成人型脊柱畸形患者運動功能的三維步態分析

白 森 郄淑燕

(首都醫科大學附屬北京康復醫院康復診療中心，北京 100144)

成人脊柱畸形(adult spinal deformity，ASD)是一類較為復雜的疾病，既有骨骼、肌肉及神經系統病理性癥狀及體征，而且還涉及人體整體平衡改變[1-2]。隨著全球人群結構改變[3]， ASD發病率增高[4-6]。文獻[7-8]顯示，65歲以上人群ASD發病率顯著增加(32%～68%)。ASD患者脊柱整體失平衡、腰背痛、及下肢放射痛等[1-2, 9-10]導致ASD患者機體代償機制[11]紊亂從而影響其正常行走。

既往關于ASD患者整體生物力學的研究[12-13]基于全脊柱X線平片，均為靜態平衡研究，關于步態的動態平衡報道少見，而且有學者[14]發現人體靜態下重心位置與活動時重心位置有顯著不同。筆者利用三維步態分析系統分析此類患者術前步態特點，進一步明確此類疾患整體生物力學的病理生理變化，為此類疾患診療及康復提供理論基礎。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究納入了2017年4月至2019年12月期間來首都醫科大學附屬北京康復醫院就診的51例ASD患者為病例組，其中男性10例、女性41例。同期按照性別、年齡、體質量指數(body mass index, BMI)及基礎性疾病組間匹配[15]的原則，招募健康志愿者51例為對照組。本研究通過首都醫科大學附屬北京康復醫院倫理委員會審核。

1.2 納入標準

① 年齡≥45歲；②資料完整；③經脊柱外科醫師確診，即影像學診斷標準至少滿足下列之一： 冠狀面側彎Cobb氏角≥20°； 矢狀面平衡(sagittal vertical axis, SVA)≥5 cm； 骨盆傾斜(pelvic tilt, PT)≥25°； 胸椎后凸角(thoracic kyphosis, TK)≥60°。

1.3 排除標準

① 既往行脊柱手術史；②脊柱腫瘤病史；③脊柱結核等特異性感染史；④強直性脊柱炎。

1.4 檢測設備和方法

利用三維步態分析系統(英國VICON公司)采集所有研究對象行走過程中的運動參數。該系統包括8個攝像機、多個標記點及運動組件。

測試過程中所有患者著薄上衣、下身穿緊身短褲，由專業技師對其講解測試過程。受試者雙側髂前上棘、髂后上棘、大轉子突起、大腿外側中間、股骨外上髁、腓骨小頭、外踝、跟骨結節、第一、二跖骨趾璞處放置反射標記[16](圖1)。整個實驗過程至少記錄10個步態周期。測試運動學參數包括：步長(支撐足兩足跟間距離)、步頻(單位時間/步態周期時間)、跨步長(同一足前后兩次著地的距離)、膝關節屈伸范圍(大轉子與股骨外上髁標記點連線、腓骨小頭和外踝連線，兩線夾角最大值和最小值差)、髖關節屈伸范圍(大轉子與髂前上棘連線、大轉子與股骨外上髁連線，兩線夾角最大值與最小值差)。

圖1 佩戴反射標記示意圖Fig.1 Marker set on patient

1.5 ASD患者生活質量評分

本研究記錄了所有研究對象的生活質量評分(Healthy Related Questionnaire of Life, HRQOL)，包括視覺模擬評分(Visual Analogue Score, VAS)、Oswestry功能障礙指數(Oswestry Disability Index, ODI)及簡版生活質量量表-36(Short Form-36, SF-36)評分，按Mchorney和Ware[17]方法將SF-36分為生理評分(Physical Component Summary, PCS)和精神評分(Mental Component Summary, MCS)。

1.6 統計學方法

2 結果

2.1 病例組與對照組基本特征比較

病例組患者側凸類型比為35∶16(左∶右)，側彎頂椎分布：L1，2例；L1/2，8例；L2，11例；L2/3，23例；L3，7例。病例組與對照組的年齡、性別比、BMI及基礎疾病患病率比較，差異均無統計學意義(P>0.05)，詳見表1。

表1 兩組對象基本特征比較

2.2 病例組與對照組運動學參數比較

ASD病例組患者步長、步頻、跨步長及膝關節屈伸范圍、髖關節屈伸范圍均小于健康志愿者，組間比較差異有統計學意義(P<0.05)，詳見表2。

病例組患者第一個和最后一個步態周期運動學參數比較，病例組患者第一個步態周期步長、步頻、跨步長及膝關節屈伸范圍、髖關節屈伸范圍均大于最后一個步態周期，組間比較差異有統計學意義(P<0.05)，詳見表3。

表 2 兩組受試對象運動參數比較

表3 病例組患者第一個和最后一個步態周期相關參數比較

2.3 ASD患者生活質量評分與運動學參數的相關性分析

ASD患者生活質量評分VAS、ODI與步長、跨步長、步頻、膝關節屈伸及髖關節屈伸度呈負相關關系(P<0.05);SF-36中的生理部分(Physical Component Summary, PCS)部分與上述指標呈正相關關系(P<0.05)，詳見表4。

表4 患者生活質量評分與運動參數相關分析(r)

3 討論

成人型脊柱畸形在中老年人群高發[7-8]。鑒于此類疾病的復雜性，診療方面至今尚未定論。由于ASD不單單涉及脊柱局部癥狀，機體整體生物力學也會發生病理改變。既往使用X線平片[12-13]或雙平面掃描全身立體放射攝影術系統[18]評估患者病情，但患者均處于靜態，對于動態下患者生物力學變化指導有限。三維步態系統具有客觀、準確及全面等特點[19-20]。因此，三維步態系統能有效評估ASD患者動態生物力學變化。本研究通過三維步態系統監測到了ASD患者步頻、步長、跨步長等運動參數在行走過程中的變化特點與及同上述變化相伴的膝關節、髖關節屈伸度的變化。

3.1 ASD患者運動參數與健康志愿者對比

將ASD患者與健康志愿者對照分析，病例組運動學參數均顯著低于對照組，表現為髖、膝關節屈伸幅度減小，從而導致患者步長及跨步長減小。此外，ASD患者由于退變，腰前凸減小、骨盆前傾減小甚至后傾，髖臼前傾，因此髖關節后伸受限[21]。與單純腰痛[22]或椎間盤突出[23]患者不同，ASD患者步頻明顯慢于中老年健康人群，推測可能與ASD患者整體失平衡有關[1,2]，步頻加快后患者無法及時作出調節以保持身體平衡站立或行走。

3.2 ASD患者實驗開始步態與結束時步態參數的對比

實驗過程中，筆者發現ASD患者第一個步態周期時，步長、跨步長、步頻、髖膝關節屈伸幅度明顯優于最后一個步態周期，而健康志愿者不存在此差異。ASD患者由于整體失平衡，機體處于過度“耗能”狀態[24]，隨著行走時間延長，機體行動能力逐漸降低，從而表現為髖膝關節屈伸度減小，步長減少、步頻減慢，且患者軀干逐漸前傾，即動力性脊柱不穩，印證了機體重心與影像學頸7鉛垂線的差異[14]。既往有文獻[25]顯示老年人群軀干前方和后方肌肉對機體活動的影響。筆者推測此變化與ASD患者軀干肌病理改變密切相關，這說明針對ASD患者診療及康復，應該加強對其核心肌群的保護。但是，本課題組只記錄到患者下肢運動參數變化，軀干角度未能記錄，有待進一步完善。

3.3 ASD患者生活質量評分與運動學參數的相關性分析

ASD患者有明確的腰背部及下肢疼痛癥狀和體征，生活質量低下。Haddas教授[26]認為成人退變性脊柱畸形患者生活質量評分與各類運動參數顯著相關。本課題組將運動參數與各類評分量表做相關分析，發現步長、跨步長及步頻與ASD患者主觀感受(VAS評分)及客觀功能評分(ODI及SF-36中的軀體生理功能部分)都有顯著相關性。結果不僅說明患者由于主觀腰背部或下肢疼痛癥狀導致下肢活動頻率減慢、幅度減小，而且疾病導致機體功能下降，表現為各種運動參數的改變。與既往研究[23]不同，筆者發現ASD患者生活質量評分與髖膝關節活動范圍均有關系，但與膝關節相關性更強，這是由于ASD患者，尤其是終末期患者，機體失平衡，髖關節已過度后伸，且已啟動膝關節代償[27]，表現為膝關節屈曲狀態，此時相對髖關節，膝關節活動幅度改變更大。

ASD患者為保持直立行走，啟動了機體脊柱及下肢代償機制，從而導致其步態發生改變。上述研究結果顯示，此類人群所有運動參數均有下降：步頻減慢、步長及跨步長均減小。因此，對于此類疾患需首先糾正其整體失平衡狀態，比如輕中度患者使用手杖[28]、末期患者行長節段固定融合手術[29]。康復患者加強核心肌群鍛煉，加強腰背肌力量，以恢復其動態平衡機制。

ASD是一類極為復雜的疾患，涉及了神經、肌肉及骨骼系統病理生理改變，因此僅對其步態研究存有一定偏倚，需要大量研究進一步完善上述結果。此外，所有研究對象均來自單一中心，存有選擇偏倚。

總之，成人型脊柱畸形患者存在下肢活動異常，表現為步態異常：步頻、步長及跨步長均較健康人群下降；患者活動過程中上述運動參數逐漸減小。此類患者運動學參數與生活質量評分諸如VAS、ODI及SF-36中的軀體生理功能部分息息相關。