动踝矫形鞋对脑瘫儿童踝关节的影响

杜　文静，　李慧慧，　谈恩民，　王　磊，2（.中国科学院　深圳先进技术研究院，广东　深圳　58055；2.深圳市　低成本健康重点实验室，广东　深圳　58055；3.桂林电子科技大学　电子工程与自动化学院，广西　桂林　54004）

动踝矫形鞋对脑瘫儿童踝关节的影响

杜文静1，2，3，李慧慧2，3，谈恩民1，王磊1，2
（1.中国科学院深圳先进技术研究院，广东深圳518055；2.深圳市低成本健康重点实验室，广东深圳518055；3.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林541004）

目的：分析踝足矫形器对脑瘫儿童下肢踝关节跖屈、背伸角度以及步行周期的影响.方法：于2014－06/2014－07选择深圳市残疾人康复中心的脑瘫儿童25名，均为下肢步行异常，监护人知情同意.根据实足年龄分组，2～4岁组（2岁年龄＜4岁）5人，4～6岁组（4岁年龄＜6岁）6人，6～8岁组（6岁年龄＜8岁）10人，8～10岁（8岁年龄＜10）4人.应用美国BIOPAC数据分析系统采集受试者穿戴踝足矫治鞋前后沿着5米步态测试平台自由步行的踝关节数据，包括踝关节跖屈角度、背伸角度和时间周期.结果：25名受试者均进入结果分析.总体样本，性别无显著性差异（P＞0.05）；左右侧之间无显著性差异（P＞0.05），方差相等.各年龄组参数除各组之间佩戴踝足矫形鞋后时间周期具有显著性差异外（P＝0.02＜0.05），其余组间差异均无显著性意义（P＞0.05）.全体样本在佩戴矫形鞋前左侧时间周期/右侧时间周期为0.989±0.071，变异系数等于7.18%；佩戴踝足矫形鞋后左侧时间周期/右侧时间周期为1.003±0.045，变异系数为4.49%，显示步态具有左右对称性.结论：25名受试者佩戴踝足矫治鞋前后数据差异发生显著变化.①除2～4岁组外，不同年龄组患者赤脚步行踝关节跖屈角度随着年龄的增长呈减小趋势.②除2～4岁组右侧、8～10岁组左侧外，其余各年龄组儿童佩戴矫形鞋后踝关节跖屈角度均减小；而且各年龄组穿矫形鞋后背伸角度均增大.③除2～4岁组外，不同年龄组儿童穿矫形鞋后时间周期随着年龄的增长呈增加趋势.

动踝矫形鞋；脑瘫；踝足跖屈角度；踝足背伸角度；时间周期

脑性瘫痪（简称脑瘫）患者是由于发育中的胎儿或婴儿脑部受到非进行性损伤引起的，以持续性运动和姿势异常、活动受限为主要表现的综合征，常伴有认知、感觉、交流或行为障碍［1－5］.踝足矫形器的主要辅助脑瘫患者站立和行走、矫正畸形或巩固矫正效果、影响肌张力等［6－8］.如果长期不穿戴会容易出现膝、踝、足的变形［9］.在给予适合的矫形器穿戴后，由于力线纠正，孩子的一些关节尤其是足的发育，会出现一个突飞猛进的补偿性恢复阶段.因此，踝关节矫治器在提高脑瘫稳定性和运动功能方面起到积极的作用［10－11］.本研究观察脑瘫患儿在综合康复治疗的同时［12］，赤脚步行与佩戴踝足矫形鞋步行前、后踝关节跖屈角度、背伸角度以及时间周期的变化.

1　对象和方法

1.1单位

深圳市残疾人康复中心和中国科学院深圳先进技术研究院.

1.2研究对象

与2014－06/2014－07选择在深圳市残疾人康复中心进行康复评估的脑瘫儿童25例.入选儿童均符合以下标准：1）被诊断为脑性瘫痪；2）非其他病因导致的下肢异常；3）均佩戴踝足矫治鞋.监护人均知情同意.25人中男21人，女4人，年龄2～10岁，平均年龄5.6岁.根据实足年龄分组，2～4岁组（2岁≤年龄＜4岁）5人，4～6岁组（4岁≤年龄＜6岁）6人，6～8岁组（6岁≤年龄＜8岁）10人，8～10岁（8岁≤年龄＜10）4人.

1.3实验仪器

实验系统采用Xsens公司MTX运动跟踪器和美国BIOPAC公司的MP150数据分析系统，用于获取人体姿态估计踝关节的角度和识别时间周期.数据采集不需要精确踝关节与相应传感器之间的距离.

1.4实验方法

实验一：受试者进行佩戴踝足矫形鞋前赤脚数据采集.受试者下肢左右脚面上均佩戴加速度传感器，传感器输出连接双轴角度计（TSD130B），并通过数模转换放大器（DA100C）连接到MP150主机.测试仪器佩戴完毕，受试者在步态测试平台上静止站立1 min并校准角度计测试方向后，开始沿着轨道以自己最为舒适的姿势和步速在5 m步态测试平台上自由行走，同时采集受试者下肢左右踝关节数据，如图1.每位受试者重复测试3次，并记录每次测试数据，每次测试放大器放大倍数以及其他设定参数保持不变.每次测试前患者休息2～3分钟，以避免肌肉疲劳.

图1　1名受试者佩戴踝足矫形鞋前、后数据采集过程Fig.1　The procedure of acquiring information of a child withcerebral palsy during walking

实验二：受试者佩戴踝足矫形鞋后进行数据采集.受试者在医师指导下和研究人员的帮助下佩戴好自己的踝足矫形鞋.实验二除受试者佩戴踝足矫形鞋外，实验过程与实验一相同，同时记录患者下肢踝关节数据.

1.5数据分析

（1）数据欲处理将采集的.mtb踝关节数据在MT Manager软件中进行转化为.txt文件.

（2）参数提取足部坐标系如下：Z轴与足平面垂直，指向朝上；X轴与足平面平行，指向朝前；Y轴由X轴、Z轴的正交得到.利用可测量的解剖学上的特征点，人体下肢坐标系能够精确确立.惯性传感器节点坐标系经过转换后与人体下肢坐标系一致，则人体下肢的姿态可由传感器节点姿态代表，传感器输出信号经过处理得出实时姿态数据.使用Matlab R2010b软件主要进行编程，提取特征参数，对脑瘫患者佩戴矫形鞋前后进行分析.

佩戴矫形鞋前后，踝关节跖屈、背伸角度大小.踝关节有两种主要的运动模式，跖屈和背伸.此处研究跖屈角度指步行时水平地面到脚后跟抬起最大脚尖未离开地面的角度，设定这个方向的角度为正值；同样背伸角度是指步行时水平地面到脚尖抬起最大且后跟未离地时的角度，设定这个方向的角度为负值.

计算每位测试者的踝关节跖屈角度（α）与背伸角度（β）.取单次踝关节跖屈和背伸峰值各4个，即为α1、β1；α2、β2；α3、β3，α4、β4，4点角度值的平均值为受试者单次踝关节跖屈角度α＝（α1＋α2＋α3＋α4）/4；β＝（β1＋β2＋β3＋β4）/4.

图2　一位受试者测量一次的踝关节角度图Fig.2　The figure of the angle of ankle joints from a subject during walking

佩戴矫形鞋前后，时间周期.此处时间周期是指左侧踝关节跖屈峰值出现的时间点到下次峰值再次出现的时间点之间的时间，如图1中的t1、t2和t3.每位受试者单次测量共采集3个时间周期分别为t1、t2、t3，记录最终时间周t＝（t1＋t2＋t3）/3作为受试者单次时间周期.比较佩戴矫形鞋前后时间周期可以看出受试者前后步行速度的变化.

1.6统计学分析

Excle2013进行均值计算，用SPSS 19.0统计软件对各参数进行分析，所有数据以mean±s表示.

2　结果

对25位脑瘫儿童获取了佩戴矫形鞋前后踝关节跖屈角度、背伸角度以及时间周期.对总体样本是否存在男女差异性进行t检验，结果显示男女之间的差异亦无显著性意义（P＞0.05）.对总体样本左右侧进行独立样本t检验，结果显示左右侧之间无显著性差异（P＞0.05），方差相等.对各年龄组参数进行单因素方差分析，结果显示除各组之间佩戴踝足矫形鞋后时间周期参数具有显著性差异外（P＝0.02＜0.05），其余组间差异均无显著性意义（P＞0.05）.

2.1各年龄组儿童佩戴踝足矫形鞋前后行走下肢踝关节跖屈、背伸角度比较

各年龄组儿童佩戴踝足矫形鞋前后行走下肢踝关节跖屈、背伸角度比较，见表1、表2.

表1　各年龄组儿童赤脚步行踝关节跖屈角度和背伸角度的比较Table 1　Comparison of the angles of ankle plantar flexion and dorsiflexion during walking without wearing ankle-foot ortho-pedic in different age group

表2　各年龄组儿童佩戴矫形鞋步行踝关节跖屈角度和背伸角度的比较Table 2　Comparison of the angles of ankle plantar flexion and dorsiflexion during walking with wearing ankle-foot orthope-dic in different age group

如表1所示，（1）赤脚行走测试中，除2～4岁组外，不同年龄组儿童左右踝关节跖屈角度随着年龄的增长呈减小趋势，见图3（a）、（b）；表2表明佩戴踝足矫形鞋之后，除2～4岁组外，不同年龄组儿童右侧踝关节跖屈角度同样随着年龄的增长呈减小趋势，见图3（b）.（2）赤脚行走测试中，2～4岁组左右踝关节背伸角度较其他3组患者角度相对较大，并且其他3组脑瘫患者对应左右踝关节背伸角度相差不大，见图3（c）、（d）；佩戴矫形鞋后，除8～10岁组外，其他不同年龄组儿童左侧踝关节背伸角度随着年龄的增长呈增加趋势图3（c），而不同年龄组儿童右侧背伸角度随着年龄的增长呈减小趋势图3（d）.

2.2各年龄组儿童佩戴矫形鞋前、后时间周期比较

各年龄组儿童佩戴矫形鞋前、后时间周期比较，见表3.

图3　踝关节跖屈、背伸角度角度与年龄的关系Fig.3　the relationship between the angles of ankle plantar flexion and dorsiflexion and age during walking

表3　各年龄组儿童佩戴矫形鞋前后步行时间周期的比较Table 3　Comparison of the cycle of time during walking with no wearing ankle-foot orthopedic and wearing ankle-foot or-thopedic in different age group

除过4～6岁组脑瘫儿童外，穿矫形鞋后不同年龄组儿童时间周期随着年龄的增长呈增加趋势，见图4所示.

据统计佩戴踝足矫形鞋前后时间周期未表现出显著的变化（P＝0.24＞0.05）.

2.3儿童步态的对称性分析

变异系数是用来判定统计结果的变异性的一种简单有效的指标.变异系数＝（S.D/Mean）×100%，当变异系数＜12.5%时，认为该参数的变异性处于可接受水平［13－14］.佩戴踝足矫形鞋前后左侧时间周期/右侧时间周期，以及变异系数见表4所示.

图4　时间周期与年龄的关系Fig.4　The relationship between the cycle of time and age

表4　各年龄组儿童佩戴矫形鞋前后步行左右时间周期比值的比较Table 4　Comparison of the cycle of time of left side and right side during walking with no wearing ankle-foot orthopedic and wearing ankle-foot orthopedic in different age group

全体样本在佩戴矫形鞋前左侧时间周期/右侧时间周期为0.989±0.071，变异系数等于7.18%；佩戴踝足矫形鞋后左侧时间周期/右侧时间周期为1.003±0.045，变异系数为4.49%，提示步态具有左右对称性.

3　讨论与结论

康复治疗对于脑瘫患者来讲非常重要.目的就是改变肢体麻木障碍、改善肌张力和关节活动障碍等症状，使之达到最佳状态，并逐渐恢复部分肢体运动.尤其是在恢复肢体运动障碍方面更为显得突出［15］.

此次试验着重分析了脑瘫儿童穿踝足矫形鞋前、后的各参数变化，男女并未显示出明显的差异性.结果显示除2～4岁组儿童外，其他年龄组儿童在不佩戴踝足矫形鞋的情况下，左右侧踝关节跖屈角度随着年龄的增长呈减小趋势；而右侧踝关节的背伸角度随着年龄的增长也呈减小趋势.佩戴踝足矫形鞋后，左侧踝关节背伸角度随着年龄的增长呈增加趋势；右侧踝关节跖屈角度和背伸角度均随着年龄的增长呈减小趋势.可能因样本量较小有关，2～4岁组与8～10组与本结论存在差异性，有待加大样本量进一步分析.而且从图3可得，各年龄组穿踝足矫形鞋前、后之间对比，除2～4岁组右侧和8 ～10岁组左侧呈增加趋势，各年龄组儿童踝关节跖屈角度相对各组穿矫形鞋后呈减小趋势；而背伸角度穿矫形鞋前相对穿矫形鞋后呈增加趋势.

从患者佩戴踝足矫形鞋前、后短时间的时间周期结果显示，未穿矫形鞋前，各年龄组患者左右时间周期与年龄之间没有明显的规律性；穿矫形鞋后除4～6岁组儿童外，不同年龄组儿童时间周期随年龄的增长呈增加趋势.再者，从各年龄组儿童穿踝足矫形鞋前、后之间对比，除4～6岁组患者穿矫形鞋后左右时间周期比穿矫形鞋之前增大外，各年龄组患儿穿矫形鞋后的左右时间周期相对穿矫形鞋前减小.从左右对称性来看，不仅正常儿童步态具有对称性的特点［16］，脑瘫儿童异常的下肢也具有对称性的特点.

此实验过程采用的均是动踝矫形鞋，佩戴矫形鞋后踝关节跖屈、背伸角度以及时间周期都有变化［17］，虽然，这种变化因时间较短而不显著，但是这种短期的矫正意识在患者的脑海中是存在的，使得穿戴矫形鞋后的确对患者的上述参数有所改善.因此，在康复训练中给脑瘫儿童佩戴合适的踝足矫形鞋，给患者形成正确的步态意识，有助于脑瘫儿童早日康复.此实验数据为脑瘫儿童佩戴矫形鞋提供一定的理论依据.

致谢：本论文涉及的项目部分由国家自然科学基金（61401454）、国家863计划项目（2012AA02A604）支持.感谢广东省科技创新团队、中国科学院深圳先进技术研究院以及深圳先进院低成本健康重点实验的科研人员对项目的支持，同时感谢王磊博士对项目的支持以及李慧慧博士对项目数据的采集，感谢谈恩民导师对本论文的指导.

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［责任编辑：刘蔚绥］

The effect of dynamic ankle-foot orthosis on ankle joints of children with cerebral palsy

DU Wenjing1，2，3，LI Huihui2，3，TAN Enmin1，WANG Lei1，2
（1.Shenzhen Institutes of Advanced Technology，Chinese Academy of Sciences，Shenzhen 518055，China；2.Shenzhen Key Lab for Low-cost Healthcare，Shenzhen 518055，China；3.Electronic Engineering and Automation，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

Aim：To analyze the effects of ankle foot orthosis on angle of ankle plantar flexion and dorsiflexion，and the walking cycle of lower limbs of children with cerebral palsy.Methods：25 subjects with cerebral palsy came to the physical therapy rehabilitation center volunteered to participate in the ex-periment in Shenzhen Disabled Rehabilitation Center，Guangdong，China in 2014－06/2014－07，whowere abnormal during walking.The childs parents or guardian informed consent.According to the chron-ological age，subjects were divided into four groups，5 of 2～4 years old group（2yage＜4y），6 of 4 ～6 years old group（4yage＜6y），10 of 6～8 year old group（6yage＜8y）and 4 of 8～10 years old group（8yage＜10y）.Using MP150 analysis system of American BIOPAC to acquire the informa-tion of ankle joints during walking straight for 5 meters at their self-selected comfortable speed toward a target line on the floor，including the angle of ankle plantar flexion and dorsiflexion，and the cycle of time of walking.Results：25 subjects involved in the result analysis.In the overall sample，there was no signif-icant differences in gender（P＞0.05），and there was no significant difference between left and right side（P＞0.05），the variance was equal.Between each age group，the parameters had no significant difference（P＞0.05）expect for the cycle time between no wearing ankle-foot orthopedic and wearing ankle－foot orthopedic（P＝0.02＜0.05）.The cycle of time of left/right was 0.989±0.071 during no wearing ankle-foot orthopedic，and the coefficient of variation was 7.18%in all the samples.The cycle of time of left/right was 1.003±0.045 during wearing ankle-foot orthopedic，and the coefficient of variation was 4.49%in all the samples.It indicated that the gait of left and right was symmetry.Conclusion：The datas of 25 subjects were different between no wearing ankle-foot orthopedic and wearing ankle-foot ortho-pedic.①The more age were older，the smaller the angles of ankle plantar flexion were during no wearing ankle-foot orthopedic in all groups except 2～4 years old group.②The angle of ankle plantar flexion of children with wearing ankle-foot orthopedic were bigger than that of children without wearing ankle-foot orthopedic in different groups except the right side of 2～4 years old group and left side of 8～10 years old group，and the angle of ankle dorsiflexion of children with wearing ankle-foot orthopedic were bigger than that of children without wearing ankle-foot orthopedic in different groups.③The more age were ol-der，the bigger the cycle of time was during wearing wearing ankle-foot orthopedic in all subjects except for 2～4 years old group.

dynamic ankle-foot orthosis；cerebral palsy；the angle of ankle plantar flexion；the angle of ankle dorsiflexion；the cycle of time

R742.3

A

1000－9965（2015）06－0530－07

10.11778/j.jdxb.2015.06.016

2015－06－30

广东省科技计划国际合作项目（2012B050200004）

杜文静（1989－），女，研究方向：人体运动和图像处理.

李慧慧，女，Mobile：13632630881，E-mail：wj.du＠siat.ac.cn