踝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的步態(tài)特征研究

劉振偉，徐朱杰，高天舒，周一逸，劉儀

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬無(wú)錫人民醫(yī)院骨科，江蘇 無(wú)錫 214000)

踝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎(ankle osteoarthritis，AOA)是一種常見(jiàn)的慢性關(guān)節(jié)疾病，具有病程長(zhǎng)、治療困難和手術(shù)致殘率高等特點(diǎn)[1]。有文獻(xiàn)報(bào)道，全世界約有1%的成年人患有AOA[2]。與其他骨關(guān)節(jié)炎類似[3]，AOA主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)疼痛、畸形和功能障礙等非特異性癥狀。除此之外，AOA往往還伴隨著步態(tài)異常[4]。近年來(lái)，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者將步態(tài)分析技術(shù)應(yīng)用到AOA的下肢功能監(jiān)測(cè)中，以協(xié)助臨床診斷和治療術(shù)式的選擇。作者通過(guò)檢索大量文獻(xiàn)，就步態(tài)分析技術(shù)在AOA中的應(yīng)用進(jìn)行全面綜述。

1 步態(tài)分析概述

步態(tài)分析技術(shù)是通過(guò)運(yùn)用力學(xué)原理、人體解剖學(xué)及生理學(xué)等知識(shí)對(duì)人類行走狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析的一種研究方法[5]。公元前384年，亞里士多德首次從理論上分析人體步態(tài)。17世紀(jì)，科學(xué)家開(kāi)始使用卷尺、秒表及望遠(yuǎn)鏡等工具來(lái)測(cè)量步態(tài)?，F(xiàn)階段的步態(tài)分析系統(tǒng)包括平面定點(diǎn)攝像技術(shù)、測(cè)力板、表面肌電圖及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等。

目前，常用的步態(tài)參數(shù)主要包括：(1)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，主要用來(lái)描述人體的運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡特征，分為時(shí)空參數(shù)和關(guān)節(jié)角度參數(shù)，時(shí)空參數(shù)包括步速、步頻、步長(zhǎng)及步態(tài)周期中各時(shí)相的時(shí)間占比等，關(guān)節(jié)角度參數(shù)是指髖、膝、足關(guān)節(jié)在矢狀面、冠狀面和水平面上的角度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其中，步速、步頻和步長(zhǎng)能夠直接體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能力，而支撐相和擺動(dòng)相的步態(tài)周期百分比反映了人體在行走過(guò)程中的穩(wěn)定性大小。(2)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，主要是指步行過(guò)程中足底與地面作用力的時(shí)間、強(qiáng)度和方向等，包括力矩和地面反作用力。力矩是力與關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的乘積，與肌肉力量和關(guān)節(jié)穩(wěn)定性密切相關(guān)。地面反作用力可分為垂直、矢狀和冠狀三個(gè)方向，垂直地面反作用力曲線呈“M”型，與足底著地時(shí)的體重接受度呈正相關(guān)；矢狀地面反作用力可用來(lái)描述支撐相推動(dòng)力和制動(dòng)力的變化情況，其峰值與步速呈正相關(guān)；冠狀地面反作用力則體現(xiàn)了在行走過(guò)程中的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻或外翻狀態(tài)，與踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性相關(guān)[6]。(3)表面肌電參數(shù)，反映了肌肉的激活或抑制，包括頻譜特性和肌電幅度，頻譜特性與動(dòng)作電位的波形和傳導(dǎo)速度有關(guān)，肌電幅度的大小取決于被激活的運(yùn)動(dòng)單位數(shù)目的多少[7]。

2 AOA患者的步態(tài)特征

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

2.1.1 時(shí)空參數(shù) AOA患者的時(shí)空參數(shù)變化主要表現(xiàn)為步速下降、步頻降低、步長(zhǎng)縮短、擺動(dòng)時(shí)間百分比減少和支撐時(shí)間百分比增加等[4]。這種異常的步態(tài)模式被學(xué)者命名為“減痛步態(tài)”，提示AOA患者通過(guò)減少踝關(guān)節(jié)載荷來(lái)達(dá)到緩解疼痛和穩(wěn)定踝關(guān)節(jié)這一目的[8]。有學(xué)者探討了性別對(duì)AOA患者時(shí)空參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)男性AOA患者的步速大于女性AOA患者，女性AOA患者的跨步時(shí)間則長(zhǎng)于男性AOA患者，而擺動(dòng)時(shí)間百分比、支撐時(shí)間百分比和雙足支撐時(shí)間百分比在性別之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[9-10]。

2.1.2 關(guān)節(jié)角度參數(shù) Valderrabano等[8]采用步態(tài)分析技術(shù)分析AOA患者日常行走時(shí)患側(cè)踝關(guān)節(jié)活動(dòng)度的變化，發(fā)現(xiàn)與健康對(duì)照組相比，踝關(guān)節(jié)矢狀面活動(dòng)度減少了37.5%，踝關(guān)節(jié)冠狀面活動(dòng)度減少了28.4%，踝關(guān)節(jié)水平面活動(dòng)度減少了19.8%。其中矢狀面上的減小最為明顯，這與腓腸肌-比目魚(yú)肌復(fù)合體縮短、關(guān)節(jié)活動(dòng)受限和疼痛有關(guān)[11]。更有學(xué)者細(xì)化地分析了AOA患者步行時(shí)患側(cè)踝關(guān)節(jié)和其他相鄰足關(guān)節(jié)的角度參數(shù)[12]，發(fā)現(xiàn)與健康對(duì)照組相比，踝關(guān)節(jié)矢狀面、冠狀面和水平面活動(dòng)度分別減小了7.0 °，2.0 °和4.0 °，跗橫關(guān)節(jié)矢狀面和水平面活動(dòng)度分別減小了4.0 °和4.4 °，第一跖趾關(guān)節(jié)冠狀面活動(dòng)度減小了4.0 °，而跗跖關(guān)節(jié)冠狀面活動(dòng)度增大了1.7 °。

研究顯示，AOA患者步行時(shí)患側(cè)髖、膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度也會(huì)適應(yīng)性改變。Schmitt等[13]分析AOA患者行走時(shí)患側(cè)下肢關(guān)節(jié)角度參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)與健康對(duì)照組相比，患者支撐相末期最大屈髖角度顯著減小，最大伸髖、屈膝角度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。AOA患者主要通過(guò)增加支撐相末期最大屈髖角度來(lái)代償踝關(guān)節(jié)喪失的活動(dòng)度，從而推動(dòng)患肢進(jìn)入擺動(dòng)相。

2.2 動(dòng)力學(xué)特征

2.2.1 下肢關(guān)節(jié)力矩 Eerdekens等[12]比較分析了110例AOA患者和25例健康對(duì)照組的足關(guān)節(jié)力矩，結(jié)果顯示AOA患者日常步行時(shí)患側(cè)踝關(guān)節(jié)矢狀面力矩、跗橫關(guān)節(jié)矢狀面力矩、跖跗關(guān)節(jié)矢狀面力矩和第1跖趾關(guān)節(jié)矢狀面力矩均顯著低于健康對(duì)照組。還有研究進(jìn)一步探討了AOA患者行走時(shí)患側(cè)踝關(guān)節(jié)力矩在矢狀面、冠狀面和水平面的變化[8，14]，發(fā)現(xiàn)與健康對(duì)照組相比，最大跖屈(矢狀面)力矩減少了13.8%(P<0.006)，最大內(nèi)收(水平面)力矩減少了44.4%(P<0.001)，而最大扭轉(zhuǎn)(冠狀面)力矩差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；其中最大內(nèi)收(水平面)力矩減小最為顯著，可能與AOA患者小腿肌肉萎縮和肌力下降有關(guān)。

2.2.2 地面反作用力 研究顯示[15]，AOA患者在支撐相末期因疼痛和小腿肌力下降，下肢著地方式發(fā)生改變，并最終導(dǎo)致地面反作用力降低。Nüesch等[15]在利用測(cè)力平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)8例早中期AOA患者和15例健康對(duì)照組研究后發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照組相比，患者步行時(shí)患側(cè)垂直地面反作用力第1峰值和患側(cè)矢狀地面反作用力峰值均明顯降低；患側(cè)垂直地面反作用力第2峰值延遲出現(xiàn)，而健側(cè)垂直地面反作用力第2峰值提前出現(xiàn)。隨著AOA病程進(jìn)展，患者受累的關(guān)節(jié)面從局部擴(kuò)大到整體，AOA也由早中期發(fā)展為終末期。Valderrabano等[8]在一項(xiàng)針對(duì)終末期AOA患者的步態(tài)研究中發(fā)現(xiàn)了不同的地面反作用力變化，結(jié)果顯示，與健康對(duì)照組相比，患者日常行走時(shí)患側(cè)垂直地面反作用力第2峰值降低了9.4%(P<0.001)，患側(cè)冠狀地面反作用力峰值下降了26.7%(P=0.001)，而患側(cè)垂直地面反作用力第1峰值和患側(cè)矢狀地面反作用力峰值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.3 肌電圖特征

2.3.1 頻譜特性 研究顯示[16]，早中期AOA患者的患側(cè)脛骨前肌的肌電信號(hào)平均頻率低于健側(cè)和健康對(duì)照組。Nüesch等[16-17]將12例早中期AOA患者分為內(nèi)翻組和外翻組，并進(jìn)一步比較了內(nèi)翻組和外翻組小腿肌肉激活模式中的低頻改變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與內(nèi)翻組相比，外翻組的患側(cè)腓骨長(zhǎng)肌激活模式包含了更多的低頻成分，這表明外翻組的患側(cè)腓骨長(zhǎng)肌活躍性較低，產(chǎn)生的向前推動(dòng)力更少。研究發(fā)現(xiàn)[7，11，18]，在最大等長(zhǎng)收縮期間，終末期AOA患者的患側(cè)脛骨前肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)肌、比目魚(yú)肌和腓骨長(zhǎng)肌也出現(xiàn)了類似的低頻變化。

2.3.2 肌電幅度 除了低頻改變，AOA患者的小腿肌肉激活模式中還可觀察到振幅降低。早中期AOA患者的患側(cè)脛骨前肌振幅均較健康對(duì)照組顯著下降[19]。與健康對(duì)照組相比，終末期AOA患者的小腿在進(jìn)行最大自主收縮時(shí)，患側(cè)腓腸肌內(nèi)側(cè)肌的振幅顯著降低，而脛骨前肌、比目魚(yú)肌和腓骨長(zhǎng)肌的振幅差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[18]。

3 不同術(shù)式對(duì)步態(tài)影響

3.1 踝關(guān)節(jié)融合術(shù)(ankle arthrodesis，AA) AA是終末期AOA手術(shù)治療的金標(biāo)準(zhǔn)，可顯著減輕關(guān)節(jié)疼痛，并提高患者生活質(zhì)量[20-21]。Segal等[22]通過(guò)步態(tài)分析技術(shù)研究了AA治療終末期AOA患者的步態(tài)特征，并隨訪至術(shù)后3年，發(fā)現(xiàn)與術(shù)前相比，患者術(shù)后第1年的步速加快了0.18 m/s(P=0.020)，術(shù)側(cè)步長(zhǎng)增加了0.09 m(P=0.007)，健側(cè)步長(zhǎng)增加了0.08 m(P=0.002)，而步頻、步寬、支撐時(shí)間百分比和跨步時(shí)間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；患者術(shù)后第2年的術(shù)側(cè)步長(zhǎng)增加了0.08 m(P=0.008)，而步速、術(shù)側(cè)步長(zhǎng)、步頻、步寬、支撐時(shí)間百分比和跨步時(shí)間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；患者術(shù)后第3年的術(shù)側(cè)步長(zhǎng)增加了0.09 m(P=0.007)，健側(cè)步長(zhǎng)增加了0.08 m(P=0.002)，而步速、步頻、步寬、支撐時(shí)間百分比和跨步時(shí)間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

研究顯示[23]，AA術(shù)后患者步行時(shí)術(shù)側(cè)踝關(guān)節(jié)矢狀面、冠狀面活動(dòng)度均小于健側(cè)和健康對(duì)照組，健側(cè)踝關(guān)節(jié)矢狀面、冠狀面活動(dòng)度同樣均小于健康對(duì)照組，這一表現(xiàn)在矢狀面上尤為明顯，這說(shuō)明患者為了保持雙側(cè)步態(tài)對(duì)稱而代償性減小了健側(cè)踝關(guān)節(jié)活動(dòng)度。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)AA術(shù)后患者的距下關(guān)節(jié)同樣出現(xiàn)了代償性運(yùn)動(dòng)。Lenz等[24]采用AA治療了10例終末期AOA患者，并比較分析患者的雙側(cè)距下關(guān)節(jié)活動(dòng)度，發(fā)現(xiàn)與健側(cè)相比，患者術(shù)側(cè)距下關(guān)節(jié)矢狀面活動(dòng)度明顯增大，而術(shù)側(cè)距下關(guān)節(jié)冠狀面、水平面活動(dòng)度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。研究表明[25]，AA術(shù)后患者日常行走時(shí)術(shù)側(cè)距下關(guān)節(jié)過(guò)度運(yùn)動(dòng)可引起相鄰足關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力增大，最終導(dǎo)致相鄰足關(guān)節(jié)的骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病率增加。Gaedke等[26]在一項(xiàng)研究中對(duì)69例終末期AOA患者實(shí)施了AA，并對(duì)所有患者進(jìn)行了2年以上的術(shù)后隨訪，發(fā)現(xiàn)其中39例患者存在術(shù)側(cè)距下關(guān)節(jié)或跗橫關(guān)節(jié)的骨關(guān)節(jié)炎，其中距下關(guān)節(jié)是最為常見(jiàn)的受累部位。

3.2 全踝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total ankle replacement，TAR) 近年來(lái)，TAR在終末期AOA的治療中越來(lái)越受歡迎[27-28]。目前常用的人工全踝關(guān)節(jié)假體主要分為兩大類型：(1)固定平臺(tái)的兩部分假體；(2)活動(dòng)平臺(tái)的三部分假體。Queen等[29]將接受了TAR的40例終末期AOA患者按照假體類型分為固定式假體組和活動(dòng)式假體組，并利用步態(tài)分析技術(shù)采集兩組患者步態(tài)參數(shù)進(jìn)行比較分析，分析指標(biāo)包括步速、術(shù)側(cè)踝關(guān)節(jié)背屈角度峰值、術(shù)側(cè)踝關(guān)節(jié)跖屈角度峰值、術(shù)側(cè)踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度峰值、術(shù)側(cè)踝關(guān)節(jié)矢狀面活動(dòng)度和術(shù)側(cè)踝關(guān)節(jié)跖屈力矩峰值等步態(tài)參數(shù)，結(jié)果顯示兩組術(shù)后步態(tài)參數(shù)均較術(shù)前明顯改善，且術(shù)后組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

研究發(fā)現(xiàn)[30]，TAR組的美國(guó)骨科足踝協(xié)會(huì)評(píng)分和踝關(guān)節(jié)活動(dòng)度改善程度優(yōu)于AA組，AA組的術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率及再次手術(shù)率低于TAR組，而兩組在疼痛視覺(jué)模擬評(píng)分和患者滿意度方面差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Sanders等[31]根據(jù)實(shí)施術(shù)式將20例終末期AOA患者分為TAR組和AA組，并比較分析了兩組在水平行走和上樓時(shí)的步態(tài)參數(shù)。結(jié)果表明無(wú)論是水平行走還是上樓時(shí)，TAR組的患側(cè)前足-脛骨矢狀面活動(dòng)度、后足-脛骨矢狀面活動(dòng)度和踝關(guān)節(jié)矢狀面活動(dòng)度均大于AA組，而兩組的患側(cè)前足-后足矢狀面活動(dòng)度、前足-脛骨冠狀面活動(dòng)度、后足-脛骨冠狀面活動(dòng)度、前足-后足冠狀面活動(dòng)度、踝關(guān)節(jié)冠狀面活動(dòng)度、踝關(guān)節(jié)背屈角度峰值、踝關(guān)節(jié)跖屈角度峰值、踝關(guān)節(jié)矢狀面力矩峰值和踝關(guān)節(jié)冠狀面力矩峰值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3.3 脛距跟關(guān)節(jié)融合術(shù) 脛距跟關(guān)節(jié)融合術(shù)包括踝關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)的融合，常用于同時(shí)存在終末期AOA和距下關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的患者[23]。Tenenbaum等[32]對(duì)21例合并有距下關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的終末期AOA患者實(shí)施了脛距跟關(guān)節(jié)融合術(shù)，并利用三維步態(tài)分析技術(shù)采集了患者的步態(tài)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)與術(shù)前相比，患者術(shù)后的步速增大了0.12 m/s(P=0.0012)，步頻增加了3.94 steps/min(P=0.0256)，患側(cè)支撐時(shí)間百分比減少了1.07%(P=0.0244)，健側(cè)支撐時(shí)間百分比減少了1.96%(P=0.0204)，術(shù)側(cè)踝關(guān)節(jié)矢狀面活動(dòng)度減少了2.98 °(P=0.0153)，健側(cè)踝關(guān)節(jié)矢狀面活動(dòng)度增加了1.89 °(P=0.0145)，術(shù)側(cè)髖關(guān)節(jié)矢狀面活動(dòng)度增加了4.16 °(P=0.0071)，而健側(cè)髖關(guān)節(jié)矢狀面活動(dòng)度、術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)矢狀面活動(dòng)度和健側(cè)膝關(guān)節(jié)矢狀面活動(dòng)度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

Monteagudo等[33]根據(jù)實(shí)施術(shù)式將終末期AOA患者分為脛距跟關(guān)節(jié)融合術(shù)組和AA組，并分析了兩組術(shù)側(cè)足關(guān)節(jié)活動(dòng)度的改變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)脛距跟關(guān)節(jié)融合術(shù)組的距下關(guān)節(jié)外翻增大，跗中關(guān)節(jié)矢狀面活動(dòng)度代償性增加，足關(guān)節(jié)功能得到改善；而AA組通過(guò)減小距下關(guān)節(jié)外翻，來(lái)限制跗中關(guān)節(jié)矢狀面活動(dòng)度，從而導(dǎo)致足關(guān)節(jié)僵硬和功能障礙。Chopra等[23]分別采用脛距跟關(guān)節(jié)融合術(shù)和AA來(lái)治療24例終末期AOA患者，并使用三維步態(tài)分析系統(tǒng)和壓力鞋墊采集了患者的步態(tài)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)與AA組相比，脛距跟關(guān)節(jié)融合術(shù)組表現(xiàn)出更好的步態(tài)對(duì)稱性。

3.4 踝上截骨術(shù) 踝上截骨術(shù)是一種常用于早中期AOA的保關(guān)節(jié)手術(shù)，主要作用是矯正下肢力線，恢復(fù)關(guān)節(jié)應(yīng)力平衡，延緩AOA進(jìn)展[34]。Nüesch等[19]對(duì)19例早中期AOA患者實(shí)施了踝上截骨術(shù)，并按照隨訪時(shí)間分為短期隨訪組(12～18個(gè)月)和長(zhǎng)期隨訪組(8～9年)，同時(shí)采集這些患者與15例健康對(duì)照組的步態(tài)參數(shù)進(jìn)行比較分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與短期隨訪組相比，長(zhǎng)期隨訪組的步速、步頻、步長(zhǎng)對(duì)稱性和小腿三頭肌激活模式更加接近健康對(duì)照組，這說(shuō)明為了適應(yīng)改變的下肢力學(xué)軸線，患者的步態(tài)參數(shù)在術(shù)后1年仍在進(jìn)行改善。他還認(rèn)為踝上截骨術(shù)對(duì)步速、步頻和步長(zhǎng)對(duì)稱性等步態(tài)參數(shù)的改善作用可持續(xù)至少8年。

3.5 其他 近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者比較了單一術(shù)式和聯(lián)合術(shù)式對(duì)AOA患者步態(tài)特征的影響。Franz等[28]利用步態(tài)分析技術(shù)比較分析了單純TAR、TAR聯(lián)合踝上截骨術(shù)治療AOA患者的步態(tài)參數(shù)，結(jié)果顯示與術(shù)前相比，術(shù)后單純TAR組的術(shù)側(cè)踝關(guān)節(jié)活動(dòng)度增加了8°(P=0.049)，術(shù)后TAR聯(lián)合踝上截骨術(shù)組的術(shù)側(cè)踝關(guān)節(jié)活動(dòng)度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而術(shù)后兩組美國(guó)骨科足踝協(xié)會(huì)評(píng)分和疼痛視覺(jué)模擬評(píng)分比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Liang等[34]對(duì)63例內(nèi)翻型AOA患者分別實(shí)施了單純踝上截骨術(shù)、踝上截骨術(shù)聯(lián)合腓骨截骨術(shù)，并采集步態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與單純踝上截骨術(shù)組相比，踝上截骨術(shù)聯(lián)合腓骨截骨術(shù)組的術(shù)側(cè)距骨傾斜角、距骨內(nèi)側(cè)移位和后足對(duì)齊角更加接近健康對(duì)照組，更有利于AOA患者恢復(fù)正常的下肢力線。

4 小 結(jié)

步態(tài)分析技術(shù)通過(guò)采集分析AOA患者的步態(tài)數(shù)據(jù)，可以反映患者下肢運(yùn)動(dòng)功能的變化，協(xié)助判斷患者病情。作為一種有效的手段，步態(tài)分析技術(shù)可用于比較分析接受不同術(shù)式的AOA患者的步態(tài)特征，并為臨床工作者選擇治療方案提供指導(dǎo)。目前，國(guó)內(nèi)外僅有少量關(guān)于AOA的步態(tài)研究，且相關(guān)研究較為片面局限，步態(tài)分析技術(shù)在AOA的嚴(yán)重程度分級(jí)、療效評(píng)估和康復(fù)指導(dǎo)等方面仍存在空白。隨著眾多學(xué)者對(duì)步態(tài)分析技術(shù)在AOA中的應(yīng)用不斷探索完善，步態(tài)分析技術(shù)有望在AOA的臨床診療中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。