视觉重建对老年人行走动态足底压力的影响

敖明昕，李学民，于媛媛，时会娟，黄红拾，敖英芳△，王 薇△

(1.北京大学第三医院眼科，眼部神经损伤的重建保护与康复北京市重点实验室；2.北京大学第三医院运动医学科，北京大学运动医学研究所，北京市运动医学关节伤病重点实验室，北京 100191)

行走是人类基本而重要的运动方式，行走能力直接关系到运动功能与生活工作状态，尤其对老年人的活动范围与生活质量有直接且重要的影响[1]。老年人视觉功能、前庭功能、肌肉力量及本体感觉功能均逐渐减退，导致与衰老相关的行走运动能力下降及跌倒风险显著增加，其中视觉变化是首要影响因素[2-3]。有关视觉变化对老年人行走能力影响的研究显示，视功能状态与老年人步态稳定性之间具有正相关关系[4-6]。研究发现，视功能下降是老年人因步态不稳恐惧跌倒进而主动减少步行活动的主要原因之一[7]，也是导致老年人后续生活失能的独立危险因素[2,5-6]。年龄相关性白内障是引起老年人视功能降低的主要眼部疾病之一，超声乳化联合人工晶体植入术是改善视力的有效方法。由于该疾病具有长期缓慢进展且治疗效果确切的临床特点，年龄相关性白内障患者手术前后运动状态的变化体现了长期慢性不完全视觉遮蔽和去遮蔽对老年人运动功能的影响。已有研究发现，通过实施手术去除白内障造成的视觉遮蔽后，老年人视力得到显著提升，平地行走的步速也随之提高[8-9]。与此同时，视力改善后老年人完成包括起立、行走、坐下动作在内的平衡任务的效率明显提高[10-11]，在站立平面稳定性受到扰动情况下维持躯干平衡的能力显著提升[12]，提示视功能改善对老年人平衡能力有直接的影响。然而，与视觉改善相伴的步速提高对老年人行走动态稳定性的影响及采取何种策略可更好适应步态变化等问题尚需要深入研究。目前，关于白内障手术后行走运动功能变化的研究主要集中于对步态时间及空间参数的分析，未能反映出视觉重建对下肢生物力学的影响，尚不能作为临床指导患者适应术后步态变化的直接依据。因此，有必要对接受白内障手术的老年人在视觉状态变化前后的足底压力进行观察，对比分析与视力改善相伴的足底压力变化，探讨视觉重建对下肢运动稳定性的影响。本研究以年龄相关性白内障老年患者为临床观察对象，以白内障超声乳化联合人工晶体植入手术为改变视力的干预条件，通过自身对比，观察手术治疗前后足底受力及压力分布模式变化情况，分析探讨去除长期慢性视觉遮蔽对老年人平地行走过程中足踝部生物力学及运动稳定性的影响，进而为设计帮助老年人适应视觉质量改善的下肢运动功能训练模式提供依据，为实现以视觉调控为干预手段的运动功能康复打下基础。

1 资料与方法

1.1 研究对象与入组标准

选择2016年10月至2019年12月在北京大学第三医院眼科接受双眼白内障超声乳化吸除联合人工晶体植入术的年龄相关性白内障患者为观察对象，采用自身前后配对设计的方法进行研究。本研究共入组观察年龄相关性白内障患者32例，其中男性5例，女性27例，年龄(70.1±5.2)岁，身高(157.2±7.3)cm，体质量(61.6±11.4)kg，体重指数(24.88±3.92)kg/cm2。

患者入组标准：(1)年龄60～80岁；(2)屈光度-6.00 D～+2.00 D，术前及术后角膜散光小于2.00 D；(3)散瞳后按照白内障混浊分类系统(lens opacity classification system，LOCS Ⅲ)分级[13]，以裂隙灯显微镜观察晶状体混浊程度，晶状体核颜色(nuclear color，NC)、晶状体核混浊度(nuclear opalescence，NO)、皮质混浊度(cortical cataract，C)介于2～5级间，后囊膜混浊度(posterior subcapsular cataract，P)介于0～2 级间；(4)拟先后接受双眼白内障超声乳化吸除联合单焦点、非蓝光滤过型人工晶体植入术；(5)无其他内眼疾病病史；(6)手术前屈光矫正不能提高双眼视力；(7)一般情况良好，否认糖尿病、神经系统疾病、运动系统疾病及前庭功能障碍病史；(8)右腿为优势腿(测试前询问受试者习惯用哪侧腿踢球，该侧腿则为优势腿)[14]。

排除标准：(1)运动功能测试前体检评估发现下肢肌力或关节活动范围异常者；(2)术中或术后发生并发症者；(3)术后1个月双眼中任一眼最佳矫正视力(logarithm of the minimum angle of resolution,LogMAR)低于0.10者。

本研究开始前已经北京大学第三医院医学科学研究伦理委员会审查批准(IRB00006761-2016037)，所有参与研究的患者均签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1白内障手术与临床观察 白内障手术由眼科白内障专业经验丰富的主任医师完成。术眼表面麻醉后于11：00位制作3.2 mm透明角膜切口，2：00位角膜缘侧切口，前房内注入适量黏弹剂，居中连续环形撕囊，直径 5.5～6.0 mm，水分离后采用拦截劈核法超声乳化吸除晶状体核，I/A系统吸除残余皮质后行后囊膜抛光，黏弹剂填充前房及囊袋后植入人工晶体，BSS液置换前房与囊袋内黏弹剂，水密封闭切口。双眼白内障手术分期进行，双眼手术先后顺序根据患者意愿，第一眼手术后一周内完成对侧眼手术。患者于术前1周，术后1 d、1周，第二眼手术后1个月和3个月5个时间点进行随访观察，记录患者基本情况、晶状体混浊度分级与术后随访信息，以裂隙灯显微镜观察眼前节情况并于手术前充分散瞳状态下，依据LOCS Ⅲ晶状体混浊度分级方法对患者每一眼NC、NO、C及PO进行分级评分，并行散瞳眼底检查。

1.2.2平地步行足底压力检测 足底压力检测在北京大学第三医院运动医学科的足底压力检测分析平台完成，于术前1周和第二眼手术后1个月进行。通过 Footscan 足底压力分析系统(比利时RSscan公司)获取平地步行足底压力参数。以个人平常步态自然行走，手术前步行速度为(1.090±0.339)m/s，手术后步行速度提升至(1.192±0.403)m/s(t=-2.814，P=0.008)，收集频率为 50 帧/s。Footscan 系统软件将足分为10个解剖部分[第1趾骨(1st toe，T1)、第2～5趾骨(2nd to 5th toe，T2-5)、第1跖骨(1st metatarsal heads，M1)、第2跖骨(M2)、第3跖骨(M3)、第4跖骨(M4)、第5跖骨(M5)、中足(midfoot，MF)、足跟内侧(heel medial，HM)、足跟外侧(heel lateral，HL)。足底压力参数包括触地最大压强(peak pressure，PP)，表征足底区域最大受力强度；触地冲量(impulse，I)和压力时间积分(pressure-time integral,PTI)，表征足底区域受力在时间上的累积情况；触地压强达峰时间(time to peak pressure,TPP)，表征足底区域受力强度达到峰值的速度。受试者在测试平板前4 m处起步，赤足在平板跑道上常速自然行走通过测试平板，于测试平板外2 m处停步，每次测试均需要记录3个完整的足迹，共测试5次，左、右足各有5次落在测试平板上，选取中间3次(第2、3、4次测试)的数据进行分析。

1.3 统计学分析

2 结果

2.1 白内障分级与术后视力变化

研究共观察年龄相关性白内障患者32例，记录晶状体混浊程度LOCS Ⅲ分级的NC、NO、C 及P评分，右眼为3.82±0.33、3.84±0.34、3.68±0.22及 1.21±0.20，左眼为 3.76±0.20、3.74±0.26、3.72±0.26及0.91±0.16，白内障分型均为核性及皮质型白内障。术前视力(LogMAR)右眼0.49±0.26，左眼0.46±0.22；术后视力(LogMAR)右眼0.01(0.00,0.01)，左眼0.01(0.00,0.01)。术前及术后同一患者左眼与右眼之间视力差异均无统计学意义(Z=-0.295，P=0.768；Z=0.707，P=0.480)，手术后双眼视力均较术前显著提高(Z=-4.878，-4.801，P<0.001)。

2.2 视觉变化对足底压力参数的影响

对手术前后平地行走过程中足底各区域受力情况进行比较，其结果显示视觉康复对右侧M2区足底压力参数有影响，表现为通过手术实现视觉康复后，右足M2区触地最大压强(PP)增大(表1)，差异具有统计学意义[(53.21±35.40)Pavs.(42.23±23.54)Pa，t=2.266，P=0.031]；右足M2区冲量增大(表1)，差异具有统计学意义[(9.35±5.12)N·svs.(8.23±4.25)N·s，t=2.152，P=0.039]。手术前后比较，右足M2区压力时间积分及触地压强达峰时间差异均无统计学意义，右足其余足底分区及左足各足底分区的受力参数及时间参数差异均无统计学意义。这一结果提示随着视觉质量的改善，老年人在平地行走过程中优势侧的前足内侧区域受力强度增大。优势侧前足受力主要体现足在蹬伸过程中的受力情况，该区域受力增大提示手术后视觉信号的清晰程度显著提升，在行走中起落步时空间三维立体感和步行距离感改善，老年人对足踝部运动的控制性提高，有效缓解了对跌倒的恐惧心理，从而敢于迈步。

2.3 足底受力侧向性分析

行走过程中，双下肢运动特征具有一定的侧向性特点，对手术前后双侧足底对应区域受力的触地最大压强及冲量分别进行比较，以观察足部受力的侧向性。手术前(表1，图1A)，足底M1、M2、MF及HM区域PP值右侧大于左侧，差异具有统计学意义(t=-2.414，P=0.022；t=-2.478，P=0.019；t=-2.144，P=0.044；t=-5.269，P<0.001)；足底T1、M3、M5及HL区域PP值左侧大于右侧，差异具有统计学意义(t=4.830，P<0.001；t=3.155，P=0.004；t=2.686，P=0.012；t=3.683，P<0.001)；足底M1、MF及HM区域I值右侧大于左侧，差异具有统计学意义(t=-2.380，P=0.024；t=-2.185，P=0.037；t=-5.320，P<0.001)；足底T1、M3、M5及HL区域I值左侧大于右侧，差异具有统计学意义(t=4.489，P<0.001；t=2.247，P=0.032；t=2.838，P=0.008；t=3.992，P<0.001)。手术后(表1，图1B)，足底M1、M2及HM区域PP值右侧大于左侧，差异具有统计学意义(t=-4.300，-4.249，-6.218；P<0.001)；足底M5及HL区域PP值左侧大于右侧，差异具有统计学意义(t=3.104，P=0.004；t=3.810，P=0.001)；足底M1、M2及HM区域I值右侧大于左侧，差异具有统计学意义(t=-4.608，P<0.001；t=-3.388，P=0.002及t=-7.350，P<0.001)；足底T1、M5及HL区域I值左侧大于右侧，差异具有统计学意义(t=2.222，P=0.034；t=3.759，P=0.00；t=3.203，P=0.003)。这一结果提示平地行走过程中双足受力具有一定的侧向性特征，表现为优势侧(右侧)足底内侧受力较大，这可能与足蹬伸过程中优势侧受力较大有关；非优势侧(左侧)足底外侧及第一足趾区受力较大，这与其着地过程中承担支撑体质量受力并保证运动稳定性的生物力学作用有关。视觉改善后，双侧足底受力存在差异的范围缩小，双侧中足区域受力情况趋于一致，提示视觉质量提高后足部受力的总体均衡性改善。

表1 白内障患者手术前后平地步行足底压力参数比较Table 1 Comparisons on the foot plantar parameters during walking before and after cataract surgery

2.4 视觉变化对双足受力差异幅度的影响

在手术前后分别计算各区域双侧足底受力情况的差异幅度(PP△=PP右-PP左，I△=I右-I左)，分析视觉康复对双足受力差异幅度的影响(表2，图2)，手术后足底PP值双侧差异幅度较术前增大的区域为M1、M2及M5，其中M1及M2区域触地最大压强右侧大于左侧的幅度在手术后增大[8.2(1.2，17.4)Pavs.3.0(-2.3，13.8)Pa，10.2(0.8，38.9)Pavs.6.5(-4.6，20.6)Pa]，差异具有统计学意义(Z=-2.721，P=0.007；Z=-2.674，P=0.007)；M5区域触地最大压强左侧大于右侧的幅度在手术后增大[-6.8(-25.2，-2.7)Pavs.-5.3(-11.0，-0.4)Pa]，差异具有统计学意义(Z=1.991，P=0.046)。手术后足底I值双侧差异幅度较术前增大的区域为M1、M2及M5，其中M1及M2区域冲量右侧大于左侧的幅度在手术后增大[1.4(0.3，3.5)N·svs.0.7(-0.5，2.1)N·s，1.8(0.2，5.8)N·svs.1.5(-1.0，3.3)N·s]，差异具有统计学意义(Z=-2.581，P=0.010；Z=-2.375，P=0.018)；M5区域冲量左侧大于右侧的幅度在手术后增大[-2.1(-5.6，-1.0)N·svs.-1.6(-2.7，-0.3)N·s]，差异具有统计学意义(Z=2.150，P=0.032)。这一结果提示优势侧(右侧)前足内侧及非优势侧(左侧)前足外侧在行走过程中着重受力的情况在视觉康复后将更加显著，需要提供可以增强与优势侧足内侧运动受力及非优势侧足外侧运动受力有关的下肢肌肉力量训练，从而帮助患者适应手术后与视觉变化有关的运动状态变化。

3 讨论

人体运动过程中，感觉运动的整合以前庭感受器、视觉感受器和本体感受器提供的外周感觉信息为基础，在中枢神经系统内进行信号加工及信息偶联，最后通过视觉定位和中枢运动调控来完成人体各种动作反应[3]。因此，视觉对人体运动具有重要的导航作用，是保持正常运动能力的要素之一，在运动调控中处于非常重要的位置。老年人视功能减低是直接影响其运动与生活工作的因素，而年龄相关性白内障是造成老年人视功能异常的常见主要眼科疾病，直接影响老年人的身心健康与生活质量。研究表明,通过白内障手术实现的视觉重建可以影响患者的行走运动能力，使平地行走的步速及身体平衡能力得到改善[8-9]。根据年龄相关性白内障的临床特点，患者视力在疾病的发生和发展过程中缓慢下降，患者有充分的时间适应视觉变化对运动功能的影响。然而，手术对视觉质量的显著提升作用却在手术后很短时间即有充分的体现，在这一视觉状态迅速改善的过程中，老年人平地行走的运动稳定性变化需要深入研究。

Red,with higher pressure in the specific region in comparison between the right side and the left side.A,laterality at pre-operative phase;B,laterality at post-operative phase.T1,1st toe;T2-5,2nd to 5th toe;M1 to M5,1st to 5th metatarsal heads;MF,midfoot;HM,heel medial;HL,heel lateral.图1 白内障患者手术前后足底压力分布的侧向性Figure 1 Laterality of plantar pressure before and after cataract surgery

行走运动过程中，双足是地面反作用力的主要承接感受器官，也是控制其稳定性与身体维持平衡的直接效应器官。运动时，足底所受到的压力或压强被称为足底压力，其分布特征、峰值情况及随时间变化的规律可很好地反映出足、踝关节及下肢运动的稳定性与运动控制能力[15]。本研究以白内障手术为治疗方法，研究年龄相关性白内障患者经治疗视力发生变化后双足在步行过程中的受力变化，从视觉变化对足及踝关节运动稳定性影响的角度探讨如何帮助患者尽快适应视觉重建后下肢运动状态的变化，显现出很好的学科交叉意义与临床应用价值。

表2 白内障患者手术前后双足受力差异幅度比较Table 2 Comparisons on the magnitude of laterality before and after cataract surgery

Red,higher magnitude of laterality at the specific region in comparison between the pre-and post-operative phases.T1,1st toe;T2-5,2nd to 5th toe;M1 to M5，1st to 5th metatarsal heads;MF,midfoot;HM,heel medial;HL,heel lateral.图2 白内障患者手术对足底压力侧向性幅度的影响Figure 2 The effects of cataract surgery on the magnitude of plantar pressure laterality

本研究对年龄相关性白内障患者手术前及接受手术实现视觉重建后双侧足底各区域的受力情况进行了比较，发现视觉质量显著改善后患者右足前内侧受力增强，增加了主要支撑点及区域的应力分布，增强了优势侧下肢的运动稳定性，改善了下肢的整体稳定性与运动协调能力，进而改进整体运动的灵活性。关于老年人在认知干扰条件下步态特征变化的研究显示，认知干扰过程中老年人步态稳定性下降，足底压力呈现降低趋势[16-17]，该类研究认为，较低的足底压力是个体采取踌躇步态作为代偿策略以保持运动稳定性的生物力学表现。白内障造成的视觉质量下降直接影响了视觉信号的输入质量，形成对运动导航功能的干扰，患者在行走过程中将采取略带试探性的足部运动模式即踌躇步态以保持运动稳定性。有关白内障手术后步态变化的研究已经证实，通过手术实现视觉康复后，老年人的步态变化以步速提高及步频加快为主要表现[8-9]，该领域研究也同时提出，白内障手术后迅速而显著的视觉质量改善及与之相伴的步速提升对老年人步态运动稳定性的影响有待深入研究。双足是行走过程中控制步态稳定性及维持身体平衡的直接效应器官，其生物力学变化情况可反映出步速提升对踝关节及下肢运动稳定性的影响。根据本研究的结果，手术后，视觉质量显著改善，患者恐惧跌倒的心理得到有效缓解，行走过程中足底压力增大。优势侧在运动中起主导作用，且迈步蹬伸过程中足部受力主要体现在跖骨头区域[18-19]，因此，术后足底压力增大在右侧前足最为显著。此外，本研究发现的术后足底受力增加区域位于前足内侧的第二跖骨头区，提示视觉改善后优势侧前足受力区域有向足内侧转移的趋势。根据对踝关节不稳患者进行足底压力分析并与健康人进行对比的研究结果，行走过程中以M1、M2区域为代表的足内侧区域受力较小是踝关节运动整体稳定性较低的足底压力表现，而足内侧区域受力增加则是踝关节稳定性改善的征象[15,20]。本研究手术后优势侧M2区域受力增加提示视力恢复后老年人行走运动过程中踝关节稳定性有所改善。可通过康复训练的方法增强参与优势侧前足内侧跖骨关节运动肌肉的力量，从而帮助老年人适应视觉康复后的步态生物力学变化，使与视觉改善相关的运动功能获益最大化。

本研究对双侧足底对应区域的受力情况进行比较，从而对足底受力的侧向性特征及其在手术后的变化进行了分析，发现平地行走过程中双侧足底受力具有侧向性特征，表现为双侧足底受力分布存在差异，优势侧足内侧受力较大，非优势侧足外侧及第一足趾区受力较大。以健康青年为受试者的足底压力侧向性研究也显示，行走过程中优势侧足内侧区域受力较大，非优势侧足外侧区域受力较大[21]。这一侧向性特征可能与优势侧在行走过程中主要担任提供动力的作用有关，其受力主要体现在足部运动的起始阶段与蹬离阶段[18]，前足内侧及足跟内侧区域受力较大。非优势侧在运动中主要起支撑作用[18,22]，其受力主要体现在足落地阶段，前足外侧及足跟外侧区域受力较大，从而保证行走运动中的协调与稳定性。由于白内障所造成的视功能损害具有长期缓慢加重的临床特征，并会在脑中枢感觉运动区形成特定记忆以适应其变化，而手术后患者视力快速提升后也同样需要较长的适应过程，以调整下肢运动的整体稳定性和协调性。患者对视觉变化的适应性可能是手术前后足底整体受力模式无明显变化的原因。此外，本研究还发现手术前后非优势侧第一足趾区域受力均较优势侧更为明显，这一点与以往来自健康青年受试者的研究结果有所不同[20-21]。关于年龄性运动功能变化及与之相伴的脑功能变化的研究发现，老年人完成运动任务时的脑功能区活跃范围较健康青年受试者更为广泛，与运动控制有关的低频脑波功率也随之显著增高[23]。老年人在运动时需要调动更多的中枢整合能力以代偿视觉、前庭觉及本体感觉等感觉信号通路的年龄性衰弱，从而维持运动能力。非优势侧第一足趾区域受力增大这一适应性变化的生物力学特征更表明老年人需要调动更多的下肢运动资源(包括下肢肌力)以适应视觉状态变化对运动功能造成的扰动，所以在涉及老年人的视觉运动康复中有必要加强下肢肌肉力量的训练。

本研究对手术前后足底各区域双侧受力差值幅度的变化进行了比较，发现手术后双侧足底前足受力的差值幅度进一步增大，结合本研究中手术后足底各区域受力强度变化的分析结果，患者在视觉质量提高后更敢于起步，在蹬踏过程中起主要作用的优势侧前足内侧区域受力相应增大，使得该部位受力的侧向性特征更加显著。由此可见，手术后优势侧与第一、二跖关节运动有关的肌肉需要具有更强的力量，从而适应与视觉康复后步速提高相伴的下肢生物力学变化要求。另外，随着优势侧足底触地受力强度的增大，非优势侧在触地过程中足外侧着重受力的趋势也更加明显。足底受力分布特征与足踝关节的内外翻应力姿势有着密切的关系，足底外侧受力增大是足内翻的应力特点，被视为踝关节不稳的指征[15,20]。为帮助患者适应这一变化，需要适当增强非优势侧腓骨长短肌的肌力训练，从而使老年人在手术后步速改善获益的同时保持步态的稳定性。

本研究以老年人接受白内障手术后平地行走运动中足底压力的变化为主要研究内容，对视觉重建后足底各区域受力情况及足底压力分布侧向性进行了临床观察与分析研究，以足底受力发生变化的主要区域为依据，结合足在步行过程中的运动学特点，对与压力变化有关的足部运动时相进行了解析。由于行走运动中步态与足底压力具有周期性变化的特点，有必要进行锁时观察并对足底压力随时间变化的曲线进行深入分析研究，进而明确视觉变化对足底压力影响的时相性。

本研究存在一定局限性，首先，由于足底压力数据量较以往研究中常见的步态时空参数的数据量更为丰富，本研究的样本量相对较小，未能对研究中发现的压力变化情况进行充分验证，在后续研究中需要进一步扩大样本量以验证本研究中发现的足底压力变化特征。其次，足底压力变化与步速、步频、步长等步态时空参数的相关性对揭示视觉重建后下肢生物力学变化的整体特征具有重要意义，需要在建立视觉康复前后运动学参数数据库的基础上对其进行更深入探索。此外，本研究观察对象均为患有轻中度白内障的老年患者，后续研究中可纳入重度患者，进行分层分析，探讨视觉变化程度对足底压力及下肢运动功能的影响。

综上所述，通过手术的方法去除由年龄相关性白内障造成的长期慢性不完全视觉遮蔽并实现视觉重建后，在步速提高的同时，老年人优势侧前足内侧受力增加，足底压力分布侧向性的整体趋势未发生显著变化，但优势侧前足内侧着重受力及非优势侧前足外侧着重受力的现象更加突出。因此需要通过功能训练的方法增强与优势侧足内侧区域及非优势侧足外侧区域运动有关的肌肉力量，帮助老年人适应视觉重建后相关下肢生物力学变化。本研究以学科交叉为特点，对白内障患者视力改善后平地行走过程中足底不同区域的受力变化进行了研究，解析了视觉变化与下肢运动偶联的密切相关性，提出适用于白内障术后老年人的辅助运动康复策略，为拓展老年健康促进、预防跌倒的干预措施提供了眼科学与运动医学研究的数据基础。