RESEARCH DESCRIPTION

Project Name: การวิเคราะห์พัฒนาการทรงท่าและท่าทางการเดินในเด็กที่มีความผิดปกติในการเคลื่อนไหวเนื่องมาจากความผิดปกติของสมอง (Three-dimensional analysis of sensorimotor on postural control and gait in children with cerebral palsy)

Researcher: Araya Yankai

Organization:Associated Medical Sciences/Physical Therapy

Time:1 October 2008 - 7 April 2011

RESEARCHER

  1. Araya Yankai (Head of project)

BUDGET

  1. BioMedical Engineering Center 33,500 Baht

ABSTRACT

การเคลื่อนไหวผิดปกติที่พบในเด็กที่มีความผิดปกติของสมองชนิดสมองพิการ cerebral palsy ทำให้เกิดความจำกัดในการปรับเปลี่ยนท่าทาง การลุกนั่ง การยืนทรงตัว และการเดิน การประเมินความสามารถในการเคลื่อนไหวอาจทำได้ด้วยการสังเกตท่าทางและการเดินด้วยตาเปล่าทางคลินิก อย่างไรก็ตาม ข้อมูลที่ได้อาจไม่สามารถอธิบายกลไกในการชดเชยการเคลื่อนไหวของส่วนหนึ่งของร่างกายที่มีต่อส่วนอื่นๆ ของร่างกายได้ โดยเฉพาะในขณะเดิน การวิเคราะห์การเคลื่อนไหวด้วยชุดวัดการเคลื่อนไหว 3 มิติ (Three-dimensional Motion Analysis System; 3D MAS) สามารถระบุเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในช่วงต่างๆ ของการเดินได้อย่างแม่นยำ การศึกษาครั้งนี้ จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อวัดการเคลื่อนไหว 3 มิติ และใช้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์ในการอธิบายเหตุการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นในขณะเดินและยืนทรงท่าในเด็กสมองพิการ

การบันทึกการเคลื่อนไหวด้วย 3D MAS เกิดขึ้นสองช่วงภายในช่วง 13 สัปดาห์ โดยบันทึกการเดินของเด็กสมองพิการจำนวน 8 คน อายุ 6-13 ปี โดยเด็กทั้งหมดจะต้องสวมรองเท้า สวมชุดว่ายน้ำและได้รับการติดลูกปัดเรืองแสง (markers ) ทั้งหมด 32 ลูกปัด ที่มีความไวต่อการบันทึกข้อมูลของกล้องความเร็วสูง เพื่อเป็นข้อมูลแสดงการเคลื่อนย้ายตำแหน่งของร่างกายไปในจุดต่างๆ กันที่เกิดขึ้นตามวงจรการเดิน การวิเคราะห์ข้อมูลด้วยสถิติเชิงพรรณนาจะแสดงในรูปแบบของค่าพิสัยของตำแหน่งพิกัดของลูกปัดเรืองแสง เพื่อระบุการเบี่ยงเบนจากตำแหน่งอ้างอิงและการเบี่ยงเบนของตำแหน่งของร่างกายทั้ง 3 ทิศทาง ได้แก่ในแนวข้างซ้ายขวา (X), แนวดิ่ง (Y), และในทิศทางไปข้างหน้า (Z) ซึ่งหมายถึงระยะทางการเดินไปข้างหน้า ผลจากการบันทึกการเดินทั้ง 2 รอบ พบว่าในขณะเดินค่าเฉลี่ย (SD) พิสัยการเคลื่อนที่ของตำแหน่งพิกัดในแนวข้างซ้ายขวาของตำแหน่งแกนกลางลำตัวที่คอระดับ C7 เท่ากับ 25.18 (8.1)  และ 23.36 (6.72) ซม. และที่สะโพกระดับ sacrum เท่ากับ 23.61 (8.61) และ 24.23 (5.53) ซม. แนวดิ่งของตำแหน่งแกนกลางลำตัวที่ระดับ C7 เท่ากับ 5.44 (1.50) และ 5.33 (1.31) ซม. และที่ sacrum เท่ากับ 5.69 (1.39) และ 6.14 (1.68) ซม. ในส่วนของขา พบว่าส้นเท้าซึ่งเป็นส่วนที่เด็กทุกคนมีปัญหาเรื่องการหดสั้นของเอ็นร้อยหวายจนส่งผลให้ไม่สามารถเหยียดส้นเท้าเพื่อสัมผัสพื้นได้เต็มที่ขณะเดิน พบว่ามีการแกว่งหรือเคลื่อนที่ของ markers ที่ส้นเท้าในแนวซ้ายขวามากที่สุด คือ 22.93 (6.81) และ 29.56 (11.02) ซม. ของขาซ้าย และ 22.17 (5.63) และ 21.94 (8.12) ซม. ของขาขวา การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งของ markers ที่ส้นเท้า ได้แก่ 13.79 (4.63) และ 14.98 (7.13) ซม. ของขาซ้าย และ 13.40 (2.48) และ 14.00 (5.59) ซม. ของขาขวา ในส่วนของกึ่งกลางข้อเข่า พบว่า markers ที่ข้อเข่ามีการเคลื่อนที่ในแนวซ้ายขวา เท่ากับ 23.33 (9.27) และ 20.66 (10.18) ซม. ของขาซ้าย และ 23.02 (6.64) และ 20.55 (9.96) ซม. ของขาขวา และเคลื่อนที่ในแนวดิ่งเท่ากับ 9.43 (5.10) และ 8.88 (5.75) ซม. ของขาซ้าย และ 9.60 (3.94) และ 9.28 (6.08) ซม. ของขาขวา

การวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของตำแหน่งพิกัดในแนวข้างหน้าสามารถบ่งชี้ความเร็วในการเดินได้ โดยเด็กทั้ง 8 คน มีความเร็วในรอบที่ 1 ตั้งแต่ 4.48 ถึง 38.99 ซม./วินาที โดยมีความเร็วเฉลี่ย 21.82 (13.34) ซม./วินาที ความเร็วในรอบที่ 2 ตั้งแต่ 5.55 ถึง 37.32 ซม./วินาที โดยมีความเร็วเฉลี่ย 17.22 (11.30) ซม./วินาที ซึ่งความเร็วเฉลี่ยในเด็กกลุ่มนี้มีค่าเท่ากับความเร็วในการเดินปกติของผู้ป่วยอัมพาตครึ่งซีก (Cooke et al, 2010) ซึ่งเท่ากับ 17 ถึง 27  ซม./วินาที แต่ความเร็วสูงสุดในเด็กกลุ่มนี้สูงกว่าความเร็วในการเดินปกติของผู้ป่วยอัมพาตครึ่งซีก (38.99 and 37.32 ซม./วินาที จากการบันทึกการเดินทั้งสองรอบ)

ผลการวิเคราะห์ข้อมูลการเดินสามมิติในการศึกษาครั้งนี้ ทำให้ทราบว่า ตำแหน่งของจุดศูนย์ถ่วงของร่างกายที่ระดับสะโพกจะเคลื่อนที่ในแนวซ้ายขวาตั้งแต่ 13.19 - 35.96 และ 17.32 - 33.61 ซม. ทั้ง 2 รอบ ซึ่งมากกว่าการเดินปกติในผู้ใหญ่ที่มีค่าเฉลี่ย 4.8 (1.0) ซม. ค่าพิสัย 3.4 - 7.3 ซม. (Gard & Childress, 1997) และในผู้ป่วยอัมพาตครึ่งที่มีค่าเฉลี่ย 6.5 (2.1) ซม. ค่าพิสัย 3.9 - 12.5 ซม. (Dodd & Morris, 2003) ส่วนการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งของระดับสะโพกในเด็กสมองพิการจากการบันทึกทั้งสองรอบมีค่า 3.26 - 7.36 และ 4.03 - 8.96 ซม. ตามลำดับ ซึ่งใกล้เคียงผู้ใหญ่คนปกติที่มีความสูงเพิ่มในวงจรการเดิน 9.5 ซม. (Perry, 1992) ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเด็กสมองพิการมีการเคลื่อนที่ของตำแหน่งของร่างกายแนวข้างซ้ายขวามากกว่าปกติมาก แม้ว่าจะยังไม่มีการศึกษาเปรียบเทียบการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งและแนวข้างซ้ายขวาของ markers ในจุดอื่นๆ ภายในกลุ่มเด็กสมองพิการ การศึกษาครั้งนี้ ให้ข้อมูลที่เป็นไปในทิศทางเดียวกันจากการบันทึกการเดินทั้งสองครั้ง ซึ่งทำให้ทราบข้อมูลการชดเชยการเคลื่อนไหวของแกนกลางลำตัวที่ระดับคอและสะโพกมากกว่าจุดอื่นในการรักษาสมดุลย์ขณะเดิน ซึ่งจะต้องนำข้อมูลทั้งหมดจากการศึกษาครั้งนี้มาวิเคราะห์เพิ่มเติมในเชิงลึกมากขึ้น เพื่อให้ทราบกลไกที่มีความจำเป็นในการควบคุมและชดเชยการเคลื่อนไหวที่ผิดปกติขณะเดินได้ดียิ่งขึ้น

Movement disorders occurring in children with cerebral palsy has contributed to a limitation of postural modification, standing up from sitting, standing balance and walking.  Assessment of the movement ability may be done by clinical observing posture and walking, however, clinical data may not be sufficient to explain movement compensation mechanism of part of the body toward the other parts .of the body, especially when walking.  Analysis of movement with a three-dimensional motion analysis system (3D MAS) provides sufficient data to precisely identify various events that occur during walking.  This study aimed to measure three dimensional motions of standing posture and walking in children with cerebral palsy and to use these useful data in explaining events that occurs while standing and walking in those children.

Data collection of recorded walking by using 3D MAS occurred during two periods within 13 weeks. Eight cerebral palsy children were participated voluntarily, with aged ranged 6-13 years old. All children were asked to wear shoes and a swim gear.  Thirty-two retro-reflective markers , that are sensitive to the high-speed cameras, were attached to the specific ladnmarks.  Series of 3D movement were detected from these markers , indicating the location and displacement of the moving body in various time frames of walking cycles.  Descriptive statistics analysis was used to explain the displacement of markers in coordination with reference values and parts of body movement in three directions, including the left-right (X), vertical (Y), and in the forward direction (Z), which means walking forward direction.  The results of walking data from both recording sets revealed the displacement of core body in left-right direction at neck, C7 were 25.18 (8.1) and 23.36 (6.72) cm, and at the hip,  sacrum were 23.61 (8.61) and 24.23 (5.53) cm.  Displacement of core body in the vertical direction at C7 were 5.44 (1.50) and 5.33 (1.31) cm., and at sacrum were 5.69 (1.39) and 6.14 (1.68) cm.  Markers at heels revealed large displacements in left-right direction.  Since all children have contraction of Tendo Achilles' tendon, their heels were not able to touch with the floor during walking.  Displacements of heel markers in left-right direction from both recording sets were 22.93 (6.81) and 29.56 (11.02) cm. of left leg, and 22.17 (5.63) and 21.94 (8.12) cm. of right leg.  Displacements of heel markers in vertical direction were 13.79 (4.63) and 14.98 (7.13) cm. of left leg, and 13.40 (2.48) and 14.00 (5.59) cm. of right leg.  At the middle of the knee showed that markers moved in left-right direction were 23.33 (9.27) and 20.66 (10.18) cm. of left leg, and 23.02 (6.64) and 20.55 (9.96) cm. of right leg.  Displacements of knee markers in the vertical direction were 9.43 (5.10) and 8.88 (5.75) cm. of left leg, and 9.60 (3.94) and 9.28 (6.08) cm. of right leg.

Analysis of displacement of markers in forward direction indicated the walking velocity.  All children had walking velocity, in the first data sets ranged from 4.48 to 38.99 cm/sec. with average of 21.82 (13.34) cm/sec, and in the second set ranged from 5.55 to 37.32 with average of 17.22 (11.30) cm/sec.  Although average walking speed in this study was similar to those of comfortable velocity of hemiparetic adults which were 17 to 27 cm/sec (Cook et al, 2010), the highest velocity recorded from these children was higher (38.99 and 37.32 cm./sec for both sets).

The results of 3D analysis of walking in this study suggested that the center of gravity of the body which located at center of the hip moved in left-right direction ranged from 13.19 - 35.96 and17.32 - 33.61 cm for both recording sets.  These displacement were larger than those found in normal adult walking, with average of 4.8 (1.0) cm and ranged from 3.4 to 7.3 cm (Gard & Childress, 1997) and than those found in hemiparetic adult walking, with average of 6.5 (2.1) cm and ranged from 3.9 to 12.5 cm (Dodd & Morris, 2003).  Vertical displacement of the hip in this study from both recording sets ranged from 3.26 to 7.36 and from 4.03 to 8.96 cm respectively.  These vertical displacements were similar to those found in normal adult walking, in which the height is raised about 9.5 cm for every walking cycle (Perry, 1967).  The findings of this study showed that cerebral palsy children had displacement of body in the left-right direction significantly lager than normal walking.  However, there is no comparative study of displacements in vertical and left-right direction of other parts of the body in cerebral palsy children.  In conclusion, this study provided information in the same manner from both recording sets.  This allows information of compensate movement of the core body at the neck and hips, in order to keep balance while walking.  This will need to further analyze all data from this study in more depth, thereby; mechanisms needed to control and compensate for abnormal walking may be well identified.