應(yīng)用三維步態(tài)分析技術(shù)評價兒童特發(fā)性足內(nèi)偏的步態(tài)參數(shù)特征

張亞茹，李陽，李一瀛，俞艷，魯瀟瀅，姜淑云

(上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院步態(tài)與運(yùn)動分析中心，上海 200437)

足內(nèi)偏即內(nèi)八字，指足長軸相對前進(jìn)方向內(nèi)旋[1-2]，內(nèi)偏角度超過5°為足內(nèi)偏[3]。國內(nèi)調(diào)查發(fā)現(xiàn)兒童足內(nèi)偏患病率達(dá)23%[1]，國外研究達(dá)13.6%～14.5%，其中4歲兒童占30%，超過9歲兒童占7%且多數(shù)不存在自發(fā)改善的可能[4]。大部分兒童足內(nèi)偏屬于正常發(fā)育表現(xiàn)，5歲前隨年齡增長得到改善，部分兒童伴隨明顯功能障礙，如走路笨拙、摔倒和絆倒頻率增加、短距離步行容易疲憊及跑步后膝關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)疼痛[5]。長期存在足內(nèi)偏會導(dǎo)致距下關(guān)節(jié)過度旋前、髕骨不穩(wěn)、髕股關(guān)節(jié)病理性改變和髖關(guān)節(jié)炎等癥狀[4]。國內(nèi)研究集中于足底壓力和矯形器具干預(yù)效果的探究，國外研究集中于健康人在不同足偏角的步態(tài)特征探索。研究認(rèn)為3歲以上兒童足內(nèi)偏需引起重視并且必要時給予干預(yù)[3，6]。因此，本研究旨在回顧性觀察5歲以上兒童足內(nèi)偏的步態(tài)特征及影響因素，期望為兒童足內(nèi)偏的早期評估及干預(yù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料 足內(nèi)偏兒童均來源于2019年1月至2021年9月上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院步態(tài)與運(yùn)動分析中心門診，共計48例(96個下肢)；從上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院步態(tài)與運(yùn)動分析中心正常兒童步態(tài)數(shù)據(jù)庫中選取同年齡段的相同樣本量納入正常組。兩組一般資料比較見表1。該研究方案的實(shí)施獲得上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，所有入組受試者均由法定監(jiān)護(hù)人簽署知情同意書。

表1 兩組兒童一般資料比較

1.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn) 本研究根據(jù)臨床常用的診斷標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻(xiàn)[3]，計算支撐相足偏角的均值劃分入組標(biāo)準(zhǔn)。具體納入標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)年齡5～10周歲，性別不限；(2)足偏角>-5°(見圖1)；(3)無明顯認(rèn)知功能障礙，能夠配合測試；(4)理解、同意參加此次研究并簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)非特發(fā)性足內(nèi)偏步態(tài)；(2)發(fā)育遲緩；(3)下肢有手術(shù)史，外傷史；(4)存在膝外翻、膝內(nèi)翻、脊柱側(cè)彎。

正常對照組納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)年齡5～10周歲，性別不限；(2)足偏角≤-5°(見圖1)；(3)世界衛(wèi)生組織(world health organizatio，WHO)生長發(fā)育指數(shù)在±2SD以內(nèi)；(4)無早產(chǎn)史、手術(shù)史、外傷史及其他影響運(yùn)動功能的疾?。?5)無認(rèn)知功能障礙，能夠配合測試；(6)理解、同意參加此次研究并簽署知情同意書。正常對照組排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)存在膝外翻、膝內(nèi)翻、脊柱側(cè)彎；(2)雙下肢長度差異>1 cm。

圖1 足偏角示意圖

1.3 方法

1.3.1 標(biāo)記點(diǎn)的放置 本研究參考的是Helen Hayes步態(tài)模型[7]，下肢的熒光標(biāo)記點(diǎn)分別位于身體左、右兩側(cè)的髂前上棘、髂后上棘、股骨內(nèi)/外側(cè)上髁凸起處、內(nèi)/外踝凸起處、股骨大轉(zhuǎn)子與膝關(guān)節(jié)標(biāo)記線間(手部下方)、膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)中線處、脛骨結(jié)節(jié)凸起處、第2/3跖骨頭間、第5跖骨頭凸起處、跟骨，共計24處，包括4個長桿熒光標(biāo)記球(見圖2)。雙側(cè)股骨內(nèi)上髁及內(nèi)踝凸起處的標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)用于靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，步行前需摘掉。

圖2 三維步態(tài)測試圖

1.3.2 數(shù)據(jù)采集流程 本研究采用三維步態(tài)分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，包括美國Motion Analysis公司運(yùn)動捕捉鏡頭19臺，美國Bertec公司平面測力臺4塊，運(yùn)動捕捉鏡頭采樣頻率為100 Hz，平面力臺采樣頻率為1 000 Hz。受試者在測試范圍內(nèi)以自然步速行走，需采集每位受試者20個步態(tài)周期，并且包含單側(cè)下肢5個有效的力學(xué)數(shù)據(jù)。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析及處理 本研究的步態(tài)測試數(shù)據(jù)由上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院步態(tài)與運(yùn)動分析中心的專業(yè)技術(shù)人員操作處理，使用Cortex 5.7數(shù)據(jù)采集軟件及Visual3D軟件分析處理兩組兒童在自然步速下的完整步態(tài)周期，并獲得下肢的時空參數(shù)、運(yùn)動學(xué)參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.4 主要觀察指標(biāo) 時空參數(shù)：步長、步速、步寬、支撐相時間百分比。運(yùn)動學(xué)參數(shù)：髖關(guān)節(jié)初始著地的最大屈曲角度、支撐相最大內(nèi)旋角度；膝關(guān)節(jié)擺動相最大屈曲角度、支撐相最大內(nèi)旋角度；踝關(guān)節(jié)支撐相最大背屈角度、支撐相最大內(nèi)旋角度。動力學(xué)參數(shù)：髖關(guān)節(jié)支撐相末期最大屈曲力矩、支撐相最大外展力矩；膝關(guān)節(jié)支撐相初期內(nèi)收力矩峰值；足趾離地時踝關(guān)節(jié)最大跖屈力矩；髖、膝、踝關(guān)節(jié)最大功率。

2 結(jié) 果

2.1 時空參數(shù)比較 與健康對照組相比，足內(nèi)偏組兒童的步寬明顯增加，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)；步長、步速和支撐相百分比相比，兩組差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05，見表2)。

表2 兩組兒童時空參數(shù)比較

2.2 運(yùn)動學(xué)參數(shù)比較 與健康對照組相比，足內(nèi)偏組兒童的髖關(guān)節(jié)最大屈曲角度明顯增加(P<0.001)，髖關(guān)節(jié)最大內(nèi)旋角度增加(P<0.05)；膝關(guān)節(jié)最大內(nèi)旋角度明顯增加(P<0.01)，膝關(guān)節(jié)最大屈曲差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；踝關(guān)節(jié)最大內(nèi)旋角度顯著增加(P<0.001)，踝關(guān)節(jié)最大背屈角度減小(P<0.05，見表3)。

表3 兩組兒童運(yùn)動學(xué)參數(shù)比較(°)

2.3 動力學(xué)參數(shù)比較 與健康對照組相比，足內(nèi)偏組兒童的髖關(guān)節(jié)最大屈曲力矩增加(P<0.05)，最大外展力矩減小(P<0.05)，髖關(guān)節(jié)最大功率明顯減小(P<0.001)；膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩峰值明顯增加(P<0.001)，膝關(guān)節(jié)最大功率顯著增加(P<0.001)；踝關(guān)節(jié)最大跖屈力矩明顯減小(P<0.01)，踝關(guān)節(jié)最大功率差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05，見表4)。

表4 兩組兒童動力學(xué)參數(shù)比較

2.4 足內(nèi)偏多元線性回歸分析 設(shè)足內(nèi)偏為因變量，設(shè)髖、膝、踝關(guān)節(jié)最大內(nèi)旋角度，踝關(guān)節(jié)最大背屈角度和髖關(guān)節(jié)最大外展力矩為自變量進(jìn)行多元線性回歸分析，結(jié)果顯示足內(nèi)偏與髖、膝、踝關(guān)節(jié)最大內(nèi)旋角度，踝關(guān)節(jié)最大背屈角度和髖關(guān)節(jié)外展力矩呈顯著線性關(guān)系(P<0.05，見表5)。

表5 足內(nèi)偏的多元線性回歸分析

3 討 論

3.1 足內(nèi)偏兒童的時空參數(shù)特征 與健康對照組兒童相比，足內(nèi)偏兒童的步寬明顯增加，這與Byrnes等[8]研究一致。步寬的增加能夠?yàn)閿[動側(cè)下肢提供更多的空間越過支撐側(cè)下肢，提高步行的穩(wěn)定性，降低足內(nèi)偏兒童摔倒的風(fēng)險。

3.2 足內(nèi)偏兒童的運(yùn)動學(xué)參數(shù)特征 足內(nèi)偏兒童在步行過程中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的最大內(nèi)旋角度較健康對照組兒童增加，足內(nèi)偏形成的主要動態(tài)因素即步行中下肢力線在水平面的異常扭轉(zhuǎn)，明顯異常的足內(nèi)偏步態(tài)往往由兩個及以上水平面的異常扭轉(zhuǎn)形成[2]，單個關(guān)節(jié)的內(nèi)旋常常伴隨其他關(guān)節(jié)的代償性外旋而表現(xiàn)出正常步態(tài)[8]。本次研究結(jié)果的三個關(guān)節(jié)均表現(xiàn)為異常水平面的內(nèi)旋，形成較為明顯的足內(nèi)偏步態(tài)。

足內(nèi)偏兒童髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度的增加可能是股骨頸前傾增加的體現(xiàn)，髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度增加與股骨前傾增加已被證明具有一致性[4-5，8]，股骨前傾增加會導(dǎo)致兒童在步行中摔跤頻率上升、短距離步行容易疲憊、跑步和踢足球等高運(yùn)動技能活動中下肢容易受傷，從而造成兒童下肢功能水平出現(xiàn)嚴(yán)重的損害。隨著髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度的增加，兒童下肢功能會變得更差，并且伴隨兒童生長速度的增加，畸形對兒童下肢功能水平的惡化也會更加嚴(yán)重。與Byrnes等[5]研究一致，股骨頸前傾也會導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)屈曲角度的增加[5，8]；當(dāng)患者踝關(guān)節(jié)背屈角度不足時，其余的近端關(guān)節(jié)(膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié))也會出現(xiàn)矢狀面屈曲角度增加的代償表現(xiàn)[9]。這可能是因?yàn)樵黾芋y關(guān)節(jié)的屈曲角度能夠改善足廓清，有助于足內(nèi)偏兒童的擺動腿越過支撐腿，提供了一個更安全的步態(tài)模式，避免兒童在步行中摔倒。

足內(nèi)偏兒童的踝關(guān)節(jié)在支撐相最大背屈角度減少，主要原因包括踝關(guān)節(jié)跖屈肌的緊張或踝關(guān)節(jié)背屈肌的無力[10]。研究表明，當(dāng)踝背屈角度減少時患者會增加整個運(yùn)動鏈冠狀面或水平面的運(yùn)動角度來代償，足內(nèi)偏兒童存在整個水平面(踝、膝、髖關(guān)節(jié))的內(nèi)旋，可能與兒童踝關(guān)節(jié)背屈角度減少有關(guān)，并且踝背屈角度的減少已被證明是髕股疼痛綜合征的風(fēng)險因素之一[11]。

與健康對照組兒童相比，足內(nèi)偏兒童在支撐相的膝關(guān)節(jié)最大內(nèi)旋角度明顯增加，脛骨內(nèi)旋增加會影響踝關(guān)節(jié)在支撐相的負(fù)荷和擺動下肢的足廓清，長期的靜態(tài)骨骼畸形、動態(tài)步態(tài)偏差和異常負(fù)荷可能會加速膝關(guān)節(jié)的退行性改變[4]。綜上所述，足內(nèi)偏步態(tài)不僅影響兒童支撐相的穩(wěn)定性(杠桿臂功能障礙)和擺動下肢的足廓清，還可能導(dǎo)致絆倒和跌倒的頻率增加，對于雙側(cè)足內(nèi)偏步態(tài)的兒童尤其如此[10]。局部關(guān)節(jié)活動角度的異常通常會影響到整個下肢鏈中其他關(guān)節(jié)的代償性活動，足內(nèi)偏兒童在日?；顒又邢轮δ芩降南陆悼赡芘c此有關(guān)。

3.3 足內(nèi)偏兒童的動力學(xué)參數(shù)特征 力矩通常意味著肌肉的收縮[12]，足內(nèi)偏兒童的髖關(guān)節(jié)外展力矩較健康對照組兒童減少，這與Roth等[5]研究結(jié)果一致，可能與髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度增加有關(guān)[8]。長期存在的髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋會導(dǎo)致其外展力臂減小，尤其臀小肌與臀中肌的有效力臂，導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)外旋肌群的力量下降[13]。髖關(guān)節(jié)外展力矩減少使骨盆控制能力下降[5，14]，且顯著增加髖關(guān)節(jié)近端負(fù)荷及應(yīng)力[15-16]。足內(nèi)偏兒童的髖關(guān)節(jié)屈曲力矩在支撐相增加可與踝關(guān)節(jié)跖屈力矩峰值減小可能有關(guān)，踝跖屈力矩和功率的減少可以由屈髖力矩增加來代償，步行過程中的髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)存在動力學(xué)轉(zhuǎn)換的關(guān)系。Lewis等[17]研究得出踝跖屈肌力不足，可能會導(dǎo)致步行過程中屈髖肌的過度使用從而使髖關(guān)節(jié)受到損傷。

足內(nèi)偏兒童在支撐相早期的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩峰值明顯增加，通過改變壓力中心的位置從而對膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生了動力學(xué)的影響[5，18]，三維步態(tài)分析方法測量的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩是脛股內(nèi)側(cè)和外側(cè)間動態(tài)壓力分布的有效和可靠指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)在支撐相早期的內(nèi)收力矩較大時，膝關(guān)節(jié)炎進(jìn)展的風(fēng)險性可能會增加。

足內(nèi)偏兒童與正常對照組兒童相比，踝關(guān)節(jié)最大跖屈力矩明顯減小，這表示足內(nèi)偏兒童的踝跖屈力量可能存在不足[19]，脛骨過度內(nèi)旋也會導(dǎo)致力臂的缺失，從而降低踝關(guān)節(jié)的動力學(xué)峰值進(jìn)而影響身體前行的推進(jìn)力。

功率指動態(tài)力的快速爆發(fā)，在行走過程中通常指肌肉的收縮[12]。足內(nèi)偏兒童的髖關(guān)節(jié)最大功率明顯減小，膝關(guān)節(jié)最大功率明顯增加。髖關(guān)節(jié)功率損失時會通過其他關(guān)節(jié)產(chǎn)生更多的功率來代償其損失。足內(nèi)偏兒童膝關(guān)節(jié)功率的增加可能對髖關(guān)節(jié)功率減少發(fā)揮了代償作用[20]，這可能會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的損傷。DeVita等[21]在研究老年人與年輕人步態(tài)特征時發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動模式的改變體現(xiàn)在關(guān)節(jié)力矩和功率的重新分配，因此不同肌群對整體步行的相對貢獻(xiàn)也發(fā)生了改變。

3.4 足內(nèi)偏影響因素分析 足內(nèi)偏產(chǎn)生的原因包括單個下肢關(guān)節(jié)過度內(nèi)旋且不存在其他關(guān)節(jié)代償外旋，或兩個以上關(guān)節(jié)過度內(nèi)旋導(dǎo)致更為顯著的足內(nèi)偏。本研究結(jié)果表明足內(nèi)偏與髖、膝、踝關(guān)節(jié)過度內(nèi)旋存在顯著的線性關(guān)系，踝關(guān)節(jié)背屈角度不足是髖、膝、踝關(guān)節(jié)發(fā)生代償內(nèi)旋的根本原因，因此踝關(guān)節(jié)背屈角度減小及髖、膝、踝關(guān)節(jié)過度內(nèi)旋是5歲以上兒童足內(nèi)偏產(chǎn)生的主要原因，髖關(guān)節(jié)過度內(nèi)旋是髖關(guān)節(jié)外展力矩減小和2歲以上兒童足內(nèi)偏產(chǎn)生的主要原因。本研究表明髖關(guān)節(jié)外展力矩減小與足內(nèi)偏存在顯著的線性關(guān)系，因此足內(nèi)偏對兒童髖關(guān)節(jié)動力學(xué)存在顯著的影響，5歲以上兒童足內(nèi)偏的髖關(guān)節(jié)需要引起重視。

3.5 小結(jié) 足內(nèi)偏步態(tài)屬于正常兒童發(fā)育過程的表現(xiàn)，多數(shù)兒童足內(nèi)偏在5歲前能夠得到改善。正常兒童的足內(nèi)偏往往是由單個或多個骨骼異常引起的[22]，形成的下肢力線異常，不僅體現(xiàn)局部關(guān)節(jié)活動角度的異常，其他相鄰關(guān)節(jié)也會表現(xiàn)為關(guān)節(jié)活動角度、關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)功率的代償反應(yīng)，以及增加步寬改善步行平衡穩(wěn)定性。隨著兒童生長速度的增加，畸形對兒童下肢功能水平的惡化也會更加嚴(yán)重，一些青少年兒童在步行中容易疲勞，跑步中膝關(guān)節(jié)疼痛可能與此有關(guān)。目前的非手術(shù)療法包括矯正鞋、夜間夾板等對足內(nèi)偏步態(tài)的改善并沒有矯正效果[23]，物理療法和針對性鍛煉的療效尚沒有可靠的研究[24]，因此10歲以上且伴有明顯的功能障礙或異常外觀的足內(nèi)偏兒童可以考慮手術(shù)治療。然而手術(shù)存在多種并發(fā)癥和較高的風(fēng)險性[25]，因此本研究通過對兒童足內(nèi)偏的步態(tài)特征研究，希望為足內(nèi)偏兒童的早期及時的評估和治療提供一定的參考意義，盡量避免兒童在生長發(fā)育中功能持續(xù)下降或后期需要手術(shù)治療。