应用三维步态分析技术评价儿童特发性足内偏的步态参数特征

张亚茹，李阳，李一瀛，俞艳，鲁潇滢，姜淑云

(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，上海 200437)

足内偏即内八字，指足长轴相对前进方向内旋[1-2]，内偏角度超过5°为足内偏[3]。国内调查发现儿童足内偏患病率达23%[1]，国外研究达13.6%～14.5%，其中4岁儿童占30%，超过9岁儿童占7%且多数不存在自发改善的可能[4]。大部分儿童足内偏属于正常发育表现，5岁前随年龄增长得到改善，部分儿童伴随明显功能障碍，如走路笨拙、摔倒和绊倒频率增加、短距离步行容易疲惫及跑步后膝关节或髋关节疼痛[5]。长期存在足内偏会导致距下关节过度旋前、髌骨不稳、髌股关节病理性改变和髋关节炎等症状[4]。国内研究集中于足底压力和矫形器具干预效果的探究，国外研究集中于健康人在不同足偏角的步态特征探索。研究认为3岁以上儿童足内偏需引起重视并且必要时给予干预[3，6]。因此，本研究旨在回顾性观察5岁以上儿童足内偏的步态特征及影响因素，期望为儿童足内偏的早期评估及干预提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料 足内偏儿童均来源于2019年1月至2021年9月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门诊，共计48例(96个下肢)；从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正常儿童步态数据库中选取同年龄段的相同样本量纳入正常组。两组一般资料比较见表1。该研究方案的实施获得上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院伦理委员会批准，所有入组受试者均由法定监护人签署知情同意书。

表1 两组儿童一般资料比较

1.2 纳入与排除标准 本研究根据临床常用的诊断标准及相关文献[3]，计算支撑相足偏角的均值划分入组标准。具体纳入标准如下：(1)年龄5～10周岁，性别不限；(2)足偏角>-5°(见图1)；(3)无明显认知功能障碍，能够配合测试；(4)理解、同意参加此次研究并签署知情同意书。排除标准：(1)非特发性足内偏步态；(2)发育迟缓；(3)下肢有手术史，外伤史；(4)存在膝外翻、膝内翻、脊柱侧弯。

正常对照组纳入标准：(1)年龄5～10周岁，性别不限；(2)足偏角≤-5°(见图1)；(3)世界卫生组织(world health organizatio，WHO)生长发育指数在±2SD以内；(4)无早产史、手术史、外伤史及其他影响运动功能的疾病；(5)无认知功能障碍，能够配合测试；(6)理解、同意参加此次研究并签署知情同意书。正常对照组排除标准：(1)存在膝外翻、膝内翻、脊柱侧弯；(2)双下肢长度差异>1 cm。

图1 足偏角示意图

1.3 方法

1.3.1 标记点的放置 本研究参考的是Helen Hayes步态模型[7]，下肢的荧光标记点分别位于身体左、右两侧的髂前上棘、髂后上棘、股骨内/外侧上髁凸起处、内/外踝凸起处、股骨大转子与膝关节标记线间(手部下方)、膝关节与踝关节中线处、胫骨结节凸起处、第2/3跖骨头间、第5跖骨头凸起处、跟骨，共计24处，包括4个长杆荧光标记球(见图2)。双侧股骨内上髁及内踝凸起处的标记点应用于静态数据采集，步行前需摘掉。

图2 三维步态测试图

1.3.2 数据采集流程 本研究采用三维步态分析系统采集数据，包括美国Motion Analysis公司运动捕捉镜头19台，美国Bertec公司平面测力台4块，运动捕捉镜头采样频率为100 Hz，平面力台采样频率为1 000 Hz。受试者在测试范围内以自然步速行走，需采集每位受试者20个步态周期，并且包含单侧下肢5个有效的力学数据。

1.3.3 数据分析及处理 本研究的步态测试数据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的专业技术人员操作处理，使用Cortex 5.7数据采集软件及Visual3D软件分析处理两组儿童在自然步速下的完整步态周期，并获得下肢的时空参数、运动学参数、动力学参数数据。

1.4 主要观察指标 时空参数：步长、步速、步宽、支撑相时间百分比。运动学参数：髋关节初始着地的最大屈曲角度、支撑相最大内旋角度；膝关节摆动相最大屈曲角度、支撑相最大内旋角度；踝关节支撑相最大背屈角度、支撑相最大内旋角度。动力学参数：髋关节支撑相末期最大屈曲力矩、支撑相最大外展力矩；膝关节支撑相初期内收力矩峰值；足趾离地时踝关节最大跖屈力矩；髋、膝、踝关节最大功率。

2 结 果

2.1 时空参数比较 与健康对照组相比，足内偏组儿童的步宽明显增加，差异具有统计学意义(P<0.01)；步长、步速和支撑相百分比相比，两组差异无统计学意义(P>0.05，见表2)。

表2 两组儿童时空参数比较

2.2 运动学参数比较 与健康对照组相比，足内偏组儿童的髋关节最大屈曲角度明显增加(P<0.001)，髋关节最大内旋角度增加(P<0.05)；膝关节最大内旋角度明显增加(P<0.01)，膝关节最大屈曲差异无统计学意义(P>0.05)；踝关节最大内旋角度显著增加(P<0.001)，踝关节最大背屈角度减小(P<0.05，见表3)。

表3 两组儿童运动学参数比较(°)

2.3 动力学参数比较 与健康对照组相比，足内偏组儿童的髋关节最大屈曲力矩增加(P<0.05)，最大外展力矩减小(P<0.05)，髋关节最大功率明显减小(P<0.001)；膝关节内收力矩峰值明显增加(P<0.001)，膝关节最大功率显著增加(P<0.001)；踝关节最大跖屈力矩明显减小(P<0.01)，踝关节最大功率差异无统计学意义(P>0.05，见表4)。

表4 两组儿童动力学参数比较

2.4 足内偏多元线性回归分析 设足内偏为因变量，设髋、膝、踝关节最大内旋角度，踝关节最大背屈角度和髋关节最大外展力矩为自变量进行多元线性回归分析，结果显示足内偏与髋、膝、踝关节最大内旋角度，踝关节最大背屈角度和髋关节外展力矩呈显著线性关系(P<0.05，见表5)。

表5 足内偏的多元线性回归分析

3 讨 论

3.1 足内偏儿童的时空参数特征 与健康对照组儿童相比，足内偏儿童的步宽明显增加，这与Byrnes等[8]研究一致。步宽的增加能够为摆动侧下肢提供更多的空间越过支撑侧下肢，提高步行的稳定性，降低足内偏儿童摔倒的风险。

3.2 足内偏儿童的运动学参数特征 足内偏儿童在步行过程中髋关节、膝关节和踝关节的最大内旋角度较健康对照组儿童增加，足内偏形成的主要动态因素即步行中下肢力线在水平面的异常扭转，明显异常的足内偏步态往往由两个及以上水平面的异常扭转形成[2]，单个关节的内旋常常伴随其他关节的代偿性外旋而表现出正常步态[8]。本次研究结果的三个关节均表现为异常水平面的内旋，形成较为明显的足内偏步态。

足内偏儿童髋关节内旋角度的增加可能是股骨颈前倾增加的体现，髋关节内旋角度增加与股骨前倾增加已被证明具有一致性[4-5，8]，股骨前倾增加会导致儿童在步行中摔跤频率上升、短距离步行容易疲惫、跑步和踢足球等高运动技能活动中下肢容易受伤，从而造成儿童下肢功能水平出现严重的损害。随着髋关节内旋角度的增加，儿童下肢功能会变得更差，并且伴随儿童生长速度的增加，畸形对儿童下肢功能水平的恶化也会更加严重。与Byrnes等[5]研究一致，股骨颈前倾也会导致髋关节屈曲角度的增加[5，8]；当患者踝关节背屈角度不足时，其余的近端关节(膝关节、髋关节)也会出现矢状面屈曲角度增加的代偿表现[9]。这可能是因为增加髋关节的屈曲角度能够改善足廓清，有助于足内偏儿童的摆动腿越过支撑腿，提供了一个更安全的步态模式，避免儿童在步行中摔倒。

足内偏儿童的踝关节在支撑相最大背屈角度减少，主要原因包括踝关节跖屈肌的紧张或踝关节背屈肌的无力[10]。研究表明，当踝背屈角度减少时患者会增加整个运动链冠状面或水平面的运动角度来代偿，足内偏儿童存在整个水平面(踝、膝、髋关节)的内旋，可能与儿童踝关节背屈角度减少有关，并且踝背屈角度的减少已被证明是髌股疼痛综合征的风险因素之一[11]。

与健康对照组儿童相比，足内偏儿童在支撑相的膝关节最大内旋角度明显增加，胫骨内旋增加会影响踝关节在支撑相的负荷和摆动下肢的足廓清，长期的静态骨骼畸形、动态步态偏差和异常负荷可能会加速膝关节的退行性改变[4]。综上所述，足内偏步态不仅影响儿童支撑相的稳定性(杠杆臂功能障碍)和摆动下肢的足廓清，还可能导致绊倒和跌倒的频率增加，对于双侧足内偏步态的儿童尤其如此[10]。局部关节活动角度的异常通常会影响到整个下肢链中其他关节的代偿性活动，足内偏儿童在日常活动中下肢功能水平的下降可能与此有关。

3.3 足内偏儿童的动力学参数特征 力矩通常意味着肌肉的收缩[12]，足内偏儿童的髋关节外展力矩较健康对照组儿童减少，这与Roth等[5]研究结果一致，可能与髋关节内旋角度增加有关[8]。长期存在的髋关节内旋会导致其外展力臂减小，尤其臀小肌与臀中肌的有效力臂，导致髋关节外旋肌群的力量下降[13]。髋关节外展力矩减少使骨盆控制能力下降[5，14]，且显著增加髋关节近端负荷及应力[15-16]。足内偏儿童的髋关节屈曲力矩在支撑相增加可与踝关节跖屈力矩峰值减小可能有关，踝跖屈力矩和功率的减少可以由屈髋力矩增加来代偿，步行过程中的髋关节和踝关节存在动力学转换的关系。Lewis等[17]研究得出踝跖屈肌力不足，可能会导致步行过程中屈髋肌的过度使用从而使髋关节受到损伤。

足内偏儿童在支撑相早期的膝关节内收力矩峰值明显增加，通过改变压力中心的位置从而对膝关节产生了动力学的影响[5，18]，三维步态分析方法测量的膝关节内收力矩是胫股内侧和外侧间动态压力分布的有效和可靠指标，研究发现膝关节在支撑相早期的内收力矩较大时，膝关节炎进展的风险性可能会增加。

足内偏儿童与正常对照组儿童相比，踝关节最大跖屈力矩明显减小，这表示足内偏儿童的踝跖屈力量可能存在不足[19]，胫骨过度内旋也会导致力臂的缺失，从而降低踝关节的动力学峰值进而影响身体前行的推进力。

功率指动态力的快速爆发，在行走过程中通常指肌肉的收缩[12]。足内偏儿童的髋关节最大功率明显减小，膝关节最大功率明显增加。髋关节功率损失时会通过其他关节产生更多的功率来代偿其损失。足内偏儿童膝关节功率的增加可能对髋关节功率减少发挥了代偿作用[20]，这可能会导致膝关节的损伤。DeVita等[21]在研究老年人与年轻人步态特征时发现，运动模式的改变体现在关节力矩和功率的重新分配，因此不同肌群对整体步行的相对贡献也发生了改变。

3.4 足内偏影响因素分析 足内偏产生的原因包括单个下肢关节过度内旋且不存在其他关节代偿外旋，或两个以上关节过度内旋导致更为显著的足内偏。本研究结果表明足内偏与髋、膝、踝关节过度内旋存在显著的线性关系，踝关节背屈角度不足是髋、膝、踝关节发生代偿内旋的根本原因，因此踝关节背屈角度减小及髋、膝、踝关节过度内旋是5岁以上儿童足内偏产生的主要原因，髋关节过度内旋是髋关节外展力矩减小和2岁以上儿童足内偏产生的主要原因。本研究表明髋关节外展力矩减小与足内偏存在显著的线性关系，因此足内偏对儿童髋关节动力学存在显著的影响，5岁以上儿童足内偏的髋关节需要引起重视。

3.5 小结 足内偏步态属于正常儿童发育过程的表现，多数儿童足内偏在5岁前能够得到改善。正常儿童的足内偏往往是由单个或多个骨骼异常引起的[22]，形成的下肢力线异常，不仅体现局部关节活动角度的异常，其他相邻关节也会表现为关节活动角度、关节力矩、关节功率的代偿反应，以及增加步宽改善步行平衡稳定性。随着儿童生长速度的增加，畸形对儿童下肢功能水平的恶化也会更加严重，一些青少年儿童在步行中容易疲劳，跑步中膝关节疼痛可能与此有关。目前的非手术疗法包括矫正鞋、夜间夹板等对足内偏步态的改善并没有矫正效果[23]，物理疗法和针对性锻炼的疗效尚没有可靠的研究[24]，因此10岁以上且伴有明显的功能障碍或异常外观的足内偏儿童可以考虑手术治疗。然而手术存在多种并发症和较高的风险性[25]，因此本研究通过对儿童足内偏的步态特征研究，希望为足内偏儿童的早期及时的评估和治疗提供一定的参考意义，尽量避免儿童在生长发育中功能持续下降或后期需要手术治疗。