基于足底模型的痙攣性腦性癱瘓兒童步態生物力學特征分析

張 琪，TOLENTINO Janel，孫成彥，盛 博，張彥新，*

1 福建中醫藥大學康復醫學院，福建 福州 350122；

2 奧克蘭大學運動科學系，新西蘭 奧克蘭 1142；

3 上海壹博醫院，上海 200050；

4 上海大學機電工程與自動化學院，上海 200444

腦性癱瘓（cerebral palsy，CP）簡稱腦癱，主要表現為肌肉痙攣、肌無力、運動控制失衡等，會導致運動和姿勢發育障礙，嚴重影響兒童日常活動及生活質量［1-2］。痙攣性腦癱是腦癱中最常見的類型，CP兒童在步行中常表現出下肢關節活動的各種異常（如蹲伏步態、尖足步態等），造成步行的穩定性和安全性降低。因此，需要對痙攣性腦癱兒童步態特征進行量化分析，以開展針對性的康復治療干預［3］。

足底壓力中心（center of pressure，COP）軌跡是步態分析中重要的指標之一［4］，能反映足與地面接觸全過程的作用方式。COP可通過專業的足底壓力檢測技術獲取。但是，腦癱兒童尖足行走時，常因足底與壓力板接觸不完全而影響了足部縱軸測量的準確性［5］。人體是一個鉸鏈系統，行走功能是通過軀干和下肢各個關節復合運動整合而成。三維步態分析技術能夠檢測、記錄行走過程特定時期各個關節運動的具體信息（如足部標記識別足部長軸和足部坐標系等）和對地面作用力等信息［6-7］，從運動學、動力學等方面對行走能力進行量化評估。有研究采用三維步態運動捕捉分析系統開發了一套足底模型，實現無需專業的測試設備就可以計算足底壓力中心軌跡，并同步采集運動學和動力學數據［5］。

在生物力學中，力矩大小為力與關節正交距離（杠桿臂或力矩臂）的乘積。下肢肌肉力量對關節周圍也產生力矩，以對抗地面反作用力產生的外部力矩。步行時外部力矩大小與地面反作用力的杠桿臂呈正相關關系。痙攣性CP兒童異常步態通常伴隨杠桿臂特征異常［8］，但目前尚無對其進行量化分析的相關研究。為此，本研究通過三維步態分析系統的足底模型分析尖足步態、蹲伏步態痙攣性CP兒童與正常發育兒童足底壓力中心軌跡和下肢關節杠桿臂的差異，探討痙攣性CP兒童的步態生物學特征，以期為步態異常CP兒童康復治療提供指導，現報道如下。

1 臨床資料

1.1 病例選擇標準

1.1.1診斷標準 參照《腦性癱瘓的定義、診斷標準及臨床分型》有關腦性癱瘓的診斷標準［9］。即符合以下4個必備條件和2個參考條件。4個必備條件包括：① 中樞性運動障礙持續存在；② 運動和姿勢發育異常；③ 反射發育異常；④ 肌張力及肌力異常。2個參考條件包括：① 引起腦性癱瘓的病因學依據；② MRI、CT頭顱影像學佐證。

1.1.2納入標準 ① 年齡6～12歲；② 粗大運動功能評分（gross motor function measure，GMFM）Ⅰ級或Ⅱ級［10］；③ 無需借助輔具可以獨立行走10 m；④ 能聽懂簡單指令，充分配合步態測試。

1.1.3排除標準 ① 合并影響步行能力的其他神經系統或骨骼肌肉系統疾病；② 智力發育障礙，無法配合完成試驗。

1.2 一般資料

選擇新西蘭奧克蘭大學生物力學實驗室收集的60例CP兒童步態數據進行分析，按步態情況分為正常發育組、尖足步態組、蹲伏步態組，每組20例。與正常發育組比較，尖足步態組、蹲伏步態組年齡差異無統計學意義（P＞0.05），體質量和下肢長度差異有統計學意義（P＜0.05）。見表1。為消除體質量和下肢長度差異對觀察指標的影響，本研究將分別以體質量、下肢長度為基準對觀察指標作歸一化處理。本研究方案已獲得奧克蘭大學倫理委員會批準。

表1 3組一般資料比較（xˉ±s）Table 1 Comparison of general data in three groups （xˉ±s）

2 方 法

2.1 數據采集方法

2.1.1采集參數設置 采用三維步態采集與分析系統（英國Oxford Metrics Limited公司，型號：VICON）采集步態運動學數據。關節位置數據采樣頻率設置為100 Hz，地面反作用力采樣頻率設置為1 000 Hz。

2.1.2采集部位標記 遵循步態分析的標準方案進行數據采集，由研究人員參照克利夫蘭臨床模型標準對研究對象下肢進行標記［11］。標記點包括膝外上髁、小腿下1/3脛骨、雙側外踝（ANK）、雙側第二跖骨頭（TOE）、雙側跟骨后側（HEE）。

2.1.3步態數據采集 數據采集過程中所有研究對象均穿短褲或緊身褲，赤足進行步態測試。每次步態測試前，研究對象須配合完成靜態試驗，對計算機模型的物理標記點進行校準。測試開始指示信號發出后，研究對象以平時生活正常步速在指定區域內向前行進約10 m，步行時連續2步落在測力臺上即為有效數據，重復采集有效數據3次，取其平均值，每次測試時長無限制。為確保數據采集的穩定性，在正式測試前每個研究對象先在三維測力臺上練習3次以熟悉流程。

2.2 數據處理方法

2.2.1標記反光標記點 通過Vicon工作站軟件手動標記反光標記點。采集的原始三維坐標數據使用四階低通量Butterworth濾波器（截止頻率為6 Hz）進行濾波，確定關節中心和虛擬標記的位置。

2.2.2足底坐標系統建模 參考LOUEY等［5］設計的足底模型對步態支撐期足底坐標系統建模。由三維步態分析軟件計算輸出虛擬標記點，通過變換矩陣，建立足底局部坐標系。由跟骨后側（HEE）調整至與第二跖骨頭（TOE）水平，形成虛擬坐標HEEL。足底坐標系Y軸（YFS）為TOE與HEEL標記連線的足底平行線；Z軸（ZFS）為某個定位點的重力垂直線；X軸（XFS）為Y軸和Z軸的向量積形成的內外側軸。根據踝關節中心（ankle joint center，AJC）在足底縱軸投射，生成虛擬標記點AJCP，該標記點進一步投射至足底坐標系，確定為足底坐標系原點AJC0。見圖1。

圖1 足底坐標系統示意圖Figure 1 Illustration of the foot sole coordinate system

2.3 觀察指標

2.3.1足底壓力中心軌跡 將測力臺足底壓力中心（center of pressure，COP）的全局坐標轉換為足底局部坐標，形成足底壓力中心軌跡。計算足底壓力中心的前后側（anteroposterior，AP）位移、內外側（medial-lateral，ML）位移和中心位移斜率［12］；前掌離地階段踝關節最大推進力時足底壓力中心與足底坐標系原點的水平距離（COP-AJC0）。

2.3.2地面反作用力杠桿臂 通過逆向動力學計算得到地面反作用力，關節中心與地面反作用力向量之間的正交距離即為地面反作用力（ground reaction force，GRF）杠桿臂。本研究主要分析步態支撐期踝關節和膝關節AP、ML方向地面反作用力杠桿臂。

2.3.3關節外力矩 通過杠桿臂與地面反作用力向量積計算踝關節與膝關節外部力矩。本研究主要分析步態支撐期踝關節和膝關節AP、ML方向關節外力矩。

為消除不同組別下肢長度和體質量差異對結果的影響，地面反作用力杠桿臂利用下肢長度歸一化處理，關節外力矩利用體質量歸一化處理。

2.4 統計學方法

使用SPSS 24.0統計軟件進行數據分析。計量資料服從正態分布者，數據以（xˉ±s）表示，多組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用Tukey法。P＜0.05為差異具有統計學意義。

3 結 果

3.1 步態支撐期杠桿臂和外力矩變化軌跡

與正常發育組比較，尖足步態組、蹲伏步態組步態支撐期踝關節、膝關節前后側與內外側杠桿臂變化和外力矩變化軌跡分別見圖2、圖3。

圖2 步態支撐期膝關節和踝關節杠桿臂變化Figure 2 Lever arms of the knee and ankle in the stance phase

圖3 步態支撐期膝關節和踝關節外力矩變化Figure 3 External moment of the knee and ankle in the stance phase

3.2 3組足底壓力中心軌跡特征比較

與正常發育組比較，尖足步態組和蹲伏步態組COP-AJC0均升高，足前掌長度均減少，差異均具有統計學意義（P＜0.05）。與尖足步態組比較，蹲伏步態組COP-AJC0、足底壓力中心前后側位移均明顯更大，足底壓力中心位移斜率明顯更小，差異均具有統計學意義（P＜0.05）。見表2。

表2 3組足底壓力中心軌跡特征比較（xˉ±s）Table 2 Comparison of COP progression characteristics of foot sole in three groups（xˉ±s）

3.3 3組踝關節及膝關節杠桿臂和外力矩比較

與正常發育組比較，尖足步態組和蹲伏步態組踝關節AP杠桿臂、膝關節AP杠桿臂均明顯更長，差異具有統計學意義（P＜0.05）。與尖足步態組比較，蹲伏步態組踝關節AP杠桿臂明顯更長，差異具有統計學意義（P＜0.05）。3組踝關節/膝關節AP、ML外力矩差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表3。

表3 3組踝關節及膝關節杠桿臂和外力矩比較（xˉ±s）Table 3 Comparison of lever arm and external moments of ankle and knee joints in three groups（xˉ±s）

4 討 論

4.1 基于足底模型的生物力學分析可更精準、客觀評估CP兒童異常步態

本研究結果發現，尖足步態組膝關節AP杠桿臂明顯大于正常發育組。這提示，尖足步態CP兒童由于神經肌肉功能障礙會導致步態生物力學上的差異。短縮的踝跖屈肌會導致CP兒童呈現尖足步態，擺動期足部與地面間隙減小，出現拖曳步態［3］。因此，為了保證擺動期的足廓清，尖足步態CP兒童髖關節和膝關節屈曲角度往往更大，進而觀察到更大的膝關節前后側杠桿臂。與正常發育組比較，尖足步態CP兒童地面反作用力位置在膝后方，行走過程中最大跖屈時足底壓力中心的位置距離踝關節更遠，壓力更多集中于趾骨區域，更容易導致趾骨區域損傷。此外，與蹲伏步態組比較，尖足步態組支撐期足底壓力中心位移斜率更大，表現出更大的內側位移，這可能是由于尖足步態模式的足底支撐面較窄，步行穩定性差，尖足步態CP兒童需要通過側向移動，代償性增加雙足間支撐面的步態策略以維持軀干平衡，以提高行走時的穩定性［13-14］。

與正常發育組比較，蹲伏步態CP兒童踝關節和膝關節杠桿臂更長，其中膝關節AP杠桿臂尤為明顯。這提示，蹲伏步態CP兒童產生更長的膝關節屈曲力臂。這可能與以下因素有關：① 正常發育兒童膝關節在足跟著地時，屈曲約5°以緩解地面反作用力，股四頭肌和腘繩肌等聯合收縮以穩定膝關節，支撐期后半程踝關節跖屈配合膝關節伸直，小腿比目魚肌收縮以減緩脛骨前移，使地面反作用力保持在膝關節前方，在不激活股四頭肌的情況下產生膝關節的伸展力矩［15］。② 蹲伏步態CP兒童神經肌肉控制異常致比目魚肌收縮減弱，跖屈肌在支撐期無法減緩脛骨的前移，阻礙了膝關節的伸展。此時，地面反作用力作用于膝關節后方，會導致股四頭肌不斷激活，步行能量消耗更大，膝關節和踝關節負荷增加，從而出現關節疼痛。此外，蹲伏步態兒童足底壓力中心位置更靠近遠端趾骨，遠端趾骨更容易出現慢性損傷。這與既往研究發現蹲伏步態兒童常出現關節疼痛的結果一致［16-17］。

4.2 基于足底模型的生物力學步態特征分析可為臨床精準康復治療提供支持

在對步態功能異常的CP兒童進行精準康復治療時，臨床醫生和康復治療師需要獲取更多CP兒童步態參數信息，精確地評價下肢關節杠桿臂功能與步態障礙的關系。足底壓力中心軌跡可更好地反映足與地面作用的情況，體現了其作為動態足功能評定指標的價值。目前，臨床常通過標準的三維步態分析方法輸出步態的時空和運動學動力學參數，而足底壓力中心軌跡變化則往往需要通過專門的足底壓力測試設備進行測量。涉及不同指標的綜合分析往往需要專門的實驗設計。結合三維動作捕捉對步態不同時期壓力中心軌跡進行分析，更有利于揭示不同步態模式的運動本質特征［18］。本研究基于足底模型將足底壓力中心軌跡反映在足底坐標系上，并在該坐標系中對步態支撐期膝關節和踝關節的地面反作用力杠桿臂和外力矩進行量化分析。研究結果表明，在支撐末期最大推進力時，尖足步態和蹲伏步態CP兒童足底壓力中心均位于前足掌遠端趾骨處，在踝關節跖屈步行向前推進時，補償畸形足杠桿臂不足，但其異常負荷可能造成拇趾畸形。了解CP兒童步態異常的代償機制對設計具有針對性的主動和被動康復訓練方案，預防趾骨損傷畸形具有重要意義［19］。

4.3 步態特征分析可為步態輔助設備研發提供重要依據

步態功能異常的CP兒童康復治療通常需要踝足矯形器和步態康復機器人的輔助。踝足矯形器是一種有效改善步態的物理治療措施。研究表明，佩戴踝足矯形器能夠減少病態反射模式和步行的能量消耗，顯著改善CP兒童運動功能［20］。矯形器的總體作用機制為矯正下肢力線，將三維步態分析技術應用其中，有助于提高下肢矯形器的適配水平，以研發更符合CP兒童個體特征的下肢踝足矯形器［6，21］。此外，研究表明異常步態CP兒童足底壓力中心的位移可能會導致足部異常受力，膝關節受地面反作用力增大，顯著增加了趾骨和膝關節損傷的風險，基于足底模型的量化分析個性化定制矯形鞋墊和膝關節防護裝置［22-23］，有助于CP兒童的康復。

步態康復機器人是基于軌跡和力等控制范式開發的新型步態康復裝置。有研究顯示，步態康復機器人可有效改善痙攣型CP兒童的步態時空參數，但在步態時相關系變化和動力學參數等方面仍需進一步研究［24-26］。本研究基于足底模型的步態生物力學分析可提供更多支撐期步態動力學參數信息［27］，為步態軌跡控制與膝關節、踝關節的杠桿臂/外力矩結合提供依據，有針對性指導步態康復機器人的研發，更利于促進CP兒童開展下肢主動康復訓練，減少能量消耗，提高康復訓練參與度和效果。

5 小 結

基于足底模型的步態生物力學特征分析可以更精準、客觀地對CP兒童異常步態進行評估，為臨床精準康復治療、康復輔具設備研發提供支持。

致謝：新西蘭奧克蘭大學TOLENTINO Janel主要負責本項目步態數據采集，指導并協助完成三維步態分析系統建模及數據分析工作，與本文第1作者貢獻相同，特此致謝。