脊髓损伤手动轮椅使用者推进策略与生物力学的无监督聚类分型及个人-临床决定因素

《Spinal Cord》：Unsupervised clustering reveals multiple personal and clinical determinants of wheelchair propulsion strategies in SCI

　　

研究设计：横断面观察性研究。目的：针对脊髓损伤（SCI，spinal cord injury）手动轮椅使用者之间存在显著异质性，本研究旨在基于人口学-临床特征和推进模式识别不同亚组，并检验这些亚组是否表现出不同的生物力学推进特征。地点：德国拜罗伊特医院（Klinikum Bayreuth GmbH）骨科。方法：纳入90名SCI手动轮椅使用者。使用基于三维标记的运动捕捉系统记录轮椅推进。采用无监督两步聚类分析，输入人口学和临床变量以及推进模式。为检验聚类间差异，连续变量采用方差分析（ANOVA，analysis of variance），分类变量采用Fisher精确检验（Fisher’s exact test）。结果：识别出三个不同聚类。聚类1为年龄较大、娱乐性活跃、伤后时间较短的参与者，最常表现为弧形（AR，arc）模式。聚类2为较年轻、高度活跃、伤后时间最长的参与者，最常表现为轮辋下（under-rim）模式，并具有显著更高的速度和更大的推动角（push angle）。聚类3为娱乐性活跃、伤后时间居中的参与者，主要表现弧形和单环（SL，single loop）模式，推进特征与聚类1相似。结论：无监督聚类揭示SCI手动轮椅使用者存在推进策略和生物力学不同的亚组。更高速度和更大推动角仅在聚类2中观察到，包括完全性C4–C8运动损伤个体。这些发现表明，临床指南推荐的推进特征并非仅由神经损伤分类决定，还可能受伤后时间和体力活动水平影响。

论文主体解读：
研究背景与问题：轮椅移动对SCI患者的生活质量和健康至关重要，而轮椅推进方式可显著影响长期肌肉骨骼健康。由于轮椅推进高度重复，上肢承受较大负荷，优化推进生物力学成为康复和临床实践的重要关注点。轮椅推进可分为推动（接触）相和恢复相；根据手部运动轨迹可分为弧形（AR，arc）、单环（SL，single loop）、双环（DL，double loop）和半圆（SC，semicircle）四类模式，并可归为轮辋上（over-rim，AR和SL）与轮辋下（under-rim，SC和DL）推进模式。尽管生物力学证据增加，SCI人群仍存在固有异质性：个体不仅在神经损伤水平和国际脊髓损伤神经学分类标准（ISNCSCI，International Standards for Neurological Classification of Spinal Cord Injury）分类或美国脊髓损伤协会损伤分级（AIS，ASIA Impairment Scale）上不同，也在年龄、体成分、轮椅使用时长和体力活动水平上不同。单一损伤水平分层可能掩盖生物力学变异来源，临床定义类别不一定对应生物力学意义亚组。Kim et al.曾对28名SCI轮椅使用者的关节角度时间序列进行无监督聚类，识别出三个运动学差异组，主要差异在体力活动水平和伤后时间而非损伤水平；但人口学和临床特征仅作为聚类后描述变量，且样本量小限制推广。本研究反转分类逻辑，将年龄、体重指数（BMI，body mass index）、臂长、轮椅使用时长、体力活动水平和损伤水平等个人与临床特征，连同观察到的推进模式直接作为无监督聚类输入变量，假设亚组不仅在损伤相关参数上不同，也在个人因素上不同，并反映于推进生物力学。
研究人员开展研究及结论意义：研究人员纳入90名SCI手动轮椅使用者，通过无监督聚类识别出三个推进策略和生物力学不同的亚组，并发现亚组在年龄、BMI、伤后时间、瘫痪位置和程度及体力活动上存在差异。更高速度和更大推动角仅在聚类2中观察到，该组包括完全性C4–C8运动损伤个体。研究提示，临床指南推荐的推进特征并非仅由神经损伤分类决定，还可能受伤后时间和体力活动水平影响，为超越单纯损伤水平分层的个体化康复评估提供了依据。
主要关键技术方法：本研究为横断面观察性研究，样本来自2023年3月至2026年2月德国Klinikum Bayreuth GmbH骨科招募的SCI手动轮椅使用者队列；初评91例，排除1例AIS数据不完整者，最终纳入90例。纳入标准为诊断为截瘫或四肢瘫、年龄≥18岁、日常依赖手动轮椅、可独立推行至少100 m；排除疼痛和明显不对称推进者。采用ISNCSCI确定神经损伤水平和瘫痪程度，体力活动按自报分为不活跃、娱乐性活跃和运动活跃。在步态与运动实验室测试台上，以参与者偏好速度推行20 s，待达到稳态后，用10台红外相机（200 Hz）的Vicon三维标记系统记录，标记包括右第二掌指关节及右轮轴和辐条。数据以Python处理，采用6 Hz双向二阶低通Butterworth滤波，依据轮角加速度符号变化识别推动和恢复相；以恢复相手上方距离（d_above）和下方距离（d_below）的7.5 cm阈值分类推进模式。采用SPSS 31进行无监督两步聚类，以贝叶斯信息准则（BIC，Bayesian Information Criterion）确定聚类数，连续变量用ANOVA、分类变量用Fisher精确检验比较组间差异。
研究结果：
1. 聚类的人口学与临床特征：基于两步聚类及组间比较，研究识别出三个聚类，并在年龄、BMI、伤后时间、瘫痪位置和程度及体力活动上发现显著差异。聚类2参与者较聚类1平均年轻12岁，轮椅依赖时间显著更长（平均20年），BMI更低且体力活动更高；聚类1的31人中30人为不完全运动瘫痪，而聚类2的31人中23人为完全运动瘫痪。聚类3较聚类1轮椅依赖时间显著更长且更活跃；完全运动瘫痪在聚类3为28/28，在聚类1为1/31。聚类2与聚类3在瘫痪位置和程度及活动水平上不同。
2. 推进模式分布：基于手-轮辋距离分类，聚类1中24人表现AR、6人表现SL、仅1人表现轮辋下模式；聚类2中5人表现AR、6人表现SL、20人表现轮辋下模式；聚类3中17人表现AR、11人表现SL。模式分布在聚类1与聚类2之间、聚类2与聚类3之间差异显著。
3. 推进特征差异：基于推进特征组间比较，速度和推动角存在显著差异，且同样仅在聚类1与聚类2之间、聚类2与聚类3之间显著；聚类1与聚类3之间推进特征无显著差异。
讨论与结论总结：作者讨论指出，三个聚类基于年龄、BMI、臂长、轮椅使用时长、体力活动水平和损伤水平及推进模式形成，聚类规模较均衡，最小聚类28人，符合每聚类约20–30观察值的模拟建议。组间差异表现为年龄强效应、BMI弱效应、伤后时间弱效应、瘫痪位置中等效应、瘫痪程度强效应和体力活动强效应。既往按截瘫与四肢瘫等损伤水平比较可能忽略SCI轮椅使用者异质性。聚类1和聚类3多表现轮辋上模式且推进特征无差异，但人口学与临床特征不同：聚类1更年长、伤后时间最短、由不活跃和娱乐性活跃者混合组成，主要为不同严重程度的不完全运动瘫痪；聚类3年龄居中、为娱乐性活跃者、伤后时间更长且全部为完全运动截瘫。聚类2最年轻、最活跃、伤后时间最长，尽管包含最多四肢瘫个体，却最常表现轮辋下模式，并较其他聚类速度和推动角显著更高。作者指出，较大推动角提示SC和DL模式；轮辋下模式与较低关节加速度、较低频率、较低峰值力和更好的推动-恢复分离相关，临床指南推荐轮辋下模式，模拟研究提示SC模式可能降低肩袖撕裂等继发损伤风险。聚类2中四肢瘫者亦出现轮辋下模式，包括2例完全C4–C8运动损伤和7例不完全C4–C8运动损伤，提示体力活动水平和伤后时间可能在损伤水平及ISNCSCI分类之外或之外共同塑造推进策略。初学者多使用轮辋上模式，聚类1伤后时间最短符合此点；聚类3虽伤后时间较聚类1长却未采用轮辋下模式，作者提出可能解释包括SC模式不够直观，或聚类3执行SC模式效率不足或缺乏获益的身体前提，健康初学者研究亦报道AR模式在早期可能更有效。局限包括样本以男性为主、仅固定测试台、距离阈值尚未独立验证、推动和恢复相基于轮角加速度符号变化且未在滚轮系统验证、痉挛疼痛坐姿和日常轮椅使用模式未纳入聚类；聚类依赖所选变量，应视为进一步刻画SCI轮椅使用者推进行为的初步步骤而非确定性分类。
研究结论翻译：无监督聚类揭示SCI手动轮椅使用者存在推进策略和生物力学不同的亚组。更高速度和更大推动角仅在聚类2中观察到，该组包括完全性C4–C8运动损伤个体。这些发现表明，临床指南推荐的推进特征并非仅由神经损伤分类决定，还可能受伤后时间和体力活动水平影响。