慢性非特异性腰痛三维步态分析的研究现状

刘红，侯美金，黄武杰，林荣，江征

1.福建中医药大学，a.康复医学院，b.中医骨伤及运动康复教育部重点实验室，c.康复技术工程研究中心，福建福州市350000

腰痛是一种常见的肌肉骨骼疾病，发病率高达84%，且呈现逐年增多的趋势[1-2]。相关研究显示，随着生活工作环境的改变以及社会节奏的加快，腰痛的发病率在2006年～2016年期间增加18%，是导致残疾和卫生保健费用增加的主要原因[3]。国际上将腰痛分为三类[4]：特异性腰痛(specific low back pain,SLBP)、坐骨神经痛/神经根综合征(sciatica/radicular syndrome)和非特异性腰痛(nonspecific low back pain,NLBP)。其中NLBP的病因不具有特异性，如心理因素、身体活动、机械性的手工操作和感觉异常等[5]。这种类型的腰痛约占初级保健机构所见腰痛的85%，其平均发病率为每年30～35次[6]；其中18.3%～23%为慢性非特异性腰痛(chronic non-specific low back pain,CNLBP)[2,7]。CNLBP是导致与就业相关残疾的最常见原因，其长时间病假严重影响患者的生活质量和劳动能力，造成对工时和医药费的巨大浪费，给社会经济带来严重损失[8]。

近年来的研究表明，CNLBP会影响患者步态[9-10]，步态可以反映CNLBP患者肌肉骨骼的功能活动。目前三维步态分析已经被用于CNLBP的诊断、治疗和康复[11]。已有研究从时空参数、运动学参数、动力学参数和表面肌电图等方面对CNLBP患者的步态进行较为系统的研究，发现CNLBP患者在步行过程中出现髋关节和膝关节活动度下降和腰椎代偿性运动，可能的原因是肌肉的异常运动模式[9,12-15]。

1 CNLBP的三维步态分析

1.1 时空参数

相关研究显示[9,16]，与健康对照组相比，腰痛患者的步速较慢。Barzilay等[10]对比治疗前CNLBP患者与正常对照组的数据，发现最为显著的差异是步长。最新的临床研究及综述也指出[11,15]，与健康青年人相比，CNLBP患者常速行走时优势侧步长和足偏角均显著大于非优势侧，足部的偏离被认为是慢性腰痛的潜在原因[17]。然而，足部偏离与腰痛之间的因果关系尚未得到验证。

1.2 运动学参数

研究认为[18-19]，CNLBP患者在行走过程中，骨盆、髋关节和腰椎的旋转振幅较低，而胸廓旋转角的振幅与正常人相似。Laird等[20]认为，腰痛患者在髋-骨盆-腰椎区域运动速度较慢且运动范围较小，通过更多的肌肉活动来加强髋-骨盆-腰椎区域，以减少髋关节和躯干的相对运动，使疼痛慢性化[21]。同时越来越多的研究者也考虑到腰椎-骨盆间的协调模式。协调模式有两种类型：腰椎-骨盆同一方向移动为同相协调，反之为异相协调[11]。腰痛患者同相协调明显强于异相协调，且同相协调多发生在额状面[22-23]；而最近的一篇高质量研究认为矢状面上有更多的同相协调[24]。

Müller等[9]发现，CNLBP患者在平地行走时，骨盆横向旋转明显下降，着地时矢状面骨盆倾斜度保持不变；而在不平坦的地面上行走时，着地时矢状面骨盆倾斜度增加；同时还发现CNLBP患者不论是在平地还是不平坦的地面上行走时，与健康人相比，足着地时均显示膝过伸。

Bagheri等[25]在一项探讨核心稳定训练对CNLBP患者步态中躯干-骨盆运动学影响的研究中，分别干预15例CNLBP患者和15例健康人，连续6周，结果发现，在核心稳定训练之后，CNLBP患者步态期间的躯干骨盆在额状面和横截面的运动模式变异性增加，达到健康组的水平。研究者认为，在CNLBP患者的步态中，脊柱节段的运动学之间可能存在相关性，如较高的腰椎运动学变异性可能与较低的躯干-骨盆模式变异性相关。

1.3 动力学参数

步态是一项复杂的任务，需要协调各个关节的肌群活动与地面反作用力(ground reaction forces,GRF)来维持站立姿势的平衡[26]。尽管腰痛是一个多因素的问题，但是一些研究者认为力学因素是最主要的因素[27]。相关研究认为[9,11,28]，CNLBP患者在行走中的地面反作用力较小，主要原因是患者在步态过程中，自选步行速度、步幅、步长和髋关节活动度均下降。这些步态改变可能是由于患者尝试通过减少脚跟着地时的GRF、过度的肌肉活动、联合运动来减轻疼痛；或者认为本体感受反馈改变的结果；或者是认为与CNLBP相关的心理因素的影响，如焦虑、恐惧回避等，因此改变机制尚不明确[29]。

Zahraee等[28]发现，CNLBP患者在蹬地过程中，施加在双下肢的垂直力较小，且没有不对称性，这意味着力的减少同时发生在两条腿上；另外，与正常对照组施加在双下肢的力也无任何差异，同时也不存在不对称指数之间的任何差异。根据以往的研究，垂直力减少可能是一种补偿机制，以减轻腰背部疼痛。因此CNLBP患者垂直GRF降低可能是由于害怕施加推力，以及可能与髋膝的关节运动学有关。研究者认为CNLBP患者在行走期间不受任何限制，因此得出结论，力的不对称性不能成为腰痛的原因。而国内最新研究认为[15]，青年CNLBP患者在常速行走时，双侧下肢负荷比健康人更加不对称，且这种不对称超出了功能性不对称的范围。在步态表现中，诸如肢体优势、力量不平衡或肌肉激活模式等若干因素都会影响步态的对称性。

根据生物力学的观点，导致CNLBP的损伤包括步行期间的减震不足或过度足内翻和矢状面阻塞(足踝、大脚趾屈伸活动度减少)[30]引起的脊柱负荷改变。而足底压力测量是对足底压力分布的生物力学测量，用以评估由下肢动力学链中异常的生物力学引起的结构变化。相关研究显示[31]，CNLBP患者和无症状对照组在步行过程中足底的平均峰值压力均位于前脚掌外侧，然而，CNLBP患者的峰值压力分布在左右足的不同区域，且平均峰值压力分布规律与无症状对照组不一致，这种足底接触的改变可能是为了规避疼痛或补偿摆动前下肢活动受限。因此检查足底压力分布可以更好地了解改变脊柱负荷模式的异常下肢动力学，调整异常的足底压力分布以管理异常的下肢力学，并通过步态训练传递到脊柱。因此，步态分析和步态训练被认为是评价和治疗CNLBP患者的选择之一。

2 CNLBP步态过程的表面肌电分析

在功能性任务中，肌肉对整体动态稳定性发挥着重要作用。而表面肌电图(surface electromyography,sEMG)提供了一种评估肌肉反应的有效方法，如检测行走过程躯干肌肉活动的变化。sEMG记录肌肉接受的神经电信号，通过电信号的振幅、激活时间等在一定程度上反映肌肉的活动状态。

在一项对比无症状老年人和老年CNLBP患者以自选步速在平地行走时腹部和腰背部肌肉激活幅度的研究中[32]，除右竖脊肌外，CNLBP患者背伸肌的激活幅度明显高于正常对照组，这说明背部局部稳定肌与整体稳定肌之间的协同作用；CNLBP组腹直肌下段激活程度较低，腹内斜肌更低。腹部肌群有两种不同的活动模式，与腹直肌下段的持续激活相比，腹内斜肌表现出阶段性的激活，这说明两块腹肌之间、腹内斜肌和背伸肌之间缺乏协同作用。

有研究显示[33]，在自选步速下，CNLBP患者的部分躯干肌(下腹直肌、双侧多裂肌和腹外斜肌)激活幅度高于健康对照组，并认为CNLBP患者腰背部疼痛的严重程度与步态中激活程度较高的肌肉显著相关；而双侧髂肋肌的激活水平变异性较低，尽管激活水平不高，并且活动振幅与疼痛之间无相关性。研究者认为，躯干运动控制的变化与腰背痛的严重程度有关，可能会改变这些肌肉的正常阶段性激活模式，而不是普遍表现为激活水平的升高。van der Hulst等[34]认为，与正常对照组相比，慢性腰痛患者在整个步态周期中，腹直肌活性较高，没有阶段性的激活减少。Hanada等[32]认为，步态过程中正常对照组的下腹直肌和右腹内斜肌的激活程度明显高于CNLBP组，而CNLBP组的左侧竖脊肌和双侧多裂肌的激活程度明显高于对照组。这些差异可能反映了疼痛严重程度与受试者年龄的差异。

Pakzad等[33]认为，与对照组相比，CNLBP患者的自选步速明显较慢，这可能会导致肌肉活性降低。然而在大多数研究中，CNLBP患者的sEMG激活水平较高，且与步速无关，这被认为与步行期间疼痛加重和躯干肌肉过度激活有关。尚需进一步研究当步态的时空参数被控制时，腰背部的剧烈疼痛如何影响躯干肌肉活动。

当前的研究也为“保护策略”理论提供了一些支持，某些CNLBP患者在步态期间增加躯干肌肉激活，或者从阶段性激活转换紧张性激活，以限制躯干与骨盆之间的运动。由于协调受限，更多的同相协调和僵硬的髋关节和脊柱可能导致较慢的首选步速。而腰背痛患者出于对躯干肌的保护，在步态这种功能性任务中常常伴有背部和腹部的共同收缩[35]。

在CNLBP患者的sEMG分析方面，无论是最大收缩还是次最大收缩的标准化都不是解决方案，因此在临床研究应首选非标准化的EMG振幅。由于对原始EMG值进行了分析，受试者之间的变异性没有被最小化，从而阻碍了对肌肉和任务主要影响的解释[36]。因此，未来需要更进一步的研究来确定受试者之间比较的最佳归一化方法，以改进从步态中获得的EMG数据的解释[37]。

3 小结

虽然国内已经开始应用步态技术分析CNLBP患者的步态特征，但由于步态分析技术的专业性，并没有全面展开。所以相对于国外而言，国内研究非常少，且涉及面窄，尚处于初期阶段。同时，目前的研究多是针对CNLBP患者步态特征的横断面研究，临床很少利用三维步态分析去客观评估某一种治疗方式对CNLBP患者疗效的影响，未来关于CNLBP的研究可以在这方面展开，得出更多有益的结论来指导临床。