三維步態(tài)分析技術(shù)在腦卒中后偏癱步態(tài)中的應(yīng)用進展

胡填，古劍雄

一項流行病學(xué)調(diào)查顯示，中國腦卒中發(fā)病率較過去30年明顯增加［1］。腦卒中是成年人獲得性殘疾的主要病因［2］，其中步行障礙是影響腦卒中患者正常生活的主要運動功能障礙之一。腦卒中患者多因下肢伸肌痙攣而出現(xiàn)骨盆后縮、髖關(guān)節(jié)伸展內(nèi)旋、膝關(guān)節(jié)伸展、足內(nèi)翻、跖屈，致使其行走時需提髖，下肢外旋、外展才能順利邁步，表現(xiàn)為患側(cè)下肢經(jīng)外側(cè)劃半圓弧再回旋向前邁步，這種偏癱步態(tài)模式又稱“劃圈步態(tài)”［3］。為了更準確地量化腦卒中患者的步行能力，臨床工作者引入了三維步態(tài)分析系統(tǒng)。三維步態(tài)分析系統(tǒng)是由三維光電跟蹤系統(tǒng)、肌電遙測系統(tǒng)、足底壓力采集測量系統(tǒng)及計算機處理系統(tǒng)4部分組成，其中三維光電跟蹤系統(tǒng)可捕捉放置于受試者身體特定位置的反射標志物，肌電遙測系統(tǒng)可動態(tài)觀察受試者肌電活動情況，足底壓力采集測量系統(tǒng)可以反映受試者行走時地面對足底的支撐反應(yīng)力，計算機處理系統(tǒng)可整合處理各項數(shù)據(jù)并描繪成數(shù)據(jù)表格或統(tǒng)計圖［4］。三維步態(tài)分析技術(shù)是指檢查者通過三維步態(tài)分析系統(tǒng)所導(dǎo)出的關(guān)于受試者行走時的時空參數(shù)、運動機能學(xué)參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)、肌電活動參數(shù)和能量消耗參數(shù)等［5］來客觀地評價其步行能力，總結(jié)步態(tài)規(guī)律，分析步態(tài)異常的病因，從而為醫(yī)學(xué)診斷、手術(shù)決策制定和療效評定提供科學(xué)依據(jù)。

近年來，隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和三維步態(tài)分析系統(tǒng)的不斷改進，三維步態(tài)分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物力學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、康復(fù)工程和體育科學(xué)等諸多領(lǐng)域。三維步態(tài)分析系統(tǒng)客觀、精準的測量結(jié)果有助于醫(yī)務(wù)工作者鑒定傷殘、制定治療方案、評價療效及設(shè)計研發(fā)矯形器具等，且其在探究腦卒中后偏癱患者異常運動模式中的應(yīng)用已日趨成熟。三維步態(tài)分析技術(shù)是臨床評價腦卒中后偏癱患者步態(tài)的“金標準”［6-7］。本文就三維步態(tài)分析技術(shù)在評估腦卒中后偏癱步態(tài)中的應(yīng)用進展進行綜述，以期為患者制定更有針對性的康復(fù)方案提供參考。

1 腦卒中后偏癱步態(tài)的三維步態(tài)分析

1.1 時空參數(shù)研究 步態(tài)的時空參數(shù)包括步速、步頻、步長、步幅、步寬、步態(tài)周期和步態(tài)時相。腦卒中后偏癱患者的異常步態(tài)主要表現(xiàn)為步速減慢，步長縮短，步幅降低，步寬增大，步態(tài)周期延長［8］。步速和步長的改善常作為偏癱患者的主要結(jié)局指標或次要結(jié)局指標而被臨床研究者廣泛應(yīng)用［9-11］。步速、步長可用于評價腦卒中患者的步行能力，且步長的偏差可用于評價步態(tài)的對稱性［12］。單莎瑞等［13］研究表明，步速和雙支撐相是社區(qū)健康老年人Berg平衡量表（Berg Balance Scale，BBS）得分的主要影響因素。PARK等［14］通過三維步態(tài)分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)，步速和步長的改善可以提高腦卒中患者卒中專門生存質(zhì)量量表（Stroke-specific Quality-of-life，SSQOL）得分，且患者BBS得分與SSQOL得分呈正相關(guān)。上述研究均提示步速、雙支撐相、步長對腦卒中后偏癱患者平衡能力具有潛在的評估價值。

腦卒中患者常因偏癱側(cè)肢肌肉無力、痙攣和活動受限而導(dǎo)致其出現(xiàn)不對稱行走，步態(tài)不穩(wěn)，進而增加跌倒風(fēng)險［15］。步態(tài)周期參數(shù)中的擺動相/支撐相比值常用于衡量患者步行質(zhì)量和步態(tài)恢復(fù)情況［16］。榮湘江等［17］指出，患側(cè)下肢單支撐期縮短是導(dǎo)致腦卒中患者步行能力下降的根本原因。盛逸瀾等［18］研究也證實了這一觀點，而踝關(guān)節(jié)、足下垂功能矯正貼治療可增強腦卒中患者患側(cè)肢體的支撐能力，降低擺動相/支撐相比值，從而改善步態(tài)，增強步行能力。

1.2 運動機能學(xué)參數(shù)研究 腦卒中患者由于患側(cè)下肢各關(guān)節(jié)活動受限、控制能力下降及分離運動不充分等原因而導(dǎo)致患側(cè)髖、膝、踝關(guān)節(jié)的活動度均較正常健康人減?。?9］，主要體現(xiàn)在患側(cè)下肢在擺動過程中屈髖、屈膝和踝背屈的角度不足。國內(nèi)外大量研究表明，干預(yù)性的康復(fù)治療方案可通過改善患者患側(cè)髖、膝、踝關(guān)節(jié)的活動度來增強患者的步行能力［20-24］。因此，利用三維步態(tài)分析技術(shù)測量患側(cè)髖、膝、踝關(guān)節(jié)的活動角度也可用于評價腦卒中后偏癱程度。此外，行走時下肢各關(guān)節(jié)活動的相互關(guān)系也可用于指導(dǎo)康復(fù)方案的制定。ROCHE等［25］首次發(fā)現(xiàn)，腦卒中患者患側(cè)下肢在跨步時髖關(guān)節(jié)屈曲角度與踝關(guān)節(jié)背屈角度呈負相關(guān)（r=-0.26），提示臨床可通過采取近端策略（踝背屈能力不足時增加屈髖能力進行補償）或遠端策略（鍛煉踝背屈能力以克服屈髖能力不足）來改善足廓清障礙。

1.3 動力學(xué)參數(shù)研究

1.3.1 足-地接觸力 足-地接觸力可按垂直、前后和左右方向做三維記錄。在整個步態(tài)周期中，正常健康人在垂直方向上的地面反作用力（ground reaction force，GRF）曲線表現(xiàn)為對稱雙峰［5］，可反映“足跟著地-足部放平-足尖蹬地”的過程。受偏癱步態(tài)的影響，腦卒中患者足跟著地和足尖蹬地的表現(xiàn)減弱或消失，GRF曲線由正常的對稱雙峰變?yōu)椴灰?guī)則，且由于患側(cè)下肢單支撐相縮短，存在對稱雙峰第一波峰延遲和第二波峰提前的現(xiàn)象［26］。另外，腦卒中后偏癱患者由于患側(cè)肢體無力，需要依靠健側(cè)肢體支撐身體，所以腦卒中后偏癱患者與正常健康人的區(qū)別主要在于雙下肢的不對稱性，且LEE等［27］發(fā)現(xiàn)腦卒中患者健側(cè)GRF明顯小于健康受試者的優(yōu)勢側(cè)。ARDESTANI等［28］在探究腦卒中患者行走能力時發(fā)現(xiàn)，腦卒中患者在訓(xùn)練室行走時，患側(cè)GRF曲線的雙峰比明顯增高，患側(cè)負重能力增加15%～25%，負重對稱性增加11%～24%，提示在對腦卒中后偏癱患者進行步行訓(xùn)練時可能會高估患者的行走能力而導(dǎo)致跌倒風(fēng)險增加。

1.3.2 關(guān)節(jié)力矩 力矩是描述力對物體轉(zhuǎn)動作用的物理量。人類所有的復(fù)雜動作是由肌肉收縮發(fā)力牽拉骨骼引起關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動所促成的，并由神經(jīng)系統(tǒng)控制，因此關(guān)節(jié)力矩是力與關(guān)節(jié)活動范圍的乘積。在已知GRF和關(guān)節(jié)角度曲線的情況下，可采用逆向動力學(xué)分析法計算下肢關(guān)節(jié)力矩［5］。關(guān)節(jié)力矩是臨床診斷下肢功能損傷最敏感的指標［29］。

腦卒中患者下肢關(guān)節(jié)力矩降低多因相關(guān)肌肉群肌力下降和下肢伸肌痙攣所致，主要體現(xiàn)在屈髖、伸髖、伸膝和踝背伸［30］。全俊等［31］研究發(fā)現(xiàn)，腦卒中后偏癱患者患側(cè)膝關(guān)節(jié)屈肌/伸肌峰值力矩（hamstring/quadriceps，H/Q）比值與BBS得分、起立-行走計時測試（timed up and go test，TUGT）得分、10 m步行距離（ten-meter walking distance，10MWD）、穩(wěn)定極限和偏移指數(shù)等均具有相關(guān)性，提示H/Q比值可較客觀地評價腦卒中后偏癱患者的平衡和步行能力。

1.4 肌電活動參數(shù)研究 已有研究證實，腦卒中后偏癱患者患側(cè)肌肉運動功能單位數(shù)量及放電量均減少，肌肉纖維類型發(fā)生轉(zhuǎn)變［32］，這些因素均可導(dǎo)致偏癱側(cè)肌無力，不利于步行能力的恢復(fù)。楊慧馨等［33］通過表面肌電分析系統(tǒng)探討太極拳和八段錦是否可以改善腦卒中患者下肢運動功能，結(jié)果顯示，治療后八段錦組、太極拳組患者踝背屈時脛骨前肌肌電積分值（integrated electromyogram，iEMG）升高，且均高于常規(guī)治療組，表明患者練習(xí)太極拳和八段錦后小腿主動肌電活動增強，兩種鍛煉方法均可有效恢復(fù)患者的下肢運動功能。D'SOUZA等［34］研究表明，腦卒中后偏癱患者在社區(qū)環(huán)境下行走時，患側(cè)下肢股直肌、股二頭肌、脛前肌和腓腸肌的肌肉最大自主收縮（maximum voluntary contraction，MVC）百分比均降低，肌電活動明顯減少。上述研究提示在訓(xùn)練患者步行能力時應(yīng)注重模擬真實環(huán)境，加強患者在雙重任務(wù)甚至多任務(wù)下的步行訓(xùn)練。

1.5 能量消耗參數(shù)研究 氧價（oxygen cost，OC）是指運動時人體單位體質(zhì)量、單位距離所消耗的氧氣量，其單位是ml?kg-1?m-1［5］，主要通過氣體代謝分析儀測出的耗氧量（oxygen consumption，VO2）進行計算，可定量評價人體在運動過程中的能量消耗，OC越小，表明人體運動時所消耗的能量越少。腦卒中后偏癱患者步速緩慢、不對稱性行走［35］等異常步態(tài)均可增加能量消耗。VO2的研究有利于為腦卒中患者制定個體化的運動強度。MUNARI等［36］將16例慢性腦卒中患者分為兩組，一組接受高強度間歇跑步機訓(xùn)練（high-intensity treadmill training，HITT），另一組接受低強度持續(xù)跑步機訓(xùn)練（low-intensity treadmill training，LITT），結(jié)果顯示，與接受LITT患者相比，接受HITT患者的步行能力較好，且最大步速行走時OC降低，同時VO2峰值升高，提示HITT對于腦卒中患者是可行、安全的。

2 三維步態(tài)分析技術(shù)在中國的挑戰(zhàn)

上述研究表明，三維步態(tài)分析技術(shù)中的時空、運動機能學(xué)和動力學(xué)等步態(tài)參數(shù)能較好地反映腦卒中后偏癱患者的步行功能。但三維步態(tài)分析技術(shù)因儀器昂貴、評估耗時長、產(chǎn)生數(shù)據(jù)較多且不易使用等限制了其在臨床中的廣泛應(yīng)用。

2.1 三維步態(tài)分析技術(shù)應(yīng)用成本昂貴 目前，三維步態(tài)分析系統(tǒng)需要有足夠的空間來安放多攝像機運動捕捉系統(tǒng)和力檢測平臺［37］，且患者在評估時需要一個相對安靜的環(huán)境，這就要求醫(yī)院需要建設(shè)專門的實驗室來擺放三維步態(tài)分析系統(tǒng)。另外，由于國內(nèi)對于研發(fā)系統(tǒng)的技術(shù)還不成熟，主流三維步態(tài)分析系統(tǒng)多來自國外［38］，這無疑增加了科室的運營成本。

2.2 三維步態(tài)分析技術(shù)耗時、費力 三維步態(tài)分析技術(shù)主要是依賴放置于人體上反射標志物的反饋，這些常用的反射標志物多達30個［39］，這在準備、測量過程中十分耗時。此外，在系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時需要患者進行反復(fù)行走，這對腦卒中后偏癱患者無疑是一項不小的挑戰(zhàn)。

2.3 三維步態(tài)分析技術(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)用困難 基于三維步態(tài)分析技術(shù)的評估會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，雖然客觀，但在臨床應(yīng)用中十分復(fù)雜。研究表明，由于步行期間關(guān)節(jié)之間的相互關(guān)系，即一個關(guān)節(jié)的異?？赡軙诹硪粋€關(guān)節(jié)、另一個平面或步態(tài)周期的另一個階段產(chǎn)生異常步態(tài)的效應(yīng)［40］，這就要求評估者需要具備扎實的生物力學(xué)理論基礎(chǔ)和足夠的多學(xué)科知識儲備。同時如何更好地將這些“過載”數(shù)據(jù)與腦卒中患者功能障礙聯(lián)系起來對評估者來說也是一項挑戰(zhàn)。

3 小結(jié)與展望

三維步態(tài)分析技術(shù)因其可客觀、敏感地定量評價患者的下肢運動功能而廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科、骨科和康復(fù)科等臨床一線科室，幫助醫(yī)生和治療師對患者的步行功能進行臨床診斷、制定康復(fù)方案和療效評估。三維步態(tài)分析技術(shù)在臨床應(yīng)用中雖存在著諸多不足，但隨著我國醫(yī)療事業(yè)的不斷發(fā)展，患者對精準診療的需求不斷提高，三維步態(tài)分析技術(shù)的優(yōu)勢還有待進一步挖掘。

3.1 測量結(jié)果的解釋需要標準化 三維步態(tài)分析技術(shù)會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，且測量數(shù)據(jù)較客觀，但檢查者對于各項參數(shù)的解釋卻是主觀的，因此有必要建立一個廣泛認可的參數(shù)指南用以標準化解讀各項步態(tài)參數(shù)，進而客觀地評估患者的步行能力。

3.2 推廣便攜式步態(tài)分析儀的使用 近年來，便攜式步態(tài)分析儀憑借其操作簡便、所需成本較低等特點而被研發(fā)并代替三維步態(tài)分析系統(tǒng)。有研究表明，通過便攜式步態(tài)分析儀分析的健康人群［41］和腦卒中患者［42］的步態(tài)參數(shù)均具有良好的信度。因此，筆者認為便攜式步態(tài)分析儀值得在一些無法提供特殊場地和經(jīng)費不足的醫(yī)院如二級醫(yī)院和社區(qū)醫(yī)院中推廣使用，使精確化診療走向社區(qū)。

作者貢獻：胡填進行文章的構(gòu)思與設(shè)計，文獻/資料的收集、整理，撰寫及修訂論文；古劍雄進行文章的可行性分析，負責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校，并對文章整體負責(zé)、監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。