強(qiáng)直性脊柱炎患者的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性改變

林欣欣，吳文華，高錦團(tuán)，林曉聰，巫海鵬

2.福建醫(yī)科大學(xué) 骨科生物力學(xué)研究室，福州 350004；

3.福建醫(yī)科大學(xué) 附屬第二醫(yī)院骨科，泉州 362000

強(qiáng)直性脊柱炎（ankylosing spondylitis，AS）是常見的風(fēng)濕性疾病之一，脊柱是AS的主要受累部位，隨著病情進(jìn)展，脊柱后凸畸形迫使患者使用更謹(jǐn)慎的步態(tài)模式行走[1－2]。既往研究發(fā)現(xiàn)，人體步行時(shí)，骨盆－下肢的相對(duì)運(yùn)動(dòng)從低速時(shí)的反相逐漸轉(zhuǎn)為高速時(shí)的同相，而胸廓－下肢的相對(duì)運(yùn)動(dòng)始終為反相[3－4]。下腰痛（low back pain，LBP）、妊娠相關(guān)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(duì)旋轉(zhuǎn)以減少脊柱較大或較快的旋轉(zhuǎn)，并減少或避免步行中的疼痛[4]。實(shí)驗(yàn)性增加健康人脊柱僵硬度，胸廓－骨盆的相對(duì)運(yùn)動(dòng)顯著性降低，骨盆－下肢更趨于反相[5]。

胸廓運(yùn)動(dòng)在驅(qū)動(dòng)手臂擺動(dòng)中發(fā)揮著極其重要的作用[6－7]。Bruijn研究認(rèn)為，手臂與下肢角動(dòng)量在全身角動(dòng)量的貢獻(xiàn)度約90%[3]。因此，胸廓運(yùn)動(dòng)的改變將可能改變手臂與其他節(jié)段的協(xié)調(diào)性。腰椎間盤突出癥（lumbar disc herniation，LDH）患者在高速步行時(shí)，手臂擺動(dòng)與胸廓運(yùn)動(dòng)較健康人趨于反相，胸廓運(yùn)動(dòng)與下肢擺動(dòng)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(xié)調(diào)性與健康人不同[9]。本研究通過對(duì)比不同速度下AS患者與健康人之間的步態(tài)差異，探討AS在疾病進(jìn)展中軀干各節(jié)段的適應(yīng)性改變，以期指導(dǎo)康復(fù)治療。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)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(jù)臨床病史、體檢及X線、CT等放射學(xué)檢查結(jié)果，17例均為HLA－B27陽性，雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)炎（表1），均處于病情緩解期，Bath強(qiáng)直性脊柱炎活動(dòng)指數(shù)評(píng)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(biāo)準(zhǔn)：（1）確診為AS（符合1984年診斷標(biāo)準(zhǔn)）；（2）仍能行走；（3）外周關(guān)節(jié)無受累；（4）未患有可能影響步態(tài)的骨骼肌系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)疾??；（5）無心腦血管疾病及手術(shù)外傷史。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）由于疼痛不能行走；（2）外周關(guān)節(jié)受累；（3）患有可能影響步態(tài)的骨骼肌系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)疾??；（4）有心腦血管疾病及手術(shù)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(biāo)準(zhǔn)：（1）未患有影響步態(tài)及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的疾??；（2）能夠充分理解實(shí)驗(yàn)并和實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行良好溝通。

2組在年齡、身高、體質(zhì)量和體質(zhì)量指數(shù)（BMI）等方面均匹配，差別無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表2）。所有受試者均理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及風(fēng)險(xiǎn)并填寫書面同意書，該實(shí)驗(yàn)研究獲得福建醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，并在福建醫(yī)科大學(xué)骨科生物力學(xué)研究室進(jìn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器 利用三維步態(tài)解析系統(tǒng)對(duì)受試者步行運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行測(cè)試分析。測(cè)試中在受試者身上放置紅外線發(fā)光定位點(diǎn)，通過攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析后，可獲得即刻的人體節(jié)段或關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)位置等相關(guān)參數(shù)。OPTOTRAK三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（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(jìn)行數(shù)據(jù)采集。步行儀（EN－BO system，Bonte technology BV SERIAL NR Tn－01－069）。紅外線發(fā)光標(biāo)識(shí)點(diǎn)（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(shí)驗(yàn)步驟 （1）受試者不攜帶任何儀器在步行儀上行走一段時(shí)間，直至適應(yīng)，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(jié)段、骨盆節(jié)段、雙前臂、雙大腿、雙小腿、雙側(cè)足跟處放置紅外線發(fā)光點(diǎn)，確保其放置牢固且不影響關(guān)節(jié)活動(dòng)及數(shù)據(jù)的采集。（3）受試者在步行機(jī)上以5種速度（1.0，2.0，3.0，4.0，5.0km／h）行走。每個(gè)速度耗時(shí)120s，采樣頻率設(shè)定為100Hz，采樣時(shí)間設(shè)定為120s。待受試者適應(yīng)該狀態(tài)后方可采集每種情況的數(shù)據(jù)。如果受試者覺得步行機(jī)速度太快，可隨時(shí)告知實(shí)驗(yàn)者，該條件下的步態(tài)測(cè)試將立即被中止，該條件即為最大步行條件。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.2.3.1 空間坐標(biāo)系的設(shè)定 以受試者前方為X軸，受試者左側(cè)為Y軸，受試者上方為Z軸。

1.2.3.2 步態(tài)周期、步頻、步幅時(shí)間、步幅及步寬步態(tài)周期：從一側(cè)足跟著地到連續(xù)的下一次同側(cè)足跟著地的過程；步頻：同側(cè)足跟著地次數(shù)；步幅時(shí)間：連續(xù)2次同側(cè)足跟著地的時(shí)間；步速：步行儀速度；步幅：即步長(zhǎng)，是同一側(cè)足跟前后連續(xù)2次著地點(diǎn)間的縱向直線距離；步寬：經(jīng)過雙側(cè)足跟中心，且與行進(jìn)方向平行的兩直線的垂直距離，取連續(xù)2個(gè)距離的平均值。

1.2.3.3 水平旋轉(zhuǎn)幅度（transverse rotation amplitude，RA） 通過計(jì)算XY象限上的反正切角度得出胸廓、骨盆節(jié)段在水平面上旋轉(zhuǎn)角度的時(shí)序。骨盆和胸廓的RA是從各自的運(yùn)動(dòng)時(shí)序上確定每一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)最大與最小角度差的絕對(duì)值。脊柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)序是由骨盆運(yùn)動(dòng)時(shí)序與胸廓的運(yùn)動(dòng)時(shí)序相減而生成。

1.2.3.4 相對(duì)傅立葉相（relative fourier phase，RFP） 應(yīng)用快速傅立葉變換方法計(jì)算出每一時(shí)序的相。重建信號(hào)，產(chǎn)生由傅立葉相的時(shí)序。將相對(duì)應(yīng)每2個(gè)節(jié)段的傅立葉相時(shí)序相減，產(chǎn)生RFP時(shí)序，處理數(shù)據(jù)得出RFP差，計(jì)算雙臂、胸廓、骨盆、下肢之間的RFP。節(jié)段間的RFP被指定為0°，即“同相”（in－phase）；節(jié)段間的RFP被指定為180°，即“反相”（anti－phase）。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)由First Principle軟件采集（OPTOTRAK certus position sensors），原始數(shù)據(jù)由Matlab R2007a進(jìn)一步計(jì)算。采用SPSS 20.0軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用非配對(duì)t檢驗(yàn)分析2組的性別、年齡、體質(zhì)量、身高和BMI的組間差異；采用廣義估計(jì)方程（general estimate equation，GEE）方法分析各種條件下數(shù)據(jù)間的差異。P＜0.05為差別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

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

2.1 基本步態(tài)參數(shù) 在病例組與健康組中，隨著步行速度增加，步長(zhǎng)及步頻逐漸增加，步幅時(shí)間逐漸減少，GEE顯示，其速度對(duì)步長(zhǎng)、步頻及步幅時(shí)間的效應(yīng)均具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＝0.000）。而組間、組間×速度的交互作用均無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＝0.000）。在1～3km／h時(shí)，病例組步寬較健康組減少；在4～5km／h時(shí)，病例組步寬較健康組增加，即AS受試者在高速行走時(shí)，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(tǒng)計(jì)學(xué)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(zhǎng)、步幅時(shí)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(dòng)幅度隨著步速加快而增大。GEE顯示，速度對(duì)手臂擺動(dòng)幅度的作用具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＝0.000）。組間、組間×速度的交互作用均無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在步速為2～5km／h時(shí)，2組胸廓RA均隨著速度的增加而逐漸減少，且差別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＝0.000）。病例組胸廓RA較健康組低，GEE顯示，組間效應(yīng)并無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，組間×速度的交互作用亦無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＝0.000）。組間效應(yīng)、組間×速度的交互作用無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。具體見圖2。

在2組受試者中，在1～2km／h時(shí)，骨盆RA隨著步行速度增加而增加。而在2～3km／h時(shí)，骨盆RA逐漸減少；在3～5km／h時(shí)，骨盆RA逐漸增加。自2～5km／h，骨盆RA的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出“U”型曲線，且具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＝0.011）。低速行走時(shí)（1～3km／h），病例組的骨盆RA較健康組低；高速行走時(shí)（4～5km／h），病例組的骨盆RA較健康組高。GEE顯示，組間效應(yīng)具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＝0.007）。組間×速度的交互作用具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＝0.000）。GEE顯示，組間效應(yīng)、組間×速度的交互作用無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)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(shí)（1～3km／h），病例組胸廓－手臂 RFP較健康組稍高。高速時(shí)（4～5km／h），病例組手臂擺動(dòng)與胸廓運(yùn)動(dòng)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＝0.001）。組間效應(yīng)無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)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(yīng)具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＝0.000）。在速度1～2km／h時(shí)，病例組胸廓－下肢RFP較健康組高，但GEE顯示，組間效應(yīng)并無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在速度3～5km／h，病例組下肢擺動(dòng)與胸廓運(yùn)動(dòng)更趨于同相，具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＝0.023）。GEE顯示，組間×速度的交互作用具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)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(dòng)幅度及胸廓、骨盆和脊柱旋轉(zhuǎn)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(duì)時(shí)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(píng)價(jià)AS患者病情活動(dòng)度的指標(biāo)，而VAS作為一個(gè)主觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在評(píng)價(jià)AS患者的疼痛程度發(fā)揮重要作用[10－11]。Schober試驗(yàn)、枕墻距及胸廓活動(dòng)度可評(píng)價(jià)AS患者各個(gè)部位的疾病嚴(yán)重程度。

研究結(jié)果顯示，病例組與健康組的步長(zhǎng)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(zhǎng)或步頻以適應(yīng)疾病的變化。在低速步行時(shí)，健康人往往采取中等步寬行走[12]。高速步行時(shí)，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(fā)現(xiàn)，AS受試者在高速行走（3～5km／h）時(shí)仍采取較大步寬行走，這說明AS患者可能已有側(cè)邊平衡的損害。

既往研究認(rèn)為，高速步行時(shí)，骨盆旋轉(zhuǎn)有利于增加步長(zhǎng)[14]。本研究中，AS受試者在高速步行時(shí)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(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)障礙和髖關(guān)節(jié)屈曲困難的問題。為了維持正常步長(zhǎng)，AS受試者可能通過增加骨盆RA，以克服行走時(shí)髖關(guān)節(jié)屈曲困難所致的步長(zhǎng)增大受限。另外，目前尚未得知骶髂關(guān)節(jié)的病變是否導(dǎo)致骨盆RA增加。

過去許多學(xué)者認(rèn)為，高速步行時(shí)，胸廓的旋轉(zhuǎn)是為了補(bǔ)償骨盆的旋轉(zhuǎn)[4，18]。Bruijn等認(rèn)為，高速步行時(shí)，手臂與下肢對(duì)身體總角動(dòng)量的貢獻(xiàn)增加，胸廓及骨盆的角動(dòng)量均減少[3]。另外，在步行速度高于3km／h時(shí)，胸廓的時(shí)相并未改變。因此，高速步行時(shí)胸廓運(yùn)動(dòng)與骨盆運(yùn)動(dòng)趨于反相，幾乎完全是骨盆的時(shí)相改變。本研究中，AS受試者的胸廓旋轉(zhuǎn)幅度雖然較健康受試者低，但并無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這可能是本研究樣本量小所致。

人體在正常步行時(shí)，手臂擺動(dòng)與同側(cè)下肢運(yùn)動(dòng)是相反的，胸廓旋轉(zhuǎn)與下肢運(yùn)動(dòng)也始終是反相的。有研究表明，胸廓旋轉(zhuǎn)在驅(qū)動(dòng)手臂擺動(dòng)中發(fā)揮著重要作用[6]。在高速步行時(shí)，手臂肌肉的活動(dòng)促使手臂擺動(dòng)幅度增大[7]。手臂肌肉的主動(dòng)收縮將最大程度減少行走時(shí)能量的耗損[13，19－21]。本研究結(jié)果顯示，AS受試者在高速步行時(shí)，胸廓的運(yùn)動(dòng)與手臂擺動(dòng)趨于反相，胸廓旋轉(zhuǎn)與下肢的運(yùn)動(dòng)趨于同相，同樣的結(jié)果出現(xiàn)在LDH的研究中[8]。這表明，AS患者通過改變胸廓的時(shí)相，促使胸廓與下肢之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨于同相，手臂肌肉的活動(dòng)增強(qiáng)可能導(dǎo)致AS受試者表現(xiàn)出更大的胸廓－手臂RFP，這有待于今后進(jìn)一步研究加以證實(shí)。本研究中，病例組減小的胸廓－骨盆RFP雖然只出現(xiàn)在5km／h這一速度條件下，且GEE顯示差別并無統(tǒng)計(jì)學(xué)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(duì)旋轉(zhuǎn)以減少脊柱較大或較快的旋轉(zhuǎn)，并減少或避免步行中的疼痛[15]。近期的一項(xiàng)研究表明，人為增加脊柱的僵硬度導(dǎo)致胸廓與骨盆之間更小的時(shí)相差，骨盆旋轉(zhuǎn)與下肢運(yùn)動(dòng)更趨于反相[5]。本研究中，并未出現(xiàn)上述現(xiàn)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(shí)，采取較大的步寬并增加骨盆旋轉(zhuǎn)幅度以維持正常的步長(zhǎng)行走。高速步行時(shí)，AS患者可能通過改變胸廓時(shí)序，并減少胸廓與下肢運(yùn)動(dòng)時(shí)相差，導(dǎo)致胸廓運(yùn)動(dòng)與手臂擺動(dòng)趨于反相。研究AS患者所作出的適應(yīng)性改變，將為康復(fù)治療與功能鍛煉提供一定的理論依據(jù)。另外，AS患者手臂肌肉的活動(dòng)可能參與軀干協(xié)調(diào)性改變，有待于后續(xù)研究進(jìn)一步探討。

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

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