脑瘫患儿在不平整路面行走时步态的时空特征

　　

脑瘫儿童在不平整表面行走步态时空特征研究解读

蒙特利尔大学医学院运动机能学与体育活动科学学院等单位的研究人员 Cloé Dussault-Picard、Yorsa Cherni、Philippe C. Dixon 在Scientific Reports期刊上发表了题为 “Spatiotemporal characteristics of gait when walking on an uneven surface in children with cerebral palsy” 的论文。该研究聚焦于脑瘫儿童在不平整表面行走的步态特征，对于深入了解脑瘫儿童的运动功能障碍、改进临床步态评估方法以及制定针对性康复策略具有重要意义。

一、研究背景

脑瘫（Cerebral Palsy，CP）是一种因发育中大脑受损导致的运动和姿势问题，常引发步态异常，使脑瘫儿童在参与日常活动时面临诸多困难，与正常发育儿童（Typically Developing，TD）相比，他们的活动参与度明显降低。

临床步态分析可测量步态时空参数，这些参数能反映行走的不同方面，如稳定性（单支撑时间、双支撑时间、步幅宽度）、速度（步态速度、步长）、节奏（步频、步行比、步时）和变异性（参数的逐步步幅波动）。其中，步态变异性可作为行走障碍的独特标志，较大的步幅间变异性与不稳定、病理步态相关，而较低变异性则与过于僵硬的运动模式有关。已有研究表明，在实验室平整表面上，脑瘫儿童的步幅间变异性高于正常儿童，这与他们的痉挛导致的不自主收缩和较差的选择性运动控制有关。

然而，尽管在不平整表面行走对脑瘫儿童的日常生活至关重要，但目前对他们在这种表面上的步态研究较少。现有的步态分析大多在实验室的平整表面进行，可能会忽略一些仅在具有挑战性的行走条件（如不平整表面）下才会出现的问题。此前虽有研究评估了不平整表面对脑瘫儿童步态时空参数的影响，但都未涉及步态的逐步步幅变异性，无法全面理解脑瘫儿童在不平整表面行走时的适应策略和步态稳定性。因此，分析脑瘫儿童在不平整表面的步态时空特征及其变异性，有助于更好地了解他们在日常行走任务中遇到的步态障碍。

二、研究材料方法

（一）研究对象

研究人员从圣贾斯汀大学医院康复中心招募了年龄在 4 - 17 岁的参与者。脑瘫组的纳入标准为确诊为主要是痉挛性单侧或双侧脑瘫，能够理解并遵循口头指示，且无需辅助设备（除矫形器外）即可在不平整表面行走（即 GMFCS 水平为 I 或 II）。正常发育组的排除标准为有任何步态、神经或肌肉骨骼损伤病史。最终，17 名脑瘫儿童（11 名男性，6 名女性；GMFCS I 级 13 人，GMFCS II 级 4 人；单侧脑瘫 7 人，双侧脑瘫 10 人）和 17 名正常发育儿童（8 名男性，9 名女性）参与了研究。所有实验方案均获得圣贾斯汀医院研究伦理委员会批准（2022 - 3349），并遵循相关指南和规定，参与者的父母 / 监护人提供了书面知情同意书，16 岁以上的参与者还单独签署了知情同意书。

（二）实验设置

参与者需在 4 米长的平整表面（实验室地面）和不平整表面通道上，以舒适的自选速度进行 6 - 8 次行走试验。不平整表面由 2×8 聚氨酯减震地板面板（Terrasensa，德国卡塞尔）制成，通道两端设有斜坡，便于参与者平稳进出。为避免数据采集区域的加速和减速，行走试验在通道前后 3 米处开始和结束。参与者穿着日常鞋子和矫形器（如有），根据 pyCGM（版本 2.3）模型在其身上放置标记物，并用 12 个光电相机（Vicon Motion Systems Ltd.，英国牛津）以 100Hz 的频率记录标记物轨迹。

（三）数据处理与参数计算

利用 Vicon Nexus 软件（v2.12.0）进行标记物标记、间隙填充和关节运动学计算等初始处理步骤，之后将行走试验数据导出到 MATLAB（vR2022b）中，使用开源 biomechZoo 工具箱（v.1.9.10）和自定义代码进一步处理。通过 Zeni 等人的方法，基于脚跟、脚和骶骨标记物的位置变化确定脚着地和离地时间，将行走试验划分为单个步态周期。对于脑瘫儿童，仅保留受影响最严重一侧的步态周期；对于正常发育儿童，仅保留右侧的步态周期。

研究人员计算了 16 个反映行走四个领域（速度、节奏、稳定性、变异性）的时空参数。在速度领域，计算步长和步态速度，并根据腿长进行归一化处理；节奏领域包括步时、步频和步行比；稳定性领域通过单支撑时间、双支撑时间和步幅宽度来描述；变异性领域则使用变异系数（Coefficient of Variation，CV）评估，对步态速度、步长等 8 个参数计算 CV 值。计算时，每个参与者 / 条件（表面）的前 10 个步态周期用于计算平均值（反映速度、节奏和稳定性领域的参数）和逐步步幅变异性（反映变异性领域的参数），对于某些表面步态周期少于 10 个的参与者（脑瘫组 6 人，正常发育组 12 人），则使用所有可用的步态周期。

（四）统计分析

运用 2 向混合方差分析（ANOVA）对 16 个参数进行组间（脑瘫组、正常发育组）和组内（平整表面、不平整表面）主效应以及组 × 表面交互作用检验。若存在显著的表面主效应或组 × 表面交互作用，针对参数分布情况，分别使用配对 t 检验或 Wilcoxon 符号秩检验进行事后表面比较（脑瘫组不平整表面与平整表面、正常发育组不平整表面与平整表面）；使用非配对 t 检验或 Wilcoxon 秩和检验进行事后组间比较（脑瘫组不平整表面与正常发育组不平整表面、脑瘫组平整表面与正常发育组平整表面）。分析前，先通过 Shapiro-Wilk 检验和 Levene 检验分别检查数据的正态性和误差方差齐性，若不满足假设，则使用非参数检验。为校正多重比较，采用错误发现率（False Discovery Rate，FDR）校正（q = 0.05，FDR = 5%），并使用 Cohen's d（d）和 Glass’s delta（Δ）分别量化参数检验和非参数检验结果的效应大小，所有统计检验均在 Matlab（v2023b）中进行。

三、研究结果

（一）参与者特征

两组参与者在年龄（脑瘫组：11.5±3.5 岁；正常发育组：10.4±4.5 岁，p = 0.436）、体重（脑瘫组：36.4±12.6kg；正常发育组：40.2±21.2kg，p = 0.863）和身高（脑瘫组：143.3±17.1cm；正常发育组：139.4±23.3cm，p = 0.587）上无显著差异。事后功效分析表明，对于具有中等效应量（效应量 = 0.50）的结果，检验功效达到 0.807，意味着有 81% 或更高的概率正确拒绝零假设。

（二）速度相关参数

步态速度和步长存在表面主效应（p = 0.008），但无显著的组 × 表面交互作用。这表明两组在不平整表面行走时，步态速度（脑瘫组平均差异：0.07，p < 0.001，d = 0.656；正常发育组平均差异：0.05，p < 0.001，d = 0.874）和步长（脑瘫组中位数差异：0.17，p = 0.001，Δ = 0.491；正常发育组中位数差异：0.09，p = 0.009，Δ = 0.550）均较平整表面有相似程度的下降。

（三）节奏相关参数

步时和步频存在表面主效应（p = 0.014 和 p = 0.026），无显著组 × 表面交互作用。两组在不平整表面行走时，步时（脑瘫组平均差异：0.10s，p = 0.002，d = 0.600；正常发育组中位数差异：0.08，p < 0.001，Δ = 0.669）和步频（脑瘫组平均差异：9.9 步 / 分钟，p = 0.001，d = 0.591；正常发育组平均差异：8.52 步 / 分钟，p < 0.001，d = 0.642）均较平整表面下降。而步行比未呈现显著的表面主效应和组 × 表面交互作用。

（四）稳定性相关参数

步幅宽度存在组 × 表面交互作用（p = 0.031）。事后分析显示，两组在不平整表面行走时步幅宽度均增加（脑瘫组平均差异：0.04，p = 0.006，d = 0.648；正常发育组平均差异：0.01，p = 0.018，d = 0.371），且脑瘫组的增加幅度更大，导致在不平整表面行走时，脑瘫组的步幅宽度大于正常发育组（中位数差异：0.07，p = 0.008，Δ = 2.047）。单支撑时间存在表面主效应（p = 0.005），双支撑时间未呈现显著的表面主效应和组 × 表面交互作用。

（五）变异性相关参数

步态速度、步行比和步频的变异性存在组 × 表面交互作用（p = 0.027、p = 0.039 和 p = 0.042）。事后分析发现，脑瘫组在不平整表面行走时，步态速度变异性增加（中位数差异：5.51%，p = 0.019，Δ = 0.638），而正常发育组无此增加（中位数差异：0.74%，p = 0.102），使得脑瘫组在不平整表面的步态速度变异性大于正常发育组（中位数差异：6.87%，p = 0.007，Δ = 0.796）。两组在不平整表面行走时，步行比变异性均增加（脑瘫组中位数差异：12.35%，p < 0.001，Δ = 1.163；正常发育组中位数差异：5.83%，p < 0.001，Δ = 1.041），且脑瘫组增加幅度更大（中位数差异：9.37%，p = 0.005，Δ = 0.882）。两组步频变异性在不平整表面也均增加（脑瘫组平均差异：4.72%，p < 0.001，d = 0.837；正常发育组中位数差异：2.26%，p = 0.001，Δ = 0.576），且脑瘫组增加幅度更大，导致两组在不平整表面的差异大于平整表面（不平整表面中位数差异：4.27%，p = 0.016，d = 0.871；平整表面平均差异：1.77%，p = 0.017，Δ = 0.592）。除步幅宽度变异性（p = 0.659）外，其他变异性参数均存在表面主效应（p < 0.009），且无显著组 × 表面交互作用，表明两组在不平整表面行走时，步长变异性、步时变异性、单支撑时间变异性和双支撑时间变异性均有相似程度的增加。

四、研究结论与讨论

（一）研究结论

1. 不平整表面对脑瘫儿童和正常发育儿童的 9 个参数（3 个领域）产生了相似影响，如降低行走速度、步长、步时和步频，增加步幅宽度、步长和步时变异性以及单、双支撑时间变异性。
2. 脑瘫儿童在 4 个参数（2 个领域）上对不平整表面的步态适应比正常发育儿童更明显。他们的步幅宽度增加更大，反映出动态稳定性受损和维持稳定所需的更大适应性；步态速度、步行比和步频的变异性增加，表明他们在维持稳定步速和控制步态时空方面存在困难。
3. 在步态分析中使用不平整表面能够揭示脑瘫儿童在平整表面上不明显的运动适应，如更大的步幅宽度、增加的步态速度和步行比变异性，说明实验室的平整表面可能不足以全面评估病理步态。

（二）讨论

本研究结果与第一个假设相符，不平整表面确实引起了步态时空参数及其变异性的变化。在速度和节奏领域，两组在不平整表面的步态适应相似，此前也有研究观察到类似的步态速度和步频下降现象，这表明在具有挑战性的不平整表面行走时，步频可能不是评估脑瘫儿童步态适应受损的敏感指标。在变异性领域，两组对不平整表面的适应也相似，这表明即使是低运动功能损伤的脑瘫儿童（GMFCS I 和 II 级），也能在不平整表面通过调整运动模式和平衡来适应行走。

与第二个假设一致，脑瘫儿童在不平整表面行走时的变异性高于正常发育儿童。脑瘫组步幅宽度增加更大，显示出他们的动态稳定性问题和为维持平衡而采取的谨慎步态模式。在速度和节奏领域参数变异性的差异，进一步表明脑瘫儿童在不平整表面行走时控制能力较差，可能是由于肌肉协调或平衡能力受损导致难以维持稳定步速。

研究还发现，不平整表面能检测到平整表面未显现的脑瘫儿童步态变化，提示临床步态分析中引入不平整表面可更真实地反映日常行走情况，对脑瘫儿童步态障碍的评估更具生态学效度。未来研究可探索结构化的不平整表面行走治疗方案对脑瘫儿童步态生物力学的影响，以提高他们在复杂环境中的行走能力。

（三）研究意义

本研究增进了对痉挛性脑瘫儿童在不平整表面步态适应的理解，揭示了在不平整表面行走时的独特步态变化，强调了采用更符合生态学效度的方法进行步态评估的重要性。这些发现为临床医生评估脑瘫儿童的运动功能提供了更全面的依据，有助于制定更精准的康复治疗计划，以改善脑瘫儿童在日常复杂环境中的行走能力和生活质量，对脑瘫儿童康复领域的发展具有重要的推动作用。