成人型脊柱畸形患者运动功能的三维步态分析

白 森 郄淑燕

(首都医科大学附属北京康复医院康复诊疗中心，北京 100144)

成人脊柱畸形(adult spinal deformity，ASD)是一类较为复杂的疾病，既有骨骼、肌肉及神经系统病理性症状及体征，而且还涉及人体整体平衡改变[1-2]。随着全球人群结构改变[3]， ASD发病率增高[4-6]。文献[7-8]显示，65岁以上人群ASD发病率显著增加(32%～68%)。ASD患者脊柱整体失平衡、腰背痛、及下肢放射痛等[1-2, 9-10]导致ASD患者机体代偿机制[11]紊乱从而影响其正常行走。

既往关于ASD患者整体生物力学的研究[12-13]基于全脊柱X线平片，均为静态平衡研究，关于步态的动态平衡报道少见，而且有学者[14]发现人体静态下重心位置与活动时重心位置有显著不同。笔者利用三维步态分析系统分析此类患者术前步态特点，进一步明确此类疾患整体生物力学的病理生理变化，为此类疾患诊疗及康复提供理论基础。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本研究纳入了2017年4月至2019年12月期间来首都医科大学附属北京康复医院就诊的51例ASD患者为病例组，其中男性10例、女性41例。同期按照性别、年龄、体质量指数(body mass index, BMI)及基础性疾病组间匹配[15]的原则，招募健康志愿者51例为对照组。本研究通过首都医科大学附属北京康复医院伦理委员会审核。

1.2 纳入标准

① 年龄≥45岁；②资料完整；③经脊柱外科医师确诊，即影像学诊断标准至少满足下列之一： 冠状面侧弯Cobb氏角≥20°； 矢状面平衡(sagittal vertical axis, SVA)≥5 cm； 骨盆倾斜(pelvic tilt, PT)≥25°； 胸椎后凸角(thoracic kyphosis, TK)≥60°。

1.3 排除标准

① 既往行脊柱手术史；②脊柱肿瘤病史；③脊柱结核等特异性感染史；④强直性脊柱炎。

1.4 检测设备和方法

利用三维步态分析系统(英国VICON公司)采集所有研究对象行走过程中的运动参数。该系统包括8个摄像机、多个标记点及运动组件。

测试过程中所有患者着薄上衣、下身穿紧身短裤，由专业技师对其讲解测试过程。受试者双侧髂前上棘、髂后上棘、大转子突起、大腿外侧中间、股骨外上髁、腓骨小头、外踝、跟骨结节、第一、二跖骨趾璞处放置反射标记[16](图1)。整个实验过程至少记录10个步态周期。测试运动学参数包括：步长(支撑足两足跟间距离)、步频(单位时间/步态周期时间)、跨步长(同一足前后两次着地的距离)、膝关节屈伸范围(大转子与股骨外上髁标记点连线、腓骨小头和外踝连线，两线夹角最大值和最小值差)、髋关节屈伸范围(大转子与髂前上棘连线、大转子与股骨外上髁连线，两线夹角最大值与最小值差)。

图1 佩戴反射标记示意图Fig.1 Marker set on patient

1.5 ASD患者生活质量评分

本研究记录了所有研究对象的生活质量评分(Healthy Related Questionnaire of Life, HRQOL)，包括视觉模拟评分(Visual Analogue Score, VAS)、Oswestry功能障碍指数(Oswestry Disability Index, ODI)及简版生活质量量表-36(Short Form-36, SF-36)评分，按Mchorney和Ware[17]方法将SF-36分为生理评分(Physical Component Summary, PCS)和精神评分(Mental Component Summary, MCS)。

1.6 统计学方法

2 结果

2.1 病例组与对照组基本特征比较

病例组患者侧凸类型比为35∶16(左∶右)，侧弯顶椎分布：L1，2例；L1/2，8例；L2，11例；L2/3，23例；L3，7例。病例组与对照组的年龄、性别比、BMI及基础疾病患病率比较，差异均无统计学意义(P>0.05)，详见表1。

表1 两组对象基本特征比较

2.2 病例组与对照组运动学参数比较

ASD病例组患者步长、步频、跨步长及膝关节屈伸范围、髋关节屈伸范围均小于健康志愿者，组间比较差异有统计学意义(P<0.05)，详见表2。

病例组患者第一个和最后一个步态周期运动学参数比较，病例组患者第一个步态周期步长、步频、跨步长及膝关节屈伸范围、髋关节屈伸范围均大于最后一个步态周期，组间比较差异有统计学意义(P<0.05)，详见表3。

表 2 两组受试对象运动参数比较

表3 病例组患者第一个和最后一个步态周期相关参数比较

2.3 ASD患者生活质量评分与运动学参数的相关性分析

ASD患者生活质量评分VAS、ODI与步长、跨步长、步频、膝关节屈伸及髋关节屈伸度呈负相关关系(P<0.05);SF-36中的生理部分(Physical Component Summary, PCS)部分与上述指标呈正相关关系(P<0.05)，详见表4。

表4 患者生活质量评分与运动参数相关分析(r)

3 讨论

成人型脊柱畸形在中老年人群高发[7-8]。鉴于此类疾病的复杂性，诊疗方面至今尚未定论。由于ASD不单单涉及脊柱局部症状，机体整体生物力学也会发生病理改变。既往使用X线平片[12-13]或双平面扫描全身立体放射摄影术系统[18]评估患者病情，但患者均处于静态，对于动态下患者生物力学变化指导有限。三维步态系统具有客观、准确及全面等特点[19-20]。因此，三维步态系统能有效评估ASD患者动态生物力学变化。本研究通过三维步态系统监测到了ASD患者步频、步长、跨步长等运动参数在行走过程中的变化特点与及同上述变化相伴的膝关节、髋关节屈伸度的变化。

3.1 ASD患者运动参数与健康志愿者对比

将ASD患者与健康志愿者对照分析，病例组运动学参数均显著低于对照组，表现为髋、膝关节屈伸幅度减小，从而导致患者步长及跨步长减小。此外，ASD患者由于退变，腰前凸减小、骨盆前倾减小甚至后倾，髋臼前倾，因此髋关节后伸受限[21]。与单纯腰痛[22]或椎间盘突出[23]患者不同，ASD患者步频明显慢于中老年健康人群，推测可能与ASD患者整体失平衡有关[1,2]，步频加快后患者无法及时作出调节以保持身体平衡站立或行走。

3.2 ASD患者实验开始步态与结束时步态参数的对比

实验过程中，笔者发现ASD患者第一个步态周期时，步长、跨步长、步频、髋膝关节屈伸幅度明显优于最后一个步态周期，而健康志愿者不存在此差异。ASD患者由于整体失平衡，机体处于过度“耗能”状态[24]，随着行走时间延长，机体行动能力逐渐降低，从而表现为髋膝关节屈伸度减小，步长减少、步频减慢，且患者躯干逐渐前倾，即动力性脊柱不稳，印证了机体重心与影像学颈7铅垂线的差异[14]。既往有文献[25]显示老年人群躯干前方和后方肌肉对机体活动的影响。笔者推测此变化与ASD患者躯干肌病理改变密切相关，这说明针对ASD患者诊疗及康复，应该加强对其核心肌群的保护。但是，本课题组只记录到患者下肢运动参数变化，躯干角度未能记录，有待进一步完善。

3.3 ASD患者生活质量评分与运动学参数的相关性分析

ASD患者有明确的腰背部及下肢疼痛症状和体征，生活质量低下。Haddas教授[26]认为成人退变性脊柱畸形患者生活质量评分与各类运动参数显著相关。本课题组将运动参数与各类评分量表做相关分析，发现步长、跨步长及步频与ASD患者主观感受(VAS评分)及客观功能评分(ODI及SF-36中的躯体生理功能部分)都有显著相关性。结果不仅说明患者由于主观腰背部或下肢疼痛症状导致下肢活动频率减慢、幅度减小，而且疾病导致机体功能下降，表现为各种运动参数的改变。与既往研究[23]不同，笔者发现ASD患者生活质量评分与髋膝关节活动范围均有关系，但与膝关节相关性更强，这是由于ASD患者，尤其是终末期患者，机体失平衡，髋关节已过度后伸，且已启动膝关节代偿[27]，表现为膝关节屈曲状态，此时相对髋关节，膝关节活动幅度改变更大。

ASD患者为保持直立行走，启动了机体脊柱及下肢代偿机制，从而导致其步态发生改变。上述研究结果显示，此类人群所有运动参数均有下降：步频减慢、步长及跨步长均减小。因此，对于此类疾患需首先纠正其整体失平衡状态，比如轻中度患者使用手杖[28]、末期患者行长节段固定融合手术[29]。康复患者加强核心肌群锻炼，加强腰背肌力量，以恢复其动态平衡机制。

ASD是一类极为复杂的疾患，涉及了神经、肌肉及骨骼系统病理生理改变，因此仅对其步态研究存有一定偏倚，需要大量研究进一步完善上述结果。此外，所有研究对象均来自单一中心，存有选择偏倚。

总之，成人型脊柱畸形患者存在下肢活动异常，表现为步态异常：步频、步长及跨步长均较健康人群下降；患者活动过程中上述运动参数逐渐减小。此类患者运动学参数与生活质量评分诸如VAS、ODI及SF-36中的躯体生理功能部分息息相关。