三維步態在腦卒中足下垂患者下肢節段協調性分析的應用

沈新培， 夏清 ，杜玲玲

腦卒中亦稱腦血管意外，是發病率和致殘率均較高的疾病之一，存活者中約80%的腦卒中偏癱患者伴有不同程度的肢體、言語、意識等功能障礙[1-2]，其中20%的腦卒中患者步行時出現足下垂現象[3]，嚴重影響步行能力和生活質量。既往對腦卒中偏癱患者的研究主要側重于運動學分析，對下肢協調性的研究鮮有涉及。目前普遍認為，協調性是指在時間和空間上，身體不同部位和關節維持一種動態穩定性的能力[4]。節段間協調平面定律可定量評定不同運動形式下的協調功能[5-18]。因此本研究在節段間協調平面定律的基礎上，通過主成分分析來進一步探討腦卒中偏癱足下垂患者下肢運動協調模式。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2019年11月～2020年10月在合肥市第二人民醫院康復科住院的腦卒中偏癱足下垂患者15例為觀察組，入選標準：符合《中國急性缺血性腦卒中診治指南2018》和《中國腦出血診治指南2019》診斷標準，并經頭顱CT或MRI檢查證實；單側發病，均伴有足下垂步態；肌張力評定：偏癱側下肢改良AshworthⅠ+級及以下；運動功能恢復評定：偏癱側下肢Brunnstrom分期IV期及以上；在無需他人或輔助器具幫助下能獨立且安全行走至少10m；受試者均簽署知情同意書。排除標準：生命體征不穩定或伴有明顯認知障礙，簡易精神狀態檢查量表評分<24分，視聽理解障礙，無法配合完成檢測；伴有神經系統病變、骨關節功能障礙等其他影響步行能力或致足下垂的疾病，如腦干、小腦病變，關節畸形、骨折、退行性改變等；雙側發病；病歷資料不全或依從性差。采用配對設計的方法選取與觀察組年齡相近(±5歲)、性別相同及左右側一致的健康者為對照組進行配對：對照組一與觀察組偏癱側配對，其中8例左側，7例右側；對照組二與觀察組非偏癱側配對，7例左側，8例右側。2組一般資料比較差異無統計學意義，見表1。

表1 2組患者一般資料比較

1.2 方法 以合肥市第二人民醫院康復醫學科步態實驗室為實驗場地，采用Codamotion三維動作捕捉系統(Charnwood Dynamics Ltd，英國)，包括4臺cx1捕捉器、下肢步態套件、標定槍。運用標定槍標記左右髂前上棘、左右股骨內外側髁、左右踝內外側髁以及空間靜態點。向受試者詳細介紹測試過程及注意事項并予以示范后，囑受試者以舒適的自然狀態，在裸足狀態下行走數次。受試者熟悉流程后開始正式采集，每位受試者至少采集6次，并從中選取中間較為穩定的3個步態周期作為實驗數據。

1.3 評定標準 ①時空參數：步速、步長、步頻、支撐期百分比。②下肢關節運動學參數：髖關節、膝關節、踝關節矢狀面的關節活動范圍(range of motion，ROM)，最大踝背屈角度、最大踝跖屈角度。③大腿、小腿、足部仰角范圍和仰角峰值出現時間：大腿的仰角定義為大腿相對于矢狀面中與地面垂直線的傾斜角，當遠端定點位于大腿的近端定點之前時為正角。小腿仰角定義為相對于矢狀面中與地面垂直線的傾斜角，當遠端定點位于小腿的近端定點之前時為正角。足部仰角定義為第五趾骨與足跟連線相對于矢狀面中與地面垂直線的傾斜角，當第五趾骨高于足跟標記時，大于90°。把每一個受試者的步態周期時間百分化，并在分析中使用多個步態周期的平均角度[19]。在健康人行走過程中，大腿仰角、小腿仰角和足部仰角軌跡在3D空間中形成一個典型的水滴形步態環圖(on origin)并且非常靠近最佳擬合平面[4-7，19-20]。④方差百分比及比值：本文采用主成分分析即PCA(Principal component analysis)，得出具有參考意義的是PC1(pricipal component 1)、PC2、PC3和每個PC代表的方差百分比即PV1(percent variance 1)、PV2和PV3。每個PC的方差百分比表示該PC的方差在全部方差中的比重，方差百分比越大表明該主成分綜合原始變量信息的能力越強[21]。在本研究中對照組一、二，觀察組偏癱側和非偏癱側各有一組PC1、PC2、PC3，PV1、PV2、PV3。PV1和PV2可確定仰角共變的最佳擬合平面，PV3是步態環的平面度指數(當PV3=0，出現完全協變平面)。PV1和PV2可分別反映步態環的高度和寬度[22]。

2 結果

2.1 3組運動學參數比較 對照組一與對照組二各項運動學參數比較差異均無統計學意義。觀察組偏癱側與非偏癱側比較，步頻、支撐期百分比、髖關節ROM、膝關節ROM、最大踝背屈角度、小腿、足部仰角范圍均減小(均P<0.01)，步長、最大踝跖屈角度均增加(均P<0.01)；步速、踝關節ROM、大腿仰角范圍差異均無統計學意義。觀察組偏癱側與對照組一比較，步速減慢、步長減短、步頻減小、支撐期百分比延長(均P<0.01)，髖關節ROM、膝關節ROM、踝關節ROM、最大踝背屈角度、大腿、小腿、足部仰角范圍均減小(均P<0.01)，最大踝跖屈角度差異無統計學意義。觀察組非偏癱側與對照組二比較，步速減慢、步長減短(均P<0.01)，髖關節ROM、膝關節ROM、踝關節ROM、最大踝跖屈角度、大腿、小腿、足部仰角范圍均減小(均P<0.01)，支撐期百分比延長(P<0.01),步頻和最大踝背屈角度差異均無統計學意義。見表2。

表2 3組步行中運動學參數比較

2.2 3組仰角峰值出現時間 觀察組偏癱側與對照組一比較，大腿仰角峰值出現時間延遲(P<0.01)，觀察組偏癱側與非偏癱側和對照組一其余參數比較以及觀察組非偏癱側和對照組二比較差異均無統計學意義，見表3。

表3 3組各節段仰角峰值出現時間 %，M(P25，P75)

2.3 3組仰角方差百分比及比值比較 觀察組偏癱側與非偏癱側各參數比較均無統計學意義。觀察組偏癱側與對照組一比較以及觀察組非偏癱側與對照組二比較，PV1和PV1/PV2均減小(均P<0.01)，PV2均增大(均P<0.01)，PV3差異均無統計學意義。見表4。

表4 3組仰角方差百分比及比值比較

2.4 三維步態環圖 觀察組偏癱側與非偏癱側分別與對照組一、對照組二比較，步態環圖偏離正常水滴形態，表現為高度降低、尾部消失、扭曲。觀察組偏癱側與非偏癱側比較，步態環路圖高度較低。見圖1a～c(分辨率：8050×2057)。

3 討論

正常步行周期始于一側足跟著地到該側足跟再次著地。腦卒中后足下垂表現為在步行周期的擺動相，患肢踝關節無法背屈或背屈緩慢無力。本研究發現腦卒中偏癱足下垂患者偏癱側和非偏癱側與對照組比較，支撐期百分比延長。偏癱側與非偏癱側比較，支撐期百分比縮短。說明足下垂患者在步行中偏癱側下肢缺乏足夠負重能力，無法很好地支撐體重完成非偏癱側擺動邁步。觀察組偏癱側髖膝踝各關節活動度較對照組一均減小，這可能與偏癱側下肢各關節活動受限，控制能力降低，分離運動不充分有關[24]。同時偏癱側最大踝背屈角度較對照組一降低，這符合足下垂步態的基本特征[26-30]。腦卒中偏癱足下垂的主要原因是腦卒中偏癱足下垂患者在擺動相時因小腿前肌群(脛骨前肌)及外側肌群(腓骨長短肌)激活不足，出現廢用性肌萎縮[25]，同時小腿三頭肌長期痙攣[26]，導致足背屈無力、跟腱攣縮，在支撐相前期全腳掌或足尖先著地。在臨床治療過程中可著重加強脛前肌肌力訓練，小腿三頭肌牽拉訓練、踝關節控制訓練等以改善患者的足下垂步態[27-30]。

觀察組偏癱側與對照組一比較，非偏癱側與對照組二比較，結果均為步長變短，步頻減小，步行速度降低。觀察組非偏癱側步長小于偏癱側，步頻大于偏癱側。上述結果表明腦卒中偏癱足下垂患者步行能力下降，偏癱側通過非偏癱側代償完成步行。在健康者行走過程中，跖屈肌是向前推進的主要動力[31-32]。由于腦卒中偏癱足下垂患者偏癱側跖屈肌損傷，患者利用非偏癱側跖屈肌增加向前的推進力，在偏癱側腿擺動期重心進一步向前移動，從而增加了偏癱側步長，這與Allen等[33]研究結果一致，即腦卒中偏癱患者通常依賴于非偏癱側代償改善其步行對稱性。

步行是一個復雜的循環過程,它包括許多關節之間的協調運動，步行的協調是通過中樞神經系統控制相關關節的運動，調節關節運動自由度從而實現肢體的協調。我們對腦卒中偏癱足下垂步態是否遵循節段間協調平面規律進行了檢測，通過對實驗組偏癱側、非偏癱側及對照組的各節段仰角進行主成分分析，發現各組PC1和PC2可解釋接近95%的原始變量，代表各組數據的基本特征。觀察組的偏癱側、非偏癱側分別與對照組和一對照組比較，發現平面自由度PV3差異沒有統計學意義，這證明腦卒中偏癱足下垂步態符合節段間協調平面定律。觀察組偏癱側和非偏癱側的大腿、小腿及足部仰角范圍明顯小于對照組一、二，但觀察組非偏癱側和偏癱側的大腿仰角范圍沒有明顯差異，結合偏癱側大腿和足部仰角峰值時間較對照組一延遲，考慮與患者在步行中通過非偏癱側下肢支撐相延長、增加步頻、減小步長的方式對偏癱側肢體進行代償相關，并且偏癱側肢體傾向增大屈髖角度、增加步長以彌補偏癱側下肢各關節活動范圍不同程度的受限對步行能力的影響[33]。Bleyenheuft等[34]研究證明在痙攣性腦卒中患者注射肉毒桿菌毒素2個月后，雙下肢仰角明顯改善，偏癱側節間協調能力提高，非偏癱側協調能力趨近正常。這提示在臨床治療中，可通過降低小腿三頭肌肌張力增加踝背屈角度，減輕足下垂步態，改善患者雙下肢協調能力。

郭忠武等[34]通過主成分分析發現在步行過程中步態關鍵時間點是足跟接觸地面瞬間。腦卒中足下垂患者的仰角軌跡在三維坐標圖上偏離典型的形狀。在觀察組中，偏癱側和非偏癱側出現步態環路異常，偏離正常的曲線,表現為步態環變矮，高尖尾部消失。觀察對照組一和二的三維步態環圖，可發現典型水滴形步態環圖出現高尖尾部現象，這是因為在足跟著地時，足部和小腿節段仰角幾乎同時到達峰值，且大腿節段處于仰角曲線平緩期，隨后重心前移，全腳掌著地，足部仰角迅速降至平臺期。結合表3，對照組一、二各節段仰角峰值出現時間均集中在足跟著地時，觀察組偏癱側小腿和足部仰角峰值出現時間不一致，且觀察組偏癱側大腿仰角峰值與對照組一相比明顯延遲，差異有統計學意義。觀察組偏癱側因踝背屈困難足部仰角在足著地后缺乏迅速下降的過程，而非偏癱側因為邁步不充分使得其足部仰角曲線直接進入平臺期。上述結果使得圖1c中非偏癱側與偏癱側三維步態環路的尾部出現不同程度的異常，即扭曲，甚至消失等情況，是協調功能異常的關鍵點，可作為描述足下垂患者下肢協調障礙標志之一。為了更科學的解釋觀察組三維環圖的形狀，在主成分分析所得出的結果中可知，PV1和PV2反映了三維步態環路的高度和寬度，PV1/PV2即高寬比可一定程度上體現三維步態環圖的形狀[22]。Bleyenheuft等[35]認為PV1/PV2的值越大，步態環路就越接近于一條線段。如表4所示，觀察組偏癱側和非偏癱側分別與對照組一、二相比，高寬比均減小，因此在三維步態環圖中，觀察組偏癱側和非偏癱側與對照組一和二相比圖形較為矮寬，結果與圖中三維步態環路顯示結果一致。圖1c顯示觀察組偏癱側的步態環路偏差較非偏癱側更明顯，偏癱側與非偏癱側與對照組一、二相比，PV1減少而PV2增加，差異有統計學意義。主要原因可能與非偏癱側下肢的代償作用相關[33]。以往研究表明PV值的變化提示步態協調發生改變，Martinoa等[23]認為遺傳性痙攣性截癱患者相對于對照組PV1減小，PV2增大，說明其下肢協調功能受損。結合本文結果，在行走狀態下，實驗組偏癱側的PV1減少和PV2增加提示腦卒中偏癱足下垂患者協調障礙。

注：三維步態環圖是將大腿、小腿和足部的仰角繪制成3D空間步態路徑，環路形狀反映了不同節段之間的相位關系。隨著時間的推移，這條路徑以逆時針方向前進，足跟接觸地面(IC)和足趾離開地面(TO)階段分別對應于環的頂部和底部[23]。灰色為對照組，藍色為觀察組偏癱側，黑色為觀察組非偏癱側。

綜上所述，腦卒中偏癱足下垂患者在步行中偏癱側下肢缺乏足夠負重和控制能力，步行能力下降，協調功能受損，依賴非偏癱側下肢進行相應代償協助完成步行。除卻3D步態環圖的直觀體現外，PV值的改變可能是腦卒中偏癱足下垂患者協調障礙的標志之一。但本研究亦存在不足之處，本研究樣本量偏小，未從主成分分析所得數據進一步量化偏癱側下肢髖膝踝關節代償方式，有待后期研究進一步完善。