張 琪，TOLENTINO Janel，孫成彥，盛 博，張彥新，*

1 福建中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，福建 福州 350122；

2 奧克蘭大學(xué)運(yùn)動(dòng)科學(xué)系，新西蘭 奧克蘭 1142；

3 上海壹博醫(yī)院，上海 200050；

4 上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444

腦性癱瘓（cerebral palsy，CP）簡(jiǎn)稱(chēng)腦癱，主要表現(xiàn)為肌肉痙攣、肌無(wú)力、運(yùn)動(dòng)控制失衡等，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)發(fā)育障礙，嚴(yán)重影響兒童日?；顒?dòng)及生活質(zhì)量［1-2］。痙攣性腦癱是腦癱中最常見(jiàn)的類(lèi)型，CP兒童在步行中常表現(xiàn)出下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)的各種異常（如蹲伏步態(tài)、尖足步態(tài)等），造成步行的穩(wěn)定性和安全性降低。因此，需要對(duì)痙攣性腦癱兒童步態(tài)特征進(jìn)行量化分析，以開(kāi)展針對(duì)性的康復(fù)治療干預(yù)［3］。

足底壓力中心（center of pressure，COP）軌跡是步態(tài)分析中重要的指標(biāo)之一［4］，能反映足與地面接觸全過(guò)程的作用方式。COP可通過(guò)專(zhuān)業(yè)的足底壓力檢測(cè)技術(shù)獲取。但是，腦癱兒童尖足行走時(shí)，常因足底與壓力板接觸不完全而影響了足部縱軸測(cè)量的準(zhǔn)確性［5］。人體是一個(gè)鉸鏈系統(tǒng)，行走功能是通過(guò)軀干和下肢各個(gè)關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)整合而成。三維步態(tài)分析技術(shù)能夠檢測(cè)、記錄行走過(guò)程特定時(shí)期各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的具體信息（如足部標(biāo)記識(shí)別足部長(zhǎng)軸和足部坐標(biāo)系等）和對(duì)地面作用力等信息［6-7］，從運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等方面對(duì)行走能力進(jìn)行量化評(píng)估。有研究采用三維步態(tài)運(yùn)動(dòng)捕捉分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一套足底模型，實(shí)現(xiàn)無(wú)需專(zhuān)業(yè)的測(cè)試設(shè)備就可以計(jì)算足底壓力中心軌跡，并同步采集運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)［5］。

在生物力學(xué)中，力矩大小為力與關(guān)節(jié)正交距離（杠桿臂或力矩臂）的乘積。下肢肌肉力量對(duì)關(guān)節(jié)周?chē)伯a(chǎn)生力矩，以對(duì)抗地面反作用力產(chǎn)生的外部力矩。步行時(shí)外部力矩大小與地面反作用力的杠桿臂呈正相關(guān)關(guān)系。痙攣性CP兒童異常步態(tài)通常伴隨杠桿臂特征異常［8］，但目前尚無(wú)對(duì)其進(jìn)行量化分析的相關(guān)研究。為此，本研究通過(guò)三維步態(tài)分析系統(tǒng)的足底模型分析尖足步態(tài)、蹲伏步態(tài)痙攣性CP兒童與正常發(fā)育兒童足底壓力中心軌跡和下肢關(guān)節(jié)杠桿臂的差異，探討痙攣性CP兒童的步態(tài)生物學(xué)特征，以期為步態(tài)異常CP兒童康復(fù)治療提供指導(dǎo)，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 臨床資料

1.1 病例選擇標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1診斷標(biāo)準(zhǔn) 參照《腦性癱瘓的定義、診斷標(biāo)準(zhǔn)及臨床分型》有關(guān)腦性癱瘓的診斷標(biāo)準(zhǔn)［9］。即符合以下4個(gè)必備條件和2個(gè)參考條件。4個(gè)必備條件包括：① 中樞性運(yùn)動(dòng)障礙持續(xù)存在；② 運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)發(fā)育異常；③ 反射發(fā)育異常；④ 肌張力及肌力異常。2個(gè)參考條件包括：① 引起腦性癱瘓的病因?qū)W依據(jù)；② MRI、CT頭顱影像學(xué)佐證。

1.1.2納入標(biāo)準(zhǔn) ① 年齡6～12歲；② 粗大運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分（gross motor function measure，GMFM）Ⅰ級(jí)或Ⅱ級(jí)［10］；③ 無(wú)需借助輔具可以獨(dú)立行走10 m；④ 能聽(tīng)懂簡(jiǎn)單指令，充分配合步態(tài)測(cè)試。

1.1.3排除標(biāo)準(zhǔn) ① 合并影響步行能力的其他神經(jīng)系統(tǒng)或骨骼肌肉系統(tǒng)疾病；② 智力發(fā)育障礙，無(wú)法配合完成試驗(yàn)。

1.2 一般資料

選擇新西蘭奧克蘭大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室收集的60例CP兒童步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按步態(tài)情況分為正常發(fā)育組、尖足步態(tài)組、蹲伏步態(tài)組，每組20例。與正常發(fā)育組比較，尖足步態(tài)組、蹲伏步態(tài)組年齡差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），體質(zhì)量和下肢長(zhǎng)度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)表1。為消除體質(zhì)量和下肢長(zhǎng)度差異對(duì)觀察指標(biāo)的影響，本研究將分別以體質(zhì)量、下肢長(zhǎng)度為基準(zhǔn)對(duì)觀察指標(biāo)作歸一化處理。本研究方案已獲得奧克蘭大學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

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(shù)據(jù)采集方法

2.1.1采集參數(shù)設(shè)置 采用三維步態(tài)采集與分析系統(tǒng)（英國(guó)Oxford Metrics Limited公司，型號(hào)：VICON）采集步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。關(guān)節(jié)位置數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)置為100 Hz，地面反作用力采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz。

2.1.2采集部位標(biāo)記 遵循步態(tài)分析的標(biāo)準(zhǔn)方案進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由研究人員參照克利夫蘭臨床模型標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究對(duì)象下肢進(jìn)行標(biāo)記［11］。標(biāo)記點(diǎn)包括膝外上髁、小腿下1/3脛骨、雙側(cè)外踝（ANK）、雙側(cè)第二跖骨頭（TOE）、雙側(cè)跟骨后側(cè)（HEE）。

2.1.3步態(tài)數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集過(guò)程中所有研究對(duì)象均穿短褲或緊身褲，赤足進(jìn)行步態(tài)測(cè)試。每次步態(tài)測(cè)試前，研究對(duì)象須配合完成靜態(tài)試驗(yàn)，對(duì)計(jì)算機(jī)模型的物理標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。測(cè)試開(kāi)始指示信號(hào)發(fā)出后，研究對(duì)象以平時(shí)生活正常步速在指定區(qū)域內(nèi)向前行進(jìn)約10 m，步行時(shí)連續(xù)2步落在測(cè)力臺(tái)上即為有效數(shù)據(jù)，重復(fù)采集有效數(shù)據(jù)3次，取其平均值，每次測(cè)試時(shí)長(zhǎng)無(wú)限制。為確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，在正式測(cè)試前每個(gè)研究對(duì)象先在三維測(cè)力臺(tái)上練習(xí)3次以熟悉流程。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1標(biāo)記反光標(biāo)記點(diǎn) 通過(guò)Vicon工作站軟件手動(dòng)標(biāo)記反光標(biāo)記點(diǎn)。采集的原始三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)使用四階低通量Butterworth濾波器（截止頻率為6 Hz）進(jìn)行濾波，確定關(guān)節(jié)中心和虛擬標(biāo)記的位置。

2.2.2足底坐標(biāo)系統(tǒng)建模 參考LOUEY等［5］設(shè)計(jì)的足底模型對(duì)步態(tài)支撐期足底坐標(biāo)系統(tǒng)建模。由三維步態(tài)分析軟件計(jì)算輸出虛擬標(biāo)記點(diǎn)，通過(guò)變換矩陣，建立足底局部坐標(biāo)系。由跟骨后側(cè)（HEE）調(diào)整至與第二跖骨頭（TOE）水平，形成虛擬坐標(biāo)HEEL。足底坐標(biāo)系Y軸（YFS）為T(mén)OE與HEEL標(biāo)記連線的足底平行線；Z軸（ZFS）為某個(gè)定位點(diǎn)的重力垂直線；X軸（XFS）為Y軸和Z軸的向量積形成的內(nèi)外側(cè)軸。根據(jù)踝關(guān)節(jié)中心（ankle joint center，AJC）在足底縱軸投射，生成虛擬標(biāo)記點(diǎn)AJCP，該標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)一步投射至足底坐標(biāo)系，確定為足底坐標(biāo)系原點(diǎn)AJC0。見(jiàn)圖1。

圖1 足底坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖Figure 1 Illustration of the foot sole coordinate system

2.3 觀察指標(biāo)

2.3.1足底壓力中心軌跡 將測(cè)力臺(tái)足底壓力中心（center of pressure，COP）的全局坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為足底局部坐標(biāo)，形成足底壓力中心軌跡。計(jì)算足底壓力中心的前后側(cè)（anteroposterior，AP）位移、內(nèi)外側(cè)（medial-lateral，ML）位移和中心位移斜率［12］；前掌離地階段踝關(guān)節(jié)最大推進(jìn)力時(shí)足底壓力中心與足底坐標(biāo)系原點(diǎn)的水平距離（COP-AJC0）。

2.3.2地面反作用力杠桿臂 通過(guò)逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到地面反作用力，關(guān)節(jié)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(tài)支撐期踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)AP、ML方向地面反作用力杠桿臂。

2.3.3關(guān)節(jié)外力矩 通過(guò)杠桿臂與地面反作用力向量積計(jì)算踝關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)外部力矩。本研究主要分析步態(tài)支撐期踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)AP、ML方向關(guān)節(jié)外力矩。

為消除不同組別下肢長(zhǎng)度和體質(zhì)量差異對(duì)結(jié)果的影響，地面反作用力杠桿臂利用下肢長(zhǎng)度歸一化處理，關(guān)節(jié)外力矩利用體質(zhì)量歸一化處理。

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)量資料服從正態(tài)分布者，數(shù)據(jù)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié) 果

3.1 步態(tài)支撐期杠桿臂和外力矩變化軌跡

與正常發(fā)育組比較，尖足步態(tài)組、蹲伏步態(tài)組步態(tài)支撐期踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)前后側(cè)與內(nèi)外側(cè)杠桿臂變化和外力矩變化軌跡分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 步態(tài)支撐期膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)杠桿臂變化Figure 2 Lever arms of the knee and ankle in the stance phase

圖3 步態(tài)支撐期膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)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(fā)育組比較，尖足步態(tài)組和蹲伏步態(tài)組COP-AJC0均升高，足前掌長(zhǎng)度均減少，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。與尖足步態(tài)組比較，蹲伏步態(tài)組COP-AJC0、足底壓力中心前后側(cè)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)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(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)杠桿臂和外力矩比較

與正常發(fā)育組比較，尖足步態(tài)組和蹲伏步態(tài)組踝關(guān)節(jié)AP杠桿臂、膝關(guān)節(jié)AP杠桿臂均明顯更長(zhǎng)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。與尖足步態(tài)組比較，蹲伏步態(tài)組踝關(guān)節(jié)AP杠桿臂明顯更長(zhǎng)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。3組踝關(guān)節(jié)/膝關(guān)節(jié)AP、ML外力矩差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見(jiàn)表3。

表3 3組踝關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)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(xué)分析可更精準(zhǔn)、客觀評(píng)估CP兒童異常步態(tài)

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，尖足步態(tài)組膝關(guān)節(jié)AP杠桿臂明顯大于正常發(fā)育組。這提示，尖足步態(tài)CP兒童由于神經(jīng)肌肉功能障礙會(huì)導(dǎo)致步態(tài)生物力學(xué)上的差異。短縮的踝跖屈肌會(huì)導(dǎo)致CP兒童呈現(xiàn)尖足步態(tài)，擺動(dòng)期足部與地面間隙減小，出現(xiàn)拖曳步態(tài)［3］。因此，為了保證擺動(dòng)期的足廓清，尖足步態(tài)CP兒童髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)屈曲角度往往更大，進(jìn)而觀察到更大的膝關(guān)節(jié)前后側(cè)杠桿臂。與正常發(fā)育組比較，尖足步態(tài)CP兒童地面反作用力位置在膝后方，行走過(guò)程中最大跖屈時(shí)足底壓力中心的位置距離踝關(guān)節(jié)更遠(yuǎn)，壓力更多集中于趾骨區(qū)域，更容易導(dǎo)致趾骨區(qū)域損傷。此外，與蹲伏步態(tài)組比較，尖足步態(tài)組支撐期足底壓力中心位移斜率更大，表現(xiàn)出更大的內(nèi)側(cè)位移，這可能是由于尖足步態(tài)模式的足底支撐面較窄，步行穩(wěn)定性差，尖足步態(tài)CP兒童需要通過(guò)側(cè)向移動(dòng)，代償性增加雙足間支撐面的步態(tài)策略以維持軀干平衡，以提高行走時(shí)的穩(wěn)定性［13-14］。

與正常發(fā)育組比較，蹲伏步態(tài)CP兒童踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)杠桿臂更長(zhǎng)，其中膝關(guān)節(jié)AP杠桿臂尤為明顯。這提示，蹲伏步態(tài)CP兒童產(chǎn)生更長(zhǎng)的膝關(guān)節(jié)屈曲力臂。這可能與以下因素有關(guān)：① 正常發(fā)育兒童膝關(guān)節(jié)在足跟著地時(shí)，屈曲約5°以緩解地面反作用力，股四頭肌和腘繩肌等聯(lián)合收縮以穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)，支撐期后半程踝關(guān)節(jié)跖屈配合膝關(guān)節(jié)伸直，小腿比目魚(yú)肌收縮以減緩脛骨前移，使地面反作用力保持在膝關(guān)節(jié)前方，在不激活股四頭肌的情況下產(chǎn)生膝關(guān)節(jié)的伸展力矩［15］。② 蹲伏步態(tài)CP兒童神經(jīng)肌肉控制異常致比目魚(yú)肌收縮減弱，跖屈肌在支撐期無(wú)法減緩脛骨的前移，阻礙了膝關(guān)節(jié)的伸展。此時(shí)，地面反作用力作用于膝關(guān)節(jié)后方，會(huì)導(dǎo)致股四頭肌不斷激活，步行能量消耗更大，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)負(fù)荷增加，從而出現(xiàn)關(guān)節(jié)疼痛。此外，蹲伏步態(tài)兒童足底壓力中心位置更靠近遠(yuǎn)端趾骨，遠(yuǎn)端趾骨更容易出現(xiàn)慢性損傷。這與既往研究發(fā)現(xiàn)蹲伏步態(tài)兒童常出現(xiàn)關(guān)節(jié)疼痛的結(jié)果一致［16-17］。

4.2 基于足底模型的生物力學(xué)步態(tài)特征分析可為臨床精準(zhǔn)康復(fù)治療提供支持

在對(duì)步態(tài)功能異常的CP兒童進(jìn)行精準(zhǔn)康復(fù)治療時(shí)，臨床醫(yī)生和康復(fù)治療師需要獲取更多CP兒童步態(tài)參數(shù)信息，精確地評(píng)價(jià)下肢關(guān)節(jié)杠桿臂功能與步態(tài)障礙的關(guān)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(xiàn)了其作為動(dòng)態(tài)足功能評(píng)定指標(biāo)的價(jià)值。目前，臨床常通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的三維步態(tài)分析方法輸出步態(tài)的時(shí)空和運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，而足底壓力中心軌跡變化則往往需要通過(guò)專(zhuān)門(mén)的足底壓力測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。涉及不同指標(biāo)的綜合分析往往需要專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。結(jié)合三維動(dòng)作捕捉對(duì)步態(tài)不同時(shí)期壓力中心軌跡進(jìn)行分析，更有利于揭示不同步態(tài)模式的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)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(biāo)系上，并在該坐標(biāo)系中對(duì)步態(tài)支撐期膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的地面反作用力杠桿臂和外力矩進(jìn)行量化分析。研究結(jié)果表明，在支撐末期最大推進(jìn)力時(shí)，尖足步態(tài)和蹲伏步態(tài)CP兒童足底壓力中心均位于前足掌遠(yuǎn)端趾骨處，在踝關(guān)節(jié)跖屈步行向前推進(jìn)時(shí)，補(bǔ)償畸形足杠桿臂不足，但其異常負(fù)荷可能造成拇趾畸形。了解CP兒童步態(tài)異常的代償機(jī)制對(duì)設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的主動(dòng)和被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練方案，預(yù)防趾骨損傷畸形具有重要意義［19］。

4.3 步態(tài)特征分析可為步態(tài)輔助設(shè)備研發(fā)提供重要依據(jù)

步態(tài)功能異常的CP兒童康復(fù)治療通常需要踝足矯形器和步態(tài)康復(fù)機(jī)器人的輔助。踝足矯形器是一種有效改善步態(tài)的物理治療措施。研究表明，佩戴踝足矯形器能夠減少病態(tài)反射模式和步行的能量消耗，顯著改善CP兒童運(yùn)動(dòng)功能［20］。矯形器的總體作用機(jī)制為矯正下肢力線，將三維步態(tài)分析技術(shù)應(yīng)用其中，有助于提高下肢矯形器的適配水平，以研發(fā)更符合CP兒童個(gè)體特征的下肢踝足矯形器［6，21］。此外，研究表明異常步態(tài)CP兒童足底壓力中心的位移可能會(huì)導(dǎo)致足部異常受力，膝關(guān)節(jié)受地面反作用力增大，顯著增加了趾骨和膝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險(xiǎn)，基于足底模型的量化分析個(gè)性化定制矯形鞋墊和膝關(guān)節(jié)防護(hù)裝置［22-23］，有助于CP兒童的康復(fù)。

步態(tài)康復(fù)機(jī)器人是基于軌跡和力等控制范式開(kāi)發(fā)的新型步態(tài)康復(fù)裝置。有研究顯示，步態(tài)康復(fù)機(jī)器人可有效改善痙攣型CP兒童的步態(tài)時(shí)空參數(shù)，但在步態(tài)時(shí)相關(guān)系變化和動(dòng)力學(xué)參數(shù)等方面仍需進(jìn)一步研究［24-26］。本研究基于足底模型的步態(tài)生物力學(xué)分析可提供更多支撐期步態(tài)動(dòng)力學(xué)參數(shù)信息［27］，為步態(tài)軌跡控制與膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的杠桿臂/外力矩結(jié)合提供依據(jù)，有針對(duì)性指導(dǎo)步態(tài)康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)，更利于促進(jìn)CP兒童開(kāi)展下肢主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，減少能量消耗，提高康復(fù)訓(xùn)練參與度和效果。

5 小 結(jié)

基于足底模型的步態(tài)生物力學(xué)特征分析可以更精準(zhǔn)、客觀地對(duì)CP兒童異常步態(tài)進(jìn)行評(píng)估，為臨床精準(zhǔn)康復(fù)治療、康復(fù)輔具設(shè)備研發(fā)提供支持。

致謝：新西蘭奧克蘭大學(xué)TOLENTINO Janel主要負(fù)責(zé)本項(xiàng)目步態(tài)數(shù)據(jù)采集，指導(dǎo)并協(xié)助完成三維步態(tài)分析系統(tǒng)建模及數(shù)據(jù)分析工作，與本文第1作者貢獻(xiàn)相同，特此致謝。