痉挛性脑瘫双瘫儿童步行动态平衡稳定性的运动学与动力学分析

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Kinematic and dynamic analysis of walking dynamic balance stability in children with spastic cerebral palsy diplegia

儿童痉挛性脑瘫与正常儿童步行生物力学特征对比研究，采用Vicon 3D运动捕捉系统和AMTI测力板，分析时空参数、动态平衡及关节运动学差异。结果显示痉挛组步行速度、步幅及单腿支撑时间显著低于对照组，但步频和双支撑时间更高，峰值COM和COP位移在冠状面增大，矢状面减小，多平面关节活动度存在显著差异。

　　### 脊髓性肌萎缩症儿童与正常儿童步行生物力学特征的比较研究

步行是人类最基本的生活能力之一，也是评估儿童运动功能和平衡能力的重要指标。对于患有痉挛性脑性瘫痪（Spastic Cerebral Palsy, SCP）的儿童而言，步行不仅受到肌肉张力异常和原始反射持续存在的影响，还可能伴随关节活动受限、步态不对称以及动态平衡能力下降等问题。这些问题可能导致步态不稳、跌倒风险增加，甚至影响其日常活动的独立性。因此，深入研究SCP儿童与正常儿童在步行过程中的生物力学特征，有助于制定更有效的康复干预方案，提升其行走能力并降低跌倒风险。

本研究旨在通过系统性分析SCP儿童与正常儿童在步行过程中的生物力学表现，揭示其步态特征和动态平衡能力的差异。研究采用先进的三维运动捕捉技术与力平台系统，结合统计分析方法，对步态的时间空间参数、动态平衡指标以及关节角度变化进行量化评估，从而为个性化康复训练提供科学依据。

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### 研究方法与技术手段

为了确保研究的准确性与可比性，本研究纳入了28名患有SCP的儿童作为实验组，以及28名年龄相仿的正常儿童作为对照组。所有参与者均穿着紧身衣物，以确保反射标记物的清晰可见性，避免因衣物遮挡影响数据采集。研究使用了Vicon 3D运动捕捉系统和AMTI力平台，分别用于记录三维运动轨迹和地面反作用力数据。这些设备能够提供高精度的运动学和动力学信息，从而全面反映儿童在步行过程中的身体动态变化。

在数据采集过程中，研究人员首先对所有参与者的身体结构进行了标准化标记。标记点覆盖了从头部到脚部的多个关键部位，包括头侧、颈椎、肩胛骨、上肢、躯干、下肢关节等。通过这种方式，研究人员能够精确追踪各个关节的运动轨迹，并分析其在不同步态阶段的变化。此外，为了提高数据的可靠性，研究团队采用了一种零延迟双向滤波方法，对运动学和动力学数据进行处理，确保结果的真实性和准确性。

在实验过程中，所有参与者被要求以自然步态在10米的步道上行走，研究人员通过观察和地面反作用力曲线来识别完整的步态周期。为了确保数据的一致性，研究团队采用双盲评估方法，由两位不接触参与者信息的康复治疗师分别对步态数据进行分析，若出现分歧，则由第三位评估者参与讨论以达成一致结论。这种严格的数据筛选和分析流程，为后续的统计分析提供了高质量的基础。

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### 研究结果与发现

研究结果显示，SCP儿童在步行速度、步长、步距以及单足支撑时间等时间空间参数上显著低于正常儿童（P < 0.05）。这表明SCP儿童在行走过程中存在明显的步态延迟和稳定性不足的问题。相比之下，SCP儿童的步频、步时和双足支撑时间则显著增加（P < 0.05），这可能是为了在步态不稳的情况下维持身体平衡而采取的一种补偿策略。

在动态平衡方面，SCP儿童在冠状面上的质心（COM）和压力中心（COP）的最大位移显著高于正常儿童（P < 0.05），而在矢状面上的COM位移则明显低于正常儿童（P = 0.032）。这一结果提示，SCP儿童在横向移动时更容易失去平衡，尤其是在单足支撑阶段，身体重心的摆动幅度更大，从而增加了跌倒的可能性。此外，研究还发现，SCP儿童的下肢关节活动范围在步态的不同阶段存在显著差异（P < 0.05），尤其是在冠状面和矢状面的关节角度变化上。这些变化可能与肌肉张力异常、关节活动受限以及步态模式的不协调有关。

在关节角度变化的分析中，研究人员采用了统计参数映射（SPM）方法，以更全面地评估关节角度的变化趋势。研究发现，SCP儿童在步态的支撑期和摆动期中，其骨盆、髋关节、膝关节和踝关节的角度变化与正常儿童存在显著差异。例如，在支撑期，SCP儿童的髋关节角度变化更为剧烈，尤其是在骨盆倾斜和旋转方面。而在摆动期，SCP儿童的踝关节活动范围受到明显限制，这可能与其行走时缺乏有效的推进力有关。

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### 临床意义与康复策略

动态平衡能力是儿童行走稳定性的关键因素，尤其是在SCP儿童中，由于肌肉张力异常和原始反射的持续存在，其动态平衡能力通常较差。这不仅影响其步态的协调性，还可能导致行走时身体重心的不稳定，从而增加跌倒风险。因此，提升动态平衡能力成为SCP儿童康复训练的重要目标之一。

研究结果表明，SCP儿童在行走过程中表现出明显的步态异常，如步幅短、步频高、单足支撑时间短等。这些异常可能与下肢关节活动受限和推进力不足有关。例如，SCP儿童在支撑期的髋关节活动受限，导致身体重心难以有效向前转移，从而缩短了步幅。同时，由于踝关节的背屈角度较大，SCP儿童在步态的末期（即蹬地阶段）缺乏足够的推进力，进一步影响了行走速度和步态的稳定性。

为了改善这些步态问题，研究人员提出了一系列康复干预策略。其中，机器人辅助步态训练（Robotic-Assisted Gait Training, RAGT）被认为是一种有潜力的干预手段。RAGT可以通过提供外部助力和控制运动轨迹，帮助SCP儿童改善步态模式，增强髋关节的伸展能力，优化踝关节的推进力，并提高整体的动态平衡能力。研究表明，RAGT的干预效果与训练时长密切相关，通常需要至少8周的训练，每周3次，每次持续9至18分钟，才能显著改善SCP儿童的步态参数。

此外，功能性电刺激（FES）和全身振动训练（WBV）也被认为是有效的辅助手段。FES可以通过电刺激肌肉，帮助SCP儿童增强下肢肌肉的力量和协调性，而WBV则通过振动刺激，促进神经系统的反应能力，提高动态平衡控制水平。这些技术的结合使用，能够更全面地改善SCP儿童的行走能力，提高其步态的稳定性和功能性。

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### 未来研究方向与局限性

尽管本研究提供了关于SCP儿童步态特征的重要信息，但仍存在一些局限性。首先，研究样本量相对较小，可能影响结果的统计效力。因此，未来的研究应扩大样本规模，尤其是在不同年龄段的SCP儿童中，以更全面地了解步态发育的规律。其次，本研究主要关注下肢和骨盆的运动学变化，而对头部、颈部、躯干和上肢的动态平衡能力未进行深入分析。这些部位的运动变化同样可能影响整体步态的稳定性，因此未来的研究可以考虑纳入更多身体部位的分析，以获得更全面的步态评估。

另外，本研究未对行走过程中关键肌肉力量的变化进行详细分析。肌肉力量的不平衡可能进一步加剧步态异常，因此未来的研究可以结合肌电图（EMG）分析，评估SCP儿童在行走过程中的肌肉活动模式，并探索肌肉力量与步态参数之间的关系。此外，本研究采用了单侧分析策略，即仅分析左侧下肢的步态数据，以避免双侧数据混合带来的统计偏差。然而，这种策略可能忽略了双侧步态之间的相互作用，因此未来的研究可以考虑纳入双侧数据，并比较不同肢体选择对动态平衡参数的影响。

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### 总结与展望

综上所述，SCP儿童在步行过程中表现出与正常儿童显著不同的生物力学特征，尤其是在动态平衡、步态参数和关节活动范围方面。这些差异可能与肌肉张力异常、关节活动受限以及步态模式的不协调有关。通过使用先进的运动捕捉技术和统计分析方法，研究人员能够更准确地识别这些步态异常，并为康复干预提供科学依据。

未来的研究应进一步探讨这些生物力学特征的形成机制，以及如何通过多种康复手段（如机器人辅助步态训练、功能性电刺激和全身振动训练）来改善SCP儿童的行走能力。同时，扩大样本量、纳入更多身体部位的分析，并结合肌电图等其他技术手段，将有助于更全面地理解SCP儿童的步态特征，为制定个性化的康复方案提供更坚实的理论支持。此外，研究还应关注不同年龄阶段的SCP儿童，以揭示步态发育的规律，并为不同阶段的康复干预提供指导。

本研究的结果不仅为SCP儿童的康复训练提供了新的视角，也为临床医生和康复治疗师提供了重要的参考依据。通过改善动态平衡能力和步态模式，SCP儿童的行走稳定性将得到显著提升，从而降低跌倒风险，提高其日常生活活动能力。未来的研究可以进一步探索RAGT的最佳参数设置，以最大化其对SCP儿童的康复效果。同时，结合多学科的研究方法，如神经科学、运动学和生物力学，将有助于更深入地理解SCP儿童的步态特征，并推动更有效的康复技术的发展。