三维步态分析技术在脑卒中后偏瘫步态中的应用进展

胡填，古剑雄

一项流行病学调查显示，中国脑卒中发病率较过去30年明显增加［1］。脑卒中是成年人获得性残疾的主要病因［2］，其中步行障碍是影响脑卒中患者正常生活的主要运动功能障碍之一。脑卒中患者多因下肢伸肌痉挛而出现骨盆后缩、髋关节伸展内旋、膝关节伸展、足内翻、跖屈，致使其行走时需提髋，下肢外旋、外展才能顺利迈步，表现为患侧下肢经外侧划半圆弧再回旋向前迈步，这种偏瘫步态模式又称“划圈步态”［3］。为了更准确地量化脑卒中患者的步行能力，临床工作者引入了三维步态分析系统。三维步态分析系统是由三维光电跟踪系统、肌电遥测系统、足底压力采集测量系统及计算机处理系统4部分组成，其中三维光电跟踪系统可捕捉放置于受试者身体特定位置的反射标志物，肌电遥测系统可动态观察受试者肌电活动情况，足底压力采集测量系统可以反映受试者行走时地面对足底的支撑反应力，计算机处理系统可整合处理各项数据并描绘成数据表格或统计图［4］。三维步态分析技术是指检查者通过三维步态分析系统所导出的关于受试者行走时的时空参数、运动机能学参数、动力学参数、肌电活动参数和能量消耗参数等［5］来客观地评价其步行能力，总结步态规律，分析步态异常的病因，从而为医学诊断、手术决策制定和疗效评定提供科学依据。

近年来，随着现代医学技术的持续发展和三维步态分析系统的不断改进，三维步态分析技术已广泛应用于生物力学、临床医学、康复工程和体育科学等诸多领域。三维步态分析系统客观、精准的测量结果有助于医务工作者鉴定伤残、制定治疗方案、评价疗效及设计研发矫形器具等，且其在探究脑卒中后偏瘫患者异常运动模式中的应用已日趋成熟。三维步态分析技术是临床评价脑卒中后偏瘫患者步态的“金标准”［6-7］。本文就三维步态分析技术在评估脑卒中后偏瘫步态中的应用进展进行综述，以期为患者制定更有针对性的康复方案提供参考。

1 脑卒中后偏瘫步态的三维步态分析

1.1 时空参数研究 步态的时空参数包括步速、步频、步长、步幅、步宽、步态周期和步态时相。脑卒中后偏瘫患者的异常步态主要表现为步速减慢，步长缩短，步幅降低，步宽增大，步态周期延长［8］。步速和步长的改善常作为偏瘫患者的主要结局指标或次要结局指标而被临床研究者广泛应用［9-11］。步速、步长可用于评价脑卒中患者的步行能力，且步长的偏差可用于评价步态的对称性［12］。单莎瑞等［13］研究表明，步速和双支撑相是社区健康老年人Berg平衡量表（Berg Balance Scale，BBS）得分的主要影响因素。PARK等［14］通过三维步态分析技术发现，步速和步长的改善可以提高脑卒中患者卒中专门生存质量量表（Stroke-specific Quality-of-life，SSQOL）得分，且患者BBS得分与SSQOL得分呈正相关。上述研究均提示步速、双支撑相、步长对脑卒中后偏瘫患者平衡能力具有潜在的评估价值。

脑卒中患者常因偏瘫侧肢肌肉无力、痉挛和活动受限而导致其出现不对称行走，步态不稳，进而增加跌倒风险［15］。步态周期参数中的摆动相/支撑相比值常用于衡量患者步行质量和步态恢复情况［16］。荣湘江等［17］指出，患侧下肢单支撑期缩短是导致脑卒中患者步行能力下降的根本原因。盛逸澜等［18］研究也证实了这一观点，而踝关节、足下垂功能矫正贴治疗可增强脑卒中患者患侧肢体的支撑能力，降低摆动相/支撑相比值，从而改善步态，增强步行能力。

1.2 运动机能学参数研究 脑卒中患者由于患侧下肢各关节活动受限、控制能力下降及分离运动不充分等原因而导致患侧髋、膝、踝关节的活动度均较正常健康人减小［19］，主要体现在患侧下肢在摆动过程中屈髋、屈膝和踝背屈的角度不足。国内外大量研究表明，干预性的康复治疗方案可通过改善患者患侧髋、膝、踝关节的活动度来增强患者的步行能力［20-24］。因此，利用三维步态分析技术测量患侧髋、膝、踝关节的活动角度也可用于评价脑卒中后偏瘫程度。此外，行走时下肢各关节活动的相互关系也可用于指导康复方案的制定。ROCHE等［25］首次发现，脑卒中患者患侧下肢在跨步时髋关节屈曲角度与踝关节背屈角度呈负相关（r=-0.26），提示临床可通过采取近端策略（踝背屈能力不足时增加屈髋能力进行补偿）或远端策略（锻炼踝背屈能力以克服屈髋能力不足）来改善足廓清障碍。

1.3 动力学参数研究

1.3.1 足-地接触力 足-地接触力可按垂直、前后和左右方向做三维记录。在整个步态周期中，正常健康人在垂直方向上的地面反作用力（ground reaction force，GRF）曲线表现为对称双峰［5］，可反映“足跟着地-足部放平-足尖蹬地”的过程。受偏瘫步态的影响，脑卒中患者足跟着地和足尖蹬地的表现减弱或消失，GRF曲线由正常的对称双峰变为不规则，且由于患侧下肢单支撑相缩短，存在对称双峰第一波峰延迟和第二波峰提前的现象［26］。另外，脑卒中后偏瘫患者由于患侧肢体无力，需要依靠健侧肢体支撑身体，所以脑卒中后偏瘫患者与正常健康人的区别主要在于双下肢的不对称性，且LEE等［27］发现脑卒中患者健侧GRF明显小于健康受试者的优势侧。ARDESTANI等［28］在探究脑卒中患者行走能力时发现，脑卒中患者在训练室行走时，患侧GRF曲线的双峰比明显增高，患侧负重能力增加15%～25%，负重对称性增加11%～24%，提示在对脑卒中后偏瘫患者进行步行训练时可能会高估患者的行走能力而导致跌倒风险增加。

1.3.2 关节力矩 力矩是描述力对物体转动作用的物理量。人类所有的复杂动作是由肌肉收缩发力牵拉骨骼引起关节转动所促成的，并由神经系统控制，因此关节力矩是力与关节活动范围的乘积。在已知GRF和关节角度曲线的情况下，可采用逆向动力学分析法计算下肢关节力矩［5］。关节力矩是临床诊断下肢功能损伤最敏感的指标［29］。

脑卒中患者下肢关节力矩降低多因相关肌肉群肌力下降和下肢伸肌痉挛所致，主要体现在屈髋、伸髋、伸膝和踝背伸［30］。全俊等［31］研究发现，脑卒中后偏瘫患者患侧膝关节屈肌/伸肌峰值力矩（hamstring/quadriceps，H/Q）比值与BBS得分、起立-行走计时测试（timed up and go test，TUGT）得分、10 m步行距离（ten-meter walking distance，10MWD）、稳定极限和偏移指数等均具有相关性，提示H/Q比值可较客观地评价脑卒中后偏瘫患者的平衡和步行能力。

1.4 肌电活动参数研究 已有研究证实，脑卒中后偏瘫患者患侧肌肉运动功能单位数量及放电量均减少，肌肉纤维类型发生转变［32］，这些因素均可导致偏瘫侧肌无力，不利于步行能力的恢复。杨慧馨等［33］通过表面肌电分析系统探讨太极拳和八段锦是否可以改善脑卒中患者下肢运动功能，结果显示，治疗后八段锦组、太极拳组患者踝背屈时胫骨前肌肌电积分值（integrated electromyogram，iEMG）升高，且均高于常规治疗组，表明患者练习太极拳和八段锦后小腿主动肌电活动增强，两种锻炼方法均可有效恢复患者的下肢运动功能。D'SOUZA等［34］研究表明，脑卒中后偏瘫患者在社区环境下行走时，患侧下肢股直肌、股二头肌、胫前肌和腓肠肌的肌肉最大自主收缩（maximum voluntary contraction，MVC）百分比均降低，肌电活动明显减少。上述研究提示在训练患者步行能力时应注重模拟真实环境，加强患者在双重任务甚至多任务下的步行训练。

1.5 能量消耗参数研究 氧价（oxygen cost，OC）是指运动时人体单位体质量、单位距离所消耗的氧气量，其单位是ml•kg-1•m-1［5］，主要通过气体代谢分析仪测出的耗氧量（oxygen consumption，VO2）进行计算，可定量评价人体在运动过程中的能量消耗，OC越小，表明人体运动时所消耗的能量越少。脑卒中后偏瘫患者步速缓慢、不对称性行走［35］等异常步态均可增加能量消耗。VO2的研究有利于为脑卒中患者制定个体化的运动强度。MUNARI等［36］将16例慢性脑卒中患者分为两组，一组接受高强度间歇跑步机训练（high-intensity treadmill training，HITT），另一组接受低强度持续跑步机训练（low-intensity treadmill training，LITT），结果显示，与接受LITT患者相比，接受HITT患者的步行能力较好，且最大步速行走时OC降低，同时VO2峰值升高，提示HITT对于脑卒中患者是可行、安全的。

2 三维步态分析技术在中国的挑战

上述研究表明，三维步态分析技术中的时空、运动机能学和动力学等步态参数能较好地反映脑卒中后偏瘫患者的步行功能。但三维步态分析技术因仪器昂贵、评估耗时长、产生数据较多且不易使用等限制了其在临床中的广泛应用。

2.1 三维步态分析技术应用成本昂贵 目前，三维步态分析系统需要有足够的空间来安放多摄像机运动捕捉系统和力检测平台［37］，且患者在评估时需要一个相对安静的环境，这就要求医院需要建设专门的实验室来摆放三维步态分析系统。另外，由于国内对于研发系统的技术还不成熟，主流三维步态分析系统多来自国外［38］，这无疑增加了科室的运营成本。

2.2 三维步态分析技术耗时、费力 三维步态分析技术主要是依赖放置于人体上反射标志物的反馈，这些常用的反射标志物多达30个［39］，这在准备、测量过程中十分耗时。此外，在系统采集数据时需要患者进行反复行走，这对脑卒中后偏瘫患者无疑是一项不小的挑战。

2.3 三维步态分析技术数据应用困难 基于三维步态分析技术的评估会产生大量数据，虽然客观，但在临床应用中十分复杂。研究表明，由于步行期间关节之间的相互关系，即一个关节的异常可能会在另一个关节、另一个平面或步态周期的另一个阶段产生异常步态的效应［40］，这就要求评估者需要具备扎实的生物力学理论基础和足够的多学科知识储备。同时如何更好地将这些“过载”数据与脑卒中患者功能障碍联系起来对评估者来说也是一项挑战。

3 小结与展望

三维步态分析技术因其可客观、敏感地定量评价患者的下肢运动功能而广泛应用于神经科、骨科和康复科等临床一线科室，帮助医生和治疗师对患者的步行功能进行临床诊断、制定康复方案和疗效评估。三维步态分析技术在临床应用中虽存在着诸多不足，但随着我国医疗事业的不断发展，患者对精准诊疗的需求不断提高，三维步态分析技术的优势还有待进一步挖掘。

3.1 测量结果的解释需要标准化 三维步态分析技术会产生大量数据，且测量数据较客观，但检查者对于各项参数的解释却是主观的，因此有必要建立一个广泛认可的参数指南用以标准化解读各项步态参数，进而客观地评估患者的步行能力。

3.2 推广便携式步态分析仪的使用 近年来，便携式步态分析仪凭借其操作简便、所需成本较低等特点而被研发并代替三维步态分析系统。有研究表明，通过便携式步态分析仪分析的健康人群［41］和脑卒中患者［42］的步态参数均具有良好的信度。因此，笔者认为便携式步态分析仪值得在一些无法提供特殊场地和经费不足的医院如二级医院和社区医院中推广使用，使精确化诊疗走向社区。

作者贡献：胡填进行文章的构思与设计，文献/资料的收集、整理，撰写及修订论文；古剑雄进行文章的可行性分析，负责文章的质量控制及审校，并对文章整体负责、监督管理。

本文无利益冲突。