貼，共16 maker。2)靜態數據采集：受試者按實驗員的指示下靜止站立于測力臺中央，身體直立站位，兩臂水平展開，兩腳與肩同寬，針對解剖學姿勢下靜態動作進行拍攝。3)動態數據采集：以自然步態赤足走過行走步道，對于運動過程中的生物力學參數以及運動學參數進行采集。4)所有實驗規定動作結束后，檢查確定實驗數據是否完整無誤。之后更換下一名受試者，重復上述過程。

1.4主要觀察指標

1.4.1步態周期步態周期站立相和擺動相。站立相5期：最初接觸/足跟著地、負重反應、站立中期、站立末期、擺動前期。擺動相分成分為3個期：擺動前期、擺動中期、擺動末期。

1.4.2時間參數時間參數包括單步時間、跨步時間、步頻、步速。單步時間指步行周期中邁一步所需要的時間，即從一側下肢足跟首次著地至對側下肢足跟再次著地為止所用時間。以秒為計時單位。在正常情況下，雙下肢的單步時間相等。如果雙側下肢單步時間不等，提示步態的不對稱。跨步時間指完成一個步行周期所需要的時間，即從一側下肢足跟著地至該下肢足跟再次著地所經過的時間。以秒為計時單位。

1.4.3距離參數步態的距離參數包括步長、跨步長、步寬。步長指行走時左右足跟或者足尖兩點間在前進方向上的直線距離。我們將左腳向前邁一步稱左步長，右腳向前邁一步稱右步長。正常人行走時，左右側下肢步長及時間基本相等，當左右步長不一致時，則反映步態的不對稱性。例如偏癱步態的不對稱性，表現在健側步長縮短，而患側步長相對延長。

1.4.4步態周期中髖關節、膝關節、踝關節主要活動度包括各關節最大伸展角度、最大屈曲角度、最大活動范圍、觸地時刻角度、離地時刻角度。

2　結果

2.1步態周期參數特征側凸組與正常組比較，2組雙側下肢雙側支撐期差異有統計學意義(P<0.01)。2組雙側下肢單側支撐期、雙側下肢單側支撐期所占百分比差異均無統計學意義(P>0.05)。見表1。

表1　AIS患者與正常人雙側下肢步態周期指標差值比較±s)

注：與正常組對比，*P<0.05，**P<0.01。

2.2步態周期時間參數特征側凸組與正常組比較，2組步頻相比差異有統計學意義(P<0.05)。2組雙側下肢單步時間、雙側下肢跨步時間相比差異均有統計學意義(P<0.05)。2組雙側下肢步速差異無統計學意義(P>0.05)。見表2。

表2　AIS患者與正常人雙側下肢時間指標差值比較±s)

注：與正常組對比，*P<0.05，**P<0.01。

2.3步態周期距離參數參數側凸組與正常組比較，2組雙側下肢步長、跨步長、步寬均差異無統計學意義(P>0.05)。見表3。

表3　AIS患者與正常人雙側下肢距離參數差值比較±s)

注：與正常組對比，*P<0.05，**P<0.01。

2.4髖關節平衡指數側凸組與正常組比較，髖關節最大伸展角度、觸地時刻角度及離地時刻角度4組之間差異均沒有統計學意義。髖關節最大屈曲角度進行統計分析，研究結果顯示，4組間相比差異有統計學意義。進一步進行兩兩比較結果發現，側凸組凸側下肢與正常組左側及右側下肢之間髖關節最大屈曲角度、髖關節最大活動范圍的差異有統計學意義(P<0.05)。見表4。

2.5膝關節平衡指數側凸組與正常組比較，膝關節最大伸展角度、最大屈曲角度、最大活動范圍、觸地時刻角度及離地時刻角度4組之間差異均沒有統計學意義。見表5。

2.6踝關節平衡指數分析側凸組與正常組比較，受試者踝關節最大伸展角度左側、右側下肢之間踝關節最大伸展角度差異均有統計學意義(P<0.05)。踝關節最大屈曲角度、最大活動范圍、觸地時刻角度及離地時刻角度4組之間差異均沒有統計學意義。見表6。

表4　AIS患者與正常人髖關節動力學指數比較±s)

注：與正常組左側對比，*P<0.05，**P<0.01，與正常組右側對比，△P<0.05，△△P<0.01。

表5　AIS患者與正常人膝關節動力學指數比較±s)

注：與正常組左側對比，*P<0.05，**P<0.01，與正常組右側對比，△P<0.05，△△P<0.01。

表6　AIS患者與正常人踝關節動力學指數比較±s)

注：與側凸組凸側對比，*P<0.05，**P<0.01。

3　討論

三維步態分析技術作為一種系統宏觀的運動學研究手段針對復雜的肢體運動進行有效的綜合分析，并從宏觀角度觀察其變化規律。三維步態分析對行進中的各種參數進行適時采集和處理，得到關節運動角度，利用內在軸線和歐拉旋轉角度來描述行走過程中關節的三維運動情況[16]。其運動學參數通常包括人體重心分析、步行時間-空間以及肢體的階段性運動[17]。正常下肢髖關節活動角度的特點是在邁步相中期達到頂點，并保持到站立相開始，有利的跖屈，保證我們在行走過程中身體能夠有力向前移動，才能保證正常的行走速度[18]。

步長、步頻、步速是步態分析最基本的參數，步長、步頻及步速出現縮短減慢或延長加快表明步行過程出現了某些異常[19]。以往研究通常致力于對患病人群與健康人群單側下肢參數絕對值的比較，忽視了個體差異導致的偏差，并未分析個體雙側下肢各項指數差值所反應的異常[20]。

本次研究結果顯示，在步態周期參數指標方面特發性脊柱側凸患者凸側下肢的雙足支撐相明顯大于正常組下肢，單足支撐相與單足支撐相所占百分比與正常組相比沒有明顯差異，在臨床檢查中，雙足支撐相來判斷步態的對稱性，因此雙足支撐相出現異常可以提示行走中可能出現步態不對稱，同時也提示患者支撐能力可能存在一定程度上的異常。時間指標方面特發性脊柱側凸患者凸側下肢的步頻、單步時間、跨步時間明顯大于正常組下肢，在正常情況下，雙下肢的時間指標相等，雙側下肢時間指標的差值明顯增大，提示步態可能出現單側偏移不對稱，特發性脊柱側凸患者凸側下肢運動狀態出現顯著異常。通過三維步態分析手段測量青少年特發性脊柱側凸患者與正常青少年雙側下肢運動學特征，并對雙側下肢參數的差異進行對比，進一步量化反映了脊柱側凸患者運動功能的改變情況。

AIS患者兩腿的膝關節在運動過程中沒有出現明顯的不對稱，屈伸范圍也沒有太大異常。然而，與正常組相比髖關節在足跟著地階段存在過度屈曲，髖關節的伸展與屈曲角度相比正常人有很大的變化，提示軀干在額狀面和橫截面內的扭轉運動出現了不平衡。除此之外，髖關節角度在觸地和離地瞬間變化相對不大，這提示髖關節的不對稱性只在一定程度上受到影響，但這也提示AIS患者對身體的控制能力以及在運動中保持身體穩定的能力弱于正常人。踝關節方面最大伸展角度也有明顯的變化，提示在行走過程中踝關節活動度也在一定程度上受到影響。特發性脊柱側凸患者兩側肢體關節周圍肌群動作的不協調或兩側肢體應力改變是導致這一步態特征的主要原因。

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(2015-06-08收稿責任編輯：張文婷)

The Kinematics of Adolescent Idiopathic Scoliosis Disease Research

Liu Dan, Tang Zhanying,Xiao Jing,Li Weiwei,Lin Jie,Yuan Weina,Hu Zhijun

(Longhua hospital affiliated to Shanghai university of traditional Chinese medicine，Shanghai 200032,China)

Objective:To explore the pathological mechanism of adolescent idiopathic scoliosis(AIS)from the point of biomechanics，we further study the impact of AIS on adolescent patients' motor function with the analysis of both patients' and typical adolescents' biomechanics indexes.We enhance the analysis and understanding of pathological mechanism of AIS to explain its important pathological phenomena.Methods:20 adolescents who visited the Rehabilitation Department of Longhua Hospital affiliated to Shanghai University of Traditional Chinese Medicine from March to September during 2014 were selected，among which 10with AIS and 10 without AIS.With gait analysis and surface electromyography，we compared the kinematic and equilibrium indexes between adolescents with AIS and without AIS.Against the experimental study of kinematic indexes，10 cases are adolescents with AIS(research group)and 10 cases are without AIS(control group).We tested the stride frequency indexes，ratio of gait phases，step length，stride length，gait cycle，activity angles of knee joint，ankle joint and hip joint.Results:There was significant difference between the time of single step and stride step of AIS(P<0.05)，and no significant difference in other indexes of time and space.The activity angles of hip joint were obviously larger than those in control group(P<0.05).Conclusion:1)AIS may change the kinematic characteristic of adolescent patients' bilateral lower limbs.Simultaneously，that change could be an important predisposing factors of AIS.2)There may be no significant difference in supporting capacity of adolescents with AIS.3)Either the uncoordinated movement of muscle groups around bilateral limbs and joints of adolescents with AIS or the stress change of bilateral limbs is the major cause of asymmetric gaits of AIS.

Gait analysis;Adolescent idiopathic scoliosis;Paraspinal muscle;Biomechanics

胡志俊(1962.10—)，男，博士，主任醫師，科室主任，研究方向：中西醫結合康復學；非手術療法治療骨退行性疾病，E-mail：hzjz1062@163.com

R681.5；R24

A doi：10.3969/j.issn.1673-7202.2016.01.024