雙重任務和步行速度對慢性踝關節不穩患者步態變異性的影響

馬陽，董衛東，丁俊杰，管英杰

(延安市人民醫院骨科四病區，陜西 延安 716000)

作為人體的主要負重關節，踝關節的穩定性對人體的運動功能具有重要意義，然而在運動中，無論是創傷性還是過度疲勞所致的踝關節損傷在人群中都很常見[1]。一般認為多次反復的踝關節損傷后逐漸發生局部疼痛、控制力和本體感覺能力減弱，稱為慢性踝關節不穩(chronic ankle instability，CAI)[2]。這些癥狀的原因和反復發作的踝關節扭傷的頻率尚不完全清楚。

近年來的研究表明，中樞運動神經整合的缺陷可使CAI患者運動控制力受損[3]。Ghanavati等[4]評估CAI患者和健康人群的單肢姿勢控制(overall stability index，OSI)和肩部位置感(absolute error score，AES)之間的相關性后發現，僅在健康人群中觀察到下上肢之間的OSI和AES的相關性，提示了CAI患者存在中樞運動神經整合改變。隨后有研究認為CAI患者步態改變主要是由受損的中樞神經系統導致的。步態分析是在人體行走時對肢體和關節活動進行運動學觀察和動力學分析。研究表明，行走速度對關節協調模式和步態變異度具有顯著的影響[5]。在不同速度行走的情況下評估步態的變異性可用來檢測中樞神經系統在控制步態方面的靈活性。基于對許多日常活動的認識，甚至是需要注意和認知能力完整的運動控制系統活動，雙重任務模式已經被用來觀察對姿勢控制和步態注意力的需求。雙重任務是指在進行行走步態測試的過程中，同時對受試者的認知功能進行測試。與健康受試者相比，認知任務的表現已經顯示出CAI患者姿勢控制力的弱化[6]。但以往的研究并未探討認知任務和步行速度對受試者步態表現的影響。因此本研究主要比較雙重任務和步行速度對CAI患者步態變異性的影響。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象 本研究納入了2015年1月至2016年9月期間我科收治的16例CAI患者，同時招募了16例與踝關節手術患者的年齡及性別匹配、體格健全的健康志愿者參與本研究作為健康對照組。CAI入組標準：a)踝關節反復扭傷3次以上；b)在不平的路面上行走有主觀不穩感；c)最近的一次踝關節損傷發生在入組前6周以上；d)踝關節不穩問卷(ankle instability instrument，AII)中至少5個陽性反應；e)能夠耐受損傷下肢的負重且無明顯不適感。CAI患者的排除標準包括有：a)伴隨性損傷，包括骨損傷或明顯的肌肉/肌腱損傷；b)既往的踝關節手術史；c)下肢其他病理狀況或手術史；d)神經性或前庭功能障礙導致的平衡障礙。對照組入選標準：a)無踝關節扭傷史，MRI顯示無前距腓韌帶(auterjor tolofitular ligament，ATFL)和跟腓韌帶(culeaneofibular ligament，CFL)損傷；b)之前無踝關節或同側下肢其他關節手術史；c)不存在踝關節周圍其他關節或骨骼的畸形如扁平足、高弓足、足跟內翻、脛骨平臺內翻等；d)既往無踝關節骨折史；e)沒有慢性疾病(如多發性硬化癥、中風、帕金森氏病、類風濕性關節炎、Ⅱ型糖尿病)或視覺、前庭障礙等影響步態平衡的疾病。

1.2 步態測試 對受試者在跑步機上的四種不同的步行條件下的行走步態進行評價：自定步速、雙重任務自定行走、快速行走和雙重任務快速行走。其中在自定步速條件下，受試者以個人日常的步行速度進行行走；而在快速行走條件下，受試者以最大速度步行但尚未達到跑步速度的方式進行行走。而雙重任務自定行走和雙重任務快速行走模式下的行走速度分別與自定步速、快速行走模式相同。雙重任務即囑咐受試者邊走邊大聲朗誦系列7減法，每次實驗都從一個不同的三位數開始，但沒有關于行走與認知任務優先級的任何指令。在開始任務前，利用休息的時間測量算術任務120 s，以檢查行走對這個認知任務的影響。本研究使用的DVMC-8801三維運動捕捉步態分析系統的采樣頻率為60 Hz，絕對誤差小于1 mm。該系統由3部分組成：分布在不同位置的8臺紅外線攝像機、黏貼在待測部位的光學標記點以及調控以上兩部分裝置同步運行并對其測量數據進行分析處理的計算機及其外圍設備。首先調整步態分析主機與紅外線攝像頭之間的配置及測量范圍。測試中患者下身穿緊身運動短褲，以保證標志點標識運動中肢體的位置，防止衣物對反光點遮擋。三維步態分析反光點定位：a)骨盆部-腰腹部：髂前上棘、骶骨(共3點)；b)髖關節：股骨大轉子(共2點)；c)膝關節：股骨內外側髁、脛骨結節及腓骨小頭(共8點)；d)踝關節：內外踝尖(共4點)；e)第1跗跖關節與第2跗跖關節之間(共2點)。測試用運動平板(ECONUSA)行走區域均在紅外線攝像頭采集區，平板傳送帶面積480 mm×1 400 mm，受試者每個條件下進行2 min的試驗，4個行走的條件兩兩之間有2 min的休息時間。以數值“100×(步幅時間的標準差/平均步幅時間)”表示步頻的變異系數(stride time variability，STV)，以數值“100×(步幅長度的標準差/平均步幅長度)”表示步長的變異系數(stride length variability，SLV)。

2 結 果

2.1 入組CAI患者和健康受試者的臨床資料 CAI患者和健康受試者的基本資料見表1。兩組人群間的一般臨床資料，如年齡、性別、身高、體重和自定步速/快速行走速度差異均沒有統計學意義。CAI組上次扭傷平均時間為(21.25±16.57)周，平均腳踝不穩儀器評分為(6.81±1.38)分。

2.2 CAI組和對照組在系列7減法任務的表現 單因素方差分析顯示組間或測試條件的不同沒有顯著影響，表明不同組在休息、自定步速和快速行走條件下的系列7減法表現相似(見表2)。

在健康對照組中，與自定步速行走模式下的STV相比，健康對照組人群的雙重任務自定步速行走、快速行走及雙重任務快速行走模式下的STV都降低(P值分別為0.011、0.016和0.001)。在CAI組中，與自定步速行走模式下的STV進行比較，只有雙重任務快速行走模式下的STV降低(P=0.008)，但與雙重任務自定步速和快速行走模式下的STV相比較，CAI組的雙重任務快速行走的STV降低(P值分別為0.007和0.015)。但兩組受試者在四種不同的行走模式下的SLV均差異無統計學意義。

表1 研究對象的基本特征

表2 兩組受試者在系列7減法任務的表現

表3 兩組受試者在每個行走的條件下步頻和步長的變化比較%)

3 討 論

作為人體的主要負重關節，踝關節的穩定性對于人體的運動功能具有重要意義。而踝關節的損傷如果得不到及時診斷和治療，就會造成慢性踝關節不穩。本研究結果顯示，盡管STV改變的程度不同，當面對有挑戰性的行走條件時，兩組的STV都出現顯著性降低。在健康對照組中，相比較雙重任務自定步速或者快速行走，正常自定步速行走的STV減少；但隨著行走條件的難度增加，如雙重任務快速行走，并沒有進一步改變步態節律。相比之下，CAI組的正常自定步速行走、雙重任務自定步速與快速行走的STV都沒有顯著變化，而在雙重任務快速行走條件下STV顯著減少。由于步態變異程度反映了中樞神經系統對行走的控制[7-8]，因此本研究結果證明了CAI患者與健康人群的中樞神經系統對行走控制的適應性存在差異。有研究表明CAI患者運動控制的改變可能與中樞神經系統的缺陷相關[9]。

在復雜的步行條件下減少的STV反映了感覺系統向更穩定的運動模式進行重適應調節，這種調節變異的應對機制可能有助于防止復雜行走任務中的損傷[10]。健康受試者可能在任務和環境的微小變化作出及時的適應性改變，而CAI患者對任務和環境變化可能會出現反應延遲或缺乏。在CAI組患者中STV的改變需要更高難度的步行條件，提示CAI患者在中樞神經系統運動模式的重組中更加困難。這可能影響CAI患者的步態平衡能力，也從一定程度上解釋了CAI組患者易出現反復踝關節扭傷及相關的復發癥狀。因此本研究的結果表明了CAI患者由于感覺運動系統的限制而減少了對任務和環境的自發適應的能力。Mandarakas等[11]的研究表明，改變步態的機制與CAI相關，而踝關節扭傷常發生步態改變中。因此我們認為在臨床上可考慮在不同步態條件下對CAI患者進行訓練，如在不同的速度和雙重任務下行走，以防止再次發生踝關節損傷。這種做法可以改善感覺運動系統重組運動和適應各種情況的能力。但需要注意的是，盡管平衡訓練方案已被證明能改善CAI患者的踝關節功能[12]，但對改善運動功能如步態表現等，目前仍缺乏證據[13]。因此，應行更大范圍的前瞻性研究來進一步證實平衡訓練的臨床效果。

雖然雙重任務模式和步態速度的不同能夠改變CAI患者的STV，但并不影響SLV，這與鄧勇等[14]的研究一致。Sloot等[15]表示與控制時間相比，控制空間節奏的機制可能需要較少的中樞神經系統資源。盡管在快速行走和雙重任務行走條件下，不同組間的STV減少模式不同，但自定步速條件下的STV沒有變化。Swinnen等的系統綜述[16]指出，簡單的姿勢穩定性測試，如單腿站立等，并不能對CAI患者和健康人群進行鑒別診斷。因此，在更具挑戰性的行走模式下，如雙重任務或快速行走，步態運動學和動力學評價可能更適合于測試有關CAI的損害。

應對挑戰性的步行條件下，STV出現適應性的降低高度提示了年輕人中步行過程中在任務和環境的變化下可能將走向一個更穩定的步態調節機制。但較早前的研究在認知負荷和速度對年輕人步態變異的影響存在爭議。有研究認為雙重任務或快/慢步態速度增加了步態變異性[4，7]，而另有研究認為雙重任務或緩慢的步行速度減少了步態變異性[3，9]，甚至部分研究認為雙重任務對步態變異沒有影響[5，8]。Malone等[17]認為不同研究結果之間的差異可能與不同的測量步態的方法、地面或跑步機上的不同行走介質有關，而所采用的認知任務的差異也可能與減少或增加自定步速的指導有關。但以上研究都沒有對各種結果提供全面的解釋，因此仍需要進一步研究以充分了解任務和環境的變化對年輕人步態機制的影響。

綜上所述，本研究結果表明在具有挑戰性的步行條件下CAI患者和健康對照組都做出適應性反應以降低STV。然而，CAI患者需要一個更復雜的步行條件以減小STV變異度，提示了CAI患者的感覺系統在不同步態條件下重組運動模式的能力有限。

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