前臂负重对帕金森病患者行走过程中下肢时空参数和关节角度的影响

doi:10.12307/2022.581

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (15): 2307-2311.doi: 10.12307/2022.581

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

前臂负重对帕金森病患者行走过程中下肢时空参数和关节角度的影响

王虎军，王颖鹏，方伯言，靳昭辉，齐琳，张巧荣，王丛笑，郄淑燕

首都医科大学附属北京康复医院，北京市 100144

收稿日期:2021-08-24 修回日期:2021-08-30 接受日期:2021-09-25 出版日期:2022-05-28 发布日期:2022-01-05
通讯作者: 郄淑燕，博士，主任医师，首都医科大学附属北京康复医院，北京市 100144
作者简介:王虎军，男，1998年生，北京市人，汉族，2020年首都医科大学毕业，初级康复治疗师，主要从事康复治疗、运动生物力学、智能康复研究。

Effect of forearm weight-bearing on spatiotemporal parameters and joint angles of the lower limbs in patients with Parkinson’s disease during walking

Wang Hujun, Wang Yingpeng, Fang Boyan, Jin Zhaohui, Qi Lin, Zhang Qiaorong, Wang Congxiao, Qie Shuyan

Beijing Rehabilitation Hospital of Capital Medical University, Beijing 100144, China

Received:2021-08-24 Revised:2021-08-30 Accepted:2021-09-25 Online:2022-05-28 Published:2022-01-05
Contact: Qie Shuyan, MD, Chief physician, Beijing Rehabilitation Hospital of Capital Medical University, Beijing 100144, China
About author:Wang Hujun, Junior rehabilitation therapist, Beijing Rehabilitation Hospital of Capital Medical University, Beijing 100144, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
统计参数映射方法(Statistical Parametric Mapping，SPM)：SPM方法无需对原始采样的时间序列进行萃取以进行统计分析；可以在无方向假设检验中检查完整的一维波形，而无需任何有关目标时空焦点的临时假设，并且能够在与采样数据相同的序列中可视化统计结果。对于时间序列数据，统计结果也是时间序列，能够更好地解释数据。
时序数据重采样：考虑到不同患者步态周期时序长度不一致问题，结合Matlab 中Resample函数对信号进行重采样处理，将所有受试者步态周期时间长度重采样至100帧，以便后续进行统计分析。

背景：步态异常是帕金森病患者最常见的运动症状，其步态训练方法丰富多样，但对于前臂负重步态训练方法等内容未有研究报道。
目的：使用三维步态分析方法评估前臂负重前后帕金森病患者变化，探讨前臂负重对帕金森病患者步态影响的规律。
方法：选取原发性帕金森病患者30例以及年龄匹配的健康受试者30例，分别测量其在正常行走和前臂负重行走两种步行方式下的三维步态参数，比较两种行走方式下受试者的步频、步速、跨步时间、步长时间、单支撑期、双支撑期、步长等时空参数，使用统计参数映射方法确定患者两种行走方式下髋、膝、踝关节在整个步行周期中关节角度曲线之间的差异。
结果与结论：①帕金森病患者在正常行走和前臂负重行走时，其步频、步速、跨步时间、单支撑期、步长等差异均有显著性意义(P < 0.05)；健康受试者在正常行走和前臂负重行走时，其时空参数各项差异均无显著性意义(P > 0.05)；②与正常行走时相比，帕金森病患者在前臂负重行走后下肢髋关节屈伸角度在5%-23%、87%-100%步态周期明显增加(P < 0.05)，膝关节屈伸角度在9%-25%、88%-98%步态周期明显增加(P < 0.05)，踝关节屈伸角度在92%-100%步态周期增加(P < 0.05)；帕金森病患者在前臂负重行走后的步频、步速、跨步时间、步长等时空参数与髋、膝、踝关节角度曲线更接近健康受试者；③结果表明，前臂负重行走时会影响帕金森病患者步行过程中的时空参数以及整个步态周期中下肢髋、膝、踝关节角度变化。前臂负重可即时改善帕金森病患者步行能力，有望作为帕金森病患者康复步态训练方法之一。说明上肢的力量训练也可能影响到帕金森病患者的下肢康复。

https://orcid.org/0000-0003-4446-6657 (王虎军)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 帕金森病, 前臂负重, 三维步态分析, 统计参数映射法, 下肢, 康复

Abstract: BACKGROUND: Abnormal gait is the most common motor symptom in patients with Parkinson’s disease. There are various gait training methods; however, there are no reports on the forearm weight-bearing gait training methods.
OBJECTIVE: To evaluate the changes in patients with Parkinson’s disease before and after forearm weight-bearing, and to investigate the influence of forearm weight-bearing on the gait of patients with Parkinson’s disease by using three-dimensional gait analysis method.
METHODS: Thirty patients with idiopathic Parkinson’s disease and thirty age-matched healthy subjects were selected to measure their three-dimensional gait parameters during normal walking and forearm weight-bearing walking. Stride frequency, stride speed, stride time, stride length time, single support phase, double support phase, stride length, and other spatiotemporal parameters were compared between two walking modes. Statistical Parametric Mapping was used to determine the difference between two walking modes in the joint angles and curves of the hip, knee, and ankle during the whole gait cycle.
RESULTS AND CONCLUSION: There were significant differences in stride frequency, stride speed, stride time, single support period, and stride length between two walking modes for patients with Parkinson’s disease (P < 0.05). Whereas, healthy subjects presented with no significant differences in these spatiotemporal parameters between two walking modes (P > 0.05). Compared with normal walking, lower extremity hip flexion and extension angle of patients with Parkinson’s disease were significantly increased in 5%-23% and 87%-100% gait cycles (P < 0.05). The angles of knee flexion and extension were significantly increased in 9%-25% and 88%-98% gait cycles (P < 0.05). The angles of ankle flexion and extension were increased in 92%-100% gait cycle (P < 0.05). For patients with Parkinson’s disease undergoing forearm weight-bearing walking training, the spatiotemporal parameters, including stride frequency, stride speed, stride time, stride length, as well as the angle curves of the hip, knee, and ankle joints became close to those of healthy subjects. To conclude, the spatiotemporal parameters and the joint angles of the hip, knee and ankle joint will change in patients with Parkinson’s disease during forearm weight-bearing walking, and this change can occur throughout the whole gait cycle. Forearm weight-bearing can immediately improve the walking ability of patients with Parkinson’s disease, which is expected to be one of the gait training methods for Parkinson’s disease rehabilitation. Upper limb strength training may also affect the lower limb rehabilitation of patients with Parkinson’s disease.

Key words: Parkinson’s disease, forearm weight-bearing, three-dimensional gait analysis, statistical parametric mapping, lower limb, rehabilitation

中图分类号:

王虎军, 王颖鹏, 方伯言, 靳昭辉, 齐琳, 张巧荣, 王丛笑, 郄淑燕. 前臂负重对帕金森病患者行走过程中下肢时空参数和关节角度的影响[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(15): 2307-2311.

Wang Hujun, Wang Yingpeng, Fang Boyan, Jin Zhaohui, Qi Lin, Zhang Qiaorong, Wang Congxiao, Qie Shuyan. Effect of forearm weight-bearing on spatiotemporal parameters and joint angles of the lower limbs in patients with Parkinson’s disease during walking[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(15): 2307-2311.

图/表（结果） 7

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引言

材料方法

1.1 设计病例-对照，横断面研究。组间比较进行Dependent t-test检验、Mann‐Whitney U检验和Fisher精确检验法；受试者下肢髋膝踝关节矢状面的角度差异使用双尾配对统计参数映射{t}检验。
1.2 时间及地点病例来自首都医科大学附属北京康复医院2018年4月至2019年12月确诊的30例帕金森病患者。
1.3 对象 30例帕金森病患者均为原发性帕金森病并且符合中国帕金森病指南诊断标准[13]，年龄为45-71岁，平均年龄(59.0±6.5)岁；使用联合帕金森病评定量表第三部分(UPDRS III)和Hoehn Yahr(H&Y)分期进行评估。对照组为首都医科大学附属北京康复医院的30名职工及门诊体检受试者，他们的年龄与帕金森病组相匹配。
1.4 方法
1.4.1 入组标准
(1)帕金森病组：
纳入标准：①年龄45-80岁；②处于H&Y的2-3期；③能够独立行走50 m；④听力正常，无明显认知功能障碍、内脏疾病及心理障碍；⑤不合并精神疾病及严重焦虑抑郁。
排除标准：①除帕金森病外的任何原发性骨科、神经系统疾病和视觉障碍等可能造成步态障碍的因素；②既往有明确神经系统疾病病史；③有影响独立行走的其他原因或症状；④既往有药物及酒精滥用史；⑤以《中国原发性震颤的诊断和治疗指南(2020)》为准的非典型帕金森样症状患者[13]。
脱落标准：①发生严重不良事件不宜继续参加试验；②未按既定方案完成测试；③因自身原因要求退出试验。
(2)健康受试者组：
纳入标准：①年龄45-80岁；②听力正常，无明显认知障碍；③能自然行走，各关节活动正常，无关节活动度受限；④近6个月无关节疼痛、外伤史、手术史者；⑤过去3年无跌倒史；⑥自愿参加此次测试并签署知情同意书者。
排除标准：①存在明显心理、精神疾病；②存在听力障碍、视力障碍、认知障碍、精神疾病等影响试验配合度的相关因素；③严重心血管疾病及急性传染病者；④存在下肢手术史或身体结构存在明显异常者；⑤患有其他影响步行能力的骨关节、下肢血管、神经肌肉疾病、外伤或可能影响步行姿态的躯体疼痛性疾病。
研究方案经首都医科大学附属北京康复医院伦理委员会批准，伦理批号：2020bkky-058，所有受试者均了解研究程序和目的，并在参与前签署书面知情同意。

1.4.2 评估方法采用Vicon Nexus 1.5.2三维光学运动捕捉系统(英国OML)采集帕金森病患者步态参数，同时使用全方位远红外摄像机组、多个Marker(标记点)、测力板、数据转换器以及分析软件等共同采集、处理、分析数据，见图1。

让患者穿紧身短裤，按照Plug-in gait 步态模型进行标记Marker[14]。标记位置放置由一位经验丰富研究人员进行放置，以尽量减少误差。患者先以自然、舒适的行走姿势在测试场地进行适应行走后，再进行步态数据的采集。采集结束后休息5 min进行负重行走采集。2个质量为0.75 kg的沙袋用作患者前臂负重，绑在双侧前臂1/3处，患者可以在行走时以舒适的方式摆动手臂来进行步行测试。由于对于前臂负重的质量没有相关研究表明与帕金森病患者体质量之间的关系，因此参考之前的几项对于健康受试者手臂负重的研究，每只手臂负重为1.2或1.8 kg[15-17]，考虑到此次研究中受试者年老体弱且存在肌肉僵直震颤等障碍，最终选择了0.75 kg。测试完毕后构建Plug-in gait标准步态模型，在Vicon Nexus 1.5.2 软件中进行滤波、划分时相、计算时空参数(步频、步速、跨步时间、步长时间、单支撑期、双支撑期、步长等)和运动学参数(髋、膝、踝关节在矢状面的角度)等，见图2。

1.5 主要观察指标 ①两组受试者不同方式行走时空参数比较；②帕金森病组患者不同关节在矢状面旋转角度变化及正常行走与负重行走配对检验结果。
1.6 统计学分析应用SPSS 26.0统计软件对数据进行描述和统计学分析，对符合正态分布的资料使用x±s表示，组间进行Dependent t-test检验；对不符合正态分布的资料使用中位数(四分位数)M(P25，P75)表示，组间进行Mann‐Whitney U检验。对计数资料进行Fisher精确检验法。
由于不同受试者步态周期的不一致性，应用有理因子结合多相滤波器实现对关节角度中的序列在原始采样率的P/Q倍上重新采样，其中P为原始采样序列长度，Q为标准采样序列长度[18]。考虑到关节角度数据的时间特性，使用基于PATAKY等[9-12]提出的统计参数映射评估受试者关节角度数据；使用双尾配对统计参数映射{t}检验确定受试者下肢髋膝踝关节在矢状面的角度差异。角度统计分析过程应用Matlab_R2018a与Python语言使用SPM1D开源软件包进行。

讨论

此次试验采用三维步态分析系统对帕金森病患者两种行走方式的时空参数、运动学参数进行分析，探索其负重前后步态有何变化。研究结果表明，轻中度帕金森病患者已经发生“运动迟缓”的特征，其步态时空学、运动学参数与健康成年人相比有所下降，帕金森病患者通过前臂负重方式行走可以改善其时空参数和运动学参数，并接近健康成年人水平。
3.1 时空参数分析步行是人类的基础运动功能，它需要全身肌肉的共同参与，涉及到颈、肩、手臂、躯干、髋、膝、踝、足之间的关节韧带肌肉的共同协调[19]，任一环节的不协调都可能导致步态方面的异常。有证据表明，维持步态稳定的补偿机制可以通过改变手臂的运动来进行，而增加上肢或者下肢的质量，可以改变手臂的这种运动[20]。DUYSENS等[21]的研究表明，在对健康成年人行走时增加负重会增加他们手臂的摆动次数，并且行走时的手臂摆动对平衡对侧骨盆和双侧下肢的运动起着重要作用，增加手臂质量可以改变上肢在行走时摆动的瞬间惯性和自然摆动的频率。另外，行走时手臂会自适应调整其摆动情况[22-23]，这说明手臂摆动也是步行环节中很重要的一环，并且在手臂负重后，机体所承担的负荷会有所增加，行走时人体的重心可能会被改变，而这种变化可以使人体通过姿势重新调节和关节角度变化来适应负重对人体所带来的变化，从而保持一个新的步态平衡和稳定[22]。文章的研究结果也印证了此说法，健康受试者在两种方式行走时的时空参数并未产生明显差异，究其原因可能是健康人有着较为完善的人体平衡控制系统和姿势自适应能力。
以往对帕金森病步态特征的研究表明，帕金森病患者的步速降低、步长变小、单支撑期延长等，随着帕金森病症状的加重，步幅和下肢关节角度活动范围也呈现逐步减少的趋势[24-28]。文章研究结果显示轻中度帕金森病患者的步态时空学、运动学数据相比于健康成年人有所下降，这与最近的研究结论相一致，分析其原因可能是轻中度帕金森病患者已经出现了“运动迟缓”的症状，会影响其步行能力。另外，由于帕金森病患者普遍存在平衡和姿势异常等障碍，不能自适应手臂摆动情况的变化而带来的步态异常，这可能也是帕金森病患者步态异常的一个重要影响因素。文章研究结果显示与正常行走方式相比，帕金森病患者在以前臂负重方式行走时，其时空参数各项均明显改变，这可能与上文提到的手臂摆动机制有关。另外MURRAY等[29]研究发现，在步行周期的摆动初期，帕金森病患者在同侧脚离地时会发生手臂的后倾位的消失。ZEHR等[30]也发现了在帕金森病早期，手臂的这种后倾位就会明显消失。因此，帕金森病患者在行走时会存在手臂摆动障碍，而当其前臂负重行走时，前臂施加的质量负荷会影响其行走时摆动惯性和重心的改变，从而影响了帕金森病患者行走时的时空参数。这与作者的研究结果相一致，帕金森病患者在前臂负重行走后，其时空参数与健康受试者已无明显差异。
3.2 运动学参数分析文章结果显示，帕金森病组在前臂负重行走时，其髋膝踝关节活动角度均与正常行走产生差异。在DONKER等[31]的研究中发现，上肢负重可以增加行走时下肢关节角度变化，增加腓肠肌、胫前肌收缩强度等。然而，DONKER等的研究发现上肢负重后，其手臂摆动幅度减小，这与该文章的研究不一致，分析其原因可能是受试对象和测试环境的差异造成的，DONKER等受试对象为健康成年人，并且其行走环境为跑步机，其测试时行走速度为慢跑。LOVEJOY等[32]研究指出，身体负重后也可以增加摆动相骨盆旋转角度，而骨盆有着下肢之间移动连接的作用，在摆动阶段骨盆的旋转也会增加步长。这与文章结果相一致，在一个步态周期中的摆动末期时，对照组髋关节、膝关节、踝关节活动与其正常行走时相比有明显差异。而摆动末期伴随着负荷反应期和站立中期的开始，帕金森病患者在前臂负重后行走时的髋关节、膝关节有着更大的活动范围，这有助于其进入摆动相。文章结果可见，帕金森病患者前臂负重行走可以改善下肢关节活动。试验结果提示针对于帕金森病患者，上肢负重行走会影响下肢关节角度变化。作者认为，手臂和下肢是通过脊髓中间神经元的活动而耦合的[33]，并且帕金森病患者前臂负重后可能会进行姿势的重新调节，增加行走时下肢肌肉的收缩强度，进而增加下肢各个关节角度变化，来改善步行能力。另一方面，在手腕上附加的沙袋也可以看作感觉输入，在前臂负重后可以对前臂肌群进行感觉刺激，通过重复行走改变手臂摆动的感觉可以激活运动皮质进行主动运动。有研究者发现在上肢和下肢之间存在神经连接，因此，基于以往的研究进行推测，增加手臂运动可能会促进下肢运动，特别是通过脊髓反射途径来增加下肢各关节活动范围。
3.3 研究的局限性此次研究有几个局限性，首先把前臂和近臂认为是摆动的一个整体，因此肘部的运动和手臂的长度被忽略；并且无法确定能够改善步态参数的最佳手臂负重质量；对以后的治疗很重要的一点是此次研究只比较了短期内患者的变化，不能确定这种变化能否持续很长时间；另外研究中没有计算手臂摆动幅度的变化，这些都有待在进一步研究中进行讨论。
结论：对于以典型姿势步态异常为主同时伴有震颤、运动迟缓等障碍的帕金森病患者来说，在其行走时增加手臂质量有助于改善其步态参数，但是对步行功能的影响有待进一步研究。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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Effect of forearm weight-bearing on spatiotemporal parameters and joint angles of the lower limbs in patients with Parkinson’s disease during walking

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