青少年特發性脊柱側凸患者靜態站立及步行時生物力學變化的Meta分析

柯竟悅，馬圣楠，張曉慧，李古強

1.濱州醫學院康復醫學院，山東煙臺市 264003；2.濱州醫學院煙臺附屬醫院，山東煙臺市 264003；3.濱州醫學院康復工程研究院，山東煙臺市 264003

0 引言

青少年特發性脊柱側凸(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)是一種常見的脊柱畸形疾病，在青少年(10～18 歲)中的患病率約為0.53%～5.2%[1-2]。AIS 病因尚不明確，可能發病機制主要包括遺傳與基因理論、生長發育與激素理論、結締組織特異性理論、中樞神經系統異常等。AIS 發病具有隱匿性、進展性，臨床癥狀主要表現為脊柱的三維畸形、椎旁肌功能障礙和慢性腰痛。

從生物力學角度看，AIS 患者在靜態站立和步行時表現出復雜的生物力學變化。脊柱側凸的嚴重程度、側凸角數量以及脊柱受累節段的范圍和位置等多因素[3-5]相互作用，潛在影響患者站姿與步態，導致生物力學特征呈現多樣性。因此，有必要綜合多方證據，系統評價AIS 患者的生物力學特征，以告知臨床醫師其可能出現的生物力學變化，為AIS 疾病的預防與治療提供循證依據。

本研究回顧一定數量的觀察性研究，將AIS 患者與年齡匹配的健康人進行比較，以確定AIS 患者在靜態站立及步行時存在哪些生物力學特征的偏差；將AIS 患者細分為不同亞組，以研究疾病的嚴重程度、側凸方向、側凸角數量等因素對偏差的影響。

1 資料與方法

1.1 文獻檢索策略

計算機系統檢索PubMed、Web of Science、EMBASE、Cochrane Library、中國知網、中國生物醫學文獻數據庫、萬方、維普數據庫，檢索時限建庫至2021年8月15日。采用主題詞和自由詞結合的方式檢索，并追溯納入文獻的參考文獻。

英文檢索詞：AIS、adolescent idiopathic scoliosis、standing positions、motion analysis、kinematics、load、pressure、balance、electromyographies、surface electromyography。

中文檢索詞：青少年特發性脊柱側凸、特發性脊柱側凸、站立、站姿、步態、行走、步態分析、運動分析、運動學、動力學、足底壓力、生物力學、平衡、肌電圖、表面肌電。

1.2 納入與排除標準

納入標準：①橫斷面研究；②研究對象臨床診斷為AIS，且年齡10～18 歲；③基于靜態站立和步行活動的人體生物力學研究；④對疾病的嚴重程度、性別、脊柱曲線的類型和脊柱所累節段的位置沒有限制；⑤中、英文文獻。

排除標準：①患者使用矯形器支撐站立及行走，或患者進行過脊柱側凸矯正手術；②以數學建模、有限元分析進行驗證，而不是將生物力學特征的比較作為主要研究目的；③重復發表；④綜述、案例報告、會議論文和信件等不包含原始數據的文獻。

1.3 篩選與數據提取

采用Zotero 5.0 文獻管理軟件去除重復文獻后，由2名研究人員獨立對文獻標題和摘要進行初步篩選；對初步納入的文獻進行全文閱讀，并根據排除標準做進一步篩選，如遇分歧，交由第3名研究人員裁定。

對最終納入的文獻進行資料提取，由2 名研究員獨立提取并交叉核對。提取內容如下。①研究的基本信息：第一作者、發表年份、患者特征(年齡、性別、疾病嚴重程度、脊柱受累節段位置、曲線類型等)。②生物力學比較結果：時空特征數據、力學特征數據和肌電圖數據。從納入的研究中直接提取樣本量、平均值、標準差，用于計算效應量(effect size,ES)和95%置信區間(95% confidence intervals,95%CI)；當原始數據以中位數和四分位間距表示時，通過Luo等[6]和Wan等[7]提供的計算公式估計并求取數據平均值和標準差；當原始數據以平均值和95%CI表示時，根據Cochrane Handbook 手冊中提供的平均值、標準差計算器求取；當原始數據僅以柱狀圖顯示時，我們使用在線轉換工具WebPlotDigitizer 4.5(https://automeris.io/WebPlotDigitizer/)提取數據；必要時，聯系作者以獲得數據。

1.4 文獻質量評價

根據改良型非隨機對照試驗質量評分表[8-9]，對所納入的橫斷面研究進行質量評價。該改良型量表去除了與評價干預效度相關的條目(條目4、8、9、13、14、17、19、23、24、26、27)，仍保留16 個條目3個維度：評估報告(條目1～3、5～7 和10)、外部效度(條目11和12)、內部效度(條目15、16、18、20～22和25)。該量表總分為17分(條目5為2分，其余條目均1分)。質量等級：＜10 分，低；10～13 分，中；＞13分，高。由2 名研究人員獨立完成文獻質量評價，其中一人對文獻的標題、期刊、作者、作者單位均不知情；最終進行雙方核對，若出現意見不同的情況，則共同討論，直到達成共識。

1.5 統計學分析

采用RevMan 5.4進行數據分析。若各研究使用的測量工具相同、變量單位一致，則使用加權均數差(weighted mean difference,WMD)及95%CI進行合并效應量統計；若不一致，則使用標準化均數差(standard mean difference,SMD)及95%CI。按照霍普金斯標準[10]分為微小效應量(＜0.2)、小效應量(0.2～0.6)、中等效應量(0.6～1.2)和大效應量(＞1.2)。

采用χ2檢驗(α=0.1)判斷研究間異質性，并結合I2值進行定量評價，以I2值＜50%、50%～75%、＞75%分別指低異質性、中度異質性和高度異質性。若異質性較低(P＞0.1,I2＜50%)，采用固定效應模型；若異質性較高(P≤0.1,I2≥50%)，采用隨機效應模型，并對可能導致異質性的因素進行亞組分析。

本研究納入文獻僅限于觀察性研究，采用Van Tulder 等[11]提供的證據水平以解釋與AIS 疾病相關的生物力學偏差：強證據水平(大效應量及低異質性)、中等證據水平(中等效應量及低異質性)、有限證據水平(小效應量及低異質性，或中等/大效應量及中度異質性)、存在爭議(高度異質性)，無效證據(95%CI內包括0)。當主要結局指標納入的文獻大于10篇時，使用漏斗圖評估發表偏倚。

2 結果

2.1 文獻篩選結果

根據檢索策略，初檢共獲得文獻2 371 篇，經逐層篩選后，最終納入23項橫斷面研究[12-34]，涉及1 092例研究對象。文獻篩選流程和結果見圖1。

圖1 文獻篩選流程圖

2.2 基本特征與質量評價

多數AIS 患者均患有右胸彎型，然而各研究間AIS 患者脊柱側彎程度略有不同，因此根據患者脊柱側彎的嚴重程度進行亞組分析。納入研究的基本特征見表1。

表1 納入文獻的基本特征

共納入23 篇文獻[12-34]，質量分數11～15 分，平均13.3分，具有中等到高等的方法學質量。見表2。

表2 納入文獻的質量評價

2.3 Meta分析

2.3.1 時空特征指標

時空特征指標主要包括靜態站姿中骨盆冠狀面的傾斜情況、步態中膝關節矢狀面活動度、踝關節矢狀面活動度，以及步速和步長共5個指標。

2.3.1.1 靜態站姿中骨盆冠狀面的傾斜情況

共納入5項橫斷面研究[13,15-16,21,30]，為AIS患者與健康青少年的比較，共計AIS 患者121 例。各研究間異質性較小(I2=0,P=0.49)，采用固定效應模型。結果顯示，兩組間靜態站姿中骨盆冠狀面的傾斜情況無顯著性差異(ES=0.10,95%CI -0.16～0.36,P＞0.05)。見圖2。

圖2 兩組靜態站姿中骨盆冠狀面的傾斜情況比較

2.3.1.2 步態中膝關節矢狀面活動度

共納入4 項橫斷面研究[18,25,28,34]，為AIS 患者與健康青少年的比較，共計AIS患者69例。各研究間異質性較小(I2=19%,P=0.30)，采用固定效應模型。結果顯示，步態中AIS 患者關節矢狀面的活動度明顯小于對照組(ES=-0.59,95%CI -1.00～-0.17,P=0.005)，證據水平有限。見圖3。

圖3 兩組步態中膝關節矢狀面活動度比較

2.3.1.3 步態中踝關節矢狀面活動度

共納入4 項橫斷面研究[18,25,28,34]，為AIS 患者與健康青少年的比較，共計AIS患者69例。各研究間不存在異質性(I2=0%,P=0.84)，采用固定效應模型。結果顯示，步態中AIS 患者踝關節矢狀面的活動度明顯小于對照組(ES=-0.55,95%CI -0.96～-0.14,P=0.008)，證據水平有限。見圖4。

圖4 兩組步態中踝關節矢狀面活動度比較

2.3.1.4 步速

共納入9項橫斷面研究[16,22-24,26,28,30,32-33]，共計AIS患者217 例。各研究間異質性較大(I2=70%,P＜0.001)，采用隨機效應模型，并根據各文獻所納AIS患者Cobb角范圍，將其細分為不同亞組：輕度到中度組(Cobb角10°～40°)，中度到重度組(Cobb 角≥40°)，輕中重全范圍組(Cobb角≥10°)，對照組均為健康青少年。結果顯示，各亞組與正常對照組比較均無顯著性差異(ES=-0.12,95%CI-0.45～0.21,P=0.49)。見圖5。

圖5 兩組步速比較

2.3.1.5 步長

共納入7 項橫斷面研究[16,18,22-23,26,30,32]，共計AIS 患者150 例。各研究間異質性較大(I2=84%,P＜0.001)，采用隨機效應模型。根據AIS 患者脊柱的凸側與凹側，將步長特征細分為脊柱凸側(Convex,CX)、脊柱凹側(Concave,CA)和脊柱雙側凸(即S 型脊柱側凸)，對照組均為健康青少年(左右側步長取平均值)。結果顯示，脊柱凸側組(ES=-0.61,95%CI -1.30～0.07,P=0.08)和脊柱雙側凸組(ES=0.95,95%CI -0.86～2.76,P=0.30)與正常對照組間的步長比較均無顯著性差異；AIS 患者脊柱凹側組步長小于正常對照組(ES=-0.37,95%CI -0.72～-0.02,P=0.04)，其證據水平有限。見圖6。

圖6 兩組步長比較

2.3.2 力學特征指標

力學指標主要包括靜態站姿中足底壓力中心橢圓面積、足底壓力中心前后向轉移速度、足底壓力中心內外向轉移速度、步態中膝關節伸展力矩和踝關節跖屈力矩5個指標。

2.3.2.1 靜態站姿中足底壓力中心橢圓面積

共納入7 項橫斷面研究[12-14,17,20,29,31]，共計AIS 患者239 例。各研究間異質性較大(I2=59%,P=0.02)，采用隨機效應模型。結果顯示，靜態站姿中AIS 患者足底壓力中心橢圓面積大于正常對照組(ES=0.69,95%CI 0.35～1.02,P＜0.001)，證據水平有限。見圖7。

圖7 兩組靜態站姿中足底壓力中心橢圓面積比較

2.3.2.2 靜態站姿中足底壓力中心前后向轉移速度

共納入4 項橫斷面研究[19-21,27]，共計AIS 患者112例。各研究間異質性較小(I2=0%,P=0.41)，采用固定效應模型。結果顯示，靜態站姿中AIS 患者足底壓力中心前后向轉移速度大于正常對照組(ES=0.59,95%CI 0.29～0.89,P＜0.001)，證據水平有限。見圖8。

圖8 兩組靜態站姿中足底壓力中心前后向轉移速度比較

2.3.2.3 靜態站姿中足底壓力中心內外向轉移速度

共納入3 項橫斷面研究[19-20,27]，共計AIS 患者84例。各研究間異質性較小(I2=0%,P=0.62)，采用固定效應模型。結果顯示，靜態站姿中AIS 患者足底壓力中心內外向轉移速度大于正常對照組(ES=0.47,95%CI 0.12～0.83,P＜0.05)，證據水平有限。見圖9。

圖9 兩組靜態站姿中足底壓力中心內外向轉移速度比較

2.3.2.4 步態中膝關節伸展力矩

共納入2 項橫斷面研究[28,30]，共計AIS 患者21 例。根據AIS 患者脊柱的凸側與凹側，將膝關節伸展力矩細分為脊柱凸側膝關節伸展力矩和脊柱凹側膝關節伸展力矩組，對照組均為健康青少年(左右側膝關節伸展力矩取平均)。結果顯示，AIS 患者脊柱凸側膝關節伸展力矩、脊柱凹側膝關節伸展力矩均小于正常對照組。因納入文獻較少，未進行Meta分析。

2.3.2.5 步態中踝關節跖屈力矩

共納入2 項橫斷面研究[28,30]，共計AIS 患者21 例。根據AIS 患者脊柱的凸側與凹側，將踝關節跖屈力矩細分為脊柱凸側踝關節跖屈力矩、脊柱凹側踝關節跖屈力矩，對照組均為健康青少年(左右側踝關節跖屈力矩取平均)。結果顯示，AIS 患者脊柱凸側踝關節跖屈力矩和脊柱凹側踝關節跖屈力矩均小于正常對照組。因納入文獻較少，未進行Meta分析。

2.3.3 肌電圖指標

肌電圖指標主要包括步態中臀中肌、腰方肌和豎脊肌肌電活動持續時間共3 個指標。共納入3 項橫斷面研究[16,18,34]，共計AIS 患者66 例。其中，臀中肌肌電活動持續時間所納入的研究間異質性較大(I2=77%,P=0.01)，采用隨機效應模型；腰方肌和豎脊肌肌電活動持續時間所納入研究間異質性小，均采用固定效應模型。結果顯示，AIS 患者臀中肌肌電活動持續時間大于正常對照組(ES=1.21,95%CI 0.23～2.18,P=0.02)，證據等級為存在爭議；腰方肌肌電活動持續時間(ES=1.13,95%CI 0.68～1.57,P＜0.001)和豎脊肌肌電活動持續時間(ES=1.20,95%CI 0.75～1.65,P＜0.001)均大于正常對照組，證據水平中等。見圖10～圖12。

圖10 兩組步態中臀中肌肌電活動持續時間比較

圖11 兩組腰方肌肌電活動持續時間比較

圖12 兩組豎脊肌肌電活動持續時間比較

3 討論

生物力學分析對于理解特發性脊柱側凸的病因及發病機制具有重要的價值和意義[35-36]，尤其對于處在生長加速期的青少年群體，他們站立及步行時脊柱與下肢異常的生物力學變化，常被視為誘發AIS 疾病進展的重要因素[37]。目前，國內外已有不少學者圍繞AIS 患者靜態姿勢穩定性、步態特征參數開展研究。然而，由于受到脊柱側凸的嚴重程度、側凸曲線類型、性別等多因素的影響，AIS 患者的生物力學特征復雜多樣，各研究結果間仍存在爭議。尚缺乏一致的證據證明脊柱側凸對時空參數及運動學參數特征方面的影響[38]。

本研究從循證醫學角度，共納入23 篇文獻進行Meta 分析，并根據Van Tulder 等[11]的建議，對證據質量水平進行評級。結果顯示，與正常對照組相比，AIS 患者在靜態站立與步行時的生物力學差異在時空特征、運動力學特征與肌電信號特征三個方面均有所體現，相關指標的證據質量強度為有限到中等水平。

3.1 靜態站立時的生物力學差異

靜態站立姿勢常用于軀干姿態對稱性的觀察與姿勢穩定性的評估。脊柱節段的側凸畸形會直接導致患者在靜態站姿下表現出骨盆扭轉傾斜、軀干不對稱姿態等異常特征[39]；并且，隨著脊柱側凸嚴重程度的進展，骨盆與軀干不對稱程度將進一步惡化[19]，進而干擾患者靜態站立的平衡與穩定性。然而，Mahaudens等[16]和Stylianides 等[21]的研究顯示，靜態站立期間，AIS 患者與正常人群的骨盆位置在空間特征上并無差異；且脊柱側凸嚴重程度指標(Cobb 角度的大小)與任何身體姿態參數均無統計學相關性[13]。與此同時，各研究對AIS 患者姿勢穩定性控制能力也缺乏一致性的評 價。Beaulieu 等[40]和Dalleau 等[41]發現，AIS 患者在內外向與前后向的COP擺動范圍、擺動面積、擺動路徑長度均增大；與之相反，Gauchard 等[42]認為，脊柱彎曲程度更嚴重的患者其姿勢擺動幅度減?。蝗欢?，Byl等[43]指出，AIS患者和正常對照組間的靜態平衡測試結果沒有差異。

本研究顯示，尚缺乏有效的證據水平證明AIS 患者骨盆冠狀面傾斜程度與正常對照組間存在差異；有限水平的證據表明，AIS 患者的足底壓力中心的橢圓面積、轉移速度(前后向和側向)增大，提示患者靜態站立的穩定性降低。

根據Mahaudens 等[16]的觀點，X 射線測量顯示AIS 患者骨盆冠狀面具有結構性傾斜，而運動學測量顯示其骨盆位置與正常人無差異；這種情況可以解釋為脊柱側凸的功能性代償機制，即在視覺及本體感覺作用下，患者會維持骨盆處于功能性水平位置，通過重心轉移、肌肉收縮等方式以彌補脊柱與骨盆的結構性傾斜。本研究支持上述觀點，并認為AIS 患者平衡參數異常是脊柱三維畸形的繼發結果，而這種通過肌肉持續性收縮以維持平衡的代償機制，又會進一步加劇脊柱側凸疾病的發展。然而也有研究認為，AIS 患者視覺及本體感覺功能病變是脊柱側凸的病因[44]。對此目前尚無定論，但可以明確的是，多種因素聯合作用影響AIS 患者的感覺輸入，患者神經中樞會出現與正常人不同的平衡決策，以盡力維持軀干的功能性平衡。

總而言之，靜態姿勢的穩定性控制能力與脊柱側凸疾病密切相關，提示我們在臨床評估中不應忽視對AIS 患者靜態平衡能力的評估；并且，根據Modi等[45]提出的調整脊柱平衡機制，建議對生長加速期的青少年兒童與AIS 患者，進行與恢復脊柱平衡相關的康復鍛煉與治療，以預防和控制脊柱側凸疾病的發生及進展。

3.2 步態中的生物力學差異

靜態姿勢穩定性控制體現患者的靜態平衡反應能力，步態評估則體現患者的動態平衡反應能力。步態評估主要包括時間-空間參數特征(如步長、步速、步頻、軀干及肢體在空間的活動范圍、速度、加速度等)、動力學參數(如地面反作用力、下肢關節各力矩的大小、足底壓力分布等)以及肌電活動參數。脊柱側凸患者與健康同齡人的步態模式存在一定差異，主要體現為：步長縮短、步速減慢、步頻降低、下肢關節活動范圍與力矩減小、肌電信號異常、肌肉機械效率降低[46-48]。然而，Yazdani 等[49]認為AIS 患者的時空學參數與正常對照組間無顯著性差異；Nadi 等[28]發現，脊柱側凸對步態的運動學與動力學特征均無顯著影響，患者脊柱凸側與凹側間也無特征差異。產生以上爭議的原因可能與分組標準較為寬泛、各研究納入的患者側彎程度及部位不同有關。

針對以上問題，本研究對部分指標進一步亞組分析，結果顯示，缺乏有效證據證明AIS 患者的步速、步長與正常對照組間的總體差異；據亞組分析的結果，AIS 患者脊柱凹側的步長減小，其證據質量強度為有限水平，提示不同體側對結果有一定的影響；部分有限水平的證據表明，AIS 患者膝關節、踝關節矢狀面活動度減??；部分中等質量的證據表明，AIS 患者豎脊肌與腰方肌肌電活動持續時間延長；然而，由于臀中肌肌電活動持續時間這一指標的異質性較大，其證據質量等級為“存在爭議”。

Allam 等[50]指出，盡管脊柱側凸畸形主要發生在脊柱冠狀面，但步行時，在患者足跟觸地的瞬間，其雙下肢也會出現矢狀面姿勢的調整，同時關節負荷也會發生相關變化。Güth 等[51-52]比較AIS 患者和先天性脊柱側凸患者，發現豎脊肌肌電活動持續時間延長。理論上，在正常情況下，豎脊肌和腰方肌在步行中負責穩定脊柱和骨盆，在承重反應期為軀干上部向前旋轉提供拮抗力，同時也為對側骨盆與脊柱提供減速力[53]；而脊柱側凸患者肌電活動的異常變化，會引起腰椎與骨盆活動僵硬，繼而身體重心位置發生改變，導致步態中的“倒鐘擺式”運動機制[54]失效，并伴隨一系列的步態特征改變。本研究結果支持以上觀點，并發現脊柱的側凸畸形對步態中時空運動學特征、力學特征以及肌電圖參數特征均有一定程度的影響，同時這些生物力學變化可能與AIS 疾病的病因及發病機制有關。因此，在臨床實踐中，建議臨床醫師結合患者的病情，考慮并分析患者異常的步態模式對脊柱側凸疾病的影響，進而為康復治療提供指導。

3.3 局限性及展望

從證據質量強度的評價來看，本研究部分指標特征的證據質量不高，可能是由于各研究間存在高度的異質性。首先，脊柱側凸類型復雜，各研究所納入的患者的病情存在一定差異。其次，很多研究指標并未按照脊柱側凸的嚴重程度、側凸體側進行細分。因此，各研究對AIS 的描述及分類缺乏統一性是異質性的重要來源，未來的研究需采用標準的脊柱側凸分類系統。

本研究還存在一定的局限性：①納入文獻數量有限，部分研究的樣本量較??；②納入研究為橫斷面研究，選擇、測量偏倚不可避免；③多數研究未采用評定者設盲，存在一定的盲法偏倚；④由于結局指標所納入的研究均不足10篇，未進行發表偏倚檢驗。

綜上所述，AIS 患者在靜態站立與步行時具有特征性的生物力學變化，主要體現為：靜態站立時，AIS患者的足底壓力中心的橢圓面積、轉移速度(前后向和側向)增大；步行過程中，AIS 患者脊柱凹側的步長減小，膝關節和踝關節矢狀面活動度減小，膝關節伸展力矩及踝關節跖屈力矩降低，豎脊肌與腰方肌肌電活動持續時間的延長。生物力學分析是一種客觀、量化、功能性的評估方法，將其用于指導并制定個性化的脊柱側凸康復方案，對于科學研究和臨床實踐均有十分重要的指導意義。本研究僅將AIS 患者與正常對照組進行比較。未來還需更多的研究，細化并分析脊柱側凸不同類型間的生物力學差異。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。