跨领域美国夸特马相似运动模式对跛行评估的启示

《Equine Veterinary Journal》：Similar locomotor patterns across Quarter Horse disciplines inform lameness assessment

　　

基于谱系的选择是夸特马（Quarter Horse）产业的核心，其依据通常是基于形态决定运动功能的假设。然而，在标准化条件下，将静态体躯结构与特定项目运动行为相联系的客观证据仍然有限。
研究旨在探究夸特马不同项目间的形态学差异是否与独特的运动模式相关，抑或尽管存在形态变异，运动功能在项目间呈现趋同。
本研究采用横断面设计。研究人员对绕桶赛（Barrel Racing）、瑞宁赛（Reining）和牧场工作赛（Ranch Sorting）三个项目的马匹进行了详细的形态测量学评估，并在标准化直线条件下采用基于惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）的步态分析技术对马匹的行走（walk）和快步（trot）进行了测定。研究运用多元统计方法（主成分分析、Uniform Manifold Approximation and Projection [UMAP]、k均值聚类和混合高斯模型）评估形态学与生物力学输出之间的关系，包括步时相参数、肢体摆动幅度和轴向运动学变量。
研究结果显示，不同项目间存在形态测量学差异，主成分分析（PCA）识别出三个主成分解释了90.6%的变异。然而，生物力学变量在各组间存在重叠，没有模型能够一致地识别出项目特异性的运动模式。生物力学PCA空间内的组内变异大于组间质心距离，支持了功能性趋同的结论（牧场工作赛：12.48 vs. 5.64；绕桶赛：10.41 vs. 4.77；瑞宁赛：7.71 vs. 2.28）。轴向活动范围（ROM）和垂直加速度变量在各组间同样相似。
研究结论表明，在标准化行走和快步条件下，尽管存在可测量的形态学差异，不同项目的夸特马表现出 broadly 相似的运动模式。静态形态学 alone 并不能唯一预测运动功能，神经肌肉控制和训练暴露可能在塑造运动模式中发挥核心作用。客观生物力学评估为评价马匹运动功能提供了补充框架，应与传统的基于谱系的选择相结合。在临床步态评估中，项目特异性的生物力学预期不应替代正常运动模式，个体基线评估对于解释夸特马的客观运动数据至关重要，特别是为了区分跛行与生理性的不对称来源。

美国夸特马是全球最具影响力的马品种之一，其产业核心在于基于谱系的选择，即假设不同项目需要特定的血统，而体躯结构自然决定功能表现。然而，这一观念缺乏将静态结构与标准化条件下运动行为直接关联的实证证据。尽管已有形态测量学研究识别出不同品系夸特马在体躯比例上的差异，基因组学也支持这些表型区分，但这些发现仅确认了谱系特异性倾向，并未证明结构限制运动功能。目前，静态体躯特征与步态变量之间的关联往往不一致，仅能解释运动变异性中的一小部分。近年来，惯性传感器技术的进步表明，步态模式具有高度可塑性，受训练历史、神经肌肉状态、环境背景和任务需求等因素影响，而非仅由形态决定。神经行为学证据也显示，肢体不对称和运动偏侧可能反映的是侧向化运动策略而非结构限制或病理改变。尽管形态测量学和基于传感器的运动分析均取得进展，但将两者整合直接检验静态结构是否转化为项目特异性运动功能的研究仍然稀缺。在此研究背景下，研究人员开展了这项发表于《Equine Veterinary Journal》的研究，旨在评估绕桶赛、瑞宁赛和牧场工作赛三个项目夸特马的形态学差异是否与一致的生物力学差异相关。

研究人员从巴西夸特马协会（ABQM）注册的马匹中招募了90匹成年纯血夸特马（每项目30匹），年龄4-8岁，雌雄均有，均接受过至少1年的连续训练并定期参加官方赛事。纳入前由两名经验丰富的马兽医进行全面的骨科和肌肉骨骼检查，排除临床跛行或近期损伤。所有马匹在数据收集前1周装蹄，并在24小时休息期后接受评估。运动试验在50米直线沙场地进行，马匹以行走（5-6 km/h）和快步（8-9 km/h）各完成两次通过。研究人员使用ProMove-mini惯性传感器（Inertia Technology B.V.）放置于枕部、鬐甲、荐骨（荐结节之间）以及掌骨和跖骨背侧区域，以200 Hz采样三轴加速度和陀螺仪信号。信号处理采用零滞后4阶Butterworth滤波器、Madgwick传感器融合算法进行方向估计，并通过Python进行完全可复现的流程化处理。步态分割基于垂直加速度和俯仰角速度特征独立进行。形态测量学评估包括线性测量（用软尺测量鬐甲高、体长等15项指标）、角度测量（采用标准化摄影测量学协议测量肩胛肱角等8项角度）以及杠杆和力臂描述符（基于线性测量推导的肢体几何学和扭矩产生潜力指标）。统计分析在R（4.3.2版）和Python（3.11.6版）中进行，采用主成分分析（PCA）、UMAP、k均值聚类、混合高斯模型、弹性网络正则化、典型相关分析和偏最小二乘回归（PLSR）等多种多元统计方法，并通过结构方程模型（SEM）和10,000次Bootstrap重采样评估功能性趋同。

**轴向运动学变量** 研究结果显示，三个项目的马匹在行走和快步时的轴向运动学变量存在大量重叠。尽管部分变量检测到统计学显著的项目间差异，但这些差异在不同部位或步态间不一致，未能形成独特的项目特异性轴向运动模式。部分轴向俯仰变量和荐部垂直加速度范围在项目间存在显著差异，但这些仅反映幅度调制而非根本上不同的协调策略。

**形态描述符与步态变量的关联** 线性回归分析发现，选定的杠杆衍生形态变量与支撑相步态参数存在一致关联。后肢近端杠杆长度（L_prox_HIND）与 duty factor（占空比，即支撑期占整个步态周期的比例）和支撑持续时间呈正相关，而步态和交互项不显著，表明跨步态的关联相似。前肢远端化指数与肢体前伸呈负相关。然而，在所有模型中，形态变量仅能解释步态结果变异的一小部分（R² ≈ 0.15-0.22）。

**形态结构和维度** 基于九项杠杆衍生形态变量的主成分分析识别出三个主成分，解释了90.6%的总变异。第一主成分反映整体杠杆长度和远端化，第二主成分反映近端肢体贡献，第三主成分代表额外的后肢远端化。项目间的差异在这些主成分分布中明显，确认了组间的结构异质性。

**跨项目的功能性趋同** 尽管存在可测量的形态学差异，生物力学主成分分析揭示了跨项目的实质性重叠。所有三个项目内变异均超过了项目间质心距离（牧场工作赛内变异12.48 vs. 质心距5.64；绕桶赛10.41 vs. 4.77；瑞宁赛7.71 vs. 2.28），表明个体马匹在同一项目内的差异大于不同项目间的平均分离度，支持了在标准化运动条件下跨项目的功能性趋同。

在讨论部分，研究人员指出该研究为质疑谱系或体躯结构决定项目特异性运动表现的假设提供了客观生物力学证据。研究的关键优势在于将详细的形态测量分析与高分辨率IMU生物力学测量相结合。传统形态-功能模型关注肢体比例、体段几何和体躯结构作为影响运动表现的主要因素，但本研究表明这些结构倾向 alone 并不导致直线运动中步态模式或轴向控制的差异。与协调相关的变量，如步幅持续时间、支撑时间、占空比和体段间时相关系，对状态和训练敏感，在各项目内的变异性超过了项目间差异，表明个体运动解决方案在塑造运动输出中发挥比项目本身 affiliation 更重要的作用。虽然部分轴向俯仰范围变量在项目间显示出显著差异，但这些主要是幅度变化而非根本不同的协调策略，且仍在多元生物力学分布中重叠，未形成独特的项目特异性运动聚类。

这与近期基于传感器的研究一致，显示任务依赖性的神经肌肉适应独立于结构。从临床角度看，项目内变异的主导地位意味着应用基于谱系或项目的预期存在显著的功能性误分类风险。适应性个体运动策略可能被误解为低效或功能障碍，而临床相关的偏差可能因其落在给定项目的广泛变异性范围内而被忽视。因此，客观的生物力学评估对于区分正常神经肌肉变异与临床有意义的改变至关重要。基于阈值的不对称性指标需要谨慎解释，因为项目内变异超过了项目间差异，项目特异性标准不能假设定义正常生物力学基线。

研究结论指出，在标准化直线运动条件下，体躯结构 alone 并未在不同项目间产生独特的生物力学特征。尽管项目相关品系表现出可识别的形态学倾向，但这些结构模式在标准化条件下并未转化为独特或限制性的生物力学特征。相反，运动行为主要由训练历史、神经肌肉可塑性和情境依赖性功能适应塑造。静态形态学为运动提供了解剖学基础，但正是这一基础的动态调节（而非遗传谱系）决定了跨项目的功能表达。这些结果强调了客观的基于传感器的运动评估优于基于谱系的假设，在临床评估、训练策略和选择决策中具有重要价值。在临床上，这些结果支持在个体化功能框架内解释运动不对称性和轴向运动变异性，而非基于项目的预期。