青少年特發性脊柱側彎患者的三維步態特征研究

宋云雅,郭錦麗,曹策

(1.山西醫科大學,山西 太原 030000;2.山西醫科大學第二醫院骨科,山西 太原 030001)

青少年特發性脊柱側彎癥(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)是指原因未明的青少年脊柱側彎,AIS發病率高達2%～4%,常見于10～18歲的青少年,男性及女性發病比例約為1∶8[1-2],表現在生物力學方面為患者運動失衡和步態障礙等異常[3]。步態分析是采用電子傳感器、紅外光電系統等設備測量雙下肢靜態站立及動態行走時的時空參數,可動態檢查單個或多個關節中心在運動周期不同時相的三維空間的活動角度變化[4]。步態分析作為直觀描述步行過程中肢體運動的量化檢查與分析手段,為臨床評定下肢功能狀態提供了更加客觀的依據[5]。目前步態分析在臨床骨科[6]、矯形器研發[7]、康復效果評估[8]、體育運動學、人機智能工程等領域應用廣泛[9-10],然而少有文獻報道對不同側彎方向的AIS患者在靜止站立狀態下的平衡性和動態行走狀態下的步態運動學變化。本研究通過分析不同側彎方向的AIS患者在靜態站立和動態行走期間的步態變化,有助于AIS患者的管理以及為患者的行為功能評估和康復治療效果提供步態數據支持。

1研究對象與方法

1.1 研究對象

1.1 AIS的納入標準及排除標準 納入標準：(1)符合國際脊柱外科學會關于AIS的診斷標準[11];(2)年齡10～18歲;(3)患者脊柱彎曲相似,包括胸右腰左的雙彎、胸右或者腰左的單彎;(4)雙下肢長度差<1 cm;(5)下肢及足部無明顯畸形;(6)未接受過脊柱側彎相關治療;(7)能理解并遵從指令獨立步行。排除標準：(1)脊柱側彎嚴重,主彎Cobb角度>45 °,雙下肢長度差>1 cm,非特發性脊柱側彎;(2)神經、肌肉、骨骼及精神等異常患病史者;(3)有生長發育障礙及肌肉骨骼外傷史者;(4)患者及監護人不同意或者無法配合完成步態分析評估者。

1.2 健康組納入標準 (1)年齡10～18歲,性別不限;(2)生長發育正常,無手術史、創傷史及其他影響運動功能的疾病者;(3)能理解并遵從指令獨立步行者。

1.3 一般資料 選取2021年5月到2021年9月于山西醫科大學第二醫院脊柱病區首次確診的10～18歲的胸腰段AIS患者30例,以脊柱側彎主彎方向的不同分為三組：左側彎組9例,右側彎組10例,“S”型側彎組11例;另招募10～18歲健康對照組10例。各組受試者年齡、性別、體重、身高等一般資料差異無統計學意義(P>0.05,見表1)。該研究已獲得山西醫科大學第二醫院倫理委員會審核批準(202000860),受試者或者其監護人已簽署知情同意書。

表1 四組一般資料比較

1.2 方法

1.2.1 資料收集方法 通過調查者測量獲得患者一般資料(性別、年齡、身高和體重),由一名主任醫師觀察脊柱正位全長X線片上的側彎,根據側彎方向AIS患者分為左側彎、右側彎、“S”型側彎。

1.2.2 步態參數測量方法 (1)步態分析儀型號及注意事項。步態壓力分布平板測試系統型號：footscan 2 m HE;生產廠家：Rsscan Internetional。三維動態關節運動捕捉系統型號：codamotion 2CX1;生產廠家：Charnwood dynamics limited。footscan壓力傳感器置于平整、硬質地面處,為了防止受試者行走時不自然,在傳感器表面鋪置一層極薄、無彈性布。在測力板前續接2 m,后續接1 m硬質泡沫墊,提供緩沖區,提高結果準確性。兩個三維動態關節運動捕捉攝像頭連線與footscan壓力傳感器長軸垂直,且距離達6 m。保證檢查室環境光線均勻,避免過強光線對檢查結果的干擾。按照說明要求對儀器分別進行校準。(2)受試者準備。事先告知受試者檢查目的及注意事項。受試者赤足,充分暴露雙下肢和腰部并佩戴相關檢查套件。體表骨骼標志點標定,雙側的髂前上嵴、股骨內外側髁、內外踝標定,從而確定骨盆及雙下肢的三維空間位置。(3)步態數據采集。每位受試者檢查前先適應性行走5～10次,消除其緊張情緒,盡量保證受試者以自然、真實的步態通過測試區域。每位檢查者重復采集3次完整步態,步態指標數據采用3次記錄的平均值。

1.3 主要觀察指標

1.3.1 靜態站立負重參數 測量四組研究對象在靜態站立狀態下的雙足負重情況。觀察不同側彎方向AIS患者與健康青少年的身體平衡情況,為縮小誤差,減少個體差異的影響,平衡性步態指標(靜態站立負重、動態行走負重)采用比值率的形式(左足：右足),正常理論數值為“1”(如比值率>1,則說明左足負重>右足)。其中靜態站立負重直接采用體重的%表示。

1.3.2 時空參數 測量四組受試者在自然行走狀態時的負重、步速、步長、步頻、步寬、步行周期、支撐相所占步態周期百分比。

1.3.3 運動學參數 測量四組受試者在自然行走狀態時的兩側髖、膝、踝關節的活動范圍,可反映下肢關節的運動能力。

2 結 果

2.1 靜態站立負重及動態平衡性分析 四組受試者靜態足底負重差異均有統計學意義(P<0.05,見表2),其中左側彎組的左足負重大于右足,右側彎組的右足負重大于左足,“S”型側彎組和對照組負重趨于平衡。比較四組AIS患者負重動態平衡性發現,左側彎組和“S”型側彎組在兩種狀態下的足底壓力負重比值率均>1(見表3)。

表2 四組靜態站立時足底負重分布情況

表3 四組AIS患者負重平衡性比較結果

2.2 步態分析參數

2.2.1 時空參數 分析各組受試者在自然行走狀態下的步速、步長、步頻、步寬、步行周期、總支撐相所占步態周期百分比發現,四組AIS患者的步長差異有統計學意義(P<0.05,見表4)。

表4 四組AIS患者步態時空參數比較

2.2.2 運動學參數 通過分析四組AIS患者在自然行走狀態下兩側關節活動范圍發現,右側彎組兩側髖、膝、踝關節比較差異有統計學意義(P<0.05,見表5)。

表5 四組髖、膝、踝關節兩側關節活動范圍比較

3 討 論

AIS是一種復雜的三維畸形,主要表現為椎體、胸部畸形、軀干外形不對稱,會引起患者頭、肩、軀干、骨盆在三維平面上的姿勢發生改變,加重患者的平衡功能障礙[12]。靜態站立時雙側足底壓力所占百分比可反映身體負重平衡性及脊柱的對稱性,動態行走時的平衡是人體在受到外力作用或處于運動狀態時維持穩定姿勢、防止跌倒的能力[13-14]。

青春期是骨量持續增加的發展時期,研究表明AIS會造成低骨量,最終引發骨強度和骨量峰值的下降[15]。正常步態是在神經、骨骼、肌肉等系統動態協調下形成的。脊柱是參與維持平衡狀態的重要結構,而AIS會顯著影響脊柱的靈活性,使脊柱發生側偏移,引起身體重心的改變,從而破壞患者的身體平衡性[16]。Haddas等[17]和朱飛龍等[18]研究發現AIS患者的側彎足底壓力大于對側,“S”型側彎患者靜態站立時雙足底壓力對稱性優于單向側彎患者的雙足底壓力。本研究中左、右側彎組靜態站立時側彎足壓力大于對側,“S”型側彎組的兩側足底壓力對比并不明顯,趨于平衡狀態;而動態行走時三個側彎組的兩側足壓力均趨于平衡狀態(比值率≈1),提示患者靜態站立時重心偏向側彎,使同側足負重增加,動態行走時身體反而趨向于平衡。Struber等[19]研究發現,AIS患者靜態站立時存在不平衡,這種不平衡與彎曲方向有關,自然行走時軀干相對于骨盆向凹側旋轉,補償機制使患者身體在動態行走時趨于平衡。Caan等[20]通過觀察36例Cobb角在25 °～45 °之間的特發性“S”型脊柱側凸的患者發現,脊柱側凸曲線對姿勢穩定性有重要影響,骨盆會反向偏移來補償脊柱彎曲側的干擾,站立位時“S”型側彎對脊柱的代償作用可使身體趨于平衡穩定。因此不同側彎方向的AIS患者在靜態站立負重各不相同,“S”型側彎患者的平衡性優于左、右側彎組患者。

軀干是身體最大的部分,約占身體重量的50%,變形的脊柱曲線會引起軀干和身體質量分布的改變,最終影響自身運動,尤其是骨盆[21]。人體關節相互影響,當關節處于不穩定狀態時,身體會代償性通過軀干力量糾正,促進不良體態的形成,使患者雙下肢負重受力不平衡,整體重心發生偏移,運動軌跡也會存在較大偏移[22]。AIS患者在步行時由于受到視覺、前庭覺、軀體本體感覺的影響,常表現出運動學異常特征[23]。比利時研究團隊發現,脊柱側凸嚴重程度與步長相關,AIS患者步長明顯減小[24]。本研究中不同彎曲方向的AIS患者與對照組相比步長均減少。AIS患者的時空特點與側彎方向之間的關系仍需進一步研究。

研究發現,運動狀態下AIS患者側凸節段的脊柱比其他節段存在更高的載荷積累[25],同時AIS患者從踝關節到膝關節和髖關節的能量成本逐漸增加[26],這就要求AIS患者比健康受試者付出更多的能量來進行習慣性運動。Garg等發現由于運動和身體姿勢相關的生物力學在方向上產生不對稱,使脊柱畸形僵硬或腰椎和骨盆等肌肉的雙側激活時間延長,AIS患者行走時肩部、骨盆、髖關節[27]、膝關節、踝關節矢狀面運動均減少[28],提示AIS患者兩側髖關節、膝關節、踝關節活動范圍減少與脊柱僵硬變形及不對稱的肌肉活動有關。脊柱結構畸形會影響骨盆的結構,進而影響髖部運動。Syczewska等[29]通過比較身體兩側之間的步態參數發現,AIS右側畸形對髖關節影響更為明顯,活動范圍較小。本研究中右側彎組AIS患者行走時,髖關節活動范圍差異明顯,可能與納入右側彎的嚴重程度有關,而側彎方向對膝關節和踝關節的運動范圍差異無統計學意義。目前已有研究表明髖、膝、踝關節活動度等步態參數異常與脊柱側彎嚴重程度有關[20],而由于同主題研究缺少,不同側彎方向AIS對患者運動學參數的影響仍需要從更多數據研究中進一步證實。

本研究通過使用步態分析發現,不同側彎方向的AIS患者靜態站立負重及平衡性、步態分析時空參數、運動學參數差異均有統計學意義,為AIS患者的步態功能評估和康復治療效果提供步態數據支持。由于本研究納入患者側彎角度僅限于<45 °,難以全面分析到不同角度AIS患者的運動特點;雖然觀察到的差異有統計學意義,但樣本量不足,無法根據不同側彎分組進行更細化的研究;骨盆、椎旁肌肉組織等對脊柱的受力和步態特性具有一定影響,未來應擴大樣本量,考慮更多的影響因素,提高結果的可參考性和普遍性。