Локомоторные характеристики осевого баланса тела в трехкоординатном пространстве

ОБОСНОВАНИЕ

Возрастные изменения постуральной неустойчивости часто встречаются у людей с заболеваниями позвоночника и могут стать причиной падения. Старение, вестибулярный дефицит, заболевания позвоночника, которые вызывают изменения осанки, а также слабая мускулатура туловища и ног — могут изменить их осевой баланс, что оказывает влияние на качество жизни и повседневную деятельность [1]. В настоящее время определено, что поддержание баланса тела в сагиттальной, фронтальной и горизонтальной плоскостях является одной из ключевых адаптаций в прямохождении человека и определяется как способность удерживать центр давления (ЦД) в пределах опоры «конуса устойчивости», чтобы избежать падения. Количественной оценкой размеров «конуса устойчивости» (КУ) и энергозатрат, связанных с поддержанием равновесия, является диапазон смещения туловища в трех плоскостях [1].

Вместе с тем в большинстве случаев основой для анализа предоперационного и послеоперационного хирургического статуса пациентов и основным источником постуральной информации относительно пространственной ориентации позвоночника являются только статические рентгенограммы [2]. Однако поскольку повседневная деятельность человека больше связана с динамическим статусом позвоночно-тазового сегмента, а статические и динамические показатели баланса регулируются различными сенсомоторными системами и механизмами нервно-мышечного контроля [3], то и оценку постурального статуса осевого скелета желательно осуществлять в трехмерном измерении [4][5]. В этом аспекте 3D‑видеоанализ в статике и при ходьбе является признанным исследованием, которое в динамике регистрирует и объективно отражает основные величины осевого баланса. Предложенные подходы в оценке динамического осевого баланса туловища рассматривают: движение проекции точки от маркера C7 позвонка относительно проекции точки от S1 позвонка на опорной плоскости; расчет диапазона движения проекции точки от маркера C7 позвонка относительно точки проекции COG (общего центра массы), расположенного в проекции плоскости таза; расчет амплитуды динамического сагиттального (GA-SVA) и фронтального (GA-CVA) баланса как проекции на опорную плоскость середины отрезка маркеров с позвонка С7 и яремной выемки грудины SJH (приближенно к телу позвонка С7) и середины оснований трапеции таза по маркерам в точках бугра верхней задней (RIPS, LIPS) и передней (RIAS , LIAS) подвздошной оси справа и слева (приближенно к телу позвонка S1), расчет баланса в горизонтальной плоскости по углу между линиями плеча и таза (angle acromion-pelvis, АРА) [6]. Обозначенные в методе оценочные величины максимально приближены к рентгенологически установленным точкам расчета.

Вводимый расчетный показатель для обеспечения надежных результатов для диагностического использования в клинической практике оценивается по критериям повторяемости и воспроизводимости получаемых результатов. Повторяемость характеризует степень согласованности повторных измерений, полученных при одинаковых условиях, с тем же исследователем и с тем же оборудованием. Воспроизводимость — степень соответствия между повторными измерениями, полученными с применением одного и того же метода разными операторами [7]. Чтобы сделать выводы о стабильности получаемых результатов, используют коэффициент вариации [8]. Анализ коэффициента вариации временных параметров походки учитывает ходьбу с разной скоростью как функциональную пробу для оценки координационных процессов [9], влияние мышечной усталости после упражнений, таких как ходьба в гору, езда на велосипеде или бег [10].

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучить локомоторные характеристики осевого баланса тела и установить в трехкоординатном пространстве нормативные статистические ориентиры его балансировочных характеристик.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Место и время проведения исследования

Место проведения. ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. академика Г.А. Илизарова» (Курган), научная лаборатория Клиники нейроортопедии и системных заболеваний.

Время исследования: февраль 2023 — август 2024 гг.

Изучаемые популяции (одна или несколько)

Популяция: 19 здоровых человек (10 мужчин, 9 женщин); средний возраст 31,1±1,4 года.

Критерии включения: возраст 18–40 лет, отсутствие неврологического и ортопедического диагноза в анамнезе и на момент обследования.

Критерии исключения: другой возраст, наличие неврологической или ортопедической патологии в анамнезе или на момент обследования.

Способ формирования выборки из изучаемой популяции (или нескольких выборок из нескольких изучаемых популяций)

Простая случайная выборка.

Дизайн исследования

Одноцентровое, наблюдательное, динамическое (обследование проводилось 10 раз), проспективное (с интервалом 1–7 дней), нерандомизированное исследование.

Описание медицинского вмешательства (для интервенционных исследований)

В исследовании участвовали мужчины и женщины 18–40 лет, ведущие активный образ жизни с эпизодическим участием в спортивных мероприятиях. Обследуемые ходили самостоятельно с опорой на всю стопу, босиком на 7-метровой дорожке с привычной для них скоростью передвижения. В качестве функциональной пробы использована ходьба с опорой на передний отдел стопы — «на носках», которая является скрининговым тестированием пациентов с неврологическими двигательными нарушениями.

Методы

Кинематические параметры походки регистрировались оптическими камерами Qualisys 7+ (8 камер компании Qualisys) с технологией видеозахвата пассивных маркеров. За основу установки светоотражающих маркеров на туловище принята IOR модель (рис. 1). Специально разработанными программами [6][11] определялись и вносились в выходные формы табличные значения динамического осевого баланса по амплитудам колебания проекций реперных точек от центра C7 и S2 позвонков на опорную плоскость в сагиттальной (GA-SVA), фронтальной (GA-CVA) плоскостях и диапазон углов проекции линий плеча и таза в горизонтальной (GA-APA) плоскости (рис. 2, 3).

Расчет показателя повторяемости проводился у каждого обследованного при исследовании одним оператором с интервалом в 1–3 дня, общее количество исследований — 10. Установка маркеров для проведения исследования выполнялась одним исследователем в одних и тех же условиях. Расчет показателя воспроизводимости проводился у одного обследуемого в разные дни (с интервалом 2–7 дней), установка маркеров для проведения исследования выполнялась разными операторами.

Статистический анализ

Учитывая количество наблюдений в выборочной совокупности, функция распределения используемых в исследовании показателей на нормальность оценивалась по одномерным критериям: Андерсона-Дарлинга и Шапиро-Уилка, коэффициенты асимметрии и эксцесса. И поскольку в отношении показателей динамического осевого баланса в горизонтальной, сагиттальной и фронтальной плоскостях в условиях обычной ходьбы и при функциональной пробе «ходьба на носках» c порогом принятия решения 0.1 гипотеза на нормальность не отклонялась, то использовалась параметрическая статистика.

Рассчитывались математически ожидаемые (среднеарифметические) значения (M), стандартные (среднеквадратические) отклонения (σ) и коэффициенты вариации, представляемые в процентах (Cv).

Принятые по Г.Н. Зайцеву (1973) уровни вариации соответствуют: Cv>20% — высокому, Cv от 11% до 20% — среднему, Сv≤10% — низкому [13].

Физические показатели балансов представлялись в величинах сигмальных отклонений (SDS) соответственно в сагиттальной (SDS_(SVA)), фронтальной (SDS_(СVA)) и горизонтальной (SDS_(АРА)) плоскостях по формулам (1, 2, 3):

SDS_(SVA) = (x_SVA-М_SVA)/σ_SVA (1)

SDS_(СVA) = (x_СVA-М_СVA)/σ_СVA (2)

SDS_(АРА) = (x_АРА-М_АРА)/σ_АРА (3)

где SDS — сигмальные отклонения физической величины баланса в горизонтальной, сагиттальной и фронтальной плоскостях; х — значение физической величины баланса конкретного пациента; М — математически ожидаемое значение физической величины баланса по представленной выборочной совокупности; σ — среднеквадратическое отклонение физической величины баланса.

Нормированная величина трехкоординатного параметра осевого баланса (ПОБ) рассчитывалась как среднее значение суммы балансов (сагиттального (SVA), фронтального (CVA) и горизонтального (APA)) выраженных в единицах сигмального отклонения по представленным выборочным совокупностям (4).

ПОБ = (SDS_(SVA) + SDS_(СVA) + SDS_(АРА)) / 3 (4)

Статистическая обработка данных производилась с помощью пакета анализа данных Microsoft Excel-2013 и AtteStat 12.5. Количественные характеристики показателей в выборочных совокупностях представлялись в таблицах в виде (M±σ), а статистическая значимость различий определялась с использованием параметрического критерия Стьюдента. Уровень статистической значимости указывался по критерию «р» при р<0,05.

Этическая экспертиза

Все исследования проведены в соответствии с этическими стандартами Хельсинкской декларации Всемирной медицинской ассоциации «Этические принципы проведения научных медицинских исследований с участием человека» с поправками. На проведение исследований было получено разрешение комитета по этике при ФГБУ «НМИЦ ТО им. акад. Г.А. Илизарова». № 2(72) от 07.10.2022 г.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Основные показатели осевого баланса тела в положении стоя с опорой на всю стопу и на передний отдел стопы («на носках») представлены в таблице 1.

В ортостатике у здоровых обследованных не выявлено статистически значимых различий параметров в условиях основной стойки и «на носках».

Показатели динамического осевого баланса при обычной ходьбе и при функциональной пробе ходьба «на носках» представлены в таблицах 2, 3.

При отсутствии значимых различий в скоростях ходьбы обобщенные параметры балансов в трехкоординатном пространстве у мужчин и женщин также значимо не отличались. И хотя отсутствовали половые различия в отношении показателя APA в горизонтальной плоскости, у женщин по сравнению с мужчинами величины баланса SVA в сагиттальной проекции были больше (р=0,0043), а значения CVA — во фронтальной плоскости были меньше (р=0,0011).

При функциональной пробе «ходьба на носках» статистически значимых различий в балансировочной активности между полами не обнаружено, но относительно привычной ходьбы балансировочная амплитуда увеличивается у мужчин в сагиттальной плоскости (р=0,00013), а у женщин во фронтальной плоскости (р=0,0045). В горизонтальной проекции балансировочная активность увеличивается несущественно и статистически не значимо.

Окончательная картина половых различий в балансировочной активности обнаружилась при использовании функциональной пробы «ходьба на носках». В нормированных величинах трехкоординатного параметра осевого баланса (ПОБ) при ходьбе на носках вариационные характеристики баланса у женщин уменьшились на 3,5%, у мужчин существенно возросли: по сравнению с привычной ходьбой на 33,9%, по сравнению с женщинами — на 41,1%.

Значения коэффициентов вариации при оценке повторяемости и воспроизводимости показателей динамического баланса в условиях обычной ходьбы и при функциональной пробе «ходьба на носках» представлены в таблице 4.

Математически ожидаемые значения коэффициентов вариации по результатам десятикратной повторяемости и восьмикратной воспроизводимости конкретного обследуемого в соответствии с его расчетными показателями осевого баланса тела при обычной ходьбе и ходьбе «на носках» соответствовали следующим уровням вариации:

• в горизонтальной плоскости (АРА) «низкий» (7,5–10,0%);
• во фронтальной плоскости (CVA) «средний» (12,6–16,9%);
• в сагиттальной плоскости (SVA) «средний» (12,4–18,6%);
• амплитуда угла ротации плеч и таза «средний» (12,3–18,2%).

ОБСУЖДЕНИЕ

Репрезентативность выборок

Показатели динамического осевого баланса в горизонтальной, сагиттальной и фронтальной плоскости в условиях привычной ходьбы и при функциональной пробе «ходьба на носках» по всем критериям приближались к функции нормального распределения. Следовательно, несмотря на неоднородность по полу, возрасту и ограниченному числу обследованных в представленных группах, рассмотренные выборочные совокупности не только репрезентативны, но и статистически однородны.

Сопоставление с другими публикациями

По данным литературы, оценка коэффициентов вариации по параметрам кинематики и кинетики из результатов 3D‑видеоанализа ограничена. В основном в работах уделяется внимание временным параметрам цикла шага. Так, индивидуальная динамика уменьшения коэффициента вариации по длительности цикла шага является клиническим критерием положительной эффективности проводимого лечения у пациентов с идиопатической болезнью Паркинсона [14]. По коэффициенту вариации временных параметров цикла шага отмечена его значимость для прогнозирования мобильности и риска падения у пожилых людей [15], а также определения функциональной зрелости у типично развивающихся дошкольников по изменчивости длины шага (Cv=18,02%) и ширины шага (Cv=13,89%) [16]. Механизм поддержания вертикализации туловища был описан Жаном Феликсом Дюбуссе в 1975 г. как «конус экономии», в котором осевой скелет сбалансирован стопами, нижними конечностями, тазом, поясничным и шейным отделами позвоночника. Данные исследования с использованием системы визуализации, силовых платформ, поверхностной электромиографии закрепили концепцию «конуса экономии» — как фундаментальной гипотетической теории локомоции человека [17]. Полученные нами результаты исследования аналогичны опубликованным данным: динамический осевой баланса тела в сагиттальной и фронтальной плоскостях так же соответствовал критерию «средний» [18]. Данных по горизонтальной плоскости в литературе нами не найдено.

3D‑видеоанализ является самостоятельным исследованием, в динамике отражающим основные постуральные системообразующие составляющие в форме величин осевого баланса. При функциональной пробе «ходьба на носках» вариационные характеристики баланса у женщин уменьшались на 3,5%, у мужчин существенно возрастали: по сравнению с привычной ходьбой на 33,9%, по сравнению с женщинами — на 41,1% за счет усиления балансировочной активности в сагиттальной плоскости. Ротационные значения в горизонтальной плоскости (ротация плеч, таза, угол АРА) статистически значимо не меняются у мужчин и женщин. Механизм поддержания осевого баланса задействует фронтальную и сагиттальную плоскости с увеличением у мужчин значений в сагиттальной, а у женщин во фронтальной плоскости. По данным литературы отмечено, что стратегии компенсаторных механизмов поддержания баланса могут быть различными в разных ситуациях [3][19].

В контексте «конуса экономии энергии» (CОE — cone of economy) предложенного в 1975 г. J. Dubousset, при уменьшении площади опоры усиление балансировочной активности в сагиттальной плоскости является компенсаторным механизмом поддержания общего баланса тела [20]. При ходьбе на носках работа суставных мышц коленного и голеностопного суставов носит преимущественно статический характер; основную работу выполняют мышцы тазобедренного сустава, так как движения ноги происходят главным образом в этом суставе. У женщин сила мышц нижних конечностей меньше, чем у мужчин, и уменьшение площади опоры приводит к большему нарушению стабильности и увеличению боковых (фронтальных) колебаний.

Поскольку в обследованной выборочной совокупности пол и календарный возраст не обнаруживали значимого влияния на функцию распределения показателей осевого баланса, а гауссова стохастика исследуемых показателей по большинству критериев на нормальность не отвергалась, резонно предположить, что сенсомоторные системы, регулирующие и контролирующие динамический постуральный баланс осевого скелета как конечный приспособительный результат, имеют единую видовую генетически детерминированную морфофункциональную организацию [21].

Клиническая значимость результатов

Постуральный баланс тесно связан с функцией равновесия и является основным интегративным функциональным критерием сохранности ориентации тела в пространстве при прямохождении человека. В рамках профилактики вторичных нарушений и реабилитации пациентов полученные результаты позволят оценивать степень влияния остеопороза и остеопатий на сохранность постурального баланса.

В литературе отмечено, что при патологии позвоночника более высокие балансировочные диапазоны колебаний в сагиттальной и фронтальной плоскостях коррелируют с ухудшением качества жизни [22]. Вместе с тем важность кинематической активности и ее вариационных составляющих в горизонтальной плоскости уже в 1965 г. была отмечена в работах братьев Ducroquet [23].

Наряду с информативностью расчетных показателей в клинической практике в обязательном порядке рассматривается их надежность, которая в процессе использования всевозможных функциональных проб оценивается по критериям повторяемости и воспроизводимости получаемых результатов [24]. В проведенном исследовании коэффициенты вариации величин балансов, характеризующие повторяемость и воспроизводимость, были наименьшими для значений АРА (горизонтальная плоскость) и соответствовали критерию «незначительной степени» рассеивания данных. Математически ожидаемые значения коэффициентов вариации балансов в сагиттальной и фронтальной плоскостях соответствовали критерию «средней степени» рассеивания данных. Тем не менее, поскольку постуральная балансировочная регуляция осевого скелета осуществляется одновременно в трехплоскостном взаимодействии, то и динамический осевой баланс тела человека необходимо интегративно оценивать в трехкоординатном пространстве.

Ограничения исследования

Расширенное изучение балансировочных реакций в ответ на произвольные изменения темпа ходьбы могут стать информативными оценочными критериями и использоваться в качестве дополнительных функциональных проб.

Направления дальнейших исследований

Новизна исследования заключается в том, что впервые представлены нормативные значения динамического осевого баланса в трехмерном измерении для возрастной группы зрелого возраста (18–40 лет), что может стать ориентиром для дальнейших исследований у пациентов с нарушениями костного метаболизма, страдающих остеопорозом, остеопатиями и у лиц в возрасте старше 60 лет. Учитывая, различия в физической модальности величин осевого баланса (мм и градусы) и их статистическое постоянство, приближающееся к функции нормального распределения целесообразно использовать нормированные значения баланса, а для количественной функциональной оценки сенсомоторных систем, регулирующих и контролирующих его постуральные величины применять правило сигмальных отклонений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложены реперные нормативные значения динамического осевого баланса тела в возрастной группе 18–40 лет при обычной ходьбе и при функциональной пробе «ходьба на носках». В стохастической иерархии кинематических параметров осевого скелета баланс тела в горизонтальной плоскости — наиболее стабильная величина, которая в зрелом онтогенезе не только не обнаруживает статистически значимой зависимости от пола и календарного возраста, но также значимо не меняется при функциональной пробе «ходьба на носках». Угол APA (диапазон осевого баланса в горизонтальной плоскости), полученный методом 3D‑видеоанализа, имеет «незначительную степень» рассеивания данных, как в выборочной совокупности, так и при оценке повторяемости и воспроизводимости параметров. В оценке регуляторных механизмов постуральной балансировочной активности осевого скелета тела необходимо использовать интегративный трехкоординатный параметр осевого баланса в нормированных величинах.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Источники финансирования. Результаты были получены с использованием ресурсов ФГБУ НМИЦ ТО им. академика Г.А. Илизарова в рамках НИР «Возрастная эволюция динамического баланса осевого скелета в локомоторных стереотипах по данным 3D‑видеоанализа».

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с содержанием настоящей статьи

Участие авторов. Долганова Т.И. — дизайн исследования, концепция статьи, подготовка статьи к печати; Чехлова Л.Ю. — сбор материала и обработка; Долганов Д.В. — анализ материала, обсуждение статьи, внесение в рукопись правки; Черепанов И.Д. — анализ литературы, подготовка данных.

Все авторы одобрили финальную версию статьи перед публикацией, выразили согласие нести ответственность за все аспекты работы, подразумевающую надлежащее изучение и решение вопросов, связанных с точностью или добросовестностью любой части работы.