非线性混合效应模型评估脑瘫患儿粗大运动功能发育进程

史 惟 丁俊杰 杨 红 廖元贵 朱 默 侯方华 王 艺

当儿童被诊断为脑瘫时(出生后6～18个月)，家长通常最希望尽早了解孩子将来能否走路及生活自理，由于脑瘫类型或程度的不同导致个体间存在着很大的变异性，科学地描述脑瘫患儿的运动功能发育进程是一项具有重要意义的工作，除了可早期预测脑瘫患儿运动功能发育结局，还可以为康复计划的制定、辅助器具配置、环境改造及政府制定相关福祉政策提供依据。

合理的脑瘫分类、分级和精确的运动功能评价是研究其运动发育规律的前提条件，传统的脑瘫分类主要聚焦于运动障碍类型和瘫痪部位，近年来运动功能分级已经成为脑瘫分类的重要组成部分。目前脑瘫粗大运动功能分级系统(GMFCS)被国内外广泛采用[1]， GMFCS为根据脑瘫患儿运动功能随年龄变化的规律所设计的一套分级系统，能较为客观地反映脑瘫患儿粗大运动功能发育情况，已有大量信度和效度良好的研究结果[2]，特别是在患儿2岁以后GMFCS评价的信度尤其出色。粗大运动功能测试量表(GMFM)是以脑瘫患儿为样本建立的评价工具[3]，主要用于评估粗大运动功能随时间或干预的改变，是目前脑瘫患儿粗大运动功能评估中使用最广泛的量表。GMFM与GMFCS相结合可描述和预测脑瘫患儿的粗大运动功能发育进程[4,5]。

2002年，加拿大学者Rosenbuam等[6]采用非线性混合效应模型分析了657例脑瘫患儿的GMFM评估结果(本文简称OMG)，成功拟合2～15岁不同GMFCS级别脑瘫患儿的粗大运动功能发育曲线，为预测脑瘫患儿粗大运动功能发育提供了良好的依据,但OMG研究90%样本进入研究时年龄已>3岁，导致<3岁阶段的粗大运动功能发育曲线可靠性降低。脑瘫患儿运动功能发育研究在国内尚属空白，为此本研究收集近10年的不同GMFCS级别脑瘫患儿的GMFM随访数据，以非线性混合效应模型[7,8]构建运动功能发育曲线，进一步明确在现有干预措施下脑瘫患儿粗大运动功能发育的特性。

1 方法

1.1 研究单位资质及设计 本研究用于建立脑瘫患儿粗大运动功能发育曲线的数据来自上海7家脑瘫康复机构和特殊学校，其中牵头单位复旦大学附属儿科医院康复中心在2000年就建立了完善的脑瘫患儿的运动功能发育评估、干预和随访体系，在国内首次完成了GMFM和GMFCS的信度和效度研究，提示其具有很高的组内信度和测试者间信度[9]，并应用于脑瘫患儿的评估。其余6家康复机构和特殊学校(上海市徐汇区华泾社区卫生服务中心儿童康复科，解放军455医院康复中心，上海市华新残疾儿童康育园，上海市徐汇区致康康健园，上海市残疾人联合会脑瘫训练营，上海市浦东新区特殊学校)参与GMFM和GMFCS评估的医生和治疗师均在复旦大学附属儿科医院康复中心接受过3个月以上的相关培训，均熟练掌握评估方法，保证了测试数据的准确性。在此基础上，本研究收集近10年的不同GMFCS级别脑瘫患儿的GMFM随访数据，构建运动功能发育曲线，进一步明确在现有干预措施下脑瘫患儿粗大运动功能发育的特性，同时与OMG进行比较，以期分析不同干预背景下脑瘫患儿的运动功能发育进程差异。

1.2 纳入和排除标准 ①2000年8月至2009年12月在上海7家康复机构和特殊学校接受康复诊治的脑瘫患儿；脑瘫的诊断符合2006年国际脑瘫会议制定的标准[10]，脑瘫分型采用欧洲脑瘫监测组织推荐的方法[11]。②每例患儿至少有3个GMFM测试数据，且每2次测试间隔时间>3个月。③由于GMFCS在小年龄(尤其是<1岁)中的信度较低，故纳入生后18个月接受过GMFCS评价的患儿；多次接受GMFCS评估患儿，以最后1次的评价结果为该患儿的最终GMFCS评级。④GMFCS评估前1年未接受手术治疗。⑤GMFCS评估前6个月未接受肉毒毒素注射治疗。

1.3 粗大运动功能评估方法 采用中文译本的GMFM进行粗大运动功能评估[12]，每隔3～6个月评估1次。GMFM包括88个测试项目，分为5个能区，每项采用4级评分法(0、1、2、3)，具体标准：0分：动作还没有出现的迹象，1分：动作开始出现，2分：部分完成动作，3分：全部完成。其中A区躺和翻身(17项)总分51分，B区坐(20项)总分60分，C区爬和跪(14项)总分42分，D区站(13项)总分39分，E区走、跑和跳(24项)总分72分。将评估结果输入由GMFM所配置的统计软件GMAE(version 1.0)可以得出具有等距特性的GMFM-66分值，GMFM-66同时提供了项目难度值，每个项目难度值包括P=50%和P=90%难度值，被测试患儿如获得与某个项目难度值(P=50%或P=90%)相当GMFM-66分值时，那么该患儿即有50%或90%的可能性获得该测试项目的3分。

1.4 脑瘫患儿粗大运动功能分级方法 采用中文版GMFCS进行粗大运动功能分级[1]。GMFCS将脑瘫患儿分为4个年龄组：<2岁、～4岁、～6岁和～12岁；每个年龄组根据患儿运动功能的表现分为5个级别(Ⅰ～Ⅴ级)，Ⅰ级为最佳，Ⅴ级为最差。GMFCS评价在GMFM评估的同时完成。

1.5 统计学方法

1.5.1 结构模型 以收集的GMFM-66分值数据为基础，据文献报道和本研究前期预试验结果，选择stable limit模型(式1)进行拟合：

Y=θ(1-eλt) (式1)

其中θ为GMFM-66的最大值，即脑瘫患儿能达到的最大能力，λ为达到最大值的速率，即λ越小，患儿的运动功能发展空间越大；t为患儿年龄。参数估算时采用一阶条件估算(first order conditional estimation，FOCE)和个体间和残差变异交互作用(INTERACTION)选项，以获得更为准确的计算结果。采用NONMEM软件(version 7.2)进行计算。

模型假设患儿出生时GMFM-66分值为0，分别将患儿的GMFM-66分值以及对应的最后1次评估时的GMFCS分级纳入非线性混合效应模型进行建构。并依据式2计算年龄-90(表示达到GMFM-66最大值90%时的年龄)。GMFM-66最大值越高表明该GMFCS级别患儿越能够期望达到的最佳粗大运动功能，年龄-90越大表明该级别患儿进入GMFM-66最大值区间的年龄越晚。

Age-90=Log[1-(1-p)]/λ(式2)

1.5.2 统计学模型 个体间变异模型采用指数模型(式3)、加法模型(式4)，取最佳者。

θi=θ×eηi(式3)

θi=θ+ηi(式4)

上式中θi为某一受试者的GMFM-66参数值，θ为该群体参数的典型值，ηi是呈正态分布、均数为0、方差为ω2的个体间变异。残差模型分别用加法模型(式5)进行拟合。

Y=IPRED+ε(式5)

上式中Y是实际观察值，IPRED是模型预测值，ε是正态分布的均数为0、方差为σ2的残差变异。取函数目标值和变异值最小的模型为最终统计学模型。残差指个体间变异以外的变异，即无法解释的变异，包括取样、分析方法、模型等造成的误差。模型的评价采用图形法和统计学检验。图形法即通过绘制模型预测值和观察值，预测值和权重残差(weighted residual error, WRES) ，预测值和时间等散点图，观察散点图是否分布均匀、有无趋势性来评判模型拟合的优劣。采用非参数bootstrap法考察模型的稳定性和参数估算的准确性。本研究采用1 000次bootstrap对最终模型进行验证，比较bootstrap法和原NONMEM最终计算结果值，由Wings for NONMEM软件包完成。

模型的预测性能通过直观预测检验(VPC)和正态预测分布误差(normalized predictive distribution error, NPDE)完成。首先根据模型的最终参数，采用蒙特卡罗法产生1 000套模拟数据集。VPC通过直观比较各时相的预测值与实测值的重合程度来表示模型的预测能力。NPDE法用作图和统计学检验考察标准化预测误差的分布，若预测能力良好，其均值为0(Wilcoxon signed rank test)，方差为1(Fisher方差检验)，且符合正态分布(Shapiro-Wilks正态分布检验)。上述过程均用RfN软件包实现。

2 结果

2.1 一般情况 共有228例脑瘫患儿纳入本研究(图1)，其中男性152例(66.7%)，女性76例；痉挛型双瘫87例(38.2%)，痉挛型四肢瘫63例(27.6%)，痉挛型偏瘫48例(21.1%)，痉挛型三瘫4例(1.8%)，肌张力障碍型4例(1.8%)，徐动型11例(4.8%)，共济失调型11例(4.8%)。

图1 研究对象纳入流程图

Fig 1 Inclusion process for children with CP

首次和末次评估时按年龄和GMFCS分级的研究对象分布状况见表1，首次评估时总体研究对象的平均年龄为2.95岁，61.4%(140/228)的患儿首次评估时的年龄<2岁。表2按年龄和GMFCS分级的GMFM-66测试数据分布状况显示，228例脑瘫患儿共有986次符合条件的GMFM-66测试数据，平均每例患儿有4.32次测试数据，有34.4%的数据是在患儿<2岁时测试获得。

2.2 粗大运动功能发育曲线 5个GMFCS级别脑瘫患儿粗大运动功能发育模型拟合均获成功，基本拟合优度显示模型预测值和观察值，预测值和WRES，预测值和时间等散点图均未见有显著意义的趋势性变化(附图1)。VPC检验提示大部分的观察值落在95%预测区间之内(附图2)。1 000次自举法运行均获成功,与原NONMEM 计算结果相比, 各参数估算值均较接近,进一步证明了模型的稳定性和准确度。NPDE符合正态分布。

表1 按GMFCS分级的脑瘫患儿首次和末次评估的按年龄分布[n(%)]

表2 按年龄和GMFCS分级的GMFM-66测试数据分布状况[n(%)]

Tab 2 The GMFM-66 measurements according to the age and GMFCS levels[n(%)]

Age/yearsGMFCSlevelsⅠ(N=64)Ⅱ(N=40)Ⅲ(N=57)Ⅳ(N=29)Ⅴ(N=38)<2(n=339)94(31.5)43(27.2)74(31.2)48(32.2)80(55.6)-3(n=322)105(35.2)54(34.2)72(30.4)57(38.2)34(23.6)-5(n=142)45(15.1)27(17.1)39(16.4)18(12.1)13(9.0)>6(n=183)54(18.1)34(21.5)52(21.9)26(17.4)17(11.8)Total(n=986)298158237149144

NotesN: number of patients;n: number of GMFM-66 measurements

表3显示各GMFCS级别患儿粗大运动功能发育曲线的参数，GMFCS Ⅰ～Ⅴ级的GMFM-66最大值分别为81.2、62.4、52.9、40.8和24.4分；提示不同GMFCS级别脑瘫患儿粗大运动功能发育存在着显著的不同；与OMG相比，GMFCSⅠ级和Ⅱ级的GMFM-66最大值有一定差别，而GMFCS Ⅲ～Ⅴ级的GMFM-66最大值较为接近。GMFCS Ⅰ～Ⅴ级的年龄-90分别为3.8、2.7、2.1、2.0和1.5岁。年龄-90在GMFCS Ⅲ和Ⅳ级间差别不大，而在其余各GMFCS级别间表现出明显的差别，GMFCS级别越低年龄-90越高。本研究年龄-90在各GMFCS 级别均低于OMG。

图2显示了GMFM-66测试结果在5个GMFCS级别中的分布状况和发育曲线，通过发育曲线可解释各GMFCS 级别脑瘫患儿粗大运动功能的发育进程，例如GMFCSⅠ级患儿在3.8岁时能够到达GMFM-66最大值的90%即73.1分，根据GMFM-66项目难度表得出与之最为接近的GMFM项目是77项(跑4.5 m，停止，返回，P=90%难度值74.34)，表明Ⅰ级患儿在3.8岁只有90%的可能性能通过GMFM-77项。GMFCSⅤ级患儿的GMFM-66最大值为24.4分，表明该级别患儿期望最佳粗大运动功能只有50%的可能性完成GMFM-66项目22(坐于垫子上：检查者支撑胸部，头正中位保持10 s，P=50%难度值25.66)。

表3 各GMFCS级别脑瘫患儿运动功能发育参数与OMG的比较(n)

Tab 3 Comparison of parameters of motor development for Gross Motor Function Classification System (GMFCS) between our study and OMG study(n)

ParametersGMFCSⅠOur(64)OMG(183)GMFCSⅡOur(40)OMG(80)GMFCSⅢOur(57)OMG(122)GMFCSⅣOur(29)OMG(137)GMFCSⅤOur(38)OMG(135)Number1)4.74.04.04.74.24.15.13.93.83.8GMFMlimit81.287.762.468.452.954.340.840.424.422.395%CI78.5,83.986.0,89.361.2,63.665.5,71.251.9,53.952.6,55.839.4,42.239.1,41.722.7,25.720.7,24.0Age-90/year3.84.82.74.42.13.72.03.51.52.795%CI3.5,4.24.4,5.22.5,3.03.8,5.01.8,2.43.2,4.31.6,2.43.2,4.01.2,2.02.0,3.7Residual/s5.33.94.22.83.92.04.42.46.03.1

Notes 1)Means No. of observation per child

图2 5个GMFCS级别脑瘫患儿粗大运动功能的发育曲线

Fig 2 Observed and predicted Gross Motor Function Measure-66 (GMFM-66) scores in each level of the Gross Motor Function Classification System

Notes The curved red solid lines indicated the average performance. The solid vertical lines indicated the average age-90. The dotted vertical lines indicated the bands expected to encompass 50% of age-90 values around the average. The absence of 50% bands in level V indicated low variation in age-90 values

3 讨论

由于脑瘫发病率较低，不仅研究样本量的不足给脑瘫粗大运动功能发育规律的研究带来了很大的困难，样本量及其样本构成是影响研究结果可靠性的重要指标。由于受医疗保险等因素的影响，加拿大脑瘫患儿确诊时间晚于中国，开始康复干预时间也较晚，因此加拿大OMG的脑瘫患儿平均年龄为6.76岁，近90%的患儿>3岁。脑瘫患儿在本研究所属的康复机构开始干预的时间在1岁左右甚至更早，所以本研究纳入对象的平均年龄为2.95岁，同时纳入研究的GMFM-66测试数据中有34.4%的数据是在患儿<2岁测试获得的，因此本研究结果在一定程度上可以丰富OMG小年龄构成比的不足，同时可以比较在中国早期接受较多康复干预的脑瘫患儿与OMG中的脑瘫患儿运动功能发育进程的差异。

目前中国脑瘫患儿已能够普遍地接受康复干预，出于伦理学考虑，与OMG相同，本研究纳入的对象绝大多数接受各种康复治疗，但是现有临床证据普遍认为各种康复方法并没有实质性地改变脑瘫患儿的运动功能，至今为止没有文献报道康复干预能够改变运动功能分级，即便是相对效果显著的选择性脊神经根切除术和肉毒毒素注射。对被干预的脑瘫患儿人群进行运动功能发育进程研究是目前的最佳选择。

GMFM属于等距量表，能够更加合理、客观地反映脑瘫患儿的粗大运动功能发育变化，而且GMFM还提供了与其分值相对应的项目难度值，以此可以通过界定不同级别脑瘫患儿通过某个测试项目的可能性，来确定不同级别脑瘫患儿的粗大运动功能的阶段性发育特征，可以显著地提高研究结果的可理解性，由于本研究与OMG均采用了GMFCS和GMFM-66分值以及相同的统计学方法，所以具有良好的可比性。

本研究结果显示，表示粗大运动功能发育速率的年龄-90在各级别间表现出明显的差异(除外在GMFCS Ⅲ和Ⅳ级之间)，GMFCS级别越低年龄-90就越高，提示粗大运动功能受限越严重就越早进入运动功能发育极限区域，之后的运动功能发育空间更小。本研究各GMFCS级别的年龄-90均明显低于OMG，提示本组患儿均较早地到达了GMFM-66最大值。年龄-90在2个样本间的差异可能受到多种因素的影响，首先有可能是2个样本间的研究对象的年龄构成差异所致，纳入本研究的GMFM-66测试数据36.2%为<2岁患儿，2岁以内是各个级别脑瘫患儿粗大运动功能快速发育阶段，此阶段数据所占比例很有可能会影响年龄-90的高低；也有可能本研究的对象多数在康复机构接受较多早期康复治疗，使得患儿有可能更早地进入了运动功能发育极限区域。

与国外相比，中国脑瘫康复界更多地关注婴幼儿脑瘫康复的早期干预，加之由于经济、入学和家长重视程度等因素，中国4岁以后轻度脑瘫患儿获得持续康复的机会相对较少，这也是本研究样本中4岁以后测试数据所占比例较低的原因。表3显示本研究5个GMFCS级别患儿GMFM-66最大值与OMG相比，相对轻度的GMFCSⅠ和Ⅱ级患儿GMFM-66最大值明显较小，表明本研究轻度脑瘫患儿尽管粗大运动功能发育更早地进入了GMFM-66最大值区域，但运动发育的水平低于OMG，可能因为本研究4岁以后测试数据较少所致，但更有可能是由于本研究中轻度脑瘫患儿没有持续地接受有效的康复干预，导致患儿不能达到更为理想的运动功能发育水平。提示应该充分重视在4岁以后轻度脑瘫患儿中积极实施力量训练、体能训练和平衡训练等多种康复干预手段[13～15]，另外轻度脑瘫患儿相对具有较好学习能力，大多数患儿能够获得在校学习的机会，开展针对脑瘫患儿的医教结合工作具有重要的意义[16]。

Hanna等[17]基于OMG进行了进一步的随访研究，增加了12～21岁阶段的GMFM-66测试数据，采用Peak-decline模型分析发现，GMFCS Ⅲ～Ⅴ级的中、重度脑瘫患儿GMFM-66分值在6～7岁以后出现轻微下降的趋势，在GMFCS Ⅴ级的患儿中尤为显著。本研究曾尝试采用与之相同模型进行分析，但建立模型的目标函数值并未显著下降，未观察到GMFM-66分值有下降趋势，可能是由于研究样本中>6岁的测试数据较少所致。程度严重的脑瘫患儿随着体格的不断发育，肌肉挛缩和骨骼畸形的问题越来越严重且难以控制，很有可能导致运动功能逐步减退，在早期加强预防和控制严重脑瘫患儿的肌肉挛缩和骨骼畸形具有重要的意义[18]。

从《国际功能、残疾和健康分类-儿童青少年版》(ICF-CY)的理论框架进行分析[19]，GMFM评估内容主要集中于ICF-CY框架中的活动成分，尤其是活动成分中的改变和保持身体姿势，以及步行和移动部分，因此基于GMFM测试进行的相关研究并没有整体地揭示脑瘫患儿的发育状况，ICF-CY框架中活动成分还包括对物体的操作、移动和搬运，利用设备、交通工具移动等内容，此外与活动和参与相关的日常生活自理能力、交流能力和学习能力等内容也是评价脑瘫患儿发育状况的重要指标，通过增加脑瘫患儿的自主活动能力，提升其社会参与性是当代脑瘫康复的主要目标。

本研究提供了以较小年龄脑瘫为研究对象的粗大运动功能发育进程研究结果，有利于康复医师、治疗师和家长进一步理解脑瘫患儿的运动功能发育过程，为制定相应的康复计划以及判断康复疗效提供帮助。本研究的缺陷在于研究样本尚不够，尤其是>4岁患儿的测试数据较少，希望在中国尽早地建立多机构参与的脑瘫患儿信息系统管理体系，使得相关的研究得以进一步深入展开。

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