步态分析在前交叉韧带损伤中的应用

王奇奇，徐朱杰，冯德宏，周一逸，刘仪

(南京医科大学附属无锡人民医院骨科，江苏 无锡 214000)

前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)是膝关节重要的结构韧带，也是膝关节最常见的损伤韧带。ACL起自胫骨髁间隆突的前方内侧，与外侧半月板前角接合，斜向后上方外侧，纤维呈扇形附着于股骨外侧髁内侧，主要参与控制膝关节前向稳定和旋转稳定，其损伤多见于年轻的运动人员。随着我国近年来竞技体育的发展，群众性体育运动的普及，ACL损伤的患者也越来越常见[1]，而导致ACL损伤的高危行为主要包括跳跃后着陆、飞奔急停、突然转向等[2]。

为了更精准的剖析膝关节韧带损伤的异常步态模式，步态分析法逐渐被引入到相关的领域，并成为了科学评价ACL损伤的手段之一。既往研究表明[3-4]，ACL损伤患者的步态模式将发生改变，通过研究患者的步行规律和步相差异可以准确揭示疾病与步态的关系。步态分析方法主要分为定性分析和定量分析[3]。定性分析即通过目测，观察受试者自然步行时的姿态，结合经验或通过评定量表进行评估。定量分析则是借助步态分析系统，采集行走时的各项数据，并经由专业的分析软件评估步态情况。作者通过对大量文献检索阅读，现对步态分析在ACL损伤中的应用进行综述。

1 ACL损伤患者的步态特征

目前，步态分析系统主要从运动学、动力学及动态肌电图三个方面对步态进行测量。运动学研究行走时肢体在时间和空间的变化规律，主要参数包括步速、步频、步长、各个步态时相在步态周期中的占比，以及步行中髋、膝、踝的角度或位移加速度的运动规律等。动力学研究步态周期中不同时相，各个部位与支撑面间的相互作用力，主要参数包括足地接触力和关节力矩等。动态肌电图通过贴于皮肤的表面电极，收集下肢肌肉收缩产生的电信号，揭示肌肉活动与步态关系。

1.1 运动学特征 研究表明[4-5]，ACL损伤患者在创伤后的最初几天，于水平地面上典型的运动学变化表现为步态周期延长、损伤侧膝关节屈曲角度峰值减小、髋关节屈伸及旋转幅度下降。这种情况被描述为功能性固定，作为损伤急性期的一种保护机制，有利于减少胫骨前平移和旋转不稳定，通过运动限制的方式稳定损伤的膝关节。随着伤后恢复时间增加，损伤的ACL也由急性期转入慢性期。周敬滨等[6]研究了30例单侧慢性ACL损伤患者(损伤时间≥6个月)和健康对照组水平行走时的步态，发现损伤组步频、步速下降，步态周期延长；步幅、步长及支撑相百分比两组之间差异无统计学意义。在预承重期损伤组胫骨外旋角度峰值增加，膝关节屈曲角度峰值和踝关节跖屈角度峰值下降，髋关节屈伸角度在两组中差异无统计学意义。ACL损伤后急性期与慢性期均表现出步态周期延长以及膝关节屈曲角度峰值下降。同侧髋关节和踝关节角度也会出现适应性改变，以提高膝关节稳定性。但也有学者的研究表明[7]，随着恢复时长继续增加，ACL损伤组与健康对照组在时间距离参数上的差异将逐渐消失。

还有学者探讨了慢跑及转向对ACL损伤膝关节的影响。研究指出[8]，与健侧膝相比，ACL损伤膝在步态周期中会出现显著的胫骨前平移，而此种胫骨前平移模式不会被更快的行进速度改变。在同侧转向运动中，ACL损伤膝与健侧膝相比，差异无统计学意义。而在对侧转向中，ACL损伤膝表现出明显的伸展不足和胫骨外旋减少。

在运动要求更高的上下楼梯过程中，髋膝关节运动同样会发生相应变化。Lepley等[9]在利用三维运动分析仪对20例单侧ACL损伤患者及20例健康对照者研究后发现，在上下楼期间，损伤侧膝关节矢状面偏移减小；而在上楼过程中，损伤组双侧下肢均表现出较小的膝关节屈曲角度和峰值伸展角，以及较大的髋关节外展角和冠状面偏移。该研究指出，矢状面膝关节运动减少会导致运动链近端模式异常，并影响髋关节运动。

1.2 动力学特征 ACL损伤患者在水平行走、慢跑及上楼过程中，患肢屈膝外力矩及膝关节伸展力矩峰值将减小。Knoll等[10]认为，ACL损伤期<6个月的患者会出现膝关节伸展力矩下降，而慢性ACL损伤患者不会出现该现象。Ferber等[11]的研究支持Knoll的观点。Ferber等认为，与健康对照组相比，慢性ACL损伤患者在膝关节力矩特征上没有表现出明显差异。然而，也有研究显示[12]，ACL损伤患者受伤2年或更长时间后，仍会表现出较小的膝关节伸展力矩。

除了对膝关节力矩的研究，步态分析系统还采集了足底压力数据。Huang等[13]的研究发现，与健康对照组相比，ACL损伤患者足底与地面接触时间更长，前足掌接触更早，足中段内侧压力更大。与健侧相比，ACL损伤侧足底与地面接触时间缩短，足掌前滚加快，足跟压力减小，前足掌压力增加。杜天舒等[14]的研究也得出相似的结果，他们指出与健侧及健康对照组相比，足跟内外侧、足底平均峰值压力、冲量及平均峰值压强降低，达峰值时间增加。

1.3 肌电图特征 急性ACL损伤导致对胫骨前移的主要约束失效，胫骨向前滑动，直到二次软组织约束(副韧带、半月板)提供阻力。作为补偿，患者可反射性抑制其股四头肌收缩，以避免无禁忌的胫骨前平移，这种现象被称为“股四头肌回避步态”，被认为是急性ACL损伤后膝关节不能伸展的主要因素。Li等[15]对90名患者分组研究后发现，在伤后早期阶段(3周～1.5个月)，受伤下肢的股直肌、股内侧肌及股外侧肌肌力会出现显著下降。Frank等[16]研究则表明，在步态周期中，急性ACL损伤患者股直肌处于激活状态的时间显著少于对照组，而其他肌肉的激活状态在持续时间上差异无统计学意义。

与急性ACL损伤不同，慢性ACL损伤的肌电模式尚存在争议。以往有研究表明，ACL损伤患者受伤2年或更长时间后，仍然会表现出股四头肌抑制[12]。还有研究报告了ACL损伤6年以上的患者，股四头肌抑制率为80%。但Ferber[11]及Li[15]的最新研究则指出随着受伤时间的延长，股四头肌将逐渐恢复到与未受伤侧相同的水平，而不会表现出明显的抑制。

除股四头肌肌力的改变，步态周期中腘绳肌收缩的增加可能参与代偿，以稳定受损膝关节[17]，这种活动模式被后来的学者称为“腘绳肌促进”策略。此外，由于腓肠肌激活会对ACL产生张力，还有学者指出[18]，腓肠肌活动的减少也可以保护膝关节免受过度的胫骨前平移。

2 步态分析对ACL损伤的临床诊断意义

ACL损伤常合并半月板撕裂，文献指出[19]ACL损伤急性期半月板撕裂发病率为59.8%，慢性期发病率为94.3%。目前，对ACL损伤伴或不伴半月板撕裂的诊断常通过物理检查结合影像学方法。然而该诊断方式受成像设备、所用技术以及临床医生经验的影响，并且缺少对受损膝关节运动状况的评估。步态分析系统因其测量的精准性，也被用于单纯ACL损伤和ACL损伤合并半月板撕裂的诊断及鉴别诊断中。

2.1 对单纯ACL损伤的诊断 步态分析系统可以提供人体膝关节运动的生物力学数据，评估膝关节的动态稳定性，并从运动学及动力学角度对临床诊断提出补充。罗鸿[20]的一项研究对比了体格检查，MRI及步态分析在诊断方面的差异。通过对膝关节每个步态活动周期内的内/外翻角、内/外旋角、屈曲/伸展角、前/后位移、上/下位移及内/外位移的采集分析，他认为步态分析的诊断方法阳性率更高，尤其体现在ACL轻度损伤的患者。还有研究显示，步态分析系统可以帮助排查磁共振成像的假阳性结果。Yao等[21]利用改进的光学运动分析系统，对3例经MRI诊断为ACL损伤的患者进行了双膝关节6个自由度(屈曲伸展、内收外展及内外旋转)的运动学分析。2名受试者ACL损伤膝和对侧膝之间的运动学存在显著差异，而第3名受试者双膝之间没有差异，后续的关节镜检查也证实了该受试者ACL的完整性。他认为MRI结合运动学分析可以优化ACL损伤的诊断。

2.2 对ACL损伤合并半月板撕裂的诊断 ACL损伤常合并半月板的撕裂，与无半月板损伤的患者相比，ACL损伤伴半月板撕裂患者的步态力学表现出更为异常的模式。研究指出[7]，与单纯ACL断裂患者相比，合并半月板损伤的ACL断裂者会产生较大的内源性膝外展力矩。Harato等[22]研究了单纯ACL损伤与ACL损伤伴不稳定半月板撕裂患者的步态，发现在站立中期，两组受试者患肢矢状面膝关节偏移和峰值膝关节伸展角均低于健侧肢体。与单纯ACL损伤组相比，ACL损伤伴不稳定半月板撕裂患者在站立中期，患膝胫骨内旋转角度变化更大。然而并非所有伴随半月板撕裂的交叉韧带损伤都能通过步态显示，这与半月板损伤情况及位置有关[23]。Ren等[24]发现ACL损伤伴内侧半月板后角撕裂与单纯ACL损伤相比，虽然在胫骨外旋转的角度以及内旋转力矩上有所不同，但不会显著影响行走的步态。此外，半月板撕裂还能在ACL损伤患者的肌肉力量模式上体现。研究显示[25]，伴有内侧半月板撕裂的ACL损伤患者，其股直肌力量在站立中晚期显著低于单纯ACL损伤患者和对照组，而腘绳肌和其余股四头肌力量差异无统计学意义。

3 不同自体重建移植物对步态影响

ACL损伤后的关节镜下重建，已被证实是一种有效地手术方式，可以治疗膝关节不稳定。目前，解剖单束ACL重建被认为是恢复胫骨前平移和膝关节旋转稳定性的金标准[26]。然而，关于理想移植物的选择仍有争议。由于同种异体移植物与人工韧带增加额外成本，故在自身条件允许的情况下，临床医生与患者多选择采用自体移植的方式。自体移植物中骨-髌腱-骨(bone-patellar tendon-bone，BPTB)因其强度高，取材方便，骨愈合能力强，被认为是ACL重建的金标准。但腘绳肌腱(hamstring tendon，HT)与股四头肌腱(quadriceps tendon，QT)移植物由于良好的愈后，也受到越来越多学者的推崇[27]。现阶段，学者从不同角度对自体移植物重建疗效进行分析，对重建术后步态的研究也逐渐深入。

3.1 BPTB重建术 Bulgheroni等[28]研究发现，BPTB重建术后1年，ACL重建患者的膝关节在站立阶段恢复了正常屈曲模式。在负荷反应及预拉伸过程中，膝关节矢状面屈曲力矩恢复；在整个站立阶段，冠状面上髋及膝内收外展力矩达正常模式。与ACL损伤未经治疗组相比，重建患者肌电图值也接近正常，表现为股四头肌活动在负荷反应期间增加，但在随后的站立阶段减少，并在预收缩时出现峰值。虽然既往的研究表明[29]，BPTB自体移植可能会增加髌骨骨折、移植物供区疼痛、髌股疼痛及下跪痛的风险，但其对受累肢体步态的改善仍旧是显著的。

3.2 HT重建术 在HT重建ACL的研究中，王卫明等[30]发现重建术后3个月患者表现出股四头肌逃避步态，随着恢复时间延长，下肢步态模式趋于正常。Moya-Angeler等[31]也指出HT重建术后12个月内，受试者在步行、慢跑及单腿跳跃中，受累及未受累肢体动力学对称性的恢复有增加趋势。

Johnston等[32]比较了BPTB和HT在ACL重建后膝关节的步态。他发现重建术后远期，两组在膝关节屈曲角度峰值、内翻角度峰值、垂直地面反作用力、前平面力矩、股四头肌力量等方面没有差异。但也有学者持不同观点，Webster等[33]的研究表明，BPTB组在站立中期膝关节屈曲力矩明显减小；HT组在站立末期膝关节伸展力矩明显减小。Rudroff[34]收集了自体髌腱和半腱肌腱重建术后2年时的跳跃、深蹲和步行数据，这些测试的结果表明半腱肌腱重建的患者比接受髌腱重建的患者具有更好的功能。他指出，髌腱重建的患者在跳跃过程中不能像半腱肌腱重建的患者那样弯曲膝关节，股四头肌和腘绳肌共同激活较低，行走时不对称明显。

3.3 QT重建术 近年来，越来越多的研究数据证明了自体QT在ACL重建中的作用。QT更厚、更长、更宽，与髌腱相比强度更大。一项利用QT自体移植的研究表明[35]，与BPTB自体移植相比，自体QT移植组供区疼痛的发病率降低，膝关节前向稳定性差异无统计学意义。Hunnicutt等[36]对接受QT自体移植和自体髌腱移植患者进行了时空步态分析，结果显示两组之间的下肢运动功能、等速伸膝肌力相似，差异无统计学意义。

在与自体HT移植的比较中，有学者认为自体QT表现出相似的膝关节稳定性，并且在屈肌肌力恢复方面存在优势[37]。Mueske等[38]的一项回顾性研究还指出，自体QT和HT移植患者与健康对照组相比，在跳跃落地过程中，髋关节屈曲增加，踝关节背屈降低，髋、膝、踝关节的屈曲力矩和膝关节外展力矩增大；与健侧肢体相比，手术侧膝关节和踝关节屈曲角度下降、屈曲力矩减小、膝关节和髋关节外展力矩增加。与HT组相比，QT组在髋关节及膝关节屈曲力矩方面表现出更大的不对称性。

3.4 其他 还有学者提出将腓骨长肌(peroneus longus tendon，PLT)或腓骨长肌腱前半部分(anterior half of the plt，AHPLT)用于ACL重建。杜天舒等[39]利用步态分析系统研究比较半腱肌及AHPLT重建ACL后的足底压力情况，结果显示两者在足底压力大小及分布上差异无统计学意义。还有研究对PLT联合HT重建ACL后的步态进行分析[40]，结果表明：与对照组相比，ACL重建患者的髋关节内外侧旋转减少，膝关节内收/外展偏移减少，踝关节内外侧旋转的偏移量增加。与健侧相比，手术侧膝关节的旋转力矩显著降低，踝关节的旋转力矩明显增加。与HT重建患者相比，PLT联合HT重建患者膝关节运动无明显差异，踝关节运动差异有统计学意义。Karimi等[40]指出，PLT取腱后会对供区踝关节运动产生额外影响。

4 小 结

应用步态分析技术对ACL损伤后的步态数据进行采集分析，可以准确揭示下肢运动学、动力学及动态肌电图的变化。虽然国内外学者已对此进行大量研究，但在损伤后远期步态模式发展变化方面仍然存在争论。作为一种研究评价手段，步态分析还可以依据定量的数据，对单纯ACL损伤以及合并半月板撕裂的ACL损伤进行诊断。到目前为止，关于何种重建移植物最佳的讨论仍在进行中。从步态变化的角度对移植物进行比较，并依据患者自身条件选择手术方式，将是未来一项值得继续探讨的课题。