步態分析技術在腰椎間盤突出癥臨床診斷和功能評估中的應用進展

張琳聆,王輝昊

腰椎間盤突出癥(lumbar disc herniation, LDH)是成年人腰痛和下肢神經痛最常見的病因之一,具有發病率高、復發率高、病程長的特點[1-3],若在早期不加以干預治療,異常步態會引起腰背部和下肢肌肉力學失衡,最終造成殘疾[4-5]。目前臨床對于LDH突出節段和神經軟組織受累情況的診斷主要依靠傳統體格檢查和影像學檢查來完成。直腿抬高試驗對LDH的敏感性較高,但是特異性不足;磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是判斷LDH突出位置的金標準,對軟組織分辨能力較高,具備安全、靈敏的特點[6-7],但該檢查是在患者處于靜息臥位下完成的,無法得知患者在正常站立和行走情況下腰椎的實際功能,故難以判斷患者在日常生活中椎間盤和神經、周圍軟組織等的具體受壓狀況。傳統體格檢查和影像學檢查的不足呼吁著更優化的評估手段,而步態分析技術的出現恰好迎合了這一需求。運用三維步態分析技術,我們可以獲取動態狀態下下肢骨關節的時空參數、動力學參數和運動學參數,從而更為客觀地評估患者運動功能水平,提示病情的嚴重程度、評估治療效果,指導制定干預方案,為臨床診斷和康復訓練提供依據[8]。隨著信息采集技術的不斷完善,三維步態分析技術已被廣泛運用于臨床,成為臨床診斷和療效評估的重要手段[9-11]。

1 步態分析技術機制概述

步態分析是運用人體解剖學、生理學、力學原理等知識對人體步行姿態進行運動學觀察和動力學分析的一種技術,屬于生物力學的分支[11-12],目前常用的步態分析系統有主要由動作捕捉系統、表面肌電系統(surface Electromyography,sEMG)和足底壓力測量系統組成[13]。以Vicon動作捕捉系統為例,其機制是利用電磁系統或者光學將人體動作轉化為三維數據,建立三維坐標系,再結合時間參數計算出機體各節段的速度和加速度;表面肌電系統是通過動態肌電圖拾取運動肌肉的肌電信號并將其放大,進而獲得肌肉強度和活動時間等信息,評估神經系統對骨骼肌肉的支配情況和肌肉疲勞狀態,從而鑒別異常步態[14-16];足底壓力測量系統則是通過測量足底和在支撐相中對地面的作用力和地面反作用力來觀測足底受力中心的變化,進而對肌肉的異常受力進行判斷[3,16]。三維步態模型種類多樣,有針對性矢狀面進行測量的傳統步態模型(conventional gait model,CGM),也有對冠狀面、矢狀面、水平面進行同步觀測的六自由度三維步態模型(calibrated anatomical system technique,CAST)。傳統步態模型的特點是插入式、對矢狀面進行觀測,是步態分析中應用最廣泛,也是最具體的模型[8,17]。CAST模型的特點是能夠對肢體冠狀面、矢狀面、水平面三個維度進行同步分析。常用于步態分析的仿真軟件有AnyBody、Opensim、LifeMOD等,臨床根據不同的情況選擇不同的設備進行評估。

2 步態分析技術的使用共識

步態分析的模型和方法多樣,根據研究目的的不同,在模型選擇和觀測指標上也存在諸多差異?；颊叩哪挲g、性別、體重、測量方案、測量時是否穿鞋、采用的對照方式等的不同也可能會對研究結果產生影響,但其在使用過程中也遵循一定的共性:①觀測面:人體在行走過程中的活動規律在矢狀面上較為顯著,因此對于運動學參數和動力學參數的觀測主要集中在矢狀面[18]。②觀測方法:步速是監測下肢步態異常中最為靈敏、最基礎的參數,步頻可以反映步態的節奏和穩定性;步寬變大會使得步行中身體的穩定性下降,三者在步態穩定性中具有特異性,常作為步態分析的重要觀測指標;目前研究發現,LDH患者的步態存在步幅加快和減慢兩個截然不同的現象,可能與患者行走習慣有關,其特異性有待進一步研究。其次,考慮到鞋子重量對足底壓力的影響,測試中常選擇在裸足行走的狀態下進行數據采集,裸足可作為LDH患者步態數據采集的基本要求之一[19-20]。③人體是一個統一的整體,牽一發而動全身,下肢的步態異常常與脊柱的生物力學異常相關,因此,在評估和改善下肢運動功能的同時應注重整體觀念,注意觀測脊柱和骨盆的生物力學變化。④單一的步態評估方法無法獲得滿意結果,臨床常需要結合傳統體格檢查和影像學檢查共同作出診斷,并納入數字評分法(numeric rating scale,NRS) 、視覺模擬評分法(visual analogue score,VAS)、 Oswestry功能障礙指數評分法(Oswestry disability index,ODI)和日本骨科協會評估治療分數(Japanese orthopaedic association scores,JOA)等手段對患者的肌肉平衡狀態和異常步態給出完整的認識[21-25]。⑤在宋莎莎等[17]對于髖關節屈伸活動范圍的研究中發現,自身對照得出“活動范圍無明顯變化”的結論,而在和健康組對照中則得出“有明顯變化”的結果,說明自身對照在一定程度上會忽略患者健側代償性步態失衡而造成的錯誤參照,對客觀參數產生負面影響[26],因此在研究過程中,采取自身對照與健康組對照相結合的對照方法更為合理,且更具有說服力。

3 LDH常見的異常步態

研究發現,LDH患者在步態時空參數、運動學參數、動力學參數和肌電參數上與皆正常人存在明顯差異。如Natarajan[27]、毛晶[28]、劉慧等[29]的研究發現,LDH患者在行走過程中普遍存在步速減緩、步長縮短、支撐相時間延長的情況,部分患者還存在足底壓力降低且分布不均、步幅加快或者減慢的情況。Huang[20]、Kuai等[30]在對下肢步態參數的分析中還發現,LDH患者還存在髖膝關節活動范圍減小、運動肌肉收縮頻率降低、搖擺持續時間不對稱、行走時骨盆和腰椎旋轉變大、疼痛與步態不穩之間存在正相關關系等現象;宋莎莎[17]、鄭陳帆等[26]在采用健康組對照+自身對照方式的情況下發現,LDH患者的步態異常不僅僅存在于患側下肢,其健側下肢的步態也顯示出異常,其原因可能與健側長期代償受力有關。

4 LDH步態失衡的機制探索

LDH患者步態失衡的機制目前尚未十分明確[12,32],從運動學角度來看,可能是出于人體的自我保護機制[26,33-34],Govind等[35]的研究也認同了這一觀點,他們認為,該機制具體表現為疼痛回避:人體的正常步態是由神經系統、骨骼肌肉系統、髖膝踝以及足部個小關節的共同配合完成的[15-16],其中任何一個環節的失調都可能引起步態異常,患者腰椎病變壓迫神經和周圍軟組織,引起患肢疼痛,無力支撐上身重量,因此被迫調節運動方式,例如采用減少患側觸地時間、縮短步長的方式來緩解疼痛,與此同時,健側代償受力,長此以往導致患側下肢肌肉萎廢不用,肌力降低,雙側下肢生物力學平衡失調[20]。研究認為,患者骨盆和腰椎旋轉角度隨步長增加而呈正相關變化的原因也來自于機體的自我保護機制:患者下肢運動策略的長期改變會加重腰椎退行性病變,在進行大幅邁步時,通過旋轉胸部與腿的擺動運動相一致,可以限制脊柱旋轉的幅度,從而減輕脊柱的異常受力和旋轉,緩解脊柱和骨盆的不適感[19,31,35]。步態失衡的足底生物力學變化主要來自于骨小梁的病變[36]:在脊柱和髖膝關節異常受力的環境下,骨小梁易發生不同程度的骨折、囊性改變或者軟骨下骨硬化,長此以往導致足部受力異常,足底壓力分布不均[37]。

5 步態分析技術使用中的局限性

5.1 設備普適性不足 步態分析系統在臨床運用較為廣泛,覆蓋了醫、工領域的各個方面[20,38-39],但因LDH患者年齡、病情、設備的可操作性、研究者自身因素等各方面因素的影響,其在醫學領域的應用依然存在一些缺陷,比如:CGM是進行下肢步態分析應用最廣泛、最具體的模型,但是易受軟組織偽影的影響,表面標記點會隨著關節位置的變化而出現誤差,容易導致采集的動態數據不準確;采用立體投影模式的無標記運動捕捉系統在一定程度上彌補了CGM模型的不足,且具有操作簡單、成本低廉的優勢,但易受算法、環境因素的影響[13];可穿戴加速器在臨床的應用也較廣泛,對脊柱特異性病態損傷具有敏感性,但是其在臨床應用中的安全性和普適性仍有待證實[40];能量消耗和體力活動智能裝置系統(intelligent device for energy expenditure and physical activity,IDEEA)在步態分析中較也為常用,具有無創、便攜的特點,但是使用過程中存在設備和重癥患者難以適配的情況,例如,在吳建賢等[41]的研究中就出現2例病情嚴重患者無法完成指示動作的情況,提示該設備在對LDH重癥患者能力評估中的可行性不高,臨床應用需要因人制宜。除此之外,目前步態分析普遍選擇在固定時間點進行數據采集,而采用這種方法獲得的數據與患者真實步態參數可能存在偏差, 而用可穿戴設備進行數據持續采集的方法更具有客觀性和真實性[29,42-46],但是可穿戴設備的普及還有較長的時間跨度。由此可見,步態分析系統在臨床的應用中也存在一定局限性,在使用過程中應該因人、因時、因地制宜。

5.2 肌電測量技術不成熟 步態分析中肌電測量系統的局限性主要表現在兩個方面,一是目前的研究中對于表面肌電圖的應用十分有限,表面肌電測量數據運用較少,且由于肌肉冗余問題、肌肉合力等的影響,其數據的參考價值仍存在爭議[23]。二是深層肌電測量技術尚不成熟,眾所周知,腰椎和骨盆周圍的肌肉和軟組織在維持腰椎和骶髂關節正常應力的過程中發揮著重要作用[47],肌肉軟組織的失衡和腰椎、骨盆關節失衡之間可以相互影響,因此腰椎和骨盆周圍軟組織的生物力學以及深層肌電參數也應該被視為研究的重點。

5.3 正常步態數據庫尚未建立 本次研究發現,各項研究中納入患者的年齡跨度較大,大部分研究都集中于單時間點的橫斷面評價,且研究中健康組對照和者自身左右對照的方法也存在缺陷:由于沒有進行年齡分組,且各年齡階段的正常步態數據庫尚未建立,所謂的“健康組”狀態未必健康,因此臨床研究缺乏標準化的參考。

5.4 縱向研究缺乏 步態分析中關于LDH的臨床分型并未十分明確,未對單節段突出和多節段突出的步態作詳細比較,如徐欣[47]、張勤良等[48]的研究中,納入的患者包含了L3/4、L4/5、L5/S1單節斷、雙節斷等不同突出類型,且研究中未對不同突出節段患者的步態進行分類比較,而是將其籠統地歸為“LDH異常步態”中,這可能導致臨床對不同類型LDH的治療缺乏針對性,未來的研究可以對不同節段病變的步態特征進行比較,以便更好地指導個性化治療。

6 小結與展望

步態分析技術是臨床進行LDH診斷和療效評估的重要手段,相較于傳統的體格檢查,它具有客觀、全面、靈敏、準確等特點[43-44],能夠將骨科、康復科常用的定性分析化為客觀準確的定量指標,且在結合NRS 評分、VAS評分、JOA評分和ODI 評分等評估手段的情況下還可以大大提高檢查結果的準確性。隨著技術的進步,可穿戴設備其憑借著自身便攜、穿戴方便、經濟實惠等優勢逐漸成為康復評估和治療的主流。而針對步態分析系統存在的諸多問題,未來的研究可以將重點放在以下幾個方面:①探索深層肌電圖的無創測量技術,完善軟件中預測肌肉冗余力技術,提高所獲取數據的精確性和客觀性;②探索不同觀測指標的特異性和精確性,拓展便攜式可穿戴設備在臨床診療中的應用;③開展LDH不同突出節段和突出類型的異常步態的縱向研究,為臨床提供更具有個性化的治療方案。④建立健康人群不同年齡階段的步態數據庫,為LDH的診療評估提供標準化參考。