双重任务和步行速度对慢性踝关节不稳患者步态变异性的影响

马阳，董卫东，丁俊杰，管英杰

(延安市人民医院骨科四病区，陕西 延安 716000)

作为人体的主要负重关节，踝关节的稳定性对人体的运动功能具有重要意义，然而在运动中，无论是创伤性还是过度疲劳所致的踝关节损伤在人群中都很常见[1]。一般认为多次反复的踝关节损伤后逐渐发生局部疼痛、控制力和本体感觉能力减弱，称为慢性踝关节不稳(chronic ankle instability，CAI)[2]。这些症状的原因和反复发作的踝关节扭伤的频率尚不完全清楚。

近年来的研究表明，中枢运动神经整合的缺陷可使CAI患者运动控制力受损[3]。Ghanavati等[4]评估CAI患者和健康人群的单肢姿势控制(overall stability index，OSI)和肩部位置感(absolute error score，AES)之间的相关性后发现，仅在健康人群中观察到下上肢之间的OSI和AES的相关性，提示了CAI患者存在中枢运动神经整合改变。随后有研究认为CAI患者步态改变主要是由受损的中枢神经系统导致的。步态分析是在人体行走时对肢体和关节活动进行运动学观察和动力学分析。研究表明，行走速度对关节协调模式和步态变异度具有显著的影响[5]。在不同速度行走的情况下评估步态的变异性可用来检测中枢神经系统在控制步态方面的灵活性。基于对许多日常活动的认识，甚至是需要注意和认知能力完整的运动控制系统活动，双重任务模式已经被用来观察对姿势控制和步态注意力的需求。双重任务是指在进行行走步态测试的过程中，同时对受试者的认知功能进行测试。与健康受试者相比，认知任务的表现已经显示出CAI患者姿势控制力的弱化[6]。但以往的研究并未探讨认知任务和步行速度对受试者步态表现的影响。因此本研究主要比较双重任务和步行速度对CAI患者步态变异性的影响。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象 本研究纳入了2015年1月至2016年9月期间我科收治的16例CAI患者，同时招募了16例与踝关节手术患者的年龄及性别匹配、体格健全的健康志愿者参与本研究作为健康对照组。CAI入组标准：a)踝关节反复扭伤3次以上；b)在不平的路面上行走有主观不稳感；c)最近的一次踝关节损伤发生在入组前6周以上；d)踝关节不稳问卷(ankle instability instrument，AII)中至少5个阳性反应；e)能够耐受损伤下肢的负重且无明显不适感。CAI患者的排除标准包括有：a)伴随性损伤，包括骨损伤或明显的肌肉/肌腱损伤；b)既往的踝关节手术史；c)下肢其他病理状况或手术史；d)神经性或前庭功能障碍导致的平衡障碍。对照组入选标准：a)无踝关节扭伤史，MRI显示无前距腓韧带(auterjor tolofitular ligament，ATFL)和跟腓韧带(culeaneofibular ligament，CFL)损伤；b)之前无踝关节或同侧下肢其他关节手术史；c)不存在踝关节周围其他关节或骨骼的畸形如扁平足、高弓足、足跟内翻、胫骨平台内翻等；d)既往无踝关节骨折史；e)没有慢性疾病(如多发性硬化症、中风、帕金森氏病、类风湿性关节炎、Ⅱ型糖尿病)或视觉、前庭障碍等影响步态平衡的疾病。

1.2 步态测试 对受试者在跑步机上的四种不同的步行条件下的行走步态进行评价：自定步速、双重任务自定行走、快速行走和双重任务快速行走。其中在自定步速条件下，受试者以个人日常的步行速度进行行走；而在快速行走条件下，受试者以最大速度步行但尚未达到跑步速度的方式进行行走。而双重任务自定行走和双重任务快速行走模式下的行走速度分别与自定步速、快速行走模式相同。双重任务即嘱咐受试者边走边大声朗诵系列7减法，每次实验都从一个不同的三位数开始，但没有关于行走与认知任务优先级的任何指令。在开始任务前，利用休息的时间测量算术任务120 s，以检查行走对这个认知任务的影响。本研究使用的DVMC-8801三维运动捕捉步态分析系统的采样频率为60 Hz，绝对误差小于1 mm。该系统由3部分组成：分布在不同位置的8台红外线摄像机、黏贴在待测部位的光学标记点以及调控以上两部分装置同步运行并对其测量数据进行分析处理的计算机及其外围设备。首先调整步态分析主机与红外线摄像头之间的配置及测量范围。测试中患者下身穿紧身运动短裤，以保证标志点标识运动中肢体的位置，防止衣物对反光点遮挡。三维步态分析反光点定位：a)骨盆部-腰腹部：髂前上棘、骶骨(共3点)；b)髋关节：股骨大转子(共2点)；c)膝关节：股骨内外侧髁、胫骨结节及腓骨小头(共8点)；d)踝关节：内外踝尖(共4点)；e)第1跗跖关节与第2跗跖关节之间(共2点)。测试用运动平板(ECONUSA)行走区域均在红外线摄像头采集区，平板传送带面积480 mm×1 400 mm，受试者每个条件下进行2 min的试验，4个行走的条件两两之间有2 min的休息时间。以数值“100×(步幅时间的标准差/平均步幅时间)”表示步频的变异系数(stride time variability，STV)，以数值“100×(步幅长度的标准差/平均步幅长度)”表示步长的变异系数(stride length variability，SLV)。

2 结 果

2.1 入组CAI患者和健康受试者的临床资料 CAI患者和健康受试者的基本资料见表1。两组人群间的一般临床资料，如年龄、性别、身高、体重和自定步速/快速行走速度差异均没有统计学意义。CAI组上次扭伤平均时间为(21.25±16.57)周，平均脚踝不稳仪器评分为(6.81±1.38)分。

2.2 CAI组和对照组在系列7减法任务的表现 单因素方差分析显示组间或测试条件的不同没有显著影响，表明不同组在休息、自定步速和快速行走条件下的系列7减法表现相似(见表2)。

在健康对照组中，与自定步速行走模式下的STV相比，健康对照组人群的双重任务自定步速行走、快速行走及双重任务快速行走模式下的STV都降低(P值分别为0.011、0.016和0.001)。在CAI组中，与自定步速行走模式下的STV进行比较，只有双重任务快速行走模式下的STV降低(P=0.008)，但与双重任务自定步速和快速行走模式下的STV相比较，CAI组的双重任务快速行走的STV降低(P值分别为0.007和0.015)。但两组受试者在四种不同的行走模式下的SLV均差异无统计学意义。

表1 研究对象的基本特征

表2 两组受试者在系列7减法任务的表现

表3 两组受试者在每个行走的条件下步频和步长的变化比较%)

3 讨 论

作为人体的主要负重关节，踝关节的稳定性对于人体的运动功能具有重要意义。而踝关节的损伤如果得不到及时诊断和治疗，就会造成慢性踝关节不稳。本研究结果显示，尽管STV改变的程度不同，当面对有挑战性的行走条件时，两组的STV都出现显著性降低。在健康对照组中，相比较双重任务自定步速或者快速行走，正常自定步速行走的STV减少；但随着行走条件的难度增加，如双重任务快速行走，并没有进一步改变步态节律。相比之下，CAI组的正常自定步速行走、双重任务自定步速与快速行走的STV都没有显著变化，而在双重任务快速行走条件下STV显著减少。由于步态变异程度反映了中枢神经系统对行走的控制[7-8]，因此本研究结果证明了CAI患者与健康人群的中枢神经系统对行走控制的适应性存在差异。有研究表明CAI患者运动控制的改变可能与中枢神经系统的缺陷相关[9]。

在复杂的步行条件下减少的STV反映了感觉系统向更稳定的运动模式进行重适应调节，这种调节变异的应对机制可能有助于防止复杂行走任务中的损伤[10]。健康受试者可能在任务和环境的微小变化作出及时的适应性改变，而CAI患者对任务和环境变化可能会出现反应延迟或缺乏。在CAI组患者中STV的改变需要更高难度的步行条件，提示CAI患者在中枢神经系统运动模式的重组中更加困难。这可能影响CAI患者的步态平衡能力，也从一定程度上解释了CAI组患者易出现反复踝关节扭伤及相关的复发症状。因此本研究的结果表明了CAI患者由于感觉运动系统的限制而减少了对任务和环境的自发适应的能力。Mandarakas等[11]的研究表明，改变步态的机制与CAI相关，而踝关节扭伤常发生步态改变中。因此我们认为在临床上可考虑在不同步态条件下对CAI患者进行训练，如在不同的速度和双重任务下行走，以防止再次发生踝关节损伤。这种做法可以改善感觉运动系统重组运动和适应各种情况的能力。但需要注意的是，尽管平衡训练方案已被证明能改善CAI患者的踝关节功能[12]，但对改善运动功能如步态表现等，目前仍缺乏证据[13]。因此，应行更大范围的前瞻性研究来进一步证实平衡训练的临床效果。

虽然双重任务模式和步态速度的不同能够改变CAI患者的STV，但并不影响SLV，这与邓勇等[14]的研究一致。Sloot等[15]表示与控制时间相比，控制空间节奏的机制可能需要较少的中枢神经系统资源。尽管在快速行走和双重任务行走条件下，不同组间的STV减少模式不同，但自定步速条件下的STV没有变化。Swinnen等的系统综述[16]指出，简单的姿势稳定性测试，如单腿站立等，并不能对CAI患者和健康人群进行鉴别诊断。因此，在更具挑战性的行走模式下，如双重任务或快速行走，步态运动学和动力学评价可能更适合于测试有关CAI的损害。

应对挑战性的步行条件下，STV出现适应性的降低高度提示了年轻人中步行过程中在任务和环境的变化下可能将走向一个更稳定的步态调节机制。但较早前的研究在认知负荷和速度对年轻人步态变异的影响存在争议。有研究认为双重任务或快/慢步态速度增加了步态变异性[4，7]，而另有研究认为双重任务或缓慢的步行速度减少了步态变异性[3，9]，甚至部分研究认为双重任务对步态变异没有影响[5，8]。Malone等[17]认为不同研究结果之间的差异可能与不同的测量步态的方法、地面或跑步机上的不同行走介质有关，而所采用的认知任务的差异也可能与减少或增加自定步速的指导有关。但以上研究都没有对各种结果提供全面的解释，因此仍需要进一步研究以充分了解任务和环境的变化对年轻人步态机制的影响。

综上所述，本研究结果表明在具有挑战性的步行条件下CAI患者和健康对照组都做出适应性反应以降低STV。然而，CAI患者需要一个更复杂的步行条件以减小STV变异度，提示了CAI患者的感觉系统在不同步态条件下重组运动模式的能力有限。

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