《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：A study on gait and muscle activation characteristics of persons with incomplete spinal cord injury with respect to age stratification
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本文通过运动捕捉与表面肌电技术，首次系统揭示不完全性脊髓损伤（SCI）患者步态参数（如支撑相、摆动相、步速）及肌肉激活模式（胫骨前肌平均功率频率随年龄增长）的年龄特异性差异，颠覆“年轻患者功能恢复更优”的认知，为制定个体化康复方案提供生物力学依据。
1 引言
脊髓损伤（SCI）作为一种严重的致残性疾病，常伴随感觉、运动和神经功能损伤。与完全性SCI患者相比，不完全性SCI患者通过针对性康复可能逐步改善下肢行走功能。步态重建是不完全性SCI康复的核心目标，需结合步态模式观察、特征分析及异常矫正。步态分析通过生物力学技术定量评估运动学、时空参数和动力学指标，而表面肌电（sEMG）可反映肌肉功能状态，二者在SCI步态重建中具有重要价值。
现有研究多关注不同损伤等级SCI患者的步态时空参数，但年龄对步态的影响尚未明确。流行病学显示年龄是SCI相关疾病的风险因素，然而不完全性SCI患者行走能力与年龄的内在联系及不同年龄组的步态特征差异仍待揭示。本研究通过横断面观察，比较不同年龄层不完全性SCI患者与神经功能正常对照组的步态和肌电参数，验证“年轻SCI患者步态功能更优”的假设，旨在为精准康复提供依据。
2 方法
2.1 研究设计与参与者
2022至2024年，共纳入90例不完全性SCI患者（年轻组20-39岁、中年组40-59岁、老年组60-79岁，各30例）及年龄匹配的90例对照组。患者均符合美国脊髓损伤协会（ASIA）损伤量表（AIS）D级标准，排除下肢痉挛等干扰因素。所有参与者完成3-6个月系统康复，能够独立或借助踝足矫形器行走。
2.2 仪器与变量
采用MyoMotion惯性传感器系统（采样频率100 Hz）采集下肢关节角度及时空参数，同步无线sEMG系统（采样频率1500 Hz）记录胫骨前肌（TA）和内侧腓肠肌（GM）的肌电活动。传感器放置于骶骨、大腿、小腿及足部特定解剖点。测试前参与者进行4次自然速度行走适应，正式测试采集2组数据。
2.3 数据收集
记录步态时空参数（支撑相、摆动相、步长等）、关节活动度（髋、膝、踝）、压力中心（COP）路径长度与平均速度、足底压力峰值，以及TA和GM的平均功率频率（MPF）和均方根（RMS）等肌电参数。
2.4 统计分析
使用SPSS 25.0和MATLAB处理数据，正态分布数据以均值±标准差表示，组间比较采用单因素方差分析或秩和检验，P < 0.05为显著性标准。
3 结果
3.1 步态时空参数
与对照组相比，各年龄层SCI患者步行能力均下降，支撑相、摆动相、双支撑相、步长、步速差异显著（P < 0.05）。年轻SCI患者步速和步频低于中老年组，双支撑相占比更高，摆动相更短。
3.2 步态运动学参数
SCI患者髋、膝、踝关节活动度整体降低。站立相中，年轻组髋屈曲角度小于中老年组，而踝内翻和外展角度更大；摆动相中，膝屈曲角度随年龄增长而增加，踝内翻与外展角度随年龄减小。年轻组COP路径长度短于中老年组，平均COP速度随年龄增加。
3.3 步态动力学参数
SCI患者足底压力峰值低于对照组，前足压力起始时间比例随年龄增加。年轻组中足压力分布能力较差，动能转换效率较弱。
3.4 肌肉激活参数
SCI患者TA和GM的肌电参数均弱于对照组。年轻组TA在站立相的RMS低于老年组，双侧TA的MPF与年龄正相关（P < 0.05）；GM的RMS无一致年龄趋势，MPF和中位频率无显著组间差异。
4 讨论
本研究意外发现年轻SCI患者步态功能反逊于中老年患者，可能与损伤机制差异相关：年轻患者多因高处坠落等高能量创伤导致更严重原发损伤，而老年患者常为低能量跌倒，损伤相对较轻。步速下降和双支撑相延长反映SCI患者神经驱动受损导致的肌肉协调障碍。年轻患者因功能期望值更高，实际与预期行走能力差距更大，可能影响康复动机。此外，传感器附着可能限制自然步态，未来需结合脑功能成像等多模态数据提升评估精度。
5 结论
不完全性SCI患者的步态功能与神经肌肉控制策略存在年龄特异性差异。年轻患者步态表现较弱，与损伤机制及功能期望值相关。研究结果为制定年龄分层康复方案提供了生物力学和神经生理学依据。
6 局限性
未纳入痉挛等混杂因素，样本量较小，且踝足矫形器使用比例不均衡可能影响结果。未来需扩大样本并严格控制辅助设备使用。
