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慢性膝关节前交叉韧带损伤患者步态的运动学分析

2012-11-17周敬滨李国平李方祥

中国运动医学杂志 2012年10期
关键词:外旋屈膝步态

周敬滨 李国平 李方祥

国家体育总局运动医学研究所(北京 100061)

前交叉韧带 (Anterior Cruciate Ligament,ACL)损伤是常见的运动损伤,慢性ACL损伤在膝关节疼痛和肿胀症状缓解后,主要表现为膝关节前向和旋转不稳定,从而改变膝关节的稳定性,导致行走时产生运动学和运动力学变化,这种变化在步态周期的预承重期较为明显[1-3]。这是否具有一定的规律性,目前仍存争议。本实验通过比较慢性ACL损伤患者与普通健康人的步态,分析ACL损伤患者在步态周期尤其是预承重期下肢各主要关节的运动学特点。

1 对象与方法

1.1 实验对象

60名实验对象分为两组,每组30名,男女比例为 3∶2。具体如下:

ACL损伤组:30名单膝ACL损伤患者 (男18名,女12名),来自国家体育总局运动医学研究所体育医院术前评估患者,年龄(25.0±8.2)岁,损伤时间6个月以上,KT2000测量30磅拉力双膝差值大于3 mm。均经过膝关节镜探查证实为ACL完全断裂,既往无其他膝关节疾病,无合并侧副韧带完全断裂、后交叉韧带损伤、半月板桶柄样撕裂。对侧肢体无创伤与关节疾病史。患者行走时无膝关节疼痛、交锁等症状。

对照组:30名健康志愿者(男18名,女12名),年龄(25.0±6.2)岁,无髋、膝、踝关节疾病或创伤病史,无中枢神经性疾病与腰部疼痛病史。

1.2 实验仪器与设备

本实验在国家体育总局运动医学研究所三维动作分析实验室完成。采用VICON MX13运动分析系统(VICON MX13,Oxford Metrics LTD,Oxford,UK),采样频率为120 Hz;反射标记点 (直径14 mm);Polygon和Bodybuilder数据处理软件。

1.3 步态分析与测试指标

实验对象在长约12米的木质地板步态分析区域进行自主无暗示行走测试。测量前进行系统校正、测量、贴记标记点、采集静态数据等。

下肢标记贴点位置自上而下为:双侧髂前上棘、髂后上棘、大腿外侧、膝关节股骨外侧髁、小腿外侧、外踝、跟骨结节、第二跖骨头表面,共16点。

测量时要求患者采取自主步态,测试现场无他人进行暗示与影响,在充分放松状态下行走,并进行反复测量。选取稳定、符合要求、无过多杂讯的3次测试结果,将结果平均后即为实验对象的测试结果。使用Polygon和Bodybuilder软件处理结果。

1.4 测试指标

根据Rancho Los Amigos步态分析研究室提出的RLA划分方法[4],将一个完整步态周期分为七个时段,包括预承重期、支撑中期、支撑末期、摆动前期、摆动初期、摆动中期、摆动末期。预承重期是足跟开始着地到对侧下肢离开地面的时期。该期也是膝关节在支撑期受力和屈伸角度变化最大的时期,因此将该期下肢关节运动学指标作为主要研究对象。本期占步态周期的前15%。

比较两组时间距离指标,包括步频(步/分钟)、步态周期(秒)、支撑期百分比(%)、步幅(米)、步长(米)、步速(米/秒)。观察损伤组与对照组在整个步态周期,髋、膝、踝关节的屈伸和膝关节旋转变化趋势,比较损伤组与对照组在预承重期髋、膝关节最大屈曲角度和踝关节最大跖屈角度以及膝关节最大外旋角度。

1.5 统计学分析

对照组左右下肢运动学指标无显著性差异,平均左右关节数值。使用SPSS11.0统计软件进行t检验分析比较损伤组患肢和对照组数据,P<0.05具有显著性差异。

2 结果

2.1 时间距离指标

表1 显示,损伤组步频为(111.2±4.4)步/分钟,对照组步频为(116.90±5.4)步/分钟,二者比较有显著性差异。与之相对应,损伤组步态周期(1.08±0.04秒)显著长于对照组步态周期(1.03±0.1秒)。支撑期百分比、步幅、步长等指标两组无显著性差异。

表1 损伤组与对照组时间距离指标比较

2.2 关节活动角度

两组髋关节在整个步态周期中均表现为屈髋―伸髋―屈髋过程(图1),预承重期最大屈髋角度损伤组同对照组相比无明显差异(表2)。

两组膝关节在整个步态周期中均表现为屈膝―伸膝―屈膝过程(图2),预承重期最大屈膝角度损伤组和对照组分别是(7.0±3.2)度和(9.6±3.0)度,损伤组最大屈膝角度显著小于对照组 (P<0.05)(表2)。

两组踝关节在整个步态周期中均表现为跖屈―背伸―跖屈过程(图3),预承重期踝关节最大跖屈角度损伤组和对照组分别是(6.1±3.0)度和(8.7±3.0)度,损伤组最大跖屈角度显著小于对照组(P<0.05)(表2)。

在整个步态周期中,外旋角度损伤组始终大于对照组(图4),预承重期膝关节最大胫骨损伤组和对照组分别是(18.3±4.0)度,对照组为(14.7±4.7)度,损伤组最大胫骨外旋角度显著大于对照组 (P<0.05)。

表2 预承重期损伤组与对照组下肢关节活动角度比较(单位:度)

3 讨论

3.1 时间距离指标特点分析

步态分析常见的时间距离指标包括步频、步幅、步长、步速、步态周期、支撑期百分比等。在自主步速行走时,这些指标同身高、性别、年龄有关[5,6]。 为排除这些因素对实验的影响,选取了平均身高相似、性别比例一致、年龄分布一致的两组实验对象。

慢性ACL损伤,若行走时膝关节无明显疼痛,肉眼很难分辨细微的步态变化[2,7,8]。 本实验结果显示,同对照组比较,ACL损伤组步幅、步长和支撑期百分比无显著性差异,但步频明显减低、步态周期明显增加、步速有所降低。因此,虽然ACL损伤后,患侧肢体因疼痛等症状影响而产生与健侧肢体不对称的跛行步态,但步频、步速降低和步态周期延长均表明ACL损伤后膝关节产生的不适和不稳症状会导致行走效率不同程度的下降[9]。

3.2 髋、膝、踝关节屈伸角度变化特征分析

行走中,人体髋、膝、踝三关节通过协调次序运动形成一个整体。膝关节损伤后屈伸角度产生一定变化,与之相适应,髋关节屈伸角度、踝关节跖屈背伸角度也可能变化。从图1可以看出,损伤组和对照组在步态周期中膝关节均表现为屈膝―伸膝―屈膝,两组的曲线在膝关节屈曲两次峰值上出现差别,分别在预承重期和摆动期。预承重期,损伤组最大屈膝角度为(7.0±3.2)度,较对照组(9.6±3.0 度)明显减小。预承重期是膝关节承重时角度和瞬间反作用力变化最大的时期,损伤组在该期最大屈膝角度减小,主要和患膝关节不适、不稳症状有关。ACL损伤后,为缓解症状,机体会减少支撑期时间及地板对膝关节的反作用力,故最大屈膝角度减小。有文献报道[10],ACL损伤后,膝关节运动学和运动力学指标变化,髋关节、踝关节在运动学和运动力学上也相应变化。本实验中,ACL损伤后髋关节屈伸角度同对照组相比无变化,但踝关节跖屈和背伸角度有变化。Ferber等[7]和 Catalfamo 等[10]认为,ACL 损伤后,中枢神 经系统在支撑期调控关节屈伸角度,若膝关节屈膝角度较少,ACL损伤患者通过改变髋关节或踝关节屈伸角度进行代偿。本实验结果显示,损伤组踝关节在整个步态周期中仍然表现跖屈―背伸―跖屈的变化,预承重期最大跖屈角度减小。ACL损伤后,为提高膝关节支撑期的稳定性,踝关节跖屈角度减小有助于增加腓肠肌离心收缩,拮抗股四头肌收缩,减小股四头肌对胫骨的前向牵拉。

由此可见,膝关节ACL损伤后,下肢关节角度产生适应性改变,不但膝关节屈伸角度改变,髋关节或者踝关节屈伸角度也可能变化。有研究认为,这种改变是下肢关节在神经肌肉调控系统下针对ACL损伤的代偿性改变[5,10]。ACL 损伤后下肢关节角度改变与损伤时间、损伤程度是否有必然联系,需进一步研究。

3.3 胫骨内外旋角度变化特征分析

ACL分为前内束和后外束,后外束有控制膝关节旋转的作用,若此作用消失,由旋转角度增大,表现为内旋或外旋角度增加。 有研究认为[2,11],ACL 损伤后胫骨旋转角度增大以内旋增大为主,原因是行走时胫骨前移增加,伸膝力矩减小,为产生相对正常的伸膝力矩,股直肌活动增加,从而产生胫骨内旋。Wexler等[8]研究了ACL损伤后行走和慢跑时胫骨旋转角度的变化特点,发现在高速运动中,股四头肌和腘绳肌充分调动并稳定膝关节,因此不存在胫骨异常旋转。 Fuentes等[9]最新研究认为,在行走中,ACL损伤时膝关节外旋角度增大。Tashman等[12]研究认为,非解剖ACL重建术后仍然存在旋转不稳,并产生胫骨外旋增大现象。本研究中,损伤组患肢胫骨外旋角度在整个步态周期均较对照组有所增加,预承重期损伤组最大外旋角度明显大于对照组。因此,ACL损伤后,由于其控制膝关节旋转的作用消失,产生旋转不稳定,这使患者行走时膝关节内旋或者外旋角度增大。 许多学者认为[3,8,13,14],ACL 损伤后,膝关节这种旋转角度改变是一种代偿性改变,长期ACL损伤后,随着胫骨前移的增加,这种代偿性变化也增加。

目前的三维步态分析系统在冠状面和水平面的数据存在一些不可忽视的误差[14]。步态与动作分析设备大多采用皮肤标记,在实际运动过程中,皮肤和骨骼之间存在相对移动,导致误差。这种误差在实际应用中对结果产生何种影响,需进一步研究证实。

综上所述,慢性ACL损伤患者步态出现变化,膝关节屈曲角度的改变,还会引起踝关节跖屈背伸角度改变,同时膝关节旋转不稳引起膝关节旋转角度改变。

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