基于三维步态分析技术对拇外翻儿童步态变化的研究

俞艳 姜淑云 李阳 李一瀛 鲁潇莹

上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院（上海200437）

拇外翻是指拇趾向足的外侧过度倾斜超过正常生理角度，第1 跖骨向内收的一种足部畸形。临床拇外翻的诊断标准为第1 趾骨和第1 跖骨的关节倾斜角度超过15°，是前足最常见的病变之一[1]。拇外翻在成年人中发病及就诊率最高，但国内的流行病学研究发现，1491 例拇外翻就诊患者在12 岁之前出现拇外翻症状者占46.1%[2]，国外的流行病学研究也表明，40%～50%的成年拇外翻患者，其症状早在儿童时期就已显现[3]。Coughlin[4]发现儿童拇外翻中超过80%的患者为女性儿童，且在10岁以内出现拇外翻症状者约占50%。日本研究发现10 岁以下的儿童拇外翻角度每年会增加1.5度，且大多数的畸形发生在10岁以下[5]。

儿童拇外翻的发病机理非常复杂。临床研究认为拇外翻的产生主要有遗传因素和后天因素。温建民等[2]临床病例研究发现，儿童拇外翻中有家族史的高达83.11%，其中女性发病率较高。而后天因素则多与足内在肌弱、足部韧带松弛、柔韧性平足及第1跖骨内翻等相关。

儿童时期的拇外翻多以形态结构上的异常为主，多数无明显疼痛[6]。而成年患者通常第1 跖趾关节处会形成疼痛性拇囊炎，并经常伴有其他足趾畸形及前足疼痛等[7]。目前对成人拇外翻步态特征的研究较为全面，拇外翻畸形及拇囊肿会在步行时引起足、踝、膝及髋关节的异常应力产生[8]，加速关节损耗，尤其会提高膝关节炎的罹患率[9，10]。然而成人拇外翻与儿童拇外翻的临床症状表现并不相同，拇外翻是否对儿童踝、膝及髋关节造成影响有待进一步探索。

本研究旨在探讨儿童拇外翻的步态模式，分析拇外翻对足、踝、膝、髋关节的影响，提高临床医生及家长对儿童拇外翻的关注。

1 对象与方法

1.1 研究对象

拇外翻组与正常组性别、年龄、身高、体重及BMI指数差异无统计学意义(表1)。拇外翻组平均拇外翻角度为20.70° ± 6.12°，均属于轻至中度拇外翻。

表1 受试者基本信息

1.2 仪器设备

本研究主要使用的设备为三维运动捕捉系统，包括美国Motion Analysis 公司运动捕捉镜头19 台(型号为Raptor 4)，美国Bertec 公司三维测力台4块(型号为4060-07)(图1)。运动捕捉镜头采样频率为100 Hz，测力台采样频率为1000 Hz。

1.3 测试流程

受试者相应体表位置被贴放荧光标记球，令其在测试区域自然步行。本研究所采用的三维步态模型为Helen Hayes模型[11]，需要31个荧光标记球，其中包括4个长杆荧光标记球。测试前需要贴荧光标记球的体表标志分别为：双侧肩峰、肱骨外上髁、桡骨茎突、髂前上棘、髂后上棘、股骨内/外上髁、内/外踝尖、跟骨、第1跖骨头、第2/3跖骨间、第5跖骨头及C7棘突；长杆荧光球分别放置于双侧股骨下1/3 处(长杆纵轴平行于股骨内/外上髁连线)及双侧胫骨下1/3处(长杆纵轴平行于内/外踝尖连线)(图1)。双侧股骨内上髁及内踝尖处的4 个荧光球主要用于静态数据采集，采集步行数据时摘去。每个受试者采集20个步态周期，包含单侧下肢5个有效测力台数据。

图1 三维步态测试设备及场景

1.4 数据处理

本研究所有步态测试及数据均由上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院步态与运动分析中心专业技术人员进行采集处理。使用Cortex 5.7 数据采集软件对数据进行三维建模分析，使用Visual 3D分析软件对步态周期进行定义处理和分析，根据模型计算得出时空参数、下肢各关节运动学及动力学参数。

1.5 指标参数

1.5.1 时空参数

选取的时空参数指标为步长、步速、步频、步宽。步长指从一侧足跟触地到另一侧足跟触地之间的距离。步速指步行的速度，即单位时间内步行的直线距离。步频指单位时间内行走的步数，亦与下肢运动功能密切相关。步宽指步行过程中左、右两足跟中点间的横向距离。时空参数指标可用于评估步行过程中的步行效率及平衡稳定性等。

当开关S2和S3关断时,二极管D2和D3流过电流,如图5(d)所示。此时A相电枢绕组的端电压就是C相电压,如图6(d)所示。

1.5.2 运动学参数

(1)支撑相末期踝关节最大背屈角度及足趾离地时踝关节最大跖屈角度：反映踝关节的背屈及跖屈功能。

(2)支撑相平均足偏角(foot progression angle，FPA)：是指步行时足的纵轴与同侧足步行直线之间的夹角(图2)，表示步行过程中足外偏或内偏程度。

图2 足偏角

(3)支撑相末期膝关节最小屈曲角度及摆动相膝关节最大屈曲角度：反映膝关节的屈伸功能。

(4)髋关节内/外旋平均角度：反映髋关节内/外旋运动功能。

(5)支撑相末期髋关节最大伸展角度：反映髋关节的伸展功能，与足蹬离地面事件相关。

1.5.3 动力学参数

地面反作用力(ground reaction force，GRF)：人在运动过程中，身体重力和产生的肌肉力量在足与地面接触时向地面施加一个与之大小相等且方向相反的力，简称“地反力”。在垂直地面反作用力中，在下肢足触地时及蹬离地面时会呈现两个高峰值，通常标记为垂直方向地面反作用力第1 峰值(FZ1)、垂直方向地面反作用力第2峰值( FZ2)，整个地反力曲线呈现为双峰曲线(图3)。

图3 地面反作用力

1.6 统计学分析

应用SPSS22.0 统计软件进行统计分析，所有假设检验均采用双侧检验，以P≤0.05 为差异有统计学意义。若拇外翻组与正常组数据服从正态分布或近似正态分布，采用两独立样本t检验，用均数±标准差(±s)表达；若数据不服从正态分布，采用非参数秩和检验，用中位数(M)，上四分位数、下四分位数表达。

2 结果

2.1 踝、膝、髋关节屈伸运动

拇外翻组与正常组踝、膝及髋关节屈伸运动曲线相似，主要差异表现在拇外翻组支撑相末期踝关节最大背屈角度增加、膝关节最小屈曲角度增加、髋关节最大伸展角度减小以及足蹬离地面时踝关节最大跖屈角度减小(图4～6)。

图4 两组踝关节屈伸运动曲线

图5 两组膝关节屈伸运动曲线

图6 两组髋关节屈伸运动曲线

由表2可知，与正常组相比较，拇外翻组踝关节支撑相末期最大背屈角度增加(P=0.026)，膝关节支撑相末期最小背屈角度增加(P=0.009)，髋关节支撑相末期最大伸展角度减小(P=0.010)，均具有统计学意义。足趾离地时踝关节最大跖屈角度与摆动相膝关节最大屈曲角度无显著性差异(P＞0.05)。

表2 两组踝、膝及髋关节屈伸运动参数比较(°)

2.2 足偏角与髋关节旋转角度

与正常组相比，拇外翻组支撑相平均足外偏角度减小，差异存在统计学意义(P=0.001)；拇外翻组的髋内旋角度呈增加趋势(P=0.051)(表3)。

表3 两组足偏角与髋关节旋转角度比较(°)

2.3 地面反作用力

拇外翻组与正常组相比，FZ1未见显著性差异(P=0.064)，FZ2减小(P＜0.001)，存在显著性差异(表4)。

表4 两组地面反作用力比较(N/kg)

2.4 时-空参数

由表5可知，拇外翻组与正常组相比较，步速减慢(P=0.004)，步频下降(P=0.034)，步长减小(P=0.041)，存在显著性差异。步宽未见显著性差异(P=0.150)。

表5 两组时空参数比较

3 讨论

3.1 拇外翻对支撑相末期前足轴的影响

本研究发现拇外翻组的支撑相末期踝关节背屈角度、膝关节屈曲角度较正常组增加，支撑相末期髋关节最大伸展角度较正常组减小，足蹬离地面时(支撑相末期)地反力第2 峰值较正常组减小。足跟抬起标志着支撑相末期(步态周期31%～50%)开始，此时前足是体重的唯一支撑，跖骨头的圆形轮廓和趾骨根部形成前足轴，使足和胫骨滚动前进[12]。有研究表明，支撑相末期踝关节及足趾屈肌的跖屈拉力可稳定踝关节和前足轴[13]。当身体重心向前时，跖屈力量不足，不能有效地控制足和胫骨向前滚动的速度和程度，造成胫骨下落速度快于股骨，引起踝关节背屈及膝关节屈曲角度增加。而膝关节在支撑相末期的过度屈曲会限制髋关节的伸展。跖屈功能的下降会进一步影响到足蹬离地面时对地面产生的作用力。

拇外翻形成时，拇趾相对第2足趾内收角度增加，拇长、短屈肌及拇长、短伸肌屈伸拇趾时形成弓弦机制，进一步增加拇外翻角度，同时影响其屈伸功能，造成第1 跖趾关节功能下降，前足轴可控性下降。其中拇长屈肌是小腿跖屈肌群组成之一，其活动时相为31%至摆动前期，是影响支撑相末期跖屈功能的重要因素之一。

3.2 拇外翻对足与髋关节在水平面运动的影响

在本研究中，拇外翻儿童的足外偏角度较正常组减小，髋关节内旋角度较正常组呈增加趋势。髋关节水平面的角度与足偏角密切相关。通常髋关节外旋角度的增加会引起足外偏角度增加，髋关节内旋角度增加会引起足外偏角度减小[14]。同理，拇外翻儿童步行时足外偏角度的减小亦会引起髋关节内旋角度的代偿性增加。足偏角的增加或减小会影响足底压力的分布[15]及膝关节的受力情况。研究者发现拇外翻步行时身体重心由足内侧向足外侧偏移[16]，当身体重心偏向足外侧后，足外偏角会随之减小。有研究表明，足外偏角的减小可引起膝内翻力矩的减小，造成膝关节受力不平衡[17]。通常足偏角偏向外侧时膝外侧压力增加，足偏角偏向内侧时膝内侧压力增加[18]，因此足外偏角的逐渐减小会造成膝内侧压力逐渐增加，膝关节内侧的损伤率提高。

3.3 拇外翻对步行效率的影响

研究结果显示，拇外翻组的步速、步频及步长较正常组减小。步速的下降通常与步长或/和步频的减小有关[19]。

已有研究表明，步频与足部关节运动学数据的变化直接相关[20]。当足蹬离地面时，前足是唯一支撑，拇外翻的形成造成跖趾关节功能下降，前足轴稳定性下降，足和胫骨滚动前进效率下降，引起步频减小。跖屈功能的下降引起足蹬离地面能力下降及髋关节在支撑末期的最大伸展角度不足，从而造成步长减小。步长及步频的减小导致步速下降，因而拇外翻组的步行效率低于正常组。

4 小结

儿童拇外翻足第1跖趾关节的结构异常造成支撑相末期前足轴的运动稳定性下降，从而引起踝、膝及髋关节在支撑相末期的运动异常，步行效率下降。步行时拇外翻儿童足外偏角度的减小引起髋关节内旋角度代偿性增加，力线异常可导致膝关节内侧压力增加，膝、髋关节的损伤风险提高。

儿童拇外翻虽不会产生疼痛及拇囊肿等显著症状，但会引起踝、膝及髋关节的代偿性运动，对关节存在一定的潜在危害。目前，临床医生对儿童拇外翻的关注不足，应提早发现及干预，促进儿童青少年的运动发育。