新型油液阻尼可調式踝足矯形器的跖屈阻尼在腦卒中患者步態中對胸廓和骨盆運動的影響

凌華，山本澄子，蔡麗飛，周昊

1.中國康復科學所，北京市 100068；2.日本國際醫療福祉大學，日本東京107-8402；3.中國康復研究中心北京博愛醫院，北京市100068

腦卒中后感覺、運動、認知和情緒控制功能障礙導致患者日常生活活動能力的限制。肌肉僵硬無力造成腦卒中患者的軀干支撐和平衡困難[1]。研究表明[2]，軀干的控制影響腦卒中患者的日常生活活動、平衡和步態。

各種類型的踝足矯形器(ankle foot orthosis,AFO)通常用于改善偏癱步態，主要目的是在支撐期維持踝關節的穩定，在擺動期保持足廓清，以進入下次初始著地[3]。傳統矯形器里，無鉸鏈的塑料AFO (如固定式和彈性AFO)或者帶金屬鉸鏈的AFO 都能夠在支撐期穩定踝關節和膝關節，并改善患者步行能力[4-7]。Miyazaki 等[8]的研究測量了實驗型AFO 在偏癱步態下產生的阻尼力矩，發現AFO的跖屈阻尼在下肢運動力學和運動學方面影響偏癱患者的步態。跖屈阻尼可以影響步態中足跟滾動、踝關節滾動的進程。Yamamoto 等[3,9-10,12]和Singer 等[11]的研究表明，使用跖屈阻尼可調AFO可改善足跟滾動和踝關節滾動。跖屈阻尼合適時，承重反應期(loading response,LR)會產生相應的跖屈活動來改善足跟滾動[7]。Kobayashi等[11,13-16]研究了不同跖屈阻力對腦卒中患者踝關節和膝關節運動學的系統性影響，發現隨著跖屈阻力的增加，初始著地時的踝關節最大屈曲角和支撐中期的最大伸膝角減小，跖屈阻力的增加也導致踝關節背屈內力矩和膝關節伸膝內力矩增加。Yamamoto 等[10]測量了不同跖屈阻尼對腦卒中患者的影響，對于油液阻尼器提供的不同阻尼條件在地面反作用力(ground reaction force,GRF)前側分力和小腿垂直角(shank vertical angle,SVA)方面，受試者在中等阻尼行走時出現峰值，患者主訴中等阻尼時行走最舒適，低阻尼感覺不足，高阻尼主訴太硬。因此，許多研究者都建議根據患者的情況適當調整跖屈阻尼[9-18]。總的來說，對于腦卒中患者，在足跟和踝關節滾動時，跖屈阻尼對膝關節和踝關節產生影響，對髖關節影響較小[3-5,7,9-22]。

然而，這些發現和建議大多是基于對下肢功能的影響。腦卒中患者癱瘓側上半身的功能受損明顯[23]，軀干肌肉無力和姿勢異常會影響軀干力線，異常的軀干力線會對姿勢控制產生負面影響[1,24-25]。有研究表明[26-30]，胸廓和骨盆功能在正常行走和偏癱步態中都起重要作用。Titus等[25]的研究發現，腦卒中患者偏癱側和對側的軀干運動存在顯著不對稱性，這種不對稱性在整個步態周期中都不同。軀干控制作為腦卒中患者日常生活功能綜合活動的早期預測指標，在步態康復中具有重要意義[31-32]。以往的研究認為跖屈阻尼的大小須與患者個體的情況相適應，側重于根據踝關節和膝關節運動學、運動力學參數及時空參數確定跖屈阻尼。截至2019 年，只有少量研究調查不同類型的AFO 對骨盆和胸廓的影響[33]。從胸廓和骨盆運動的角度，不同跖屈阻尼對腦卒中患者偏癱步態的影響尚不清楚[3,7,9,12-13]。

本研究從胸廓和骨盆的角度探討腦卒中后不同跖屈阻尼條件下跖屈阻尼對偏癱步態的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2020 年6 月至2021 年1 月在北京博愛醫院住院康復治療的腦卒中患者26 例，均為男性，年齡26～75歲，病程56～331 d，均符合第四屆全國腦血管病會議通過的診斷標準，并經頭顱CT 或MRI 確診。一般資料見表1。

表1 受試者一般資料

納入標準：①發病后12 個月內；②下肢Brunnstrom Ⅲ期以上；③具備使用任何類型的AFO在平地上安全行走的能力，必要時使用拐杖助行。

排除標準：①基于改良Ashworth 量表(modified Ashworth Scale,MAS)的嚴重痙攣；②本體感覺障礙；③肌肉骨骼或認知問題；④妊娠。

本研究經中國康復研究中心醫學倫理委員會批準(No.2020-002-1)。

1.2 方法

選擇跖屈阻尼可調油液阻尼器踝鉸鏈(日本川村義肢公司)定制AFO，命名為Gait Solution (GS)(圖1、圖2)。跖屈阻尼可調，踝關節初始角度0°～8°可調，背屈自由。油液阻尼器產生的阻尼可從1～4 檔無級調節，在10°跖屈的范圍內阻尼為5～14 N·m，最大阻力矩檔位為OD4，中等為OD2.5，最小為OD1[19]。

圖1 GS

使用一套由6 臺動作捕捉攝像機(Qualisys AB,Sweden)和2 塊力臺(BertecCorp,USA)組成的三維運動分析系統來測量步態(圖3)。根據Plug-In 步態標志物的位置，在受試者體表粘貼37 個紅外反射標記點。6臺相機測量標記點的軌跡，采樣頻率200 Hz；2 塊力臺測量GRF 數據，采樣頻率1000 Hz。受試者穿著相同跟高的實驗用鞋(圖2)，穿戴GS，在OD1、OD2.5和OD4 三種阻尼條件下以自然步行速度步行8 m，每種條件步行3 次采集步態數據，取均值。采用心率和血氧飽和度監測受試者的疲勞情況。

圖2 受試者在實驗狀態穿戴GS

1.3 數據處理

標記點軌跡和力臺數據分別用6 Hz 和18 Hz 的second-order butterworth filter 進行低通道過濾。人體節段模型由13 個部分組成：頭、胸、骨盆、雙上臂、雙前臂、雙大腿、雙小腿和雙足。使用人體測量數據計算連接段模型每個節段的重心(center of gravity,COG)。通過對組合COG 的微分運算，計算出COG 速度，計算胸廓、骨盆及偏癱側下肢關節角度。

1.3.1時空參數

由于大多數受試者在支撐期沒有出現偏癱側肢體的足跟抬高，因此將支撐期分為LR、單側支撐期(single stance,SS)和預擺動期(pre-swing,PS)，根據GRF的垂直分量進行劃分。共采用8 個時空參數：步行速度、偏癱側至非偏癱側的步長、非偏癱側至偏癱側的步長、步態周期時間、LR 時間、SS 時間、PS 時間和擺動期時間，其中步長參數用身高進行標準化處理。

1.3.2骨盆、胸廓參數

分別截取4 個時刻以及3 個平面內骨盆角(P)、胸廓角(T)和胸廓骨盆相對角(TP)等參數。以偏癱側初始著地定義為初始著地，非偏癱側定義為對側，4 個時刻包括初始著地(initial contact,IC)、對側足離地(contralateral foot off,CFO)、對側初始著地(contralateral initial contact,CIC)、足 離 地(foot off,FO)。如 圖3 所示，在三個坐標軸x、y、z軸上的運動定義為：前后傾(x)、側傾(y)、旋轉(z)。x軸上，骨盆和胸廓后傾定義為正方向，前傾定義為負方向。計算步態周期胸廓角度變化(the change of thoracic angle in gait cycle,Tcy-clex)、支撐期胸廓角度變化(the change of thoracic angle in stance phase,TSTx)和單支撐期胸廓角度變化(the change of thoracic angle in single stance phase,TSSx)。

圖3 骨盆和胸廓結構的定義

共計31個胸廓和骨盆的角度參數使用上述縮寫進行描述，如骨盆在初始著地時前后傾角度簡寫為PICx，31項骨盆和胸廓參數以此類推。所有后期計算均使用Visual 3D(C-motion)軟件處理。

1.4 統計學分析

采用SPSS 23.0 進行非參數檢驗(Friedman 檢驗)，對OD1、OD2.5 和OD4 三種阻尼下的39 個參數進行分析，事后采用Bonferroni 法調整α 水平進行兩兩比較。顯著性水平α=0.05。

2 結果

所有受試者均完成研究，無脫落病例。

2.1 時空參數

三種阻尼條件下，受試者LR 有顯著性差異(P＜0.05)，OD2.5時與OD4時比較有顯著性差異(P＜0.05)，OD1 時與OD2.5時、OD4 時與OD1時無顯著性差異(P＞0.05)。見表2。

表2 不同阻尼條件下受試者時空參數比較

2.2 骨盆、胸廓參數

骨盆角度PCFOx、PCFOz、PCICx和PFOx，胸廓角度TCFOx、TCFOy、TCFOz和TFOx，胸廓和骨盆相對角度TPICx、TPCFOx、TPCICx，以及TSSx在三種阻尼條件下有顯著性差異(P＜0.05)。見表3。

骨盆角度PCFOx、PCICx和PFOx均于OD2.5 時前傾減小，OD4 時前傾增大；PCFOz在OD2.5 時減小。對于PFOx，與OD4 時相比，OD2.5 和OD1 時骨盆前傾角度均減小(P＜0.05)。見表3。

胸廓在CFO時，三個面內的運動均表現出顯著性差 異(P＜0.05)。TCFOx在OD2.5 時 小 于OD4 時(P＜0.05)，TCFOy在OD2.5時大于OD4時(P＜0.05)，說明在OD2.5 條件下的胸廓后傾、側傾角度均降低。TCFOz隨著阻尼增大而增大，OD4 時明顯大于OD1 時(P＜0.05)。對于TFOx，與OD1 時相比，OD2.5 時胸廓處于相對更加后傾狀態，OD4 時更為前傾，OD4 時與OD2.5 時，OD4 時與OD1 時比較均有顯著性差異(P＜0.05)。見表3。

胸廓骨盆相對角度在矢狀面內，在IC、CFO 和CIC 三個時刻，OD4 時角度大于OD1 和OD2.5 (P＜0.05)。結果一致性較高，均表現為OD4的胸廓骨盆相對前傾角度要大于OD1和OD2.5條件下。TPFOx的結果與前述三項參數趨勢一致，OD4條件下前傾角數值最大，但無顯著性差異(P＞0.05)。見表3。

對于TSSx，與OD4 時相比，OD2.5 時前后傾角度變化減小(P＜0.05)。見表3。

表3 不同阻尼條件下骨盆和胸廓角度比較(°)

3 討論

解剖學上骨盆初始前傾10°[34]，行走時額外前傾4°，在冠狀面上骨盆側傾角為4°[35-36]。在本研究中，每種阻尼情況下骨盆和胸廓角度的差異不大，小于5°，但仍能從生物力學角度影響姿勢和運動，并顯示出在步態中對受試者胸廓和骨盆影響的GS 理想阻尼選擇的不同結果。

有研究表明[37-38]，腦卒中患者步態中的骨盆前傾增大(＞4 cm)，這與本研究的結果一致，在步態周期的IC、CFO、CIC、FO 四個時刻，當阻尼過高(OD4)或過低(OD1)，骨盆前傾增大。這可能是跖屈力矩的過強/過弱，都將引起LR 髖膝踝關節一系列的代償運動，從而誘發骨盆的過度前傾；相反，阻尼適中(OD2.5)時骨盆前傾角度減少，這證實跖屈阻尼對于控制骨盆過前傾的作用。關于胸廓角度，研究中GS的跖屈阻尼從偏癱側下肢IC 開始產生，主要作用于LR，其對胸廓的姿勢變化差異主要體現在CFO 時，此時，在x，y和z三個軸上，胸廓的角度都呈現出顯著性差異。對于前后傾和側傾運動，OD2.5 時表現出更為直立和運動幅度更小的胸廓姿態，而胸廓側向位移的減少已經被認為是腦卒中步態的改善[39-40]。與x、y軸運動變化規律不同的是，z軸上的運動，TCFOz和PC-FOz隨阻尼增大而增大。阻尼適中的OD2.5 在LR 的過程中有利于減少胸廓前后傾斜，保持步行中胸廓的直立，TSSx的減少和胸廓相對骨盆角度的減少也佐證了這一點。CFO 時，偏癱側在LR 過程中，在跖屈阻尼的影響下完成跟著地到足平放的過程。有研究表明[10,33]，阻尼過大時(OD4)會引起膝關節的快速屈曲，減少踝關節跖屈角度，加速LR 過程。本研究中，OD4 條件下步行速度增大，LR 時間顯著減少，表明其進程在高阻尼作用下被加速，胸廓和骨盆旋轉隨著跖屈阻尼的增大而增大。結合來看，CFO 時胸廓和骨盆的旋轉角度增大可以推測為下肢對于高跖屈阻尼反應為快速屈膝的趨勢，快速屈膝增加屈髖角度和大腿的后傾角，骨盆和胸廓的旋轉動作也隨之進行代償。同時，步行速度的增加在矯形器應用下的偏癱步態中是否作為核心評價指標有待進一步討論。

可調跖屈阻尼的AFO是基于步態中下肢足跟軸滾動功能設計的，在本研究之前，其對胸廓和骨盆運動的影響尚不清楚。本研究表明，踝關節跖屈阻尼的變化可對骨盆前后傾角度產生影響。在LR 結束時，對骨盆和胸廓的前后傾、側傾以及旋轉均產生影響。適當的阻尼下骨盆前傾角度減少，胸廓側傾減少，胸廓姿勢更為直立，姿勢改善。反之，不適阻尼下骨盆前傾、胸廓前后傾和胸廓側傾增大，均提示姿勢的惡化，在對側足離地時尤為明顯。總之，可調跖屈阻尼的AFO在腦卒中患者的步態中對胸廓和骨盆的運動產生明顯影響，適當的阻尼可改善胸廓和骨盆運動。

本研究有一些局限性。首先，研究測量的為即時效果，患者經過一段時間的適應性使用和訓練后的效果可能更為顯著或發生一些變化。其次，由于樣本量較小及受試者個人意愿原因，本次實驗者全部為男性。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。