步態(tài)分析在膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷中的研究進(jìn)展

崔洪星　李偉　陳澤　張皓　孫書勤

【摘要】 近年來通過步態(tài)分析對不同階段膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷患者步態(tài)障礙進(jìn)行精確定量評估受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。步態(tài)分析能夠客觀定量評估行走過程中的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)，并分析步態(tài)障礙形成機(jī)制，從而指導(dǎo)臨床治療及損傷后康復(fù)，提高治療效果。本文就步態(tài)分析在前交叉韌帶損傷中的應(yīng)用做一綜述，旨在為臨床及研究提供參考。

【關(guān)鍵詞】 前交叉韌帶損傷 步態(tài)分析 康復(fù)

Research Progress of Gait Analysis in Anterior Cruciate Ligament Injury of Knee Joint/CUI Hongxing， LI Wei， CHEN Ze， ZHANG Hao， SUN Shuqin. //Medical Innovation of China， 2022， 19（07）： -182

[Abstract] In recent years， accurate and quantitative assessment of gait disorders in patients with anterior cruciate ligament injury of knee joint at different stages by gait analysis has been widely concerned by scholars at home and abroad. Gait analysis can objectively and quantitatively evaluate the kinematic and dynamic parameters of walking process， and analyze the formation mechanism of gait disorders， so as to guide clinical treatment and rehabilitation after injury， and improve the therapeutic effect. This article reviews the application of gait analysis in anterior cruciate ligament injury， in order to provide reference for clinical and research.

[Key words] Anterior cruciate ligament injury Gait analysis Rehabilitation

First-author’s address： Binzhou Medical University， Yantai 264003， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2022.07.042

膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）位于膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)囊內(nèi)的髁間窩處，處于膝關(guān)節(jié)的正中位置，是維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的重要解剖結(jié)構(gòu)[1]。前交叉韌帶的功能主要包括生物力學(xué)功能和本體感覺功能兩個方面。生物力學(xué)功能主要包括限制脛骨前移、膝關(guān)節(jié)過伸和內(nèi)外翻等，ACL損傷會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)向前及旋轉(zhuǎn)時的不穩(wěn)定[2]。同時，ACL可以通過其表面分布的機(jī)械感受器對協(xié)調(diào)膝關(guān)節(jié)周圍各個肌群的活動。其損傷會直接影響膝關(guān)節(jié)的神經(jīng)肌肉控制[3]，進(jìn)而產(chǎn)生步態(tài)的改變。通過步態(tài)分析了解ACL損傷患者不同階段的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)變化，能夠為臨床康復(fù)治療提供科學(xué)有效的指導(dǎo)，提高康復(fù)效率。目前國內(nèi)外已做了大量關(guān)于ACL損傷患者步態(tài)分析的研究，并且取得了一定的成果。

1 步態(tài)分析評估

近年來被研究者廣泛使用的運(yùn)動學(xué)分析儀器主要有光學(xué)運(yùn)動捕捉三維步態(tài)分析系統(tǒng)及基于傳感器的便攜式步態(tài)分析系統(tǒng)，可測量步行過程中的三維運(yùn)動數(shù)據(jù)，具有動態(tài)測量、客觀量化等優(yōu)點。與測力臺和表面肌電相結(jié)合，還可測量步行過程中的動力學(xué)參數(shù)（地反作用力和關(guān)節(jié)力矩）及肌肉的活動情況[4-5]。相較臨床常用的評分量表評估，步態(tài)分析的量化程度高，評價參數(shù)指標(biāo)詳細(xì)全面，且不容易受檢測者及被檢測者主觀因素的影響。同時相較于體格檢查與磁共振檢查，步態(tài)分析是一種更為經(jīng)濟(jì)有效的前交叉韌帶損傷診斷方法[6]。

2 ACL損傷后運(yùn)動功能障礙的機(jī)制

ACL的前內(nèi)側(cè)束韌帶主要在旋轉(zhuǎn)時保持膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，而ACL的后外側(cè)束韌帶則在控制膝關(guān)節(jié)向前的穩(wěn)定性中發(fā)揮著重要的作用，故ACL在保持膝關(guān)節(jié)向前及旋轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性方面具有重大的意義。同時，ACL結(jié)構(gòu)也含有機(jī)械感受器，其損傷會引起傳入神經(jīng)阻滯介導(dǎo)的脊柱和脊髓的運(yùn)動控制失調(diào)，直接影響膝關(guān)節(jié)的神經(jīng)肌肉控制[3]。ACL損傷可引起生物力學(xué)功能、本體感覺功能和運(yùn)動控制策略的改變，具體可表現(xiàn)為本體感覺、姿勢控制、肌肉力量的變化。因此，ACL損傷不是簡單的外周肌肉骨骼損傷，而是一種神經(jīng)生理學(xué)功能障礙[7]。

ACL重建手術(shù)是目前ACL損傷最常用的治療方法[8-9]。據(jù)統(tǒng)計，ACL損傷患者接受手術(shù)治療后，能恢復(fù)到受傷前運(yùn)動水平的比例不足45%[10-11]，很多患者術(shù)后存在本體感覺功能減退、神經(jīng)肌肉控制能力減弱、步態(tài)異常以及膝關(guān)節(jié)周圍肌群腫痛、僵硬、萎縮等問題[12-15]。ACL損傷及重建手術(shù)后膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)的變化和神經(jīng)肌肉控制的改變均可導(dǎo)致步態(tài)的異常。

3 ACL損傷后下肢運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)變化

近年來，國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)ACL損傷及ACL重建手術(shù)后下肢運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)會出現(xiàn)規(guī)律性改變。ACL損傷患者下肢運(yùn)動功能改變的運(yùn)動學(xué)機(jī)制包括時間特征異常和空間特征異常。與正常人比較，由于主動活動范圍受限及協(xié)調(diào)性下降出現(xiàn)適應(yīng)性代償，改變了下肢的步態(tài)模式，降低了步行效率。Zhang等[16]選取24例單側(cè)ACL損傷患者為試驗組，30例無膝關(guān)節(jié)損傷史的健康受試者為對照組，比較兩組受試者膝關(guān)節(jié)六個自由度運(yùn)動學(xué)的差異并據(jù)此推測可能的代償機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)ACL損傷患者步態(tài)中脛骨外旋增加，擺動相中更為明顯。在支撐相，腳的外旋導(dǎo)致地面反作用力橫向和后向位移。該研究得出結(jié)論，運(yùn)動學(xué)變化的效果是縮短杠桿臂，減少膝關(guān)節(jié)的伸展力矩。這表明患者形成了代償機(jī)制，以避免由于ACL損傷而導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)位置不穩(wěn)定或避免部分撕裂的ACL拉伸。Ursei等[17]發(fā)現(xiàn)ACL損傷患者與健康受試者相比，在首次觸地時跖屈角度減小，支撐相背屈角度減小，差異有統(tǒng)計學(xué)意義。研究表明患者踝關(guān)節(jié)發(fā)生的代償性改變，有利于提高膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。周敬濱等[18]使用高速紅外運(yùn)動捕捉系統(tǒng)對ACL損傷患者及健康人進(jìn)行步態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)損傷組步頻、步速降低，步態(tài)周期時間延長。這些時間參數(shù)的變化導(dǎo)致了步行效率下降。關(guān)節(jié)角度的改變在預(yù)承重期最為明顯，與對照組相比，損傷組膝關(guān)節(jié)最大屈角度以及踝跖屈最大角度均顯著減小（P<0.05），最大脛骨外旋角度明顯增大（P<0.05），而髖關(guān)節(jié)的最大屈曲角度與對照組相比未見明顯差異。他們的研究中同樣發(fā)現(xiàn)代償以踝關(guān)節(jié)為主，這可能是因為髖關(guān)節(jié)和骨盆的代償需要更大的能量消耗。除了膝踝關(guān)節(jié)的代償，Shi等[19]還探究了ACL損傷患者軀干姿勢的代償模式，與健康受試者相比，ACL損傷患者在下樓梯運(yùn)動中，當(dāng)膝關(guān)節(jié)矢狀面力矩結(jié)束時，軀干后傾斜度更高，在上樓梯運(yùn)動中，患膝關(guān)節(jié)冠狀面力矩開始時，對側(cè)軀干側(cè)屈較高，平地行走時，患側(cè)肩軀干旋轉(zhuǎn)角度較小。

針對ACL損傷后下肢運(yùn)動學(xué)變化，杜天舒等[20]認(rèn)為患者為避免二次損傷，會在行走時盡可能地增加對足跟區(qū)的保護(hù)，以減少患側(cè)肢體的受力，因而影響了動態(tài)足底壓力的相關(guān)參數(shù)。在患側(cè)下肢的足跟區(qū)，測得的沖量、平均峰值壓力以及壓強(qiáng)均減小，達(dá)峰值壓力的時間延長。Pei-An等[21]對急性ACL損傷患者與慢性ACL損傷患者進(jìn)行對比，慢性組雙膝伸屈肌的肌力高于急性組。然而，對于急性組和慢性組患側(cè)腿的最大扭矩，腘繩肌和股四頭肌的比例同樣高。在步態(tài)方面，急性組的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)不對稱，而慢性組沒有。急性損傷后即刻的肌力下降可能是急性期疼痛相關(guān)的神經(jīng)肌肉抑制所致。由于疼痛消退，這種抑制逐漸減輕，肌肉力量可以恢復(fù)。Sánchez-Alepuz等[22]研究發(fā)現(xiàn)ACL損傷患者健側(cè)腿的最大角加速度、5%標(biāo)準(zhǔn)化膝關(guān)節(jié)力矩、50%標(biāo)準(zhǔn)化膝關(guān)節(jié)力矩和50%標(biāo)準(zhǔn)化踝關(guān)節(jié)力矩均顯著高于健康受試者;ACL損傷患者患側(cè)腿最大膝關(guān)節(jié)角度顯著低于健康受試者，標(biāo)準(zhǔn)化膝50%標(biāo)準(zhǔn)化膝關(guān)節(jié)力矩和50%標(biāo)準(zhǔn)化踝關(guān)節(jié)力矩顯著高于健康受試者。ACL損傷患者健康腿的蹬地力明顯低于健側(cè)腿，患側(cè)腿制動力、蹬地力、擺動力較健康人顯著降低。這表明，在受傷的膝關(guān)節(jié)中，這些角度參數(shù)的改變可以通過標(biāo)準(zhǔn)化膝關(guān)節(jié)角度的變化來代償。然而，這些代償性變化的出現(xiàn)，改變了步行的正常生物力學(xué)模式，可能會增加膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生的風(fēng)險[23]。

上述實驗對ACL損傷后下肢運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)的變化做了系統(tǒng)研究，但未就損傷時間對步態(tài)的影響進(jìn)行探究。Li等[5]將90例單側(cè)ACL損傷成人，按傷后時間分為A組（3周～1.5個月）、B組（1.5個月～1年）、C組（1年以上）。采用便攜式步態(tài)采集設(shè)備監(jiān)測步態(tài)，患者以舒適的速度在50米跑道上行走，測試任務(wù)包括：行走、快走、倒走、蛇形走、雙重任務(wù)行走、上樓下樓和熱身后正常行走。研究發(fā)現(xiàn)ACL損傷1年后步態(tài)穩(wěn)定性再次下降。這種現(xiàn)象可能提示ACL損傷引起的并發(fā)癥會在損傷1年后出現(xiàn)并影響步行能力。因此，建議在損傷后1年內(nèi)進(jìn)行ACL重建手術(shù)。有研究指出，盡管ACL重建手術(shù)恢復(fù)了膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，但這些適應(yīng)性一直持續(xù)到手術(shù)后的第一年?？陀^的和患者報告的功能測量有了改善，但下肢步態(tài)仍有異常，這表明可能有潛在的神經(jīng)肌肉或本體感覺障礙。在ACL重建手術(shù)后的短期隨訪期間，許多步態(tài)適應(yīng)現(xiàn)象持續(xù)到36個月[24]。趙立連等[25]分別于手術(shù)前及手術(shù)后3個月、6個月、1年、2年隨訪了270例采用自體肌腱行ACL重建手術(shù)的ACL損傷患者。與術(shù)前相比，所有患者最后一次隨訪的平均Lysholm評分、IKDC客觀評分、IKDC主觀評分、KOOS的疼痛、癥狀、功能、日常生活及生活質(zhì)量評分、Tegner評分、KT-1000側(cè)-側(cè)差值、Lachman試驗和軸移試驗均顯著改善（P<0.05）。膝關(guān)節(jié)六自由度運(yùn)動學(xué)參數(shù)較手術(shù)前有了明顯改善（P<0.05）。患者術(shù)后重返運(yùn)動率僅為36.3%。研究表明重建術(shù)后患側(cè)膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性以及功能顯著提高，但重返運(yùn)動率較低。Wellsandt等[26]對比40名接受手術(shù)治療ACL損傷運(yùn)動員與17名接受非手術(shù)治療ACL損傷運(yùn)動員康復(fù)5年后步態(tài)變化，非手術(shù)治療的患者行走時比手術(shù)治療的患者具有更大的膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙壓力和最大膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩。1例（5.9%）接受非手術(shù)治療的患者和6例（16.7%）接受手術(shù)治療的患者在5年內(nèi)的放射學(xué)檢查中出現(xiàn)了脛股骨性關(guān)節(jié)炎。這些結(jié)果表明，非手術(shù)組步態(tài)中較高的內(nèi)側(cè)間隙接觸力和膝關(guān)節(jié)外收力矩在5年后可能不會對膝關(guān)節(jié)健康造成危害。研究證實，ACL損傷后有效的康復(fù)治療可以顯著降低重建手術(shù)的實施率，提高患者的運(yùn)動功能的恢復(fù)[27]。因此，ACL重建手術(shù)雖然能夠最大程度恢復(fù)韌帶的解剖結(jié)構(gòu)，提高下肢功能及穩(wěn)定性，但不是恢復(fù)運(yùn)動能力或預(yù)防并發(fā)癥的唯一因素，揭示ACL重建術(shù)后膝關(guān)節(jié)運(yùn)動生物力學(xué)規(guī)律和機(jī)制的變化，根據(jù)異常的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征制定精準(zhǔn)合理的康復(fù)方案[28-29]，確?；颊呓邮芨咝У目祻?fù)治療是損傷后運(yùn)動能力恢復(fù)及預(yù)防并發(fā)癥的關(guān)鍵因素[30]。

4 結(jié)語

目前步態(tài)分析廣泛應(yīng)用于ACL損傷的評估，對ACL損傷及重建手術(shù)后的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)研究已比較完善，但在臨床康復(fù)治療應(yīng)用較少，目前的康復(fù)治療方案主要是以手術(shù)后的時間為進(jìn)階標(biāo)準(zhǔn)、以“醫(yī)療經(jīng)驗”為基礎(chǔ)制定的，康復(fù)效率較低。通過步態(tài)分析客觀量化評估不同階段運(yùn)功學(xué)與動力學(xué)特征，并跟蹤評估康復(fù)治療效果，幫助醫(yī)生制定更有針對性的個體化治療方案，有利于ACL損傷及重建手術(shù)后患者運(yùn)動能力的提高，減少術(shù)后并發(fā)癥的出現(xiàn)。因此期望未來進(jìn)行更深入而長期的步態(tài)研究，加強(qiáng)與臨床康復(fù)的結(jié)合，為ACL損傷及重建手術(shù)后患者的康復(fù)治療提供新的思路。

參考文獻(xiàn)

[1] GALI J C，CAMARGO D B，OLIVEIRA F A M，et al.

Descriptive anatomy of the anterior cruciate ligament femoral insertion[J].Rev Bras Ortop，2018，53（4）：421-426.

[2]劉卉，于冰.生物力學(xué)在確定膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷危險因素中的應(yīng)用[J].體育科研，2010，31（6）：15-16.

[3] DECKER L M，MORAITI C，STERGIOU N，et al.New insights into anterior cruciate ligament deficiency and reconstruction through the assessment of knee kinematic variability in terms of nonlinear dynamics[J].Knee Surgery，Sports Traumatology，Arthroscopy，2011，19（10）：1620-1633.

[4]時會娟，黃紅拾，于媛媛，等.單純前交叉韌帶斷裂與合并半月板損傷患者的步態(tài)分析[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志，2017，36（10）：858-864.

[5] LI W，LI Z，QIE S，et al.Biomechanical Evaluation of Preoperative Rehabilitation in Patients of Anterior Cruciate Ligament Injury[J].Orthopaedic Surgery，2020，12（2）：421-428.

[6]羅鴻，劉方，李順華，等.步態(tài)分析應(yīng)用在前交叉韌帶損傷診斷中的意義[J].中國組織工程研究，2019，23（31）：4969-4973.

[7] Van MELICK N，Van CINGEL R E，BROOIJMANS F，et al.

Evidence-based clinical practice update：practice guidelines for anterior cruciate ligament rehabilitation based on a systematic review and multidisciplinary consensus[J].Br J Sports Med，2016，50（24）：1506-1515.

[8] MUSAHL V，KARLSSON J.Anterior Cruciate Ligament Tear[J].

N Engl J Med，2019，380（24）：2341-2348.

[9]陳連旭，付立功.前交叉韌帶斷裂和重建的臨床流行病學(xué)分析[J].中國組織工程研究，2016，20（24）：3602-3608.

[10] ARDERN C L，TAYLOR N F，F(xiàn)ELLER J A，et al.Return-to-sport outcomes at 2 to 7 years after anterior cruciate ligament reconstruction surgery[J].American Journal of Sports Medicine，2012，40（1）：41-48.

[11] ARDERN C L，WEBSTER K E，TAYLOR N F，et al.Return to sport following anterior cruciate ligament reconstruction surgery：a systematic review and meta-analysis of the state of play[J].British Journal of Sports Medicine，2011，45（7）：596-606.

[12]郝永紅，周軍，孫鴻安，等.本體感覺強(qiáng)化訓(xùn)練對前交叉韌帶重建患者術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能的影響[J].中華物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)雜志，2012，34（5）：388-389.

[13]馬釗，周謀望，谷莉，等.前交叉韌帶重建術(shù)后患者平衡功能的研究[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2010，25（7）：625-627.

[14] M?NSSON O，KARTUS J，SERNERT N.Health-related quality of life after anterior cruciate ligament reconstruction[J].Am J Sports Med，2011，19（3）：479-487.

[15] BARENIUS B，PONZER S，SHALABI A，et al.Increased risk of osteoarthritis after anterior cruciate ligament reconstruction：a 14-year follow-up study of a randomized controlled trial[J].American Journal of Sports Medicine，2014，42（5）：1049-1057.

[16] ZHANG L Q，SHIAVI R G，LIMBIRD T J，et al.Six degrees-of-freedom kinematics of ACL deficient knees during locomotion-compensatory mechanism[J].Gait Posture，2003，17（1）：34-42.

[17] URSEI M E，ACCADBLED F，SCANDELLA M，et al.Foot and ankle compensation for anterior cruciate ligament deficiency during gait in children[J].Orthop Traumatol Surg Res，2020，106（1）：179-183.

[18]周敬濱，李國平，李方祥.慢性膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷患者步態(tài)的運(yùn)動學(xué)分析[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志，2012，31（10）：898-901.

[19] SHI D，LI N，WANG Y，et al.Gait modification strategies in trunk over right stance phase in patients with right anterior cruciate ligament deficiency[J].Gait Posture，2016，46：63-68.

[20]杜天舒，成西俠，張春禮，等.前交叉韌帶損傷患者動態(tài)足底壓力變化[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志，2016，35（6）：520-526.

[21] PEI-AN Y，F(xiàn)AN C H，KUO L T，et al.Differences in gait and muscle strength of patients with acute and chronic anterior cruciate ligament injury[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2020，80：105161.

[22] SáNCHEZ-ALEPUZ E，MIRANDA I，MIRANDA F J.Evaluación funcional de los pacientes con rotura del ligamento cruzado anterior.Estudio analítico transversal[J].Rev Esp Cir Ortop Traumatol （Engl Ed），2020，64（2）：99-107.

[23] ARHOS E K，CAPIN J J，BUCHANAN T S，et al.Quadriceps Strength Symmetry Does Not Modify Gait Mechanics After Anterior Cruciate Ligament Reconstruction，Rehabilitation，and Return-to-Sport Training[J].The American Journal of Sports Medicine，2021，49（2）：417-425.

[24] SLATER L V，HART J M，KELLY A R，et al.Progressive Changes in Walking Kinematics and Kinetics After Anterior Cruciate Ligament Injury and Reconstruction：A Review and Meta-Analysis[J].Journal of Athletic Training，2017，52（9）：847-860.

[25]趙立連，盧明峰，邢基斯，等.前交叉韌帶重建術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能及三維運(yùn)動步態(tài)分析[J/OL].中華關(guān)節(jié)外科雜志（電子版），2021，15（1）：23-32.

[26] WELLSANDT E，KHANDHA A，CAPIN J，et al.Operative and nonoperative management of anterior cruciate ligament injury：Differences in gait biomechanics at 5 years[J].Journal of Orthopaedic Research，2020，38（12）：2675-2684.

[27] FROBELL R B，ROOS E M，ROOS H P，et al.A randomized trial of treatment for acute anterior cruciate ligament tears[J].

N Engl J Med，2010，363（4）：331-342.

[28] CULVENOR A G，BARTON C J.ACL injuries：the secret probably lies in optimising rehabilitation[J].Br J Sports Med，2018，52（22）：1416-1418.

[29] HERZOG M M，MARSHALL S W，LUND J L，et al.Incidence of Anterior Cruciate Ligament Reconstruction Among Adolescent Females in the United States，2002 Through 2014[J].JAMA Pediatr，2017，171（8）：808-810.

[30] CIEZA A，CAUSEY K，KAMENOV K，et al.Global estimates of the need for rehabilitation based on the Global Burden of Disease study 2019：a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2019[J].Lancet，2021，396（10267）：2006-2017.

（收稿日期：2022-02-08） （本文編輯：田婧）