強直性脊柱炎患者的運動協調性改變

林欣欣，吳文華，高錦團，林曉聰，巫海鵬

2.福建醫科大學 骨科生物力學研究室，福州 350004；

3.福建醫科大學 附屬第二醫院骨科，泉州 362000

強直性脊柱炎（ankylosing spondylitis，AS）是常見的風濕性疾病之一，脊柱是AS的主要受累部位，隨著病情進展，脊柱后凸畸形迫使患者使用更謹慎的步態模式行走[1－2]。既往研究發現，人體步行時，骨盆－下肢的相對運動從低速時的反相逐漸轉為高速時的同相，而胸廓－下肢的相對運動始終為反相[3－4]。下腰痛（low back pain，LBP）、妊娠相關骨盆痛（pregnancy－related pelvic girdle pain，PPP）等疾病患者，通過減少骨盆和胸廓的相對旋轉以減少脊柱較大或較快的旋轉，并減少或避免步行中的疼痛[4]。實驗性增加健康人脊柱僵硬度，胸廓－骨盆的相對運動顯著性降低，骨盆－下肢更趨于反相[5]。

胸廓運動在驅動手臂擺動中發揮著極其重要的作用[6－7]。Bruijn研究認為，手臂與下肢角動量在全身角動量的貢獻度約90%[3]。因此，胸廓運動的改變將可能改變手臂與其他節段的協調性。腰椎間盤突出癥（lumbar disc herniation，LDH）患者在高速步行時，手臂擺動與胸廓運動較健康人趨于反相，胸廓運動與下肢擺動較健康人更趨于同相[8]。

Mangone研究表明，在一定速度下，AS患者的骨盆－手臂協調性與健康人不同[9]。本研究通過對比不同速度下AS患者與健康人之間的步態差異，探討AS在疾病進展中軀干各節段的適應性改變，以期指導康復治療。

1 對象與方法

1.1 對象 收集2013年6月－2014年12月就診的17例男性 AS患者為病例組，年齡（30.29±4.47）歲（20～50歲）。根據臨床病史、體檢及X線、CT等放射學檢查結果，17例均為HLA－B27陽性，雙側骶髂關節炎（表1），均處于病情緩解期，Bath強直性脊柱炎活動指數評分（bath ankylosing spondylitis disease activity index，BASDAI）＜4分；胸腰椎輕度受累2例，腰椎輕度受累4例，余患者無脊柱受累。納入標準：（1）確診為AS（符合1984年診斷標準）；（2）仍能行走；（3）外周關節無受累；（4）未患有可能影響步態的骨骼肌系統和神經系統疾病；（5）無心腦血管疾病及手術外傷史。排除標準：（1）由于疼痛不能行走；（2）外周關節受累；（3）患有可能影響步態的骨骼肌系統和神經系統疾病；（4）有心腦血管疾病及手術外傷史。

另外收集17例男性健康受試者為健康組，年齡（29.23±5.15）歲（20～50歲）。納入標準：（1）未患有影響步態及關節運動的疾病；（2）能夠充分理解實驗并和實驗人員進行良好溝通。

2組在年齡、身高、體質量和體質量指數（BMI）等方面均匹配，差別無統計學意義（表2）。所有受試者均理解實驗內容及風險并填寫書面同意書，該實驗研究獲得福建醫科大學附屬第二醫院倫理委員會批準，并在福建醫科大學骨科生物力學研究室進行。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗儀器 利用三維步態解析系統對受試者步行運動學進行測試分析。測試中在受試者身上放置紅外線發光定位點，通過攝像頭進行數據采集，計算機進行數據處理分析后，可獲得即刻的人體節段或關節運動位置等相關參數。OPTOTRAK三維運動捕捉系統（Optotrak Certus，加拿大Northern Digital Inc公司），2組攝像頭分別放置在受試者身后約5m處進行數據采集。步行儀（EN－BO system，Bonte technology BV SERIAL NR Tn－01－069）。紅外線發光標識點（加拿大Northern Digital Inc公司）。

表1 AS患者臨床資料Tab 1 The clinical datas of patients with AS

表2 2組受試者一般資料比較Tab 2 The general information of two groups

1.2.2 實驗步驟 （1）受試者不攜帶任何儀器在步行儀上行走一段時間，直至適應，感覺和平地行走無異，且無不適感及恐懼感。（2）在受試者胸廓節段、骨盆節段、雙前臂、雙大腿、雙小腿、雙側足跟處放置紅外線發光點，確保其放置牢固且不影響關節活動及數據的采集。（3）受試者在步行機上以5種速度（1.0，2.0，3.0，4.0，5.0km／h）行走。每個速度耗時120s，采樣頻率設定為100Hz，采樣時間設定為120s。待受試者適應該狀態后方可采集每種情況的數據。如果受試者覺得步行機速度太快，可隨時告知實驗者，該條件下的步態測試將立即被中止，該條件即為最大步行條件。

1.2.3 實驗參數

1.2.3.1 空間坐標系的設定 以受試者前方為X軸，受試者左側為Y軸，受試者上方為Z軸。

1.2.3.2 步態周期、步頻、步幅時間、步幅及步寬步態周期：從一側足跟著地到連續的下一次同側足跟著地的過程；步頻：同側足跟著地次數；步幅時間：連續2次同側足跟著地的時間；步速：步行儀速度；步幅：即步長，是同一側足跟前后連續2次著地點間的縱向直線距離；步寬：經過雙側足跟中心，且與行進方向平行的兩直線的垂直距離，取連續2個距離的平均值。

1.2.3.3 水平旋轉幅度（transverse rotation amplitude，RA） 通過計算XY象限上的反正切角度得出胸廓、骨盆節段在水平面上旋轉角度的時序。骨盆和胸廓的RA是從各自的運動時序上確定每一個步態周期內最大與最小角度差的絕對值。脊柱的旋轉運動時序是由骨盆運動時序與胸廓的運動時序相減而生成。

1.2.3.4 相對傅立葉相（relative fourier phase，RFP） 應用快速傅立葉變換方法計算出每一時序的相。重建信號，產生由傅立葉相的時序。將相對應每2個節段的傅立葉相時序相減，產生RFP時序，處理數據得出RFP差，計算雙臂、胸廓、骨盆、下肢之間的RFP。節段間的RFP被指定為0°，即“同相”（in－phase）；節段間的RFP被指定為180°，即“反相”（anti－phase）。

1.3 統計學處理 運動學數據由First Principle軟件采集（OPTOTRAK certus position sensors），原始數據由Matlab R2007a進一步計算。采用SPSS 20.0軟件包進行統計學分析，采用非配對t檢驗分析2組的性別、年齡、體質量、身高和BMI的組間差異；采用廣義估計方程（general estimate equation，GEE）方法分析各種條件下數據間的差異。P＜0.05為差別具有統計學意義。

2 結 果

34例受試者中，除1例AS患者由于疲勞行走步速不能達到5km／h，余受試者皆能達到5.0km／h的步速，并完成所有條下件的步行測試。

2.1 基本步態參數 在病例組與健康組中，隨著步行速度增加，步長及步頻逐漸增加，步幅時間逐漸減少，GEE顯示，其速度對步長、步頻及步幅時間的效應均具有顯著統計學意義（P＝0.000）。而組間、組間×速度的交互作用均無顯著統計學意義。隨著步行速度的增加，健康組步寬逐漸減少，差別具有統計學意義（P＝0.000）。在1～3km／h時，病例組步寬較健康組減少；在4～5km／h時，病例組步寬較健康組增加，即AS受試者在高速行走時，仍采取較大的步寬行走。GEE顯示，組間×速度的交互作用具有顯著統計學意義（P＝0.000）。具體見圖1。

圖1 健康組和病例組在5種步行速度的步長、步幅時間、步寬和步頻Fig 1 Stride length，stride time，stride width and stride frequency at five walking speeds in healthy controls and the patients with ankylosing spondylitis

2.2 RA 在2組受試者中，手臂擺動幅度隨著步速加快而增大。GEE顯示，速度對手臂擺動幅度的作用具有顯著統計學意義（P＝0.000）。組間、組間×速度的交互作用均無顯著統計學意義。在步速為2～5km／h時，2組胸廓RA均隨著速度的增加而逐漸減少，且差別具有統計學意義（P＝0.000）。病例組胸廓RA較健康組低，GEE顯示，組間效應并無顯著統計學意義，組間×速度的交互作用亦無顯著統計學意義。脊柱RA也隨著步行速度增加而逐漸增加，且具有顯著統計學意義（P＝0.000）。組間效應、組間×速度的交互作用無顯著統計學意義。具體見圖2。

在2組受試者中，在1～2km／h時，骨盆RA隨著步行速度增加而增加。而在2～3km／h時，骨盆RA逐漸減少；在3～5km／h時，骨盆RA逐漸增加。自2～5km／h，骨盆RA的變化趨勢呈現出“U”型曲線，且具有顯著統計學意義（P＝0.011）。低速行走時（1～3km／h），病例組的骨盆RA較健康組低；高速行走時（4～5km／h），病例組的骨盆RA較健康組高。GEE顯示，組間效應具有顯著統計學意義（P＝0.007）。組間×速度的交互作用具有顯著統計學意義（P＝0.011）。具體見圖2。

2.3 RFP 在2組受試者中，手臂－下肢RFP隨著步行速度增加而增加，胸廓－骨盆RFP逐漸增加，骨盆－下肢RFP逐漸減少，且具有顯著統計學意義（P＝0.000）。GEE顯示，組間效應、組間×速度的交互作用無顯著統計學意義。具體見圖3。

病例組中，從速度2～5km／h，胸廓－手臂RFP逐漸增大（P＝0.000）。健康組中，從速度1～4km／h，胸廓－手臂 RFP逐漸增大（P＜0.01）。低速時（1～3km／h），病例組胸廓－手臂 RFP較健康組稍高。高速時（4～5km／h），病例組手臂擺動與胸廓運動較健康組更趨于反相。GEE顯示，組間×速度的交互作用具有顯著統計學意義（P＝0.001）。組間效應無顯著統計學意義。具體見圖3。

健康組中，胸廓－下肢RFP隨著步行速度增加而增加。病例組中，胸廓－下肢RFP隨著速度的增加變化不大。GEE顯示，速度效應具有顯著統計學意義（P＝0.000）。在速度1～2km／h時，病例組胸廓－下肢RFP較健康組高，但GEE顯示，組間效應并無顯著統計學意義。在速度3～5km／h，病例組下肢擺動與胸廓運動更趨于同相，具有顯著統計學意義（P＝0.023）。GEE顯示，組間×速度的交互作用具有顯著統計學意義（P＝0.000）。具體見圖3。

圖2 健康組和病例組在5種步行速度的手臂擺動幅度及胸廓、骨盆和脊柱旋轉幅度Fig 2 Arm range，thorax amplitude，pelvis amplitude and spinal amplitude at five walking speeds in healthy controls and the patients with ankylosing spondylitis

圖3 健康組和病例組在5種步行速度的手臂－下肢、胸廓－手臂、胸廓－下肢、胸廓－骨盆和骨盆－下肢相對時相Fig 3 Arm－leg，thorax－arm，thorax－leg，thorax－pelvis and pelvis－leg relative phase at five walking speeds in healthy controls and the patients with ankylosing spondylitis

3 討 論

BASDAI是最常用于評價AS患者病情活動度的指標，而VAS作為一個主觀的評價指標，在評價AS患者的疼痛程度發揮重要作用[10－11]。Schober試驗、枕墻距及胸廓活動度可評價AS患者各個部位的疾病嚴重程度。

研究結果顯示，病例組與健康組的步長或步頻并無顯著性差異。這表明，脊柱輕度累及和未累及的AS患者可能并未通過改變其步長或步頻以適應疾病的變化。在低速步行時，健康人往往采取中等步寬行走[12]。高速步行時，健康人傾向采取更小步寬行走以減少能量的消耗[13]。然而，本研究發現，AS受試者在高速行走（3～5km／h）時仍采取較大步寬行走，這說明AS患者可能已有側邊平衡的損害。

既往研究認為，高速步行時，骨盆旋轉有利于增加步長[14]。本研究中，AS受試者在高速步行時的骨盆RA較健康人高，這和LDH患者及PPP患者一致[15－17]。與PPP患者及LDH 患者相似，本研究中AS受試者可能存在軀干協調運動障礙和髖關節屈曲困難的問題。為了維持正常步長，AS受試者可能通過增加骨盆RA，以克服行走時髖關節屈曲困難所致的步長增大受限。另外，目前尚未得知骶髂關節的病變是否導致骨盆RA增加。

過去許多學者認為，高速步行時，胸廓的旋轉是為了補償骨盆的旋轉[4，18]。Bruijn等認為，高速步行時，手臂與下肢對身體總角動量的貢獻增加，胸廓及骨盆的角動量均減少[3]。另外，在步行速度高于3km／h時，胸廓的時相并未改變。因此，高速步行時胸廓運動與骨盆運動趨于反相，幾乎完全是骨盆的時相改變。本研究中，AS受試者的胸廓旋轉幅度雖然較健康受試者低，但并無顯著統計學意義。這可能是本研究樣本量小所致。

人體在正常步行時，手臂擺動與同側下肢運動是相反的，胸廓旋轉與下肢運動也始終是反相的。有研究表明，胸廓旋轉在驅動手臂擺動中發揮著重要作用[6]。在高速步行時，手臂肌肉的活動促使手臂擺動幅度增大[7]。手臂肌肉的主動收縮將最大程度減少行走時能量的耗損[13，19－21]。本研究結果顯示，AS受試者在高速步行時，胸廓的運動與手臂擺動趨于反相，胸廓旋轉與下肢的運動趨于同相，同樣的結果出現在LDH的研究中[8]。這表明，AS患者通過改變胸廓的時相，促使胸廓與下肢之間的相對運動趨于同相，手臂肌肉的活動增強可能導致AS受試者表現出更大的胸廓－手臂RFP，這有待于今后進一步研究加以證實。本研究中，病例組減小的胸廓－骨盆RFP雖然只出現在5km／h這一速度條件下，且GEE顯示差別并無統計學意義。這與LBP患者及PPP患者不同，這些患者通過減少骨盆和胸廓的相對旋轉以減少脊柱較大或較快的旋轉，并減少或避免步行中的疼痛[15]。近期的一項研究表明，人為增加脊柱的僵硬度導致胸廓與骨盆之間更小的時相差，骨盆旋轉與下肢運動更趨于反相[5]。本研究中，并未出現上述現象，原因可能是AS受試者的脊柱受累程度較輕或者脊柱并無受累，疼痛程度較輕。

AS患者在高速行走時，采取較大的步寬并增加骨盆旋轉幅度以維持正常的步長行走。高速步行時，AS患者可能通過改變胸廓時序，并減少胸廓與下肢運動時相差，導致胸廓運動與手臂擺動趨于反相。研究AS患者所作出的適應性改變，將為康復治療與功能鍛煉提供一定的理論依據。另外，AS患者手臂肌肉的活動可能參與軀干協調性改變，有待于后續研究進一步探討。

（致謝：感謝荷蘭阿姆斯特丹Vrije大學Onno G Meijer教授和Sjoerd M.Bruin博士后對本研究的支持與幫助。）

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