青年慢性非特异性腰痛患者步态：时空和动力学参数特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1036

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (4): 556-561.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1036

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

青年慢性非特异性腰痛患者步态：时空和动力学参数特征

陈晓蓝¹，王琳¹，梁孝天^1，2，李玉¹，刘海涛^1，3，王博¹，何辉¹，刘春雨^1，4

¹北京体育大学，北京市 100084；²浙江警察学院，浙江省杭州市 310051；³河南大学，河南省开封市 475000；⁴玉林师范学院，广西壮族自治区玉林市 537000

出版日期:2019-02-08 发布日期:2019-02-08
通讯作者: 王琳，博士，博士生导师，教授，北京体育大学，北京市 100084
作者简介:陈晓蓝，女，1990年生，安徽省无为县人，汉族，北京体育大学在读博士，主要从事运动医学方面的研究。
基金资助:
中央高校基本科研业务费专项资金资助课题(2014SYS004)，项目负责人：王琳

Gait characteristics of youth with chronic non-specific low back pain: spatio-temporal and kinetic parameters

Chen Xiaolan¹, Wang Lin¹, Liang Xiaotian^{1, 2}, Li Yu¹, Liu Haitao^{1, 3}, Wang Bo¹, He Hui¹, Liu Chunyu^{1, 4}

¹Beijing Sport University, Beijing 100084, China; ²Zhejiang Police College, Hangzhou 310051, Zhejiang Province, China; ³Henan University, Kaifeng 475000, Henan Province, China; ⁴Yulin Normal University, Yulin 537000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China

Online:2019-02-08 Published:2019-02-08
Contact: Wang Lin, PhD, Doctoral supervisor, Professor, Beijing Sport University, Beijing 100084, China
About author:Chen Xiaolan, Doctoral candidate, Beijing Sport University, Beijing 100084, China
Supported by:
the Basic Research Fund of Central Universities, No. 2014SYS004 (to WL)

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

慢性非特异性腰痛：被认为是持续3个月以上的症状，但是临床上找不到确切的组织病理结构改变，不能通过客观检查明确病因的腰痛的总称。

步态：即行走时的动作和姿势。由步态特征可反映多种神经系统病变。如偏瘫步态提示一侧中枢性偏瘫、慌张步态提示帕金森病、醉汉步态提示小脑病变、鸭步提示肌病等。

摘要

背景：非特异性腰痛严重影响人们的工作生活，步态训练可以有效处理慢性腰痛。研究慢性非特异性腰痛患者步态有助于设计出更有针对性的步态再教育内容。

目的：通过比较健康青年人与青年慢性非特异性腰痛患者步态时空和力学参数，以期发现青年慢性非特异性腰患者步态特征，为慢性非特异性腰痛患者诊断、康复提供参考。

方法：共65例志愿者参与试验，其中健康青年人30例，慢性非特异性腰痛患者35例，用LORAN足底压力2 m平板及配套步态测试系统测试其常速走的步态。

结果与结论：①慢性非特异性腰痛组步长对称指数显著大于健康对照组(P < 0.01)；站立相对称指数、单支撑时间对称指数均显著大于健康对照组(P均 < 0.01)；②健康对照组两侧步态时空参数差异均无显著性意义(P均 > 0.05)；慢性非特异性腰痛组右侧步长、足偏角显著大于左侧(P < 0.01，< 0.05)；右侧站立相、单支撑相显著长于左侧，左侧双支撑相长于右侧(P均 < 0.01)；③慢性非特异性腰痛组初始双支撑相、单支撑、终末双支撑相垂直地面反作用力对称指数均显著大于健康对照组(分别为P < 0.05，< 0.01，< 0.05)；④结果提示，青年慢性非特异性腰痛患者常速走步态比健康青年人更不对称，青年慢性非特异性腰痛患者过多的应用优势侧肢体提供支撑；在对青年慢性非特异性腰痛患者进行步态再教育时，需考虑对患者不对称的肢体支撑模式进行调整。

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
ORCID: 0000-0001-6541-558X(陈晓蓝)

关键词: 非特异性腰痛, 慢性腰痛, 步态分析, 垂直地面反作用力, 时空和动力学参数, 腰痛患者步态

Abstract:

BACKGROUND: Chronic non-specific low back pain seriously affects people’s working and life. Gait training does help to treat chronic low back pain. Studying the gait of chronic non-specific low back pain patients can help us design more targeted gait re-education content.

OBJECTIVE: To find the gait characteristics of young chronic non-specific low back pain patients by comparing the spatio-temporal parameters and mechanical parameters of gait among between healthy youth and youth with chronic non-specific low back pain, so as to provide a reference for the diagnosis and rehabilitation of chronic non-specific low back pain.

METHODS: Sixty-five volunteers were enrolled, including 30 healthy youth (control group), and 35 youth with chronic non-specific low back pain (trial group). The gait during normal movement was detected using LORAN 2-m footscan plantar pressure plate and gait testing system.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The step length symmetry index, standing phase symmetry index and single-support phase symmetry index in the trial group were significantly higher than those in the control group (all P < 0.01). (2) The spatio-temporal parameters of gait between two sides in the control group showed no significant differences (all P > 0.05). In the trail group, the step length and foot angle deviation of the right side were significantly higher than those of the left side (P < 0.01, P < 0.05). The standing phase and single support time of the right side were significantly longer than those of the left side (all P < 0.01). (3) The vertical ground reaction force symmetry index of initial double-support, single-support, and final double-support in the trial group were all significantly higher than that in the control group (P < 0.05, P < 0.01, P < 0.05). (4) In summary, the youth with chronic non-specific low back pain are more likely to have asymmetrical gait than healthy youth. Youth with chronic non-specific low back pain are preferred to support by dominant limbs. In gait re-education for youth with chronic non-specific low back pain, asymmetrical limb support mode should be adjusted.

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

Key words: Low Back Pain, Gait, Tissue Engineering

中图分类号:

R455

陈晓蓝，王琳，梁孝天，李玉，刘海涛，王博，何辉，刘春雨. 青年慢性非特异性腰痛患者步态：时空和动力学参数特征[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(4): 556-561.

Chen Xiaolan, Wang Lin, Liang Xiaotian, Li Yu1, Liu Haitao, Wang Bo, He Hui, Liu Chunyu. Gait characteristics of youth with chronic non-specific low back pain: spatio-temporal and kinetic parameters[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(4): 556-561.

图/表（结果） 3

2.1 参与者数量分析 按意向性处理，试验纳入青年慢性非特异性腰痛患者35例为慢性非特异性腰痛组，无腰痛的青年人30例为健康对照组，全部进入结果分析，无脱落。

2.2 试验流程图 见图1。

2.3 健康青年人和青年慢性非特异性腰痛患者步态时空参数比较

2.3.1 健康青年人和青年慢性非特异性腰痛患者时空参数比较见表2。

由表2可知，慢性非特异性腰痛组步长对称指数明显比健康对照组大(P < 0.01)，左步长显著小于健康对照组(P < 0.05)，右步长显著大于健康对照组(P < 0.01)；慢性非特异性腰痛组左侧足偏角小于健康对照组，足偏角对称指数与健康对照组差异无显著性意义；2组间步长、步宽差异均无显著性意义(均为P > 0.05)；慢性非特异性腰痛组站立相对称指数、单支撑时间对称指数均显著大于健康对照组 (P均 < 0.01)，左侧站立相时间和左侧单支撑时间明显比健康对照组短(P均 < 0.01)，2组步态周期、右侧支撑相时间、左、右侧双支撑相时间、双支撑时间对称指数、右侧单支撑时间差异均无显著性意义(P均 > 0.05)。

由图3可知，慢性非特异性腰痛患者右侧步长明显大于左侧(P < 0.01)，右侧足偏角明显大于左侧(P < 0.05)；右侧站立相时间显著长于左侧，其中左侧双支撑时间长于右侧，而右侧单支撑时间明显长于左侧(P均 < 0.01)。

2.4 健康青年人与青年慢性非特异性腰痛患者步态动力学参数比较 见表3。

由表3可知，慢性非特异性腰痛组初始双支撑相垂直地面反作用力对称指数、单支撑相垂直地面反作用力对称指数、终末双支撑相垂直地面反作用力对称指数均显著大于健康对照组(P < 0.05，< 0.01，< 0.05)。

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引言

慢性非特异性腰痛被认为是持续3个月以上的症状，但是临床上找不到确切的组织病理结构改变，不能通过客观检查明确病因的腰痛的总称^[1]。60%-80%的成人一生中会经历腰痛，其中约90%为非特异性腰痛^[2]，急性非特异性腰痛恢复较快，但复发率高，部分患者会发展为慢性腰痛^[3]。由于临床无法通过客观检查来确定慢性非特异性腰痛的病因，这给慢性非特异性腰痛的康复治疗带来挑战。随着生活方式的变化，慢性非特异性腰痛的发生呈现年轻化的趋势，这严重影响了人们的工作生活，给社会带来直接或间接的负担。

步态可以反映骨骼肌肉系统、神经系统等的功能状况。步态分析已经被用于一些脊柱疾病的诊断、治疗和康复^[4]。近年来的研究表明，腰痛会影响患者步态^[5]，增加步态训练的活动量是处理慢性腰痛的一个有效处理方式^[6-7]，临床也建议将腰痛患者步态再教育作为其康复的一部分^[8-9]。已有的研究从时空参数、运动学参数、动力学参数和肌电图等方面对慢性非特异性腰痛患者的步态进行了较为系统的研究，发现慢性非特异性腰痛患者在步行过程中出现髋关节和膝关节活动度下降，躯干和下肢肌肉异常激活，腰椎出现代偿性运动等^[5^，^10-13]。已有的研究主要针对20-60岁的人群，未对年龄段做明确的划分，而不同年龄段的人其步态有各自的特征^[14-16]。已有研究关注老年慢性非特异性腰痛患者的步态特征^[17]，但对青年慢性非特异性腰痛患者步态模式关注较少，研究青年慢性非特异性腰痛患者步态特征有助于设计更有针对性的步态再教育内容。

文章试图通过比较青年慢性非特异性腰痛患者与健康青年人步态的时空和动力学参数，探索青年慢性非特异性腰痛患者的步态特征。

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材料方法

1.1 设计 病例-对照试验。

1.2 时间及地点 于2014年12月至2015年5月在北京体育大学运动与体质健康教育部重点实验室完成。

1.3 对象 此次研究有65例青年志愿者参与，其中青年慢性非特异性腰痛患者35例为慢性非特异性腰痛组，无腰痛的青年人30例为健康对照组，所有试验参与者均以右侧为优势侧^[18]。试验参与者基本信息见表1，2组间年龄、身高、体质量差异无显著性意义。

慢性非特异性腰痛志愿者纳入标准：①年龄20-29岁；②有6个月以上慢性腰痛病史；③过去3个月里至少复发过一次腰痛，或一直间断性地出现腰痛；④无腰痛家族史；⑤经医生诊断，没有明确的特异性下腰痛，如滑脱、椎间盘突出、炎症性疾病等；⑥了解试验过程，自愿参与试验并签署知情同意书。

无腰痛青年人纳入标准：①年龄20-29岁；②无腰痛史；③无运动系统疾病；④了解试验过程，自愿参与试验并签署知情同意书。

排除标准：①有特异性诊断的下腰痛：例如滑脱、椎间盘突出、炎症性疾病；②有严重的心脑血管疾病等；③涉及腰椎手术；④在过去的2年内有过任何下肢手术；⑤目前有任何影响步态的损伤；⑥测试前24 h内参加过剧烈运动。

1.4 测试仪器 意大利公司BIOMECH公司生产的LORAN足底压力2 m平板及配套步态测试、分析系统，传感器密度4个/cm²，采样频率250 Hz，压力范围1-500 kPa。将足底压力板放在平地上，测试区域前后各铺上2 m长与压力板的高度相同的地胶延长步道。

1.5 测试方法

1.5.1 测试前准备调试仪器，输入试验参与者基本信息。跟试验参与者说明测试要求和流程；为了尽可能消除环境、服装及心理等因素可能带来的对行走特征的影响，试验参与者脱鞋脱袜，在场地上试行走3次。

1.5.2 正式测试测常速走时的步态。一切调试、准备完毕后，让受试者沿步道常速不负重行走，受试者走6次，每人捕捉其中3次行走步态，每次取中间1个步态周期。如果所测得的步态间步速差别较大，则受试者休息5 min后重新测试。

1.6 主要观察指标

1.6.1 步态时空参数步长、步宽、足偏角、步速、步态周期、站立相、双支撑时间、单支撑时间。

1.6.2 动力学参数垂直地面反作用力。

1.6.3 对称指数对称指数=[(D-ND)/((D+ND)/2)]× 100%^[10^，^17](D为优势侧步态参数，ND为非优势侧步态参数)，对称指数越接近0表示步态越对称。

1.7 统计学分析 通过仪器配套分析软件进行数据整理，获得以上各指标原始数据；取3次步态的平均值进行统计分析。所有数据用x(_)±s表示。组内左右侧参数比较用配对t 检验。健康对照组与慢性非特异性腰痛组间比较用独立样本t 检验。P < 0.05表示差异有显著性意义。

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讨论

3.1 健康青年人与青年慢性非特异性腰痛患者时空参数分析 一个步态周期由支撑相和摆动相组成，其中支撑相包括最初的双支撑相、单支撑相、结束时的双支撑相。步长为行走时一侧足跟落地到对侧足跟落地所行进的距离。步速、腿长、肌力、髋关节活动度等因素都会影响步长。足偏角是指平地行走或跑步时足中心线与前进方向中线所构成的角度。运动系统疾病，如膝关节炎等均可影响足偏角。一定范围内，足偏角越大，越可有效避免损伤^[15]。

步态的对称被认为是一种理想的状态，临床上常用与正常值对比的方式来进行步态分析。步态不对称对于早期发现、治疗策略的发展以及疼痛适应的基本机制具有重要意义。此次研究结果显示，健康青年人常速走时两侧下肢各时空参数差异均无显著性意义，这说明健康青年人常速走时左右侧的时空参数分布规律一致。这与黄萍等^[14]的研究结果一致，他们用VICON三维运动捕捉系统对100个健康青年人的步态进行分析，结果显示其左右侧时空参数差异无显著性意义，超出该范围或者左右侧分布规律不一致则说明步态对称性差。与健康青年人相比，青年慢性非特异性腰痛患者步长对称指数明显比健康青年人大(P < 0.01)，这说明青年慢性非特异性腰痛患者步长对称性比健康青年人差；其中左侧步长小于健康青年人(P < 0.05)，右侧步长显著长于健康青年人(P < 0.01)，且患者右侧步长显著大于左侧步长(P < 0.01)，这说明患者步长不对称是由于优势侧步长增加，非优势侧步长减小导致的。腰痛患者为了避免疼痛，避免非优势侧髋和脊椎关节的过度活动^[19]，减小了非优势侧的步长，并通过增加优势侧的步长来代偿。站立相对称指数和单支撑时间对称指数均显著大于健康对照组(P < 0.01)，其中左侧站立相和左侧单支撑时间明显比健康对照组短(P < 0.01)，这说明青年慢性非特异性腰痛患者站立相，单支撑时间相较于健康青年人更不对称，且慢性非特异性腰痛患者更倾向于用优势侧进行支撑。慢性非特异性腰痛患者表现出的双侧肢体支撑时间不对称的步态模式是患者的一种保护策略，Lee等^[20]认为腰痛患者为了避免疼痛的发生，使作用于身体的力和时间最小化，缩短了非优势侧的支撑时间。

慢性非特异性腰痛组组内空间参数比较结果显示，青年慢性非特异性腰痛患者常速走时右侧步长和足偏角均显著大于左侧。腿长、髋关节活动度、肌肉激活状态的差异以及优势侧的存在都会导致两侧步长的差异。O'Leary等^[21]的综述表明，足部偏离会导致步态和腿长的改变，青年慢性非特异性腰痛患者表现出的两侧足偏角的差异会导致两侧腿长的差异，腿长的差异会引起两侧步长的差异。Zafereo等^[22]的研究发现，大部分腰痛患者的髋关节矢状面单向活动度下降。还有研究报道，腰痛患者步行中躯干和下肢肌肉的异常激活会影响步态^[23-24]。腰痛患者表现出的髋关节活动度的差异、足偏角的不对称、肌肉激活的异常激活以及优势侧的存在，都会导致步长的差异。此次研究结果显示青年慢性非特异性腰痛患者两侧足偏角存在明显差异，足部的偏离被认为是慢性腰背痛的潜在原因^[21]。然而，足部偏差与腰痛之间的因果关系尚未得到验证。

慢性非特异性腰痛组组内时间参数比较结果显示，右侧肢体站立相和单支撑时间都显著长于左侧，而左侧双支撑时间长于右侧。这说明在行进的过程中，慢性非特异性腰痛患者更多的使用优势侧提供支撑。健康人在正常行走过程中，也倾向于优先使用优势侧肢体来提供支撑^[18]，但是健康青年人两侧下肢支撑时间差异无显著性意义(P > 0.05)。腰痛患者为了避免疼痛，使作用于身体的力和时间最小化^[20]，缩短了非优势侧着地时间和单支撑时间，延长了非优势侧双支撑时间。Sung等^[17]对37个老年慢性非特异性腰痛患者的步态对称性研究发现，老年慢性非特异性腰痛患者也倾向于用优势侧提供支撑，且非优势侧的双支撑时间长于优势侧，但是两侧单支撑时间差异无显著性意义。由此可见，慢性非特异性腰痛患者更倾向于使用优势侧支撑，且非优势侧的双支撑时间延长，而单支撑时间因年龄不同有差别，年轻患者可能表现出更明显的单支撑时间的不对称。

3.2 健康青年人与青年慢性非特异性腰痛患者动力学参数分析 动力学参数指步行过程中足底与地面作用力参数，常用指标有地面反作用力、足底平均压强和最大压强等^[25]。尽管腰痛是一个多因素的问题，但是一些研究者认为力学因素是最主要的因素^[26]。为了确定导致损伤的力学因素并纠正它们，研究者们研究了这些患者的一些机械特征，例如运动学、动力学等参数^[27-30]。在之前的研究报道中，腰椎的代偿性运动、腰椎和下肢的不对称运动，以及力量和耐力的下降是与腰痛相关的力学因素^[19^，^31-32]。因此，检查诸如步态等功能活动时下肢负重模式是腰痛研究的重点。然而，尚未充分研究慢性非特异性腰痛患者在初始双支撑相，单支撑相和终末双支撑相通过质量分布特征反映对对侧肢体站立相的影响。

结果显示，健康青年人在初始双支撑、单支撑和终末双支撑的垂直地面反作用力对称指数分别为(2.38± 2.49)%，(2.95±2.40)%，(2.41±3.88)%，说明健康青年人步行过程中下肢负荷也并非完全对称。健康人在双支撑相时，优势侧承受更多负荷，这被认为是功能性不对称^[10-11]。青年慢性非特异性腰痛患者在左侧双支撑相、单支撑相和右侧双支撑相双侧垂直地面反作用力对称指数分别为(4.24±4.54)%，(6.89±4.19)%，(5.97±6.81)%，均显著大于健康青年人。这提示常速走时慢性非特异性腰痛患者双侧下肢负荷比健康人更加不对称，且这种不对称超出了功能性不对称的范围。在步态表现中，诸如肢体优势、力量不平衡或肌肉激活模式等若干因素都会影响步态的对称性^[33-35]。慢性非特异性腰痛患者不仅维持腰部稳定的腹横肌激活延迟、双侧多裂肌肌力不平衡，步行时伸髋肌群的发力顺序异常^[36]，运动过程中腰椎和下肢出现代偿性运动^[13]，腰痛患者动作控制能力的下降都会导致负荷模式的不对称^[37-38]。Sadeghisani等^[12]认为腰痛患者为了避免腰部过度用力出现疲劳或疼痛，过多依赖优势侧发力，从而导致患者步行时下肢负荷明显不对称。

而Zahraee等^[10]的研究表明：在常速走时，慢性非特异性腰痛患者两侧下肢负荷的对称性与健康人差异无显著性意义。但是这个试验未考虑到受试者优势侧的因素。该研究中应用的对称指数公式为：SI=(XL-XR)/(XL+XR)/2× 100%(XL为左侧步态参数，XR为右侧步态参数)。但是，如果受试者优势侧不同，则会出现一些对称指数为负，一些为正，那么平均数会更接近0，结果会比实际更对称。此次研究用的是Sung等^[17]改良后的对称指数公式，将优势侧纳入考虑范围，避免了这种情况。并且其试验参与者为中年人，而此次研究中的试验参与者为青年人，年龄的不同也会导致步态差异。

3.3 结论 青年慢性非特异性腰痛患者常速走步态比健康青年人更不对称。青年慢性非特异性腰痛患者两侧的步长、站立相、单支撑时间和垂直地面反作用力均表现出更大的不对称，青年慢性非特异性腰痛患者更多的依赖优势侧肢体提供支撑。

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

青年慢性非特异性腰痛患者步态：时空和动力学参数特征

Gait characteristics of youth with chronic non-specific low back pain: spatio-temporal and kinetic parameters

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