矫形鞋垫对青少年特发性脊柱侧弯患者脊柱畸形和步行的改善效果

朱飞龙，张明,，郭晓琦，曹建刚,，朱茜,,3，陈杰,，王斌，吴宇，陈伟,

1.徐州医科大学附属徐州康复医院，江苏徐州市 221000；2.徐州市中心医院，江苏徐州市 221009；3.徐州市泰山社区卫生服务中心，江苏徐州市221003

青少年特发性脊柱侧弯(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)是指发病在10～18 岁极其复杂的以冠状面、矢状面的弯曲以及身体纵轴的旋转为特点的脊柱三维畸形[1]，具有发病机制复杂，发病率高，治疗效果不佳，危害严重等特点。脊柱侧弯患者可能伴随步行功能障碍，表现为步行速度减慢、步态不对称、足底压力分布不均、平衡不佳、能量消耗增加等，严重降低患者的日常生活质量[2]。

传统的侧弯支具保守治疗在临床上常常被首先考虑，并且大量研究证实支具对脊柱侧弯的积极矫正效果[3]。值得注意的是，AIS 患者不仅有脊柱的侧弯畸形，还会常常并发骨盆的倾斜及旋转、扁平足、高弓足、长短腿等下肢生物力学的不平衡[4-5]。矫形鞋垫具有改善人体生物力学及代偿，调节人体异常姿势，分散足底压力及调整步态等作用，并且具有简便易行、穿戴方便、无创、患者依从性好等优点，被广泛应用于康复医疗领域[6]，但应用于AIS 患者国内外鲜有报道。本研究在支具的基础上，观察矫形鞋垫干预对脊柱畸形和步行表现的疗效。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2019 年9 月至2020 年9 月于徐州康复医院、徐州市中心医院、徐州市泰山社区医院门诊就诊的AIS患者42例(AIS组)，均符合国际脊柱外科学会AIS的诊断标准[7]，采用随机数字表法随机分为支具组和支具联合矫形鞋垫组，每组21 例。同时，招募32 例脊柱发育正常的年龄10～18 岁右利足的青少年作为健康对照(健康组)，性别不限。

AIS 组纳入标准：①年龄10～18 岁，右利足；②Cobb 角10°～45°；③双下肢长度差小于1 cm；④能理解并遵从指令独立步行；⑤患者或者监护人同意治疗前后拍摄全脊柱X线片。

排除标准：①非特发性脊柱侧弯；②存在生长发育障碍，神经、肌肉、骨骼、感染、精神等病史；③下肢及足部存在明显畸形；④之前接受过脊柱侧弯相关治疗。

剔除和脱落标准：①患者或者监护人主动要求终止试验；②未严格按照本研究规定的治疗方案执行；③病情变化或者发生严重不良事件等导致不能完成治疗。

健康组和AIS 组性别、年龄、体质量和体质量指数(body mass index,BMI)比较无显著性差异(P＞0.05)，身高有显著性差异(P＜0.05)。支具组和支具联合矫形鞋垫组性别、年龄、身高和Cobb 角比较无显著性差异(P＞0.05)，体质量和BMI比较有显著性差异(P＜0.05)。见表1～表2。因考虑到个体间身高、体质量、BMI差异，本研究所收集的步态及足底压力数据均以百分比形式呈现[8]。

表1 健康组和AIS组一般资料比较

表2 支具组和支具联合矫形鞋垫组一般资料比较

本研究经过徐州医科大学附属徐州康复医院伦理委员会审核批准(No.徐康医伦2019014)。所有受试者或者其监护人签署知情同意书。

1.2 方法

AIS 组均给予支具、矫正体操等常规康复治疗，其中支具联合矫形鞋垫组在此基础上增加矫形鞋垫干预。

1.2.1侧弯支具

支具由专业的矫形师为患者量身制作。首先让AIS 患者坐在取型台的横杆上，骨盆处于中立位、躯干挺直，矫形器师用石膏绷带自骨盆、腰、胸、肩向上缠绕；取出石膏阴型，灌制石膏阳型后，根据患者拍摄的脊柱全长冠状位和矢状位X 线片，利用三点矫正力系和两点抗旋力偶系原理在阳型上进行削减修整和增补释放，最后用加热后的聚乙烯板材在阳型上整体抽真空热塑成型，经切割、打磨、装配、试样等步骤加工成为成品。试样结束后需对患者家长进行宣教，要求家长监督AIS 患者每天佩戴22～23 h，持续2个月，只有在洗澡和体操锻炼时才能除去支具。

1.2.2矫正体操

矫正体操每天应在患者除去支具后进行，根据患者侧弯部位，选择不同体位进行一侧上肢或下肢伸展运动，以便达到促进凹侧肌肉牵伸，凸侧肌肉收缩的治疗效果。矫正训练时应动作平稳缓慢，充分用力，配合深呼吸，其中包括以下几点。

①俯卧位双臂平伸及背部伸展：患者俯卧，双臂离开床面尽量向前平伸，头肩部抬起离开床面，伸展上段脊柱；双腿伸直抬起离开床面，伸展腰部脊柱，每个动作维持10 s，然后还原，重复10次。

②仰卧位下肢后伸：患者仰卧位，肩部向外展开，双肘半屈平撑，下肢尽量后伸抬起，双腿上下交叉呈剪刀式运动，维持10 s，重复10次。

③挺拔站立：靠墙站立，双肩及髋部紧贴墙壁，下颌微收，眼睛注视前方，双臂尽力向上举，使头颈及脊柱尽力向上挺拔，维持10 min。

④悬吊运动：患者双手握住门框或单杠，双脚悬空挂起，腰部放松，尽量坚持，但不能勉强。

⑤脊柱不对称伸展运动：俯卧，左臂上举，左腿抬起；右臂上举，右腿抬起。维持10 s，重复10 次，左右交替进行。

⑥体侧侧屈运动：双足并拢，靠墙站立，双手中指贴于大腿外侧中线，一侧中指沿大腿外侧中线缓慢下滑，身体逐渐侧屈至极限，维持10 s，重复10 次，然后还原。脊柱向右侧弯者做左侧侧屈运动，脊柱向左侧弯者做右侧侧屈运动。

⑦骨盆后倾练习：在仰卧位或者坐位同时收缩腹肌和臀肌，以使骨盆后倾，重复10次。

每天治疗1 次，每次总时间30 min，持续2 个月。为提高患者依从性，要求家长密切监督，并每天进行打卡。

1.2.3矫形鞋垫

本研究所使用的鞋垫为计算机辅助设计的3D 雕刻鞋垫，是一种完全个性化定制的鞋垫，制作流程如下。

①下肢生物力学的评估：一名专业的矫形器师根据Najjarine 评估系统的评估技术，主要评估患者在静态站立位时的跟骨中立位和休息位、胫骨扭转角度、双侧髋关节内外旋的活动度、双下肢的长度差异等。

②足底压力动静态扫描：使用GaitScan 仪器获取患者在站立和行走过程中的步态、足底压力、平衡及行进方向等足部受力数据。

③足部轮廓扫描：使用3D LSR Laser Foot Scanner 系统对患者足部进行扫描获得足部轮廓和足弓指数等数据。

④计算机辅助设计：根据下肢生物力学评估和机器扫描的结果进行3D 鞋垫设计，增加鞋垫的受力点或削去鞋垫的免荷部位，包括个性化增加足弓支撑、足跟处加不同高度的楔形块调整足跟处于中立位、控制前足的内外翻程度及双侧下肢长度的补偿等。

⑤雕刻：将设计好的鞋垫程序导入电脑雕刻程序中转化，设置雕刻的方式和精度，连接雕刻机器进行模型的雕刻。

⑥打磨：雕刻成型后需对粗加工的鞋垫进行打磨抛光处理。

⑦试样及交付：观察患者使用鞋垫后，站立位及行走时的下肢生物力学异常是否得到改善。矫形器师需按照评估时的鞋垫处方再次对鞋垫进行更改完善以及交付鞋垫成品。建议患者穿舒适运动鞋，并将鞋垫放入鞋中使用，每天至少8小时，持续使用2个月。

1.3 评定方法

在治疗前和治疗2 个月后进行以下评估。先将42例AIS患者与32例健康青少年的步态与足底压力数据进行横向对比分析，找出异常指标；再进行支具及支具联合矫形鞋垫对患者的脊柱畸形与上述异常指标的纵向干预疗效分析。

1.3.1Cobb角测量治疗前后要求患者拍摄全脊柱X 线片，并由同一位具有丰富经验的物理治疗师进行Cobb角度测量。

1.3.2步态及足底压力测量

步态及足底压力测量采用GaitScan 仪器(加拿大The Orthotic Group)。在正式数据收集之前，受试者先进行练习以便熟悉测试流程。所有研究对象均进行步行及站立位的足底压力测量。首先，受试者按照平常自然速度走过足底压力板，采集步行动态数据，接着双足站立于足底压力板的传感器表面，眼睛平视墙上标志物，双脚自然分立，与肩同宽，双手自然置于身体两侧，待患者稳定站立后收集双侧足底压力分布百分比数据，测量3次，取平均值。

足底压力相关指标：①双侧全足压力分布百分比；②足跟内侧、足跟外侧、第1～5 跖骨7 个部位的压力百分比，足底压力分区见图1；③足底压力中心漂移指数(the center of pressure excursion index,CPEI)；④单足的足跟内侧与足跟外侧压力比值(M/L)、第一脚趾与第一跖骨压力比值(T1/M1)；⑤双侧全足压力比，即负重多的一侧与对侧的压力比值。

图1 足底压力分区示意图

步态相关指标：①支撑相周期；②步行速度；③首次着地、承重反应、站立中期、站立末期的时间百分比。

1.4 统计学分析

采用SPSS 25.0进行统计学分析。由于入选的AIS患者脊柱主弯方向并非一致，因此患者的双侧数据采用主弯凸侧与主弯凹侧来描述。健康对照组测量指标采用双侧数据的平均值。计数资料比较采用χ2检验，计量资料服从正态分布，以()表示。组间比较采用独立样本t检验或单因素方差分析合并LSD 两两比较检验，组内治疗前后比较采用配对样本t检验。显著性水平α=0.05。

2 结果

所有受试者都完成该试验，无脱落。

2.1 足底压力

AIS 组CPEI 高于健康组(P＜0.05)。AIS 组与健康组比较，M/L 和全足压力均存在显著性差异(P＜0.05)。AIS 组内比较，主弯凹侧的全足压力大于主弯凸侧(P＜0.05)。见表3。

表3 健康组和AIS组足底压力比较

2.2 步态指标

AIS 组和健康组支撑相周期、步行速度及各时相所占比例均无显著性差异(P＞0.05)。见表4。

表4 健康组和AIS组步态比较

2.3 支具联合矫形鞋垫的疗效

治疗前两组Cobb 角、CPEI 值、M/L 值、双侧全足压力比均无显著性差异(P＞0.05)。治疗后，两组Cobb 角均显著改善(P＜0.001)，但两组间比较无显著性差异(P＞0.05)；支具组CPEI、M/L、双侧全足压力比无显著变化(P＞0.05)；支具联合矫形鞋垫组CPEI降低，M/L、双侧全足压力比值趋于1(P＜0.05)，且优于支具组(P＜0.05)。见表5～表8。

表5 支具组和支具联合矫形鞋垫组治疗前后Cobb角比较(°)

表6 支具组和支具联合矫形鞋垫组治疗前后CPEI值比较(%)

表7 支具组和支具联合矫形鞋垫组治疗前后M/L值比较

表8 两组治疗前后双侧全足压力比比较

3 讨论

AIS 是侧弯中最常见的类型[9]，其发病机制复杂，危害严重，多因素共同作用目前被广泛接受[8]。近些年来，研究人员发现AIS 患者步行特征和健康青少年存在一些差异，同时随着医学生物力学的发展以及身体结构整体观的认识，有研究表明骨盆、下肢、足部等生物力学因素对脊柱侧弯的形成和发展也有一定的影响[8,10-11]。因此，本研究进行如下分析：一是选取健康同龄人为对照，横向观察AIS 患者的步态与足底压力分布特征；二是纵向研究侧弯支具联合矫形鞋垫对AIS患者的脊柱畸形与步行表现的效果。

有研究表明，脊柱中轴肌肉结构既是效应器也是感受器[12]，在静态和动态平衡中起到重要的作用，但AIS 患者这个部位的结构受到破坏，所以AIS 患者可能呈现双侧全足压力分布不对称，严重者甚至出现平衡障碍和跌倒风险[12-14]。双侧全足压力的比较可以有效反映身体结构与姿势、脊柱等的对称性。根据人体生物力学，人在站立时为保持直立姿势，脊柱应无各个方向的侧弯畸形，双腿保持直立，从而将身体的重量由双下肢传递到足弓高点，并通过足的纵弓向前后足传递，理应双足或单足的前后压力均衡[8]。本研究发现，AIS 患者的主弯凹侧全足压力大于主弯凸侧，说明AIS 患者主弯凹侧足较主弯凸侧足在着地期间支撑更多重量，同时说明患者在站立时有重心侧移，使主弯凹侧负重更多，这与游国鹏等[15]的报道一致。AIS 患者足底压力分布不平衡可能会引起身体节段相互位置关系的改变从而继续加重本身的脊柱畸形，同时也可以使患者头、颈、肩、躯干、骨盆、下肢、足在三维平面上的相对姿势发生改变，进一步影响平衡感受器的信息输入，从而加重平衡功能障碍[16]。足底压力分布异常究竟是AIS 的病因之一还是其结果，有待于进一步的研究。

AIS 患者在步行时，视觉、前庭觉、躯体本体感觉受到更大挑战，往往比安静站立时更容易表现出一些异常，例如躯体摆动增大、足底压力中心位置异常(侧向重心移动范围加大)。本研究发现，正常步行时，AIS 患者的CPEI明显高于健康组，提示AIS 患者可能更多地依赖踝关节本体感受来控制平衡并且通过踝部本体感觉系统等对脊柱形态变化导致的姿势不对称进行代偿，从而有助于他们在行走时保持姿势的稳定[17]，这个过程中无疑会增加步行时的能量消耗[2]。AIS患者CPEI的增加，可能是由于脊柱畸形使身体重心在侧方移动时产生不平衡力矩所导致。在本研究试验条件下，健康受试者的CPEI 小于国外报道[18]，可能由于样本量限制，存在一定的病例选择性偏倚，未来需进行大样本的随机抽样研究。因此，AIS 患者手术和康复治疗前后，除了可以通过影像学评估外，平衡、步态、足底压力分布也可以用于手术和康复治疗前后疗效的评估。

关于步态，本研究中发现，AIS 患者步态和正常人差异不显著，可能是由于研究中纳入的患者属于轻、中度型，即Cobb 角小于45°，也可能是因为患者通过某种躯体运动控制策略代偿了由于脊柱畸形引起的运动功能异常，导致步态分析对于评估AIS 的步行功能可能不具有良好的敏感性[15]。即使是在本研究中所纳入的轻、中度AIS 研究对象，其足底压力分布仍然呈现出明显的局部及整体不对称改变，提示后续针对AIS 的平衡及步行表现研究应当着重关注于足底压力分布。

AIS患者由于躯干的不对称导致骨盆的受力异常，上肢及躯干的负荷传递到双下肢时，双下肢承受的负荷也会不同，这样导致患者躯干、骨盆、下肢、双足等各个部位左右两侧受力不均；而身体左右两侧不对称的负荷又会导致骨骼不对称生长，进一步加重脊柱侧弯，从而形成一个恶性循环；尤其是AIS 患者正处于生长发育的高峰期，更加快恶性循环的进程。本研究希望通过鞋垫来调整受力不均，使身体左右两侧的负荷均衡，从而让两侧骨骼趋于正常的生长，来阻止恶性循环的发生[8,19-25]。但国内外有关AIS 患者通过侧弯支具联合矫形鞋垫来进行保守治疗的研究很少。

在AIS 的治疗研究中，Modi 等[26]认为如果AIS 患者身体姿势重新恢复到平衡，则脊柱侧凸的角度可能减小或趋于平衡，否则脊柱侧凸畸形可能会继续进展。目前矫形支具对于脊柱侧弯的治疗已经得到该领域专家的广泛认可，所以两组患者脊柱畸形都得到显著改善。在本研究中，可能是由于患者穿戴鞋垫时间短等原因，鞋垫治疗后没有显著减小Cobb 角，但其生物力学平衡及步行表现得到有效改善，AIS 患者无论是双足还是单足的足底压力分布都趋于平衡。这是一个很好的尝试，为AIS 的康复治疗提供了一个新方向。矫形鞋垫能有效地刺激踝关节及足底本体感受器，而且矫形鞋垫与侧弯支具联合使用较单独使用侧弯支具能更有效地改善患者足旋前状况，维持距下关节处于较正常位置，纠正并维持下肢生物力学力线，诱发骨盆及躯干的姿势调整，提高患者平衡功能，进而改善行走表现[20]。AIS 患者穿戴矫形鞋垫后，足底压力中心漂移范围减小，双侧足底及单侧足跟内外侧压力分布差值减小，更为对称，提示AIS 患者的生物力学得到一定的改善。但本研究未能对结构性脊柱侧弯还是功能性脊柱侧弯进行细分，鞋垫作用于哪种侧弯类型更有效果仍值得后续继续探讨。因此，对AIS患者的治疗不应仅从躯干单一方面出发，也应考虑足部的异常生物力学。

本研究使用的3D 雕刻鞋垫，是根据受试者的足底压力分布特征个性化制作而成，设计目的之一就是分散足底主要受力区域压力。由于鞋垫采用EVA发泡材料，足鞋的贴合度及舒适度较高，间接地提高了患者的依从性。事实证明，3D 雕刻鞋垫能有效地分散足底压力，此外还可以平衡足内外侧压力，具有着地缓冲以及蹬伸助力效果，有效控制行走时的步姿，提高足部控制性能[27]，具有一定的应用价值。

综上所述，AIS 对人体的步行表现产生影响。矫形鞋垫具有无创、穿戴方便、简单易行、患者依从性好等优点，可改善AIS 患者的异常生物力学和步行表现，值得临床推广。AIS 的保守治疗中可以在支具和矫形体操的基础上增加矫形鞋垫分散其足底压力，同时注重其平衡、行走的训练。本研究未对长期疗效做进一步研究。未来的研究需延长随访时间与加大样本量，明确穿戴矫形鞋垫后不同时间段AIS 患者步态、足底压力分布、Cobb角等的变化情况。此外，本研究未能考虑足型对行走表现的影响，后续关于此类研究需将AIS 患者足型作为一个协变量考虑。最后，研究中未对患者穿戴支具和矫形鞋垫的舒适度、美观等主观感受进行问卷调查，在后续的研究中我们将着重进行探讨。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。