步态分析在脊柱疾病中的研究现状

步态是人类步行的行为特征,正常步态是由神经系统、肌肉骨骼系统、本体感觉和视觉等多系统相互作用的结果,其中任何一系统的病损均可导致步态异常。目前步态分析研究主要集中在偏瘫、脑瘫、膝骨关节炎等疾病上,其他系统的疾病的研究较少,对于脊柱退行性疾病,如颈椎病、腰椎间盘突出症以及非特异性腰腿痛患者,由于支配神经及下肢疼痛带来的影响,步态发生改变,采取治疗后步态可能改善,通过分析研究步态,可以为临床诊断、治疗、康复提供指导意义,现综述如下。

1 步态分析系统组成及基本概念运动捕捉系统是目前应用最广泛的步态分析系统,利用光学或电磁系统可以把机体各节段的动作转化为三维数字。具体方法是将标记物安置在受试者身上的不同部位,通过摄像机或电磁接收器捕捉运动信息,然后将信息进行数字化处理,得到三维坐标信息,再结合时间参数,就可以计算出相应的速度和加速度。受力平板系统用于测量步态周期中支撑相足与地面的相互作用力,通过表面压力的传感器阵列,将检测到传感器的电阻变化进行转化,可规定步态周期中各项动力学参数,观察受力中心的变化。由于受力平板面积相对较小,对足部各落点要求高,各种心理、生理作用使得误差较大,从而影响测试结果[1],目前该技术在脊柱相关疾病步态分析中应用较少。动态肌电图通常用来监测步行时肌肉活动情况,当肌肉骨骼肌收缩的时候,肌纤维会产生微弱的动作电位,通过电极拾取肌电信号进行放大,可测量肌肉活动时间和强度。该技术可以用来评估神经系统对肌肉的支配情况,从而对异常步态进行鉴别[2] ,也可分析活动中不同肌肉的作用,发现过早的或不恰当的肌肉活动,为肌肉骨骼疾患的诊断提供依据,从而指导手术[3]。此外,还可利用肌电信号的频率变化来判断肌肉系统的疲劳程度,以利于潜在损伤的早期诊断[4]。步行周期指一侧下肢完成从足落地到再次落地的时间过程,根据下肢在步行时的位置分为支撑相和摆动相。支撑相:支撑相指下肢接触地面及承受重力的时间,占步行周期的ω%G摆动相:摆动相(swing lDhase足离开地面向前迈步到再次落地之间的时间,占步行周期的硐。步长,即一足着地至对侧足着地的平均距离;步幅即一足着地至同一足再次着地的距离, 也有人称之为跨步长;平均步幅时间,相当于支撑相与摆动相之和;步频,指每分钟平均步数(步数/ min)。步速,指步行的平均速度;步宽),指两脚跟中心点或重力点之间的水平距离;足偏角,指足中心线与同侧步行直线之间的夹角。

2 步态分析在颈椎病中的应用脊髓型颈椎病通常由于各种原因导致椎管容积减小,包括颈椎间盘突出、椎管狭窄、后纵韧带骨化或者肿瘤[5],临床表现为颈部疼痛不适、上肢及下肢感觉异常、肌肉无力或者痉挛,以及步态失衡[6-7]。由于上位神经包括颈髓在控制肢体运动中所起的重要作用,步态成为评估脊髓型颈椎病的一个重要指标[8]。脊髓型颈椎病患者在行走的过程中为了克服下肢肌肉无力及感觉异常,通常运动角度、行走速度、步长、步行时相等发生异常改变。Lee等[9]发现:脊髓型颈椎病患者步行速度减慢, 代偿以步长和步宽增大,同时双足支撑时间延长,并且膝关节在摆动相时屈曲度明显减小,踝关节跖屈角度减小而最大背伸角度增大。Gll等[10]选取中央脊髓综合征患者和正常人让其以自我舒适的速度和同一较慢的速度进行测试,发现以自我舒适的速度测试时,患者接触初期髋外展、膝屈曲的运动幅度较大, 但在矢状面上膝、踝关节运动范围较小。Mdonc等[11]选取16 名颈椎病患者及和与之匹配的16名正常人,分别以自己舒适的速度行走10m,发现患者行走速度明显减慢伴随步幅增宽和双足支撑时间延长,髋关节及膝关节在矢状面上活动范围明显减少[12]。研究共济失调步态发现,正常人群脚跟接触地面后足底中心压力很快传导至腿上,而共济失调步态人步态是脚后跟和脚趾同时接触地面,并且观察到足底中心压力很快消失并未能腿上传导。目前对于颈椎病自然演变过程尚不明确,对于选择保守治疗还是手术减压治疗时机存在争议。对于轻型颈椎病,Kadanka[13] 研究保守治疗和手术减压两种方式,通过比较改良JClA 评分和10m行走评分及日常活动能力分析,发现保守治疗和手术减压差异不具有显著性相反[14]采用步行比较手术治疗和非手术治疗的两组颈椎病患者,发现早期手术能明显改善患者运动功能,且运动功能的改善和患者的年龄无相关并且术前患者病情越重,术后运动功能改善越明显,这和之前报道[15]的超过岁患者手术减压运动功能改善不明显不同, 而Nurick[16]认为手术减压能给症状轻的颈椎病患者带来更大益处。Langston等[17]比较年龄在75岁以上和65岁以下患者采取手术减压,通过比较日常功能及相关评分,发现高龄患者同样能获得明显疗效。Yukalla等[18]介绍一种10s步行实验发现,术前患者步行数明显少于正常人群,术后步行数明显改善,且无论患者及正常人随着年龄增大步行数均减少,而曹师锋等[19]通过行走研究得出病程大于6个月、脊髓功能评分低下肢行走功能差的患者,手术后改善程度较小。步态分析和辅助检查结果具有一定的相关性,Iclm等[20]研究发现颈髓像信号改变程度和步态相关,信号改变越重,术前步态功能越差,术后恢复也越差,但也有人[23]认为像的改变程度和临床表现不相关,因为像信号改变只暗示着脊髓病理性改变,但病理性改变有可逆性及不可逆性两种。步态分析具有较高的可靠性等[24]选取12例颈椎病患者作为研究对象,于1周内2个不同日子,进行步态分析, 发现各项参数的可靠性均较好,步幅、步频、步速、双支撑相时间的同类相关系数;其中动力学参数和运动学参数分别)>0.85和0.62。

3 步态分析在下腰痛中的应用下腰痛是十分常见的疾病之一,在美国下腰痛已经成为除呼吸道疾病以外的第二高患病率的疾病[25]。下腰痛一般包括三类,第一类是坐骨神经痛即根性疼痛综合征;第二类是特异性下腰痛,包括结核、肿瘤、感染等;第三类是非特异性下腰痛, 即病因未明又缺乏特异性的影像学支持的;早期研究表明[26-27] 腰痛患者步速减慢且步长减小,当要求步速增快时只表现为步频增快,且双足步长表现为非对称性。腰腿疼痛患者这种慢速步态,被认为是—种保护机制,可以减少步行中支撑相的地面反作用力,从而减少脊柱负荷和避免疼痛[28- 29]。 Jo等[30]介绍单腿站立实验,即在单瘢站立对侧髋关节屈曲90°闭眼情况下乃s,通过比较骨盆、下肢动力学参数变化, 在相关动力学参数稳定的情况下,比较下腰痛患者和正常人群站立时问,下腰痛患者站立时间明显短于正常人群。正常人群在慢步行走时,骨盆和胸廓在水平位多呈同相性活动,但是随着速度加快,两者活动多呈异相性改变,而腰腿痛患者快速行走时这一改变不明显[31-32]。而腰腿疼患者骨盆和胸廓活动多处于同相位,这种步态改变似乎是为了减少脊柱的活动度[33],阢叮等[34] 研究步行和跑步过程中躯干和骨盆的协调性,同正常人群相比,步行时腰腿痛患者骨盆和躯干在冠状面多处于同相性,而已康复者更多的表现在横断面上的同相性;在跑步过程中同正常人群相比,患者和已康复者均表现在横断面同相性,同时腰腿疼患者在横断面上协调可变性降低。阮holtcs 等[35]采用主动下肢活动实验比较腰椎骨盆旋转运动,发现在膝关节屈曲髋关节外旋时,腰腿痛患者腰椎骨盆较早发生旋转,并且腰椎骨盆旋转角度增大,提示腰腿痛患者下肢活动时, 腰椎骨盆整体活动度增大。腰腿痛对步态的影响和体重相关, Cllllohn等[36J研究肥胖腰痛女性和体重正常腰痛女性,发现肥胖组患者在站立相上时间更长,同时步长减小,在冠状面上骨盆和髋关节活动度减小。

E1baz等[371研究生物力学装各能否改善腰痛患者步态,使用3个月后,发现患者步速增快且步长增大,并且双下肢步态的非对称性明显改善,从而得出该装备能减少地面反作用力向肢体传导,从而减轻疼痛改善步态。Danseca等[38]研究普拉提运动课程在腰痛患者中应用前后步态的改变,发现能明显改善患者步态减少腰痛。

Huang等[39] 研究轻型腰椎间盘突出所致的下腰痛行走步态,发现患者骨盆活动度增大,骨盆胸廓水平旋转减少,胸椎运动、骨盆旋转活动及下肢活动等相对运动力学参数发生改变。吴建贤等:40哜刂用智能能量和日常活动记录仪(IDEEA)动态定量评估腰椎间盘突出症(PID)患者运动功能,发现患者腰部的前屈运动速度较正常人群显著降低,坐-站运动能力降低,患侧肢体运动功能明显降低,而健侧肢体运动功能影响不大,之前Whitehurst等[41]和Shum等[42] 进行的坐-站运动中腰部和髓关节运动的试验性研究中,也证实了腰痛患者坐-站运动能力较对照组显著下降。毛晶等[43]对腰椎间盘突出症患者术后进行疗效评估,发现治疗前后单支撑时间和双支撑时间减少, 支撑相中足对地面的冲击力增大,步速增快,差异具有统计学意义。Alcagi等通过5指标包括步态障碍研究,发现早期手术并不能给腰椎间盘突出症患者更好疗效,相反较迟手术更利于患者社会心理障碍的恢复,不足之处该研究未对步态进行系统量化分析。目前对于脊柱相关疾病疔效评价主要是相关评分,常用的如颈椎病中的JOA脊髓型颈椎病评分系统、Nurick颈椎病脊髓功能评价系统,腰椎中跏斟腰椎间盘突出症评分系统等,但各评价方法大多是患者的主观感觉以及医生的主观评估为主, 客观化及量化不足。

步态分析技术利用其直观、精确、可靠、客观的数据,为脊柱相关疾病治疗方案的选择和康复方案的制定提供重要的参考。随着生物力学和信息处理技术的不断发展,新型步态分析系统功能越来越完善,步态分析将在脊柱疾病诊断、治疗、康复中发挥越来越大的作用。

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(2012.11.20收稿2012-12-25修回)