青少年特发性脊柱侧弯患者的三维步态特征研究

宋云雅,郭锦丽,曹策

(1.山西医科大学,山西 太原 030000;2.山西医科大学第二医院骨科,山西 太原 030001)

青少年特发性脊柱侧弯症(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)是指原因未明的青少年脊柱侧弯,AIS发病率高达2%～4%,常见于10～18岁的青少年,男性及女性发病比例约为1∶8[1-2],表现在生物力学方面为患者运动失衡和步态障碍等异常[3]。步态分析是采用电子传感器、红外光电系统等设备测量双下肢静态站立及动态行走时的时空参数,可动态检查单个或多个关节中心在运动周期不同时相的三维空间的活动角度变化[4]。步态分析作为直观描述步行过程中肢体运动的量化检查与分析手段,为临床评定下肢功能状态提供了更加客观的依据[5]。目前步态分析在临床骨科[6]、矫形器研发[7]、康复效果评估[8]、体育运动学、人机智能工程等领域应用广泛[9-10],然而少有文献报道对不同侧弯方向的AIS患者在静止站立状态下的平衡性和动态行走状态下的步态运动学变化。本研究通过分析不同侧弯方向的AIS患者在静态站立和动态行走期间的步态变化,有助于AIS患者的管理以及为患者的行为功能评估和康复治疗效果提供步态数据支持。

1研究对象与方法

1.1 研究对象

1.1 AIS的纳入标准及排除标准 纳入标准：(1)符合国际脊柱外科学会关于AIS的诊断标准[11];(2)年龄10～18岁;(3)患者脊柱弯曲相似,包括胸右腰左的双弯、胸右或者腰左的单弯;(4)双下肢长度差<1 cm;(5)下肢及足部无明显畸形;(6)未接受过脊柱侧弯相关治疗;(7)能理解并遵从指令独立步行。排除标准：(1)脊柱侧弯严重,主弯Cobb角度>45 °,双下肢长度差>1 cm,非特发性脊柱侧弯;(2)神经、肌肉、骨骼及精神等异常患病史者;(3)有生长发育障碍及肌肉骨骼外伤史者;(4)患者及监护人不同意或者无法配合完成步态分析评估者。

1.2 健康组纳入标准 (1)年龄10～18岁,性别不限;(2)生长发育正常,无手术史、创伤史及其他影响运动功能的疾病者;(3)能理解并遵从指令独立步行者。

1.3 一般资料 选取2021年5月到2021年9月于山西医科大学第二医院脊柱病区首次确诊的10～18岁的胸腰段AIS患者30例,以脊柱侧弯主弯方向的不同分为三组：左侧弯组9例,右侧弯组10例,“S”型侧弯组11例;另招募10～18岁健康对照组10例。各组受试者年龄、性别、体重、身高等一般资料差异无统计学意义(P>0.05,见表1)。该研究已获得山西医科大学第二医院伦理委员会审核批准(202000860),受试者或者其监护人已签署知情同意书。

表1 四组一般资料比较

1.2 方法

1.2.1 资料收集方法 通过调查者测量获得患者一般资料(性别、年龄、身高和体重),由一名主任医师观察脊柱正位全长X线片上的侧弯,根据侧弯方向AIS患者分为左侧弯、右侧弯、“S”型侧弯。

1.2.2 步态参数测量方法 (1)步态分析仪型号及注意事项。步态压力分布平板测试系统型号：footscan 2 m HE;生产厂家：Rsscan Internetional。三维动态关节运动捕捉系统型号：codamotion 2CX1;生产厂家：Charnwood dynamics limited。footscan压力传感器置于平整、硬质地面处,为了防止受试者行走时不自然,在传感器表面铺置一层极薄、无弹性布。在测力板前续接2 m,后续接1 m硬质泡沫垫,提供缓冲区,提高结果准确性。两个三维动态关节运动捕捉摄像头连线与footscan压力传感器长轴垂直,且距离达6 m。保证检查室环境光线均匀,避免过强光线对检查结果的干扰。按照说明要求对仪器分别进行校准。(2)受试者准备。事先告知受试者检查目的及注意事项。受试者赤足,充分暴露双下肢和腰部并佩戴相关检查套件。体表骨骼标志点标定,双侧的髂前上嵴、股骨内外侧髁、内外踝标定,从而确定骨盆及双下肢的三维空间位置。(3)步态数据采集。每位受试者检查前先适应性行走5～10次,消除其紧张情绪,尽量保证受试者以自然、真实的步态通过测试区域。每位检查者重复采集3次完整步态,步态指标数据采用3次记录的平均值。

1.3 主要观察指标

1.3.1 静态站立负重参数 测量四组研究对象在静态站立状态下的双足负重情况。观察不同侧弯方向AIS患者与健康青少年的身体平衡情况,为缩小误差,减少个体差异的影响,平衡性步态指标(静态站立负重、动态行走负重)采用比值率的形式(左足：右足),正常理论数值为“1”(如比值率>1,则说明左足负重>右足)。其中静态站立负重直接采用体重的%表示。

1.3.2 时空参数 测量四组受试者在自然行走状态时的负重、步速、步长、步频、步宽、步行周期、支撑相所占步态周期百分比。

1.3.3 运动学参数 测量四组受试者在自然行走状态时的两侧髋、膝、踝关节的活动范围,可反映下肢关节的运动能力。

2 结 果

2.1 静态站立负重及动态平衡性分析 四组受试者静态足底负重差异均有统计学意义(P<0.05,见表2),其中左侧弯组的左足负重大于右足,右侧弯组的右足负重大于左足,“S”型侧弯组和对照组负重趋于平衡。比较四组AIS患者负重动态平衡性发现,左侧弯组和“S”型侧弯组在两种状态下的足底压力负重比值率均>1(见表3)。

表2 四组静态站立时足底负重分布情况

表3 四组AIS患者负重平衡性比较结果

2.2 步态分析参数

2.2.1 时空参数 分析各组受试者在自然行走状态下的步速、步长、步频、步宽、步行周期、总支撑相所占步态周期百分比发现,四组AIS患者的步长差异有统计学意义(P<0.05,见表4)。

表4 四组AIS患者步态时空参数比较

2.2.2 运动学参数 通过分析四组AIS患者在自然行走状态下两侧关节活动范围发现,右侧弯组两侧髋、膝、踝关节比较差异有统计学意义(P<0.05,见表5)。

表5 四组髋、膝、踝关节两侧关节活动范围比较

3 讨 论

AIS是一种复杂的三维畸形,主要表现为椎体、胸部畸形、躯干外形不对称,会引起患者头、肩、躯干、骨盆在三维平面上的姿势发生改变,加重患者的平衡功能障碍[12]。静态站立时双侧足底压力所占百分比可反映身体负重平衡性及脊柱的对称性,动态行走时的平衡是人体在受到外力作用或处于运动状态时维持稳定姿势、防止跌倒的能力[13-14]。

青春期是骨量持续增加的发展时期,研究表明AIS会造成低骨量,最终引发骨强度和骨量峰值的下降[15]。正常步态是在神经、骨骼、肌肉等系统动态协调下形成的。脊柱是参与维持平衡状态的重要结构,而AIS会显著影响脊柱的灵活性,使脊柱发生侧偏移,引起身体重心的改变,从而破坏患者的身体平衡性[16]。Haddas等[17]和朱飞龙等[18]研究发现AIS患者的侧弯足底压力大于对侧,“S”型侧弯患者静态站立时双足底压力对称性优于单向侧弯患者的双足底压力。本研究中左、右侧弯组静态站立时侧弯足压力大于对侧,“S”型侧弯组的两侧足底压力对比并不明显,趋于平衡状态;而动态行走时三个侧弯组的两侧足压力均趋于平衡状态(比值率≈1),提示患者静态站立时重心偏向侧弯,使同侧足负重增加,动态行走时身体反而趋向于平衡。Struber等[19]研究发现,AIS患者静态站立时存在不平衡,这种不平衡与弯曲方向有关,自然行走时躯干相对于骨盆向凹侧旋转,补偿机制使患者身体在动态行走时趋于平衡。Caan等[20]通过观察36例Cobb角在25 °～45 °之间的特发性“S”型脊柱侧凸的患者发现,脊柱侧凸曲线对姿势稳定性有重要影响,骨盆会反向偏移来补偿脊柱弯曲侧的干扰,站立位时“S”型侧弯对脊柱的代偿作用可使身体趋于平衡稳定。因此不同侧弯方向的AIS患者在静态站立负重各不相同,“S”型侧弯患者的平衡性优于左、右侧弯组患者。

躯干是身体最大的部分,约占身体重量的50%,变形的脊柱曲线会引起躯干和身体质量分布的改变,最终影响自身运动,尤其是骨盆[21]。人体关节相互影响,当关节处于不稳定状态时,身体会代偿性通过躯干力量纠正,促进不良体态的形成,使患者双下肢负重受力不平衡,整体重心发生偏移,运动轨迹也会存在较大偏移[22]。AIS患者在步行时由于受到视觉、前庭觉、躯体本体感觉的影响,常表现出运动学异常特征[23]。比利时研究团队发现,脊柱侧凸严重程度与步长相关,AIS患者步长明显减小[24]。本研究中不同弯曲方向的AIS患者与对照组相比步长均减少。AIS患者的时空特点与侧弯方向之间的关系仍需进一步研究。

研究发现,运动状态下AIS患者侧凸节段的脊柱比其他节段存在更高的载荷积累[25],同时AIS患者从踝关节到膝关节和髋关节的能量成本逐渐增加[26],这就要求AIS患者比健康受试者付出更多的能量来进行习惯性运动。Garg等发现由于运动和身体姿势相关的生物力学在方向上产生不对称,使脊柱畸形僵硬或腰椎和骨盆等肌肉的双侧激活时间延长,AIS患者行走时肩部、骨盆、髋关节[27]、膝关节、踝关节矢状面运动均减少[28],提示AIS患者两侧髋关节、膝关节、踝关节活动范围减少与脊柱僵硬变形及不对称的肌肉活动有关。脊柱结构畸形会影响骨盆的结构,进而影响髋部运动。Syczewska等[29]通过比较身体两侧之间的步态参数发现,AIS右侧畸形对髋关节影响更为明显,活动范围较小。本研究中右侧弯组AIS患者行走时,髋关节活动范围差异明显,可能与纳入右侧弯的严重程度有关,而侧弯方向对膝关节和踝关节的运动范围差异无统计学意义。目前已有研究表明髋、膝、踝关节活动度等步态参数异常与脊柱侧弯严重程度有关[20],而由于同主题研究缺少,不同侧弯方向AIS对患者运动学参数的影响仍需要从更多数据研究中进一步证实。

本研究通过使用步态分析发现,不同侧弯方向的AIS患者静态站立负重及平衡性、步态分析时空参数、运动学参数差异均有统计学意义,为AIS患者的步态功能评估和康复治疗效果提供步态数据支持。由于本研究纳入患者侧弯角度仅限于<45 °,难以全面分析到不同角度AIS患者的运动特点;虽然观察到的差异有统计学意义,但样本量不足,无法根据不同侧弯分组进行更细化的研究;骨盆、椎旁肌肉组织等对脊柱的受力和步态特性具有一定影响,未来应扩大样本量,考虑更多的影响因素,提高结果的可参考性和普遍性。