The tandem gait test: kinematics and temporal parameters for normal children and for posterior fossa tumor survivors

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

Известен метод исследования функции ходьбы с усложненной координацией — приставным шагом (tandem gait, TG). TG достаточно широко используется в клинической практике для оценки атактических нарушений [1, 2], а также в качестве средства тренировки функции равновесия [3]. TG является чувствительным тестом для пациентов с мозжечковой атаксией, которая является частым синдромом у больных с последствиями лечения опухолей задней черепной ямки. Данный тест в обычном клиническом применении используется в режиме оценки времени при проходе определенного расстояния [4]. Однако в данном варианте тест отвечает только на вопрос, справляется ли пациент с заданием, и за какое время, но не отвечает, как и за счет каких ресурсов осуществляются собственно движение и сохранение равновесия. Для ответа на эти вопросы разрабатываются варианты исследования с помощью регистрации биомеханических параметров [3]. Тем не менее в настоящее время точные биомеханические критерии и нормативы для данного теста еще не разработаны. Остается неясной и собственно функциональная, биомеханическая симптоматика мозжечковой атаксии у больных после лечения опухолей задней черепной ямки.

Тест TG рассматривается нами еще и в качестве фактора модификации автоматизированной локомоции (ходьба). В варианте TG ходьба будет требовать произвольного контроля. Это усложнение первично автоматического движения мы рассматриваем в качестве своеобразной функциональной пробы, которая наряду с более высокими требованиями к функции баланса в значительной степени снижает функцию автоматизма.

Цель исследования — изучение функциональной и биомеханической симптоматики у больных детей после лечения опухоли задней черепной ямки в отдаленный период.

МЕТОДЫ

Дизайн исследования

Когортное, проспективное.

Критерии соответствия

Критерии включения: последствия хирургического лечения опухоли задней черепной ямки от 1 года и более при наличии стойкой атаксии, при этом функциональное состояние позволяет выполнить тест ходьбы приставным шагом без риска падения, с пациентом имеется вербальный контакт, достаточный для понимания и выполнения необходимых инструкций; отсутствует декомпенсированная соматическая патология.

Критерии исключения: неспособность выполнить тест (угроза потери равновесия и падения); возраст младше 7 лет; отказ пациента или его родителя от тестирования.

Условия проведения

Исследование выполнено в период с 2018 по 2020 г. в лаборатории биомеханики Лечебно-реабилитационного научного центра «Русское поле» ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр детской гематологии, онкологии и иммунологии имени Дмитрия Рогачева» Минздрава России.

Описание медицинского вмешательства

Методика исследования: испытуемому предлагалось пройти строго по прямой линии, обозначенной на полу белой полосой шириной 5 см. Исходное положение — ноги на ширине плеч, руки опущены вдоль тела. По команде обследуемый проходил по данной линии, последовательно приставляя носок одной ноги к пятке другой, удерживая при этом равновесие. Общая длина пути 4,5 м.

Методы регистрации исходов

Регистрация биомеханики движений проводилась с помощью оптико-электронной системы OptiTrack (США) с использованием 12 камер с частотой 100 Гц. Применялась стандартная модель с расположением маркеров (рис. 1).

 

Рис. 1. Места крепления маркеров. / Fig. 1. The placement of the markers.

 

На обследуемом устанавливали набор из 26 светоотражающих маркеров (см. рис. 1). Регистрировали гониограммы тазобедренного и коленного суставов в сагиттальной плоскости и перемещение таза в вертикальной и фронтальной плоскостях, а также временные характеристики цикла шага: цикл шага (ЦШ в сек); начало второй двойной опоры (НВД в % цикла шага).

Начало и конец каждого цикла шага каждой из сторон (левой или правой) расставляются вручную по данным перемещения маркеров, расположенных на пятке, после чего формируется отчет, содержащий кинематические параметры в формате цикла шага.

Этическая экспертиза

Исследование одобрено локальным этическим комитетом, протокол № 8э/15-17 от 27.10.2017.

Статистический анализ

Обработка полученных результатов была проведена стандартными методами вариационной статистики с помощью программного обеспечения Statistica 12. Оценка достоверности различий проводилась с помощью критериев Вилкоксона и Манна–Уитни при уровне значимости р <0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Объекты (участники) исследования

С целью получения параметров зрелой локомоции в исследовании приняли участие 15 здоровых испытуемых в возрасте от 12 до 35 (средний возраст 20,4±7,2) лет, из них 4 мужчин и 11 женщин, не имевших в анамнезе травм и заболеваний опорно-двигательного аппарата (группа контроля). Известно, что основные параметры ходьбы складываются к 12 годам [5] и остаются неизменными до пожилого возраста [6, 7].

В группу пациентов вошли 33 ребенка в возрасте от 7 до 17 (средний возраст 12,3±3,1) лет, из них 15 мальчиков и 18 девочек, перенесших лечение опухоли задней черепной ямки и поступивших на восстановительное лечение в ЛРНЦ «Русское поле». Пациентов с медуллобластомой мозжечка (код по МКБ-10 C71.6) было 14, с астроцитомой мозжечка (D33.1) — 12, с ганглиомой мозжечка (C72.8) — 2, с анапластической эпендиомой мозжечка (C71.6) — 2, с нейроцитомой мозжечка (C71.0) — 2, с нейроэктодермальной опухолью правой теменной области головного мозга (C71.3) — 1.

Проводилось однократное биомеханическое исследование ходьбы при поступлении пациента на плановое восстановительное лечение.

Основные результаты исследования

Пациенты разделены на 4 группы по степени биомеханических и функциональных нарушений методом экспертной оценки: 1-я — легкая асимметрия (n=18); 2-я — приближены к нормотипичным детям (n=7); 3-я — сильная асимметрия, наличие гемипареза (n=3); 4-я — тяжелые двигательные расстройства (n=5).

Временные характеристики ходьбы отражены в табл. 1. Для контрольной группы можно отметить, что длительность ЦШ в модификации TG существенно выше, чем для обычной ходьбы в произвольном темпе [8]. При этом начало ЦШ другой ноги (параметр НВД) соответствует 50%. Длительность ЦШ во всех исследованных группах значительно превышает значение в контрольной группе и достигает максимальной величины в группе тяжелых больных, у которых к тому же значение еще и асимметрично. Среднее значение параметра НВД не показывает значительной асимметрии: следовательно, реципрокность не нарушается существенно ни в одной из обследованных групп.

 

Таблица 1. Временные характеристики ходьбы в исследованных группах (M±σ) / Table 1. Temporal gait parameters in the patients' group (M±σ)

Параметр	Сторона	Группа (возраст, лет)
		1-я (13,6±2,9)	2-я (12,0±2,6)	3-я (12,3±3,5)	4-я (11,6±3,5)	Контроль (20,7±7,3)
ЦШ, с	Левая	2,4±0,5	3,8±1,2	3,3±0,9	5,1±3,6	1,9±0,4
	Правая	2,4±0,6	3,8±1,1	3,1±1,2	3,9±2,1	2,0±0,4
НВД, %	Левая	49,4±1,8	50,2±7,2	50,4±18,9	47,6±17,9	50,1±2,1
	Правая	50,4±2,2	48,9±7,0	52,3±11,7	47,6±4,5	50,2±3,5

Примечание. ЦШ — цикл шага; НВД — начало второй двойной опоры.

Note. ЦШ — gait cycle; НВД — beginning of the second double support interval.

 

Графики перемещения таза в вертикальном и боковом направлениях в ЦШ показаны на рис. 2.

 

Рис. 2. Графики перемещений таза в цикле шага в вертикальной (верхний ряд) и фронтальной (нижний ряд) плоскостях. / Fig. 2. The graphs of the pelvis displacement in a walking cycle in the vertical (upper row) and frontal (bottom row) planes.

 

Вертикальные перемещения представляют собой циклические движения с двумя максимумами в середине периода опоры той и другой ноги. Фактически, это одна кривая, разбитая на ЦШ левой и правой ноги. График второй группы довольно точно соответствует таковому для контрольной. В левом ЦШ достоверное отличие от контрольной группы имеется для графиков всех групп, кроме первой (р <0,05). Сами группы также имеют достоверные отличия в графиках. Аналогичный вариант имеется и для правого ЦШ.

Фронтальные перемещения таза за ЦШ представляют собой синусоиду с максимумом вправо или влево в зависимости от аналогичных циклов. Для левого ЦШ имеются достоверные отличия от контрольной группы во второй, третьей и четвертой группах. В силу того, что по данным параметрам имеются значительные отличия в группах, то все кривые достоверно отличаются от друг от друга и графика контрольной группы (р <0,05).

Гониограммы движений в тазобедренных и коленных суставах представлены на рис. 3.

 

Рис. 3. Гониограммы движений в тазобедренных и коленных суставах. / Fig. 3. Goniograms of movements in the hip and knee joints.

 

Гониограммы движений в контрольной группе мало отличаются от графиков обычной ходьбы [9], но имеют ряд специфичных для этого варианта ходьбы изменений. Так, возрастает амплитуда возвратного движения тазобедренных суставов, что является результатом постановки одной стопы перед другой. В коленном суставе полностью редуцируется первое сгибание, а второе сгибание по причине меньшей активности — в периоде переноса ниже по амплитуде. Движения правой и левой сторон симметричны.

Отмечено, что движения в тазобедренных суставах для всех групп больных достоверно отличаются от контрольной группы. Четвертая и первая группы имеют отличия от всех других групп пациентов; вторая и третья достоверно отличаются от первой и четвертой. Тазобедренные суставы имеют сниженную амплитуду и не достигают полного разгибания. Коленные суставы также находятся в положении незначительного сгибания, и основная, маховая, амплитуда в них сильно редуцирована. Обращает на себя внимание и запаздывание максимального сгибания тазобедренного и коленного суставов в третьей и четвертой группах, т.е. у пациентов с наиболее выраженными функциональными изменениями.

Для движений в коленных суставах характерно достоверное отличие всех обследуемых групп от контрольной, при этом для правого коленного сустава в четвертой группе движения достоверно отличаются от других групп пациентов. Для левого коленного сустава только четвертая группа имеет достоверные отличия от первой.

Дисперсионный анализ (ANOVA), а также множественные сравнения с поправкой Тьюки-Крамера по группам обнаружил наличие достоверных различий (р <0,05) между всеми группами, включая группу контроля.

ОБСУЖДЕНИЕ

В доступной литературе мы не обнаружили источников, содержащих аналогичные данные для сравнения. Некоторые работы содержат компоненты кинематического анализа. В работе S. Kawakami и соавт. [10] проведен 3D-анализ ходьбы TG, однако в данном исследовании методика ходьбы была иной, что не позволяет провести сравнение. В исследовании H.S. Cohen и соавт. [11] использован инерционный сенсор, фиксированный сзади на уровне середины туловища, данные с которого существенно отличаются от анализируемых нами.

По результатам выполненного исследования, ходьба TG невозможна без специального произвольного контроля; кроме этого, данный тип ходьбы предъявляет значительные требования к функции равновесия, поэтому показатель ЦШ даже в контрольной группе существенно выше нормы — 2 сек против 1,2 [8]. В целом данный параметр имеет тенденцию к увеличению по мере нарастания функциональных нарушений. Другое характерное изменение, которое также широко известно и для обычной ходьбы — асимметрия длительности ЦШ. В нашем исследовании это хорошо видно на примере четвертой группы (пациенты с наиболее тяжелыми расстройствами). Параметр НВД не обнаруживает существенных изменений в группах больных, хотя в индивидуальных случаях встречаются значительные асимметрии, что является симптомом нарушения реципрокности, поэтому этот показатель может быть полезен для индивидуального анализа.

Показатели движения таза в контрольной группе, полученные нами, обладают незначительными отличиями от таковых при обычной ходьбе, что согласуется с литературными данными [12]. Таз при ходьбе выполняет роль балансира-компенсатора, который выравнивает движения нижних конечностей с их разностью в полпериода ЦШ в гармоничные колебания, которые при согласованной работе поясничного отдела позвоночника позволяют передавать туловищу минимальное количество толчков и движений.

В единственном известном нам исследовании TG с помощью системы видеоанализа [3], как и в нашей работе, за основу оценки были взяты перемещения в абсолютном времени, тем не менее разные принципы регистрации и полученные с их помощью данные не позволили их сравнить. Кроме этого, в нашем исследовании использована более полная пространственная модель таза, включающая четыре маркера.

Движения сгибания-разгибания в тазобедренных суставах в исследованных группах характеризуются, в первую очередь, запаздыванием разгибания в конце периода переноса (возвратное движение бедра) и незначительным снижением амплитуды, которое, возможно, возрастает с увеличением степени двигательных нарушений.

Движения в коленных суставах демонстрируют два основных феномена — увеличение сгибательной установки сустава и снижение амплитуды основного махового сгибания. Кроме этого, имеется запаздывание максимума махового сгибания.

Кинематические параметры TG обследуемых больных, в отличие от контрольной группы, не являются устойчивыми, предположительно, по причине того, что в норме такая модификация ходьбы легко автоматизируется и не требует произвольного контроля. У больных с атактическим синдромом после лечения опухоли задней черепной ямки каждый шаг в режиме TG требует дополнительного произвольного контроля, а в этих условиях устойчивость и повторяемость движения резко снижаются.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, у больных с последствиями лечения опухолей задней черепной ямки для выявления функциональных нарушений можно использовать TG в качестве функционального теста. TG существенно деавтоматизирует походку, что позволяет оценить атактические нарушения, маскируемые автоматизмом, однако более точно это может показать исследование в сравнении с обычной ходьбой.

В отличие от рутинного клинического варианта теста TG, анализ биомеханики движений позволяет дать точную качественную и количественную характеристику функциональных нарушений. По данным нашего исследования, нарушения двигательной функции развиваются на разных уровнях опорно-двигательного аппарата системы. Степень их выраженности согласуется с экспертной оценкой функционального состояния пациента.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Скворцов Д.В. — формирование дизайна исследования, поиск и обработка литературы, проведение исследования, обработка данных, написание текста статьи; Айзенштейн А.А. — сбор и первичный анализ данных, написание раздела «Пациенты и методы»; Анисимов В.Н. — статистический анализ данных исследования; Касаткин В.Н. — общий дизайн исследования, функциональный тест, организация исследования. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Author contribution. Skvortsov D.V. — study design, search and processing of the literature, research, data processing, manuscript writing; Aizenstein A.A. — collection and primary analysis of the data, writing the "Patients and Methods" section; Anisimov V.N. — statistical analysis of the research data; Kasatkin V.N. — general study design, functional test, research organization. The authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Источник финансирования. Работа выполнена за счет средств госзадания ФМБА России (шифр — «Биомеханика-лечение»).

Funding source. The work was carried out at the expense of the state budget (Code “Biomechanics-cure”).

Конфликт интересов. Авторы данной статьи подтвердили отсутствие конфликта интересов.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Благодарности. Авторы выражают благодарность А.А. Шипилову за техническую помощь при проведении исследования.

Acknowledgments. The authors are grateful to A.A. Shipilov for technical assistance during the study.

About the authors

Dmitry V. Skvortsov

The Russian National Research Medical University named after N.I. Pirogov; Federal Research and Clinical Center of Specialized Medical Care and Medical Technologies FMBA of Russia; Federal Center of Brain and Neurotechnology

Author for correspondence.
Email: skvortsov.biom@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2794-4912
SPIN-code: 6274-4448

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, Moscow; Orekhoviy bulvar, 28, 115682, Moscow; Moscow

Vladimir N. Kasatkin

Dmitry Rogachev National Medical Research Center of Pediatric Hematology, Oncology and Immunology, Medical and Rehabilitation Scientific Center “Russian Field”

Email: kasatkinv@bk.ru
ORCID iD: 0000-0003-1142-9796

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, Moscow

Alina D. Aizenshtein

Federal Center of Brain and Neurotechnology; Dmitry Rogachev National Medical Research Center of Pediatric Hematology, Oncology and Immunology, Medical and Rehabilitation Scientific Center “Russian Field”

Email: kagina19@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7442-0903

Research Associate

Russian Federation, Moscow; Moscow

Victor N. Anisimov

Lomonosov Moscow State University

Email: victor_anisimov@neurobiology.ru
ORCID iD: 0000-0002-5134-7675

Cand. Sci. (Biol.), Research Associate

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files