光流扰动对多发性硬化症患者行走时脚步位置控制的影响

《Journal of Biomechanics》：The effect of optical flow perturbations on walking foot placement control in people with multiple sclerosis

多发性硬化症患者步态控制机制研究显示，DFA和DCA分析表明患者在ML和AP干扰下步长（SL）和步宽（SW）时间序列的持久性降低，提示步态调节的长期结构破坏，尤其在ML干扰时SW调节更不稳定，而DCA显示SL修正能力受损且调节一致性下降。

　　

Kavya Katugam-Dechene|Irena Dujmovic Basuroski|Brian P. Selgrade|Jacob J. Sosnoff|Jason R. Franz

兰佩联合生物医学工程系，北卡罗来纳大学教堂山分校与北卡罗来纳州立大学，美国北卡罗来纳州教堂山

摘要

多发性硬化症（PwMS）患者跌倒风险增加，然而传统的步态测量方法（如步幅变化）对潜在的控制机制了解有限。我们研究了在跑步机上行走时，PwMS患者与年龄匹配的对照组在有无前后（AP）和内外侧（ML）光流干扰的情况下，步态调节的差异。十五名PwMS患者和十五名匹配的对照组完成了三分钟的行走试验，并记录了运动学数据。去趋势波动分析（DFA）用于评估步幅（SW）和步长（SL）时间序列的时间组织结构，直接控制分析（DCA）用于量化步与步之间的校正情况。DFA显示，在ML干扰条件下，步幅的持续性较低，表明在侧向平衡挑战下调节更为严格。组与条件交互作用表明，PwMS患者在AP和ML干扰条件下都表现出步长持续性的降低。这些结果揭示了PwMS患者在步态时间组织方面的更广泛紊乱。DCA显示，两组在ML干扰条件下都对步幅偏差进行了更多的校正，但模型拟合度（$R^2$）较低，表明其一致性低于未受干扰的行走状态。此外，PwMS患者在AP干扰条件下步幅校正也减少。相比之下，步长回归系数和$R^2$值在组间或条件间没有差异。综合DFA和DCA的结果表明，PwMS患者在步态调节的时间结构上存在紊乱，尤其是在视觉不稳定条件下步长的调节更为困难；而在ML挑战下，虽然校正能力增强，但一致性降低。这些互补的分析为理解PwMS患者的行走不稳定性机制提供了新的见解，并可能为针对可靠步态控制的干预措施提供依据。

引言

全球约有280万人患有多发性硬化症（MS）（Nelson等人，2019年），一些研究显示患病率正在上升（Rotstein等人，2018年）。最常见的MS类型是复发-缓解型，其特征是疾病症状期和恢复或缓解期交替出现。复发症状包括平衡困难、协调能力下降、视觉障碍和疲劳增加，这些都妨碍了患者在行走等活动中的平衡能力（Hebert和Manago，2017年）。事实上，据估计，即使在尚未出现明显身体残疾的情况下，PwMS患者的跌倒率也超过50%（Coote等人，2020年），且大多数跌倒发生在行走等动态活动中（Cattaneo等人，2014年；Gunn等人，2015年；Nilsag?rd等人，2015年）。尽管这一群体存在严重的行动能力和跌倒风险问题，但仍迫切需要更精确的生物力学指标来评估不稳定性。开发敏感且特异性的指标可以提高诊断能力，早期发现平衡缺陷，并更严格地评估旨在改善行动能力和降低跌倒风险的治疗干预措施的效果。

保持行走平衡是一个复杂且动态的过程，需要前后和内外侧的控制。前后平衡得益于一些被动动态机制，而侧向平衡则动态不稳定，需要更多的主动控制（Bauby和Kuo，2000年；Donelan等人，2004年；Kuo，1999年）。因此，行走平衡主要是通过逐步调整脚的位置来实现的（Bauby和Kuo，2000年；O’Connor和Kuo，2009年）。侧向脚位置控制受损可能是导致行走平衡障碍和跌倒风险增加的原因。

PwMS患者在行走平衡控制方面存在明显障碍，这可能与侧向脚位置调节的紊乱有关。此外，PwMS患者在行走时更依赖视觉线索来维持平衡（Jamali等人，2017年；Rougier等人，2007年）。因此，最近的证据表明，与年龄匹配的对照组相比，PwMS患者对内外侧光流干扰更为敏感，这暗示了他们在侧向脚位置控制方面的独特障碍（Selgrade等人，2020年）。先前的研究表明，视觉驱动的干扰会通过视觉运动挑战平衡，从而在视觉信息与前庭和本体感觉输入冲突时引起步态控制的特定变化（Dingwell和Cusumano，2010年；Dingwell和Cusumano，2015年）。因此，光流干扰可以探测在感觉改变条件下的姿势调节机制，其中不稳定的来源是显而易见的。由此产生的步态反应反映了在感觉冲突期间所采用的平衡控制策略，应在这种特定的感觉背景下进行解释，而不能简单地视为对外部机械干扰的直接响应。

以往研究PwMS患者步态动态的研究依赖于传统的步态运动学分析，包括平均步参数（即长度/宽度）及其变化。例如，步幅变化量化了步与步之间侧向脚位置的总体分散或一致性，但没有考虑潜在的控制机制或这些变化的时间结构。因此，传统分析对步与步之间的控制机制了解甚少。我们的研究通过结合去趋势波动分析（DFA）和直接控制分析（DCA）来克服这一局限性，以评估步与步之间脚位置变化的时间相关性。DFA和DCA常用于量化人类行走中的步与步时间相关性（Dingwell和Cusumano，2010年；Dingwell和Cusumano，2015年）。

本研究的目的是通过结合去趋势波动分析（DFA）和直接控制分析（DCA）来增强我们对PwMS患者行走平衡障碍的机制理解，以表征脚位置变化的时间结构。我们假设，在设计用于引发内外侧不稳定的光流干扰条件下，PwMS患者的步与步之间的脚位置控制调节不如年龄和性别匹配的对照组严格。PwMS患者步态控制的减弱可能反映了其日常生活中跌倒风险增加的潜在不稳定因素。

研究参与者

十五名复发-缓解型MS患者（PwMS；3名男性/12名女性，年龄：36.7±8.2岁，身高：1.70±0.12米，体重：80.7±18.1千克，行走速度：1.25±0.17米/秒，活动特定平衡信心量表[ABC]：90.7±8.0%）和十五名健康、年龄和性别匹配的对照组（年龄：37.1±8.0岁，身高：1.74±0.08米，体重：76.2±16.7千克，行走速度：1.35±0.09米/秒，ABC：94.3±6.8%）参与了本研究。所有参与者在参与前均提供了书面知情同意。

去趋势波动分析

DFA的缩放指数值（alpha，$\alpha$）在表1中总结，并在图2中展示。混合因子方差分析（ANOVA）显示，光流条件对${\alpha }_{\mathrm{SW}}$有显著的主效应（p<<0.001）。完整的ANOVA结果见表2。事后比较表明，在ML光流干扰条件下，${\alpha }_{\mathrm{SW}}$显著低于AP光流干扰条件（p<<0.001）或未受干扰条件（p<<0.001），反映了时间持续性的降低。

讨论

我们的研究基于先前的证据，即PwMS患者在行走时步幅（SW）的变化幅度大于健康对照组（Selgrade等人，2020年）。虽然我们的早期研究结果表明PwMS患者的不稳定性更大，但这些研究对步与步之间脚位置调节的机制了解有限。为了解决这一不足，我们结合了去趋势波动分析（DFA）和直接控制分析（DCA）

结论

总体而言，本研究的结果强调了多维度步态调节分析的价值，可以揭示传统变异性指标无法捕捉到的细微步态控制障碍。通过证明PwMS患者在ML光流干扰条件下步幅持续性的降低以及在AP和ML光流干扰条件下步长的持续性降低，DFA提供了长期步态调节受损的证据。

数据可用性声明

支持本研究所有发现的数据均可在提供的数据集中找到。

资金来源

本研究得到了国家MS协会（https://www.nationalmssociety.org/）向JRF提供的试点资助。资助方未参与研究设计、数据收集与分析、发表决定或手稿准备。

未引用的参考文献

Sports Sci Med, 2010, Richards等人，2019年；Richards等人，2019年；Shelton等人，2024年；Shelton等人，2022年。

CRediT作者贡献声明

Kavya Katugam-Dechene：写作——审阅与编辑、撰写初稿、可视化、方法论、调查、正式分析。Irena Dujmovic Basuroski：写作——审阅与编辑、方法论、调查、概念化。Brian P. Selgrade：写作——审阅与编辑、方法论、调查、数据管理、概念化。Jacob J. Sosnoff：写作——审阅与编辑、调查、概念化。Jason R. Franz：写作——审阅与编辑、撰写初稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Jonathan Dingwell博士和Joseph Cusumano博士在分析方面的咨询以及对结果解释的贡献。