前交叉韌帶損傷的步態(tài)分析研究進(jìn)展△

代 菁，盧 斌，馬劍雄，馬信龍

（天津市天津醫(yī)院骨科研究所，天津 300050）

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament, ACL）起自脛骨平臺(tái)髁間棘前方，終止于股骨外側(cè)髁內(nèi)側(cè)面后部，主要限制脛骨的前移和內(nèi)旋。前交叉韌帶損傷是目前膝關(guān)節(jié)外傷最常見的韌帶損傷之一［1］。美國(guó)每年發(fā)生前交叉韌帶損傷大約是25 萬人［2］，其中約70%屬于非接觸性損傷［3］；在國(guó)內(nèi)現(xiàn)役運(yùn)動(dòng)員中總發(fā)病率占0.5%［4］。已有研究表明，前交叉韌帶損傷后會(huì)加速關(guān)節(jié)軟骨退化［5］，即使經(jīng)過及時(shí)的保守治療或韌帶重建，依然不能恢復(fù)膝關(guān)節(jié)正常的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)功能，同時(shí)不能阻止長(zhǎng)時(shí)間后期創(chuàng)傷后骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生［6，7］。三維步態(tài)分析作為對(duì)人體步態(tài)進(jìn)行科學(xué)研究的分析方法，通過分析人體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，客觀反映機(jī)體功能。本文總結(jié)了近年來，前交叉韌帶損傷在步態(tài)分析方面的研究，為前交叉韌帶損傷的臨床和研究提供參考。

1 步態(tài)分析

步態(tài)分析（Gait analysis）是指對(duì)于人類在自然行走狀態(tài)運(yùn)用力學(xué)原理、解剖學(xué)原理、生理學(xué)原理進(jìn)行對(duì)觀察者步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等指標(biāo)進(jìn)行定量分析的生物力學(xué)研究方法。步態(tài)分析起源于17 世紀(jì)的歐洲，意大利生理學(xué)家Borelli 首次提出應(yīng)用力學(xué)和幾何學(xué)原理研究骨骼肌肉系統(tǒng)的規(guī)律［8］。后來隨著20 世紀(jì)60 年代影像學(xué)的出現(xiàn)，以及之后如運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)進(jìn)步，三維步態(tài)分析技術(shù)的發(fā)展，相較于臨床測(cè)量觀察，以其準(zhǔn)確性、客觀性等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外臨床診斷、康復(fù)評(píng)定等領(lǐng)域逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，并不斷促進(jìn)完善個(gè)體化診斷治療的方案。

1.1 步態(tài)周期

步態(tài)周期指的是行走時(shí)一側(cè)足跟著地至該足跟再次著地的過程。根據(jù)步行時(shí)足部是否位于地面分為支撐相和擺動(dòng)相。目前主要采用的兩種步態(tài)周期劃分是傳統(tǒng)步態(tài)周期劃分方法和美國(guó)加州RLA 國(guó)家康復(fù)中心的Perry 醫(yī)生提出的RLA 分期法，其中RLA 分期法較為常用，它是先將1 個(gè)完整步態(tài)周期分2 個(gè)部分：站立期和邁步期。又將站立相分為：首次著地、承重反應(yīng)期、站立中期、站立末期、邁步前期；邁步期分為：邁步初期、邁步中期、邁步末期［9］。

1.2 步態(tài)參數(shù)

步態(tài)分析利用不同角度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)，描述步態(tài)差異，評(píng)價(jià)肢體的功能，對(duì)臨床定性和定量的分析。目前步態(tài)分析所使用的的主要參數(shù)大致分為以下幾類：（1）步態(tài)的時(shí)間距離參數(shù)包括步速、步頻、步長(zhǎng)、步幅、步寬、步態(tài)周期、站立期時(shí)相、邁步期時(shí)相等參數(shù)；其中步長(zhǎng)、步頻、步速是步態(tài)分析中最常用的三大要素；（2）運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)：人體運(yùn)動(dòng)的測(cè)量往往是通過將肢體視為剛體的理想化實(shí)現(xiàn)的。其主要參數(shù)包括：不同時(shí)間段各個(gè)髖、膝、踝角度、各關(guān)節(jié)角速度和角加速度、骨盆前后傾斜等；（3）動(dòng)力學(xué)是針對(duì)人體運(yùn)動(dòng)中地面反作用力、關(guān)節(jié)力矩、足底受力強(qiáng)度、方向和時(shí)間的研究。主要參數(shù)包括：足底受力、力矩、地面反作用力等；（4）表面肌電圖主要是研究下肢肌肉在運(yùn)動(dòng)中的電活動(dòng)，包括下肢肌肉收縮、神經(jīng)電生理活動(dòng)，揭示肌肉活動(dòng)和下肢運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，能夠評(píng)價(jià)肌肉功能用以鑒別相關(guān)神經(jīng)肌肉疾病。

2 正常步態(tài)

正常步態(tài)是指無任何疾病成年人在平地行走時(shí)消耗能量最少的自然行走狀態(tài)［10］。但是即使是健康成人，步態(tài)也會(huì)因?yàn)槟挲g、性別、負(fù)重等諸多因素的影響而有所不同，呈現(xiàn)個(gè)體化差異。

既往研究發(fā)現(xiàn)針對(duì)不同年齡的正常成人行走能力和年齡存在一定相關(guān)性［11，12］，隨著年齡的增大，跨步長(zhǎng)、步頻、步速均呈下降趨勢(shì)；跨步周期、站立相時(shí)間延長(zhǎng)。與健康青年人相比，老年人在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)上有明顯差異，主要反映出老年人機(jī)能的下降［13］。伍勰等［14］研究報(bào)道，由于老年人身體機(jī)能的下降，下肢各個(gè)肌肉活動(dòng)性也在下降，體現(xiàn)在步態(tài)各期在時(shí)間上的分配與青年人不同，老年人跟著地期短于青年人，站立中期長(zhǎng)于青年人，加速期短于青年人。戴克戎［15］對(duì)正常男女青年的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究指出，僅在髖關(guān)節(jié)后伸時(shí)有顯著性差異。

Mentiplay［16］指出隨著行走速度的增加，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的峰值關(guān)節(jié)角度和角速度也隨之增加，因此在做步態(tài)分析研究時(shí)，盡可能要求觀察者的步態(tài)速度保持一致或相近。Taylor 等［17］對(duì)正常行走下前交叉韌帶變化進(jìn)行研究時(shí)，指出在正常行走過程中膝關(guān)節(jié)屈曲和前交叉韌帶長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)，且當(dāng)膝關(guān)節(jié)在腳跟撞擊前伸展時(shí)，會(huì)出現(xiàn)10%的局部峰值應(yīng)變。因此正常行走時(shí)，前交叉韌帶發(fā)揮著非常重要的作用，一旦前交叉韌帶出現(xiàn)損傷，膝關(guān)節(jié)內(nèi)部生物力學(xué)結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生改變，步態(tài)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

3 步態(tài)分析在前交叉韌帶損傷中的應(yīng)用

3.1 前交叉韌帶損傷患者的下肢步態(tài)分析

由于膝關(guān)節(jié)周圍肌肉能代償性的阻止活動(dòng)中的膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定性，靜止?fàn)顟B(tài)下的功能評(píng)定并不能全面的反映膝關(guān)節(jié)的真實(shí)情況，因此步態(tài)分析在動(dòng)態(tài)行走狀態(tài)下對(duì)前交叉韌帶損傷的進(jìn)行功能評(píng)定就尤為重要［18］。Berchuck 等［19］針對(duì)前交叉韌帶損傷后，周圍肌肉活動(dòng)尤其是股四頭肌發(fā)生變化，代償性改變行走方式的特異性步態(tài)稱為“股四頭肌逃避步態(tài)”。三維步態(tài)分析系統(tǒng)針對(duì)前交叉韌帶損傷的特異性步態(tài)的識(shí)別，能夠早期對(duì)疾病進(jìn)行診治，及時(shí)預(yù)防后期繼發(fā)并發(fā)癥。

前交叉韌帶具有穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)，限制脛骨的前移和內(nèi)旋后，前交叉韌帶損傷后脛骨會(huì)產(chǎn)生異常的前移位的解剖特點(diǎn)。羅鴻等［20］利用步態(tài)分析采集膝關(guān)節(jié)6個(gè)自由度步態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)前交叉韌帶損傷的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析診斷，發(fā)現(xiàn)相較于體格檢查和磁共振檢查，步態(tài)分析在前交叉韌帶損傷早期診斷方面有助于排除其他檢查的假陽性。

前交叉韌帶損傷根據(jù)受傷時(shí)間的不同分類分為急性、亞急性、陳舊性（慢性），其各自的步態(tài)特征相較于正常人各有不同。周敬濱等［21］指出與健康人相比，慢性前交叉韌帶損傷步頻、步速顯著減小，步態(tài)周期時(shí)間顯著增加。從行走方式上體現(xiàn)為膝關(guān)節(jié)屈曲減小，而膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋或者外旋增加。Yu 等［22］分析急性和慢性前交叉韌帶損傷的步態(tài)特征和肌肉力量后指出，在站立階段，急性組的步態(tài)發(fā)生了較大的膝關(guān)節(jié)屈曲和髖下伸的變化。Yang 等［23］指出即使是沒有不穩(wěn)定性的慢性前交叉韌帶缺失的患者，膝關(guān)節(jié)前后平移顯著增加，膝關(guān)節(jié)接觸路徑也有明顯異常。

前交叉韌帶損傷后導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)，容易繼發(fā)導(dǎo)致關(guān)節(jié)內(nèi)其他軟組織如關(guān)節(jié)軟骨、半月板的伴隨損傷，其中繼發(fā)半月板損傷是最為常見的。有文獻(xiàn)報(bào)道，半月板損傷率從急性期組、亞慢性期組、慢性期組有顯著增加，其中內(nèi)側(cè)半月板損傷率更高［24］。Granan 等［25］對(duì)3 475 例前交叉韌帶損傷患者進(jìn)行調(diào)查，47%患者存在半月板撕裂，15%患者同時(shí)存在軟骨和半月板病變。Ren 等［26］對(duì)前交叉韌帶缺失有無伴內(nèi)側(cè)半月板后角撕裂進(jìn)行步態(tài)分析時(shí)指出有內(nèi)側(cè)半月板后角撕裂組步行上表現(xiàn)為剛硬步態(tài)和樞軸轉(zhuǎn)移步態(tài)模式的組合，而無半月板撕裂的患者僅表現(xiàn)為僵硬步態(tài)。Akpinar 等［27］研究表明，前交叉韌帶損傷伴有內(nèi)側(cè)半月板損傷的患者術(shù)后2 年脛骨前移大于單純性前交叉韌帶損傷。

3.2 步態(tài)分析在前交叉韌帶損傷臨床治療的應(yīng)用

Thomas［28］研究前交叉韌帶損傷后下肢肌力的改變時(shí)，指出ACL 損傷后呈現(xiàn)髖伸肌、內(nèi)收肌和踝跖屈肌無力，術(shù)后受傷肢體比未受傷肢體有更大的膝伸肌和屈肌無力，后期康復(fù)訓(xùn)練時(shí)有必要加強(qiáng)對(duì)相應(yīng)肌肉的訓(xùn)練。Li 等［29］指出在前交叉韌帶損傷后1 年，經(jīng)保守治療，傷側(cè)部分本體感覺的惡化不會(huì)恢復(fù)，并且非傷側(cè)的本體感覺和步態(tài)的穩(wěn)定性也惡化，在下肢肌肉中股外側(cè)肌恢復(fù)速度最為緩慢，認(rèn)為股外側(cè)肌的本體感覺訓(xùn)練是前交叉韌帶損傷康復(fù)的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)前交叉韌帶的重建應(yīng)在1 年內(nèi)完成。任爽［30］研究發(fā)現(xiàn)前交叉韌帶損傷患者慢跑時(shí)外源性屈曲力矩顯著降低，與ACL 斷裂側(cè)伸肌力量減弱和神經(jīng)肌肉控制模式改變有關(guān)。ACL 斷裂患者的康復(fù)訓(xùn)練方案應(yīng)關(guān)注并參考其跑步步態(tài)的異常，加強(qiáng)屈伸肌及旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定肌群的訓(xùn)練，結(jié)合神經(jīng)肌肉訓(xùn)練。

3.3 步態(tài)分析在前交叉韌帶損傷重建術(shù)后的應(yīng)用

韌帶重建是目前臨床治療前交叉韌帶損傷主要的治療方式，據(jù)統(tǒng)計(jì)在美國(guó)每年有大約35 萬人進(jìn)行前交叉韌帶重建術(shù)［31］，全球每年約有100 萬人進(jìn)行前交叉韌帶重建［32］。重建前交叉韌帶有助于抑制脛骨前平移，恢復(fù)正常的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)，恢復(fù)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，防止過度的扭轉(zhuǎn)載荷，從而減輕疼痛，恢復(fù)功能，降低并發(fā)癥發(fā)生率［33］。但是手術(shù)重建后也并不能完全恢復(fù)膝關(guān)節(jié)正常的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，Risberg［34］對(duì)前交叉韌帶重建術(shù)后的患者進(jìn)行20 年的隨訪，發(fā)現(xiàn)脛股和髕股骨關(guān)節(jié)炎患病率分別是42%和21%，合并其他損傷的患者術(shù)后骨關(guān)節(jié)炎的患病率更高。因此如何預(yù)防ACL 重建后前交叉韌帶的再次損傷以及短期、長(zhǎng)期并發(fā)癥成為了維持膝關(guān)節(jié)健康和患者整體生活質(zhì)量的關(guān)鍵。

Hledik［35］發(fā)現(xiàn)在前交叉韌帶重建后患者的第一和第二峰值伸展力矩、內(nèi)旋力矩、內(nèi)收力矩的減少和膝關(guān)節(jié)屈曲力矩峰值的增加。Armitano［36］指出前交叉韌帶重建導(dǎo)致兩腿之間協(xié)調(diào)穩(wěn)定性下降，表明兩腿之間的耦合強(qiáng)度降低。可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)行過這種重建手術(shù)的個(gè)體的再損傷和變性率增加。Mantashloo［37］指出單側(cè)ACL 重建術(shù)后，在步態(tài)周期的不同階段造成垂直地面反作用力和肌肉活動(dòng)的不對(duì)稱。在步態(tài)制動(dòng)期肌肉活動(dòng)對(duì)稱性方面，股直肌活動(dòng)有顯著性差異。在步態(tài)推進(jìn)階段，腓腸肌內(nèi)側(cè)肌和股二頭肌活動(dòng)有顯著差異。

姚望等［38］利用膝關(guān)節(jié)六自由度評(píng)價(jià)保留脛骨殘端重建前交叉韌帶術(shù)后的膝關(guān)節(jié)功能，非保殘組膝關(guān)節(jié)術(shù)后3 個(gè)月仍存在5 個(gè)自由度范圍低于對(duì)照組，包括內(nèi)外翻、內(nèi)外旋、屈伸、上下位移、內(nèi)外位移范圍，但保殘組相對(duì)應(yīng)僅有內(nèi)外旋、屈伸范圍與健康人有差別。保留脛骨殘端重建ACL 患者膝關(guān)節(jié)功能在運(yùn)動(dòng)學(xué)特征上更接近于正常人，術(shù)后康復(fù)更有優(yōu)勢(shì)。Lee 等［39］指出脛骨殘?bào)w保存的越完整，本體感覺功能的保存越好，影響手術(shù)預(yù)后。周鵬等［40］也認(rèn)為急性前交叉韌帶損傷保殘重建更有利于患者運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。

4 小 結(jié)

目前三維步態(tài)分析系統(tǒng)作為一種客觀量化前交叉韌帶損傷患者的膝關(guān)節(jié)功能的研究方法，為前交叉韌帶損傷早期診斷、治療方式選擇以及術(shù)后康復(fù)鍛煉提供了更為科學(xué)的臨床參考依據(jù)。但是由于三維步態(tài)分析采集運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等數(shù)據(jù)過于抽象和龐大，難以直接有效地反映臨床信息；同時(shí)目前步態(tài)分析在各種骨科疾病中尚無權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)定論。但相信隨著步態(tài)分析在前交叉韌帶損傷等骨科領(lǐng)域更加廣泛深入的研究和便攜式步態(tài)技術(shù)的發(fā)展，三維步態(tài)分析系統(tǒng)會(huì)成為個(gè)體化診療的有效工具。