强直性脊柱炎患者的运动协调性改变

林欣欣，吴文华，高锦团，林晓聪，巫海鹏

2.福建医科大学 骨科生物力学研究室，福州 350004；

3.福建医科大学 附属第二医院骨科，泉州 362000

强直性脊柱炎（ankylosing spondylitis，AS）是常见的风湿性疾病之一，脊柱是AS的主要受累部位，随着病情进展，脊柱后凸畸形迫使患者使用更谨慎的步态模式行走[1－2]。既往研究发现，人体步行时，骨盆－下肢的相对运动从低速时的反相逐渐转为高速时的同相，而胸廓－下肢的相对运动始终为反相[3－4]。下腰痛（low back pain，LBP）、妊娠相关骨盆痛（pregnancy－related pelvic girdle pain，PPP）等疾病患者，通过减少骨盆和胸廓的相对旋转以减少脊柱较大或较快的旋转，并减少或避免步行中的疼痛[4]。实验性增加健康人脊柱僵硬度，胸廓－骨盆的相对运动显著性降低，骨盆－下肢更趋于反相[5]。

胸廓运动在驱动手臂摆动中发挥着极其重要的作用[6－7]。Bruijn研究认为，手臂与下肢角动量在全身角动量的贡献度约90%[3]。因此，胸廓运动的改变将可能改变手臂与其他节段的协调性。腰椎间盘突出症（lumbar disc herniation，LDH）患者在高速步行时，手臂摆动与胸廓运动较健康人趋于反相，胸廓运动与下肢摆动较健康人更趋于同相[8]。

Mangone研究表明，在一定速度下，AS患者的骨盆－手臂协调性与健康人不同[9]。本研究通过对比不同速度下AS患者与健康人之间的步态差异，探讨AS在疾病进展中躯干各节段的适应性改变，以期指导康复治疗。

1 对象与方法

1.1 对象 收集2013年6月－2014年12月就诊的17例男性 AS患者为病例组，年龄（30.29±4.47）岁（20～50岁）。根据临床病史、体检及X线、CT等放射学检查结果，17例均为HLA－B27阳性，双侧骶髂关节炎（表1），均处于病情缓解期，Bath强直性脊柱炎活动指数评分（bath ankylosing spondylitis disease activity index，BASDAI）＜4分；胸腰椎轻度受累2例，腰椎轻度受累4例，余患者无脊柱受累。纳入标准：（1）确诊为AS（符合1984年诊断标准）；（2）仍能行走；（3）外周关节无受累；（4）未患有可能影响步态的骨骼肌系统和神经系统疾病；（5）无心脑血管疾病及手术外伤史。排除标准：（1）由于疼痛不能行走；（2）外周关节受累；（3）患有可能影响步态的骨骼肌系统和神经系统疾病；（4）有心脑血管疾病及手术外伤史。

另外收集17例男性健康受试者为健康组，年龄（29.23±5.15）岁（20～50岁）。纳入标准：（1）未患有影响步态及关节运动的疾病；（2）能够充分理解实验并和实验人员进行良好沟通。

2组在年龄、身高、体质量和体质量指数（BMI）等方面均匹配，差别无统计学意义（表2）。所有受试者均理解实验内容及风险并填写书面同意书，该实验研究获得福建医科大学附属第二医院伦理委员会批准，并在福建医科大学骨科生物力学研究室进行。

1.2 实验方法

1.2.1 实验仪器 利用三维步态解析系统对受试者步行运动学进行测试分析。测试中在受试者身上放置红外线发光定位点，通过摄像头进行数据采集，计算机进行数据处理分析后，可获得即刻的人体节段或关节运动位置等相关参数。OPTOTRAK三维运动捕捉系统（Optotrak Certus，加拿大Northern Digital Inc公司），2组摄像头分别放置在受试者身后约5m处进行数据采集。步行仪（EN－BO system，Bonte technology BV SERIAL NR Tn－01－069）。红外线发光标识点（加拿大Northern Digital Inc公司）。

表1 AS患者临床资料Tab 1 The clinical datas of patients with AS

表2 2组受试者一般资料比较Tab 2 The general information of two groups

1.2.2 实验步骤 （1）受试者不携带任何仪器在步行仪上行走一段时间，直至适应，感觉和平地行走无异，且无不适感及恐惧感。（2）在受试者胸廓节段、骨盆节段、双前臂、双大腿、双小腿、双侧足跟处放置红外线发光点，确保其放置牢固且不影响关节活动及数据的采集。（3）受试者在步行机上以5种速度（1.0，2.0，3.0，4.0，5.0km／h）行走。每个速度耗时120s，采样频率设定为100Hz，采样时间设定为120s。待受试者适应该状态后方可采集每种情况的数据。如果受试者觉得步行机速度太快，可随时告知实验者，该条件下的步态测试将立即被中止，该条件即为最大步行条件。

1.2.3 实验参数

1.2.3.1 空间坐标系的设定 以受试者前方为X轴，受试者左侧为Y轴，受试者上方为Z轴。

1.2.3.2 步态周期、步频、步幅时间、步幅及步宽步态周期：从一侧足跟着地到连续的下一次同侧足跟着地的过程；步频：同侧足跟着地次数；步幅时间：连续2次同侧足跟着地的时间；步速：步行仪速度；步幅：即步长，是同一侧足跟前后连续2次着地点间的纵向直线距离；步宽：经过双侧足跟中心，且与行进方向平行的两直线的垂直距离，取连续2个距离的平均值。

1.2.3.3 水平旋转幅度（transverse rotation amplitude，RA） 通过计算XY象限上的反正切角度得出胸廓、骨盆节段在水平面上旋转角度的时序。骨盆和胸廓的RA是从各自的运动时序上确定每一个步态周期内最大与最小角度差的绝对值。脊柱的旋转运动时序是由骨盆运动时序与胸廓的运动时序相减而生成。

1.2.3.4 相对傅立叶相（relative fourier phase，RFP） 应用快速傅立叶变换方法计算出每一时序的相。重建信号，产生由傅立叶相的时序。将相对应每2个节段的傅立叶相时序相减，产生RFP时序，处理数据得出RFP差，计算双臂、胸廓、骨盆、下肢之间的RFP。节段间的RFP被指定为0°，即“同相”（in－phase）；节段间的RFP被指定为180°，即“反相”（anti－phase）。

1.3 统计学处理 运动学数据由First Principle软件采集（OPTOTRAK certus position sensors），原始数据由Matlab R2007a进一步计算。采用SPSS 20.0软件包进行统计学分析，采用非配对t检验分析2组的性别、年龄、体质量、身高和BMI的组间差异；采用广义估计方程（general estimate equation，GEE）方法分析各种条件下数据间的差异。P＜0.05为差别具有统计学意义。

2 结 果

34例受试者中，除1例AS患者由于疲劳行走步速不能达到5km／h，余受试者皆能达到5.0km／h的步速，并完成所有条下件的步行测试。

2.1 基本步态参数 在病例组与健康组中，随着步行速度增加，步长及步频逐渐增加，步幅时间逐渐减少，GEE显示，其速度对步长、步频及步幅时间的效应均具有显著统计学意义（P＝0.000）。而组间、组间×速度的交互作用均无显著统计学意义。随着步行速度的增加，健康组步宽逐渐减少，差别具有统计学意义（P＝0.000）。在1～3km／h时，病例组步宽较健康组减少；在4～5km／h时，病例组步宽较健康组增加，即AS受试者在高速行走时，仍采取较大的步宽行走。GEE显示，组间×速度的交互作用具有显著统计学意义（P＝0.000）。具体见图1。

图1 健康组和病例组在5种步行速度的步长、步幅时间、步宽和步频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组受试者中，手臂摆动幅度随着步速加快而增大。GEE显示，速度对手臂摆动幅度的作用具有显著统计学意义（P＝0.000）。组间、组间×速度的交互作用均无显著统计学意义。在步速为2～5km／h时，2组胸廓RA均随着速度的增加而逐渐减少，且差别具有统计学意义（P＝0.000）。病例组胸廓RA较健康组低，GEE显示，组间效应并无显著统计学意义，组间×速度的交互作用亦无显著统计学意义。脊柱RA也随着步行速度增加而逐渐增加，且具有显著统计学意义（P＝0.000）。组间效应、组间×速度的交互作用无显著统计学意义。具体见图2。

在2组受试者中，在1～2km／h时，骨盆RA随着步行速度增加而增加。而在2～3km／h时，骨盆RA逐渐减少；在3～5km／h时，骨盆RA逐渐增加。自2～5km／h，骨盆RA的变化趋势呈现出“U”型曲线，且具有显著统计学意义（P＝0.011）。低速行走时（1～3km／h），病例组的骨盆RA较健康组低；高速行走时（4～5km／h），病例组的骨盆RA较健康组高。GEE显示，组间效应具有显著统计学意义（P＝0.007）。组间×速度的交互作用具有显著统计学意义（P＝0.011）。具体见图2。

2.3 RFP 在2组受试者中，手臂－下肢RFP随着步行速度增加而增加，胸廓－骨盆RFP逐渐增加，骨盆－下肢RFP逐渐减少，且具有显著统计学意义（P＝0.000）。GEE显示，组间效应、组间×速度的交互作用无显著统计学意义。具体见图3。

病例组中，从速度2～5km／h，胸廓－手臂RFP逐渐增大（P＝0.000）。健康组中，从速度1～4km／h，胸廓－手臂 RFP逐渐增大（P＜0.01）。低速时（1～3km／h），病例组胸廓－手臂 RFP较健康组稍高。高速时（4～5km／h），病例组手臂摆动与胸廓运动较健康组更趋于反相。GEE显示，组间×速度的交互作用具有显著统计学意义（P＝0.001）。组间效应无显著统计学意义。具体见图3。

健康组中，胸廓－下肢RFP随着步行速度增加而增加。病例组中，胸廓－下肢RFP随着速度的增加变化不大。GEE显示，速度效应具有显著统计学意义（P＝0.000）。在速度1～2km／h时，病例组胸廓－下肢RFP较健康组高，但GEE显示，组间效应并无显著统计学意义。在速度3～5km／h，病例组下肢摆动与胸廓运动更趋于同相，具有显著统计学意义（P＝0.023）。GEE显示，组间×速度的交互作用具有显著统计学意义（P＝0.000）。具体见图3。

图2 健康组和病例组在5种步行速度的手臂摆动幅度及胸廓、骨盆和脊柱旋转幅度Fig 2 Arm range，thorax amplitude，pelvis amplitude and spinal amplitude at five walking speeds in healthy controls and the patients with ankylosing spondylitis

图3 健康组和病例组在5种步行速度的手臂－下肢、胸廓－手臂、胸廓－下肢、胸廓－骨盆和骨盆－下肢相对时相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 讨 论

BASDAI是最常用于评价AS患者病情活动度的指标，而VAS作为一个主观的评价指标，在评价AS患者的疼痛程度发挥重要作用[10－11]。Schober试验、枕墙距及胸廓活动度可评价AS患者各个部位的疾病严重程度。

研究结果显示，病例组与健康组的步长或步频并无显著性差异。这表明，脊柱轻度累及和未累及的AS患者可能并未通过改变其步长或步频以适应疾病的变化。在低速步行时，健康人往往采取中等步宽行走[12]。高速步行时，健康人倾向采取更小步宽行走以减少能量的消耗[13]。然而，本研究发现，AS受试者在高速行走（3～5km／h）时仍采取较大步宽行走，这说明AS患者可能已有侧边平衡的损害。

既往研究认为，高速步行时，骨盆旋转有利于增加步长[14]。本研究中，AS受试者在高速步行时的骨盆RA较健康人高，这和LDH患者及PPP患者一致[15－17]。与PPP患者及LDH 患者相似，本研究中AS受试者可能存在躯干协调运动障碍和髋关节屈曲困难的问题。为了维持正常步长，AS受试者可能通过增加骨盆RA，以克服行走时髋关节屈曲困难所致的步长增大受限。另外，目前尚未得知骶髂关节的病变是否导致骨盆RA增加。

过去许多学者认为，高速步行时，胸廓的旋转是为了补偿骨盆的旋转[4，18]。Bruijn等认为，高速步行时，手臂与下肢对身体总角动量的贡献增加，胸廓及骨盆的角动量均减少[3]。另外，在步行速度高于3km／h时，胸廓的时相并未改变。因此，高速步行时胸廓运动与骨盆运动趋于反相，几乎完全是骨盆的时相改变。本研究中，AS受试者的胸廓旋转幅度虽然较健康受试者低，但并无显著统计学意义。这可能是本研究样本量小所致。

人体在正常步行时，手臂摆动与同侧下肢运动是相反的，胸廓旋转与下肢运动也始终是反相的。有研究表明，胸廓旋转在驱动手臂摆动中发挥着重要作用[6]。在高速步行时，手臂肌肉的活动促使手臂摆动幅度增大[7]。手臂肌肉的主动收缩将最大程度减少行走时能量的耗损[13，19－21]。本研究结果显示，AS受试者在高速步行时，胸廓的运动与手臂摆动趋于反相，胸廓旋转与下肢的运动趋于同相，同样的结果出现在LDH的研究中[8]。这表明，AS患者通过改变胸廓的时相，促使胸廓与下肢之间的相对运动趋于同相，手臂肌肉的活动增强可能导致AS受试者表现出更大的胸廓－手臂RFP，这有待于今后进一步研究加以证实。本研究中，病例组减小的胸廓－骨盆RFP虽然只出现在5km／h这一速度条件下，且GEE显示差别并无统计学意义。这与LBP患者及PPP患者不同，这些患者通过减少骨盆和胸廓的相对旋转以减少脊柱较大或较快的旋转，并减少或避免步行中的疼痛[15]。近期的一项研究表明，人为增加脊柱的僵硬度导致胸廓与骨盆之间更小的时相差，骨盆旋转与下肢运动更趋于反相[5]。本研究中，并未出现上述现象，原因可能是AS受试者的脊柱受累程度较轻或者脊柱并无受累，疼痛程度较轻。

AS患者在高速行走时，采取较大的步宽并增加骨盆旋转幅度以维持正常的步长行走。高速步行时，AS患者可能通过改变胸廓时序，并减少胸廓与下肢运动时相差，导致胸廓运动与手臂摆动趋于反相。研究AS患者所作出的适应性改变，将为康复治疗与功能锻炼提供一定的理论依据。另外，AS患者手臂肌肉的活动可能参与躯干协调性改变，有待于后续研究进一步探讨。

（致谢：感谢荷兰阿姆斯特丹Vrije大学Onno G Meijer教授和Sjoerd M.Bruin博士后对本研究的支持与帮助。）

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