正常孕妇步行时骨盆与胸廓水平面的旋转运动
【摘要】 目的 研究妊娠对步行时骨盆和胸廓水平面上旋转运动的影响。 方法 研究孕妇和未孕妇女在步行机上不同速度行走时的步态运动。比较孕妇组(n=12)和对照组(n=13)的最舒适步行速度、骨盆和胸廓在水平方向上旋转运动的幅度及两者间运动协调性的差异。 结果 孕妇的最舒适步行速度呈显著性下降(P<0.05),骨盆和胸廓在水平面的旋转运动幅度略有减少(P>0.05),但其各自的个体内标准差呈显著性减少(P<0.05)。孕妇在水平面上骨盆和胸廓的旋转运动的傅立叶相差略变小(P>0.05),但傅立叶相差的个体内标准差与怀孕周数呈显著性负性相关,并且在速度≥1.06 m/s时显著性减少(P<0.05)。 结论 孕妇的步态运动与未孕妇女相似,前者完成快速行走时骨盆和胸廓的反相协调运动难度加大。
【关键词】 孕妇; 步行; 步态; 胸部; 骨盆; 生物力学
ABSTRACT: Objective To investigate the effects of pregnancy on the coordination of transverse pelvic and thoracic rotations during gait. Methods Gait of healthy pregnant women and nulligravidae was studied during treadmill walking at predetermined velocities. Comfortable walking velocity, amplitudes of pelvic and thoracic rotations, and their coordination were compared between the two groups. Results Comfortable walking velocity was significantly reduced. The rotational amplitudes of pelvis and thorax were somewhat reduced, with significantly smaller intra?individual standard deviations. Also pelvis?thorax Relative Fourier Phase was a little smaller; its intra?individual standard deviation was significantly reduced at velocities ≥ 1.06 m/s. Conclusion The general pattern of gait kinematics in pregnant women is very similar to that of nulligravidae. Pregnant women experienced difficulties in realizing the harder anti?phase pelvis?thorax coordination that was required at higher walking velocities.
KEY WORDS: pregnant women; walking; gait; pelvis; thorax; biomechanics
长期以来,人们一直认为妊娠影响孕妇的步态运动。Foti等研究发现,孕妇步行时跖屈的动量减少,髋关节外展的动量及骨盆的倾斜度均增加,骨盆的倾斜度的改变存在较大的个体差异[1]。Nagy等报道孕妇最舒适的步行速度显著性降低,亦存在较大的个体差异[2]。但Foti等认为这种变化并无统计学意义,并发现怀孕对步长或步周期长无显著性影响[1]。上述研究显示,孕妇的步态发生改变,但研究结果并不一致。大约25%患有妊娠相关骨盆痛的孕妇和5%产后患者需要就诊,重症患者常常出现步行障碍[3]。对正常孕妇运动协调的研究可作为今后研究妊娠相关骨盆痛的步态运动的基础。笔者研究怀孕对步行时水平面上骨盆和胸廓运动协调的影响,以期有助于从生物力学的角度进一步了解妊娠相关骨盆痛患者的步态运动。
1 对象与方法
1.1 对象 选取年龄20～45周岁的健康未孕妇女(对照组)和健康孕妇(孕妇组)作为观察对象。对照组13例,年龄中位数27岁(22～36岁),体质量中位数75 kg (45～95 kg),身高中位数172 cm(157～190 cm);孕妇组12例,年龄中位数32岁(30～38岁),体质量中位数76.5 kg(67.5～89 kg),身高中位数172 cm(162～180 cm)。
1.2 方法
1.2.1 仪器 步行仪(Biostar Giant,荷兰Almere Biometrico公司);三维运动捕捉系统(Optotrak,加拿大NDI公司)。
1.2.2 方法 受试者以不同速度在步行仪上行走。骨盆、胸廓和足部的运动由三维运动捕捉系统光学镜头拍摄记录。2组光学镜头位于受试者的身后。在受试者的胸背部第6胸椎棘突的位置和骶骨两髂后上棘之间各有一轻金属架,用尼龙束带将金属架固定其上,金属架上有3个可发红外光装置,构成一个刚体。为了捕获步行时足跟着地和足趾离地时的瞬间,在每侧足跟和第五跖趾关节处各安装一可发出红外线的装置。实验装置见图1[4]。实验开始时先让受试者在步行仪上行走3～5 min,接着步行速度从0.17 m/s每间隔1～2 min增加0.11 m/s,至1.72 m/s。步行过程中,测试受试者最舒适步行速度和最大步行速度。每个速度下的数据采集共30 s,抽样频率为100 Hz。
图1 测量步行时胸廓和骨盆运动的实验装置（略）
Fig 1 Experimental setup for measuring the thoracic and pelvic movements during walking
1.2.3 指标 胸廓和骨盆的刚体在空间的运动代表各自的三维运动。设定刚体x、y、z轴的正方向为人体解剖位的前、上、左方位。通过xy象限上的反正切角度得出骨盆和胸廓在水平面上旋转角度的时序。骨盆和胸廓的旋转运动幅度(rotational amplitude,RA)是从各自的运动时序上确定每一个步周期内最大与最小的角度差的绝对值。躯干的旋转运动时序是将骨盆运动时序与胸廓的运动时序相减而生成。在每一速度下对骨盆、胸廓和躯干的所有步周期的RA进行计算,取均值,分别确定为骨盆、胸廓和躯干的RA,并计算各自标准差。
应用快速离散傅立叶变换计算公式计算出每个运动时序的连续傅立叶相的时序。骨盆和胸廓的傅立叶相差时序是由胸廓的傅立叶相时序与骨盆的傅立叶相时序相减而产生。运用圆周统计学计算出骨盆和胸廓运动的傅立叶相差(relative fourier phase,RFP)及其个体内标准差。若RFP为0,表示同相协调运动;若RFP为180°,则表示反相协调运动。
1.3 统计学处理 应用SPSS 10.0软件,采用方差检验,P<0.05为差别有统计学意义。
2 结果
2.1 步行速度 正常孕妇的最舒适步行速度中位数1.06 m/s(0.72～1.28 )m/s,对照组为1.17 m/s(0.83～1.50)m/s,2组比较差别有统计学意义(P<0.05)。
2.2 骨盆和胸廓RA及其个体内标准差 骨盆RA先是随着步行速度的增加(0.94～1.06 m/s)而逐渐减小,然后随着步行速度的增加而逐渐增加(图2A)。孕妇组和对照组骨盆RA分别为(9.1±福建医科大学学报 2008年5月 第42卷第3期吴文华等：正常孕妇步行时骨盆与胸廓水平面的旋转运动3.5)°和(7.7±3.2)°,其速度效应差别有统计学意义(P<0.05)。孕妇骨盆RA的个体内标准差较对照组减少(P<0.05),孕妇组和对照组的值分别为(1.3±0.4)°和(1.6±0.5)°(表1)。
图2 对照组和孕妇组在不同步行速度下各部位的旋转运动幅度（略）
Fig 2 Rotational amplitudes of the pelvis, the thorax and the trunk during gait at different walking velocities of the control subjects and the healthy pregnant women
表1 各变量的速度效应和组别效应（略）
Tab 1 The effects of velocity and group on the variables(repeated measures ANOVAs)
胸廓RA基本维持稳定而变化不大直至步行速度增至0.8 m/s时,然后随着步行速度的递增而渐减少(图2B)。经方差检验,速度的效应差别有统计学意义(P<0.05)。孕妇胸廓RA的个体内标准差比对照组减少(P<0.05)。孕妇组和对照组的均值分别为1.2°和1.7°,其速度效应差别有统计学意义(P<0.05)。
躯干RA是随着行步速度的增加而递增的(图2C),孕妇的躯干RA较对照组约小1°,其速度效应有统计学意义(P<0.05),孕妇躯干RA的个体内标准差较对照组小(P<0.05),孕妇组和对照组的值分别为(0.7±0.3)°和(1.0±0.4)°,其速度效应有统计学意义(P<0.05)。在最舒适的步行速度下,孕妇骨盆和躯干RA较对照组小(P<0.05)。
2.3 RFP及其个体内标准差
图3 对照组和孕妇组在不同步行速度下的傅立叶相差及其个体内的标准差（略）
Fig 3 Relative fourier phase and its intra?individual standard deviation between transverse pelvic and thoracic rotations at different walking velocities of the control subjects and the healthy pregnant women
2组RFP均随着速度的增加而增加(图3A),呈一条S形曲线,在速度为0.83,1.17 m/s的区域内最为陡峭。孕妇的RFP较对照组小7°。其步行速度效应有统计学的意义(P<0.05)。RFP的个体内的标准差与速度的关系有点不规则(图3B),随着速度的递增而增加,直至速度到达0.94～1.17 m/s;接着是一个平台或稍有点下降,在最舒适的步行速度时,达到最高值。孕妇的RFP的个体内标准差较对照组小(P<0.05),其速度效应差别有统计学意义(P<0.05)。
孕妇的孕周数与RFP的个体内标准差相关系数为－0.68,差别有统计学意义(P<0.05)。在最舒适的步行速度下,孕妇的RFP及其个体内标准差均比对照组小(P<0.05)。
3 讨论
3.1 总体上孕妇的步态运动正常 在2组中,速度对RA、骨盆?胸廓RFP及其个体内的标准差的影响相似(图2～3),由此得出结论,孕妇的步态运动从总体上讲是正常的。怀孕和行走本身就具有高度的相容性,从进化学的角度而言,这并不难理解[5]。尽管如此,孕妇的最舒适的步行速度明显的下降,RA变小,尤其是在最舒适的速度下骨盆和躯干RA的减少具有显著性差异。他们的个体内标准差减少,具有统计学意义。骨盆和胸廓RFP变小,在最舒适的速度下具有显著性差异,其个体内标准差变小,在快速行走的速度下(≥1.06 m/s),这种差别有统计学意义。孕周数与此个体内的标准差呈显著性负相关。孕妇必须适应怀孕的改变,比如体质量的增加。本研究揭示在孕妇身上发生了轻微但是连贯一致的运动学变化,这点与以往报道的有所不同[1?2]。
3.2 孕妇骨盆?胸廓旋转运动的RFP 孕妇选择在低速下步行不能用节约能量的观点来解释,因为当步行速度低于(或高于)最舒适的速度时,须消耗更多的能量[5]。尽管如此,低速行走获得了更多时间来对微扰进行反应[6],这也许是孕妇由于额外的载荷或本体觉受干扰而选择低速行走的原因,目的是为了避免出现快速步行时的运动协调模式。
本研究表明,未怀孕妇女的最舒适步行速度出现在RFP的曲线上的平台起始段,而孕妇最舒适步行速度则是出现在曲线陡坡的半山腰处,此时2组间的RFP的差值为44°。当孕妇快速步行时,RFP值较高,但其变异性很小,这提示了对孕妇而言,完成大的RFP的步态是有困难的,这种现象同样发生在背着负荷的受试者、慢性下腰痛患者、妊娠相关骨盆痛产后的患者 [4,7?8]。出现较小RFP的步态运动可以由许多种不同的限制性因素造成,妊娠便是其中之一。
比较骨盆、胸廓和躯干旋转运动的个体内标准差,他们的平均值分别为1.25°,1.29°和0.66°。如果骨盆和胸廓的旋转运动的控制是相互独立的话;而实际上,它的值小得多。因此,骨盆和胸廓的旋转运动似乎是同时受到控制的,虽然躯干的旋转运动在快速行走的协调方面不是一个“必须的变量”[9],因为躯干的旋转缺乏时间维。显然,RFP是和时间变量有关,它也许是快速步行时的必须变量,以确保快速行走时骨盆的旋转运动必须被胸廓的反向旋转运动所平衡[10]。就孕妇的步态而言,快速行走时骨盆和胸廓的惯性冲量将会增加,这也许是孕妇无法实现大的RFP步态运动的原因。
3.3 孕妇步态运动的变异性 自从Bernstein引入了“探索变异性”以来,对运动的变异性研究渐渐兴起。运动的变异性常常被认为是具有功能性,才有可能有灵活性、适应性;然而变异性会消耗能量及增加损伤的可能性,因此变异性的功能性必须看是针对何种情形而言[11?14]。
一个较为奇怪的现象是骨盆与胸廓间的RFP的个体内的变异的最大值在非常靠近最舒适步行速度的地方出现。Masani等人发现地面作用力的变异在最舒适步行速度时最小[15],也许在最舒适的速度下,身体重心的垂直运动是必须的变量,而在水平面上的骨盆和胸廓间的RFP在快速步行时则变成是必须的变量。撇开RFP的变异性是如何发挥作用的,在怀孕期间,尤其在怀孕晚期,RFP的变异性是如何在最舒适步行速度下增加并且在快速行走时减少有待于进一步研究。
笔者认为,正常孕妇的步态运动学特征与未怀孕的妇女相似。尽管如此,2组间存在着许多细微的差别。孕妇的最舒适步行速度较对照组显著性下降。骨盆、胸廓和躯干的RA较对照组小。他们的个体内的标准差则较对照组低。在最舒适步行速度下,骨盆和躯干的RA较对照组小。孕妇组的RFP较对照组小,在速度≥1.06 m/s,个体内的标准差呈显著性减少,尤其是在怀孕晚期表现更为明显。
【文献】
[1] Foti T,Davids J R,Bagley A. A biomechanical analysis of gait during pregnancy[J]. J Bone Joint Surg Am, 2000,82(5):625?632.
[2] Nagy L E,King J C. Energy expenditure of pregnant women at rest or walking self?paced[J]. Am J Clin Nutr, 1983,38(3):369?376.
[3] Wu W H,Meijer O G,Uegaki K,et al. Pregnancy?related pelvic girdle pain(PPP), I: Terminology, clinical presentation, and prevalence[J]. Eur Spine J, 2004,13(7):575?589.
[4] Wu W,Meijer O G,Jutte P C,et al. Gait in patients with pregnancy?related pain in the pelvis: An emphasis on the coordination of transverse pelvic and thoracic rotations[J]. Clin Biomech, 2002,17(9?10):678?686.
[5] McNeill Alexander R. Energetics and optimization of human walking and running: the 2000 Raymond Pearl memorial lecture[J]. Am J Human Biol, 2002,14(5):641?648.
[6] Maki B E,McIlroy W E. The role of limb movements in maintaining upright stance: the "change?in?support" strategy[J]. Phys Ther, 1997,77(5):488?507.
[7] LaFiandra M,Wagenaar R C,Holt K G,et al. How do load carriage and walking speed influence trunk coordination and stride parameters[J]. J Biomech, 2003,36(1):87?95.
[8] Lamoth C J,Meijer O G,Wuisman P I,et al. Pelvis?thorax coordination in the transverse plane during walking in persons with nonspecific low back pain[J]. Spine, 2002,27(4):E92?99.
[9] Gel'fand I M,Tsetlin M L. The principle of nonlocal search in automatic optimization systems[J]. Soviet Physics Doklady, 1961,6(3):192?194.
[10] Lamoth C J,Beek P J,Meijer O G. Pelvis?thorax coordination in the transverse plane during gait[J]. Gait Posture, 2002,16(2):101?114.
[11] Bongaardt R,Meijer O G. Bernstein's theory of movement behavior: historical development and contemporary relevance[J]. J Mot Behav, 2000,32(1):57?71.
[12] Heiderscheit B C. Movement variability as a clinical measure for locomotion[J]. J Appl Biomech, 2000,16:419?427.
[13] Van Die n J H,Dekkers J J,Groen V,et al. Within?subject variability in low back load in a repetitively performed, mildly constrained lifting task[J]. Spine, 2001,26(16):1799?1804.
[14] Tseng Y W,Scholz J P,Schoner G,et al. Effect of accuracy constraint on joint coordination during pointing movements[J]. Exp Brain Res, 2003,149(3):276?288.
[15] Masani K,Kouzaki M,Fukunaga T. Variability of ground reaction forces during treadmill walking[J]. J Appl Physiol, 2002,92(5):1885?1890.
