步态分析在膝关节前交叉韧带损伤中的研究进展

崔洪星　李伟　陈泽　张皓　孙书勤

【摘要】 近年来通过步态分析对不同阶段膝关节前交叉韧带损伤患者步态障碍进行精确定量评估受到国内外学者广泛关注。步态分析能够客观定量评估行走过程中的运动学及动力学参数，并分析步态障碍形成机制，从而指导临床治疗及损伤后康复，提高治疗效果。本文就步态分析在前交叉韧带损伤中的应用做一综述，旨在为临床及研究提供参考。

【关键词】 前交叉韧带损伤 步态分析 康复

Research Progress of Gait Analysis in Anterior Cruciate Ligament Injury of Knee Joint/CUI Hongxing， LI Wei， CHEN Ze， ZHANG Hao， SUN Shuqin. //Medical Innovation of China， 2022， 19（07）： -182

[Abstract] In recent years， accurate and quantitative assessment of gait disorders in patients with anterior cruciate ligament injury of knee joint at different stages by gait analysis has been widely concerned by scholars at home and abroad. Gait analysis can objectively and quantitatively evaluate the kinematic and dynamic parameters of walking process， and analyze the formation mechanism of gait disorders， so as to guide clinical treatment and rehabilitation after injury， and improve the therapeutic effect. This article reviews the application of gait analysis in anterior cruciate ligament injury， in order to provide reference for clinical and research.

[Key words] Anterior cruciate ligament injury Gait analysis Rehabilitation

First-author’s address： Binzhou Medical University， Yantai 264003， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2022.07.042

膝關节前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）位于膝关节关节囊内的髁间窝处，处于膝关节的正中位置，是维持膝关节稳定性的重要解剖结构[1]。前交叉韧带的功能主要包括生物力学功能和本体感觉功能两个方面。生物力学功能主要包括限制胫骨前移、膝关节过伸和内外翻等，ACL损伤会导致膝关节向前及旋转时的不稳定[2]。同时，ACL可以通过其表面分布的机械感受器对协调膝关节周围各个肌群的活动。其损伤会直接影响膝关节的神经肌肉控制[3]，进而产生步态的改变。通过步态分析了解ACL损伤患者不同阶段的运动学及动力学变化，能够为临床康复治疗提供科学有效的指导，提高康复效率。目前国内外已做了大量关于ACL损伤患者步态分析的研究，并且取得了一定的成果。

1 步态分析评估

近年来被研究者广泛使用的运动学分析仪器主要有光学运动捕捉三维步态分析系统及基于传感器的便携式步态分析系统，可测量步行过程中的三维运动数据，具有动态测量、客观量化等优点。与测力台和表面肌电相结合，还可测量步行过程中的动力学参数（地反作用力和关节力矩）及肌肉的活动情况[4-5]。相较临床常用的评分量表评估，步态分析的量化程度高，评价参数指标详细全面，且不容易受检测者及被检测者主观因素的影响。同时相较于体格检查与磁共振检查，步态分析是一种更为经济有效的前交叉韧带损伤诊断方法[6]。

2 ACL损伤后运动功能障碍的机制

ACL的前内侧束韧带主要在旋转时保持膝关节的稳定，而ACL的后外侧束韧带则在控制膝关节向前的稳定性中发挥着重要的作用，故ACL在保持膝关节向前及旋转时的稳定性方面具有重大的意义。同时，ACL结构也含有机械感受器，其损伤会引起传入神经阻滞介导的脊柱和脊髓的运动控制失调，直接影响膝关节的神经肌肉控制[3]。ACL损伤可引起生物力学功能、本体感觉功能和运动控制策略的改变，具体可表现为本体感觉、姿势控制、肌肉力量的变化。因此，ACL损伤不是简单的外周肌肉骨骼损伤，而是一种神经生理学功能障碍[7]。

ACL重建手术是目前ACL损伤最常用的治疗方法[8-9]。据统计，ACL损伤患者接受手术治疗后，能恢复到受伤前运动水平的比例不足45%[10-11]，很多患者术后存在本体感觉功能减退、神经肌肉控制能力减弱、步态异常以及膝关节周围肌群肿痛、僵硬、萎缩等问题[12-15]。ACL损伤及重建手术后膝关节解剖结构的变化和神经肌肉控制的改变均可导致步态的异常。

3 ACL损伤后下肢运动学和动力学变化

近年来，国内外研究发现ACL损伤及ACL重建手术后下肢运动学和动力学参数会出现规律性改变。ACL损伤患者下肢运动功能改变的运动学机制包括时间特征异常和空间特征异常。与正常人比较，由于主动活动范围受限及协调性下降出现适应性代偿，改变了下肢的步态模式，降低了步行效率。Zhang等[16]选取24例单侧ACL损伤患者为试验组，30例无膝关节损伤史的健康受试者为对照组，比较两组受试者膝关节六个自由度运动学的差异并据此推测可能的代偿机制。研究发现ACL损伤患者步态中胫骨外旋增加，摆动相中更为明显。在支撑相，脚的外旋导致地面反作用力横向和后向位移。该研究得出结论，运动学变化的效果是缩短杠杆臂，减少膝关节的伸展力矩。这表明患者形成了代偿机制，以避免由于ACL损伤而导致的膝关节位置不稳定或避免部分撕裂的ACL拉伸。Ursei等[17]发现ACL损伤患者与健康受试者相比，在首次触地时跖屈角度减小，支撑相背屈角度减小，差异有统计学意义。研究表明患者踝关节发生的代偿性改变，有利于提高膝关节的稳定性。周敬滨等[18]使用高速红外运动捕捉系统对ACL损伤患者及健康人进行步态分析，发现损伤组步频、步速降低，步态周期时间延长。这些时间参数的变化导致了步行效率下降。关节角度的改变在预承重期最为明显，与对照组相比，损伤组膝关节最大屈角度以及踝跖屈最大角度均显著减小（P<0.05），最大胫骨外旋角度明显增大（P<0.05），而髋关节的最大屈曲角度与对照组相比未见明显差异。他们的研究中同样发现代偿以踝关节为主，这可能是因为髋关节和骨盆的代偿需要更大的能量消耗。除了膝踝关节的代偿，Shi等[19]还探究了ACL损伤患者躯干姿势的代偿模式，与健康受试者相比，ACL损伤患者在下楼梯运动中，当膝关节矢状面力矩结束时，躯干后倾斜度更高，在上楼梯运动中，患膝关节冠状面力矩开始时，对侧躯干侧屈较高，平地行走时，患侧肩躯干旋转角度较小。

针对ACL损伤后下肢运动学变化，杜天舒等[20]认为患者为避免二次损伤，会在行走时尽可能地增加对足跟区的保护，以减少患侧肢体的受力，因而影响了动态足底压力的相关参数。在患侧下肢的足跟区，测得的冲量、平均峰值压力以及压强均减小，达峰值压力的时间延长。Pei-An等[21]对急性ACL损伤患者与慢性ACL损伤患者进行对比，慢性组双膝伸屈肌的肌力高于急性组。然而，对于急性组和慢性组患侧腿的最大扭矩，腘绳肌和股四头肌的比例同样高。在步态方面，急性组的髋关节和膝关节不对称，而慢性组没有。急性损伤后即刻的肌力下降可能是急性期疼痛相关的神经肌肉抑制所致。由于疼痛消退，这种抑制逐渐减轻，肌肉力量可以恢复。Sánchez-Alepuz等[22]研究发现ACL损伤患者健侧腿的最大角加速度、5%标准化膝关节力矩、50%标准化膝关节力矩和50%标准化踝关节力矩均显著高于健康受试者;ACL损伤患者患侧腿最大膝关节角度显著低于健康受试者，标准化膝50%标准化膝关节力矩和50%标准化踝关节力矩显著高于健康受试者。ACL损伤患者健康腿的蹬地力明显低于健侧腿，患侧腿制动力、蹬地力、摆动力较健康人显著降低。这表明，在受伤的膝关节中，这些角度参数的改变可以通过标准化膝关节角度的变化来代偿。然而，这些代偿性变化的出现，改变了步行的正常生物力学模式，可能会增加膝关节骨性关节炎的发生的风险[23]。

上述实验对ACL损伤后下肢运动学、动力学的变化做了系统研究，但未就损伤时间对步态的影响进行探究。Li等[5]将90例单侧ACL损伤成人，按伤后时间分为A组（3周～1.5个月）、B组（1.5个月～1年）、C组（1年以上）。采用便携式步态采集设备监测步态，患者以舒适的速度在50米跑道上行走，测试任务包括：行走、快走、倒走、蛇形走、双重任务行走、上楼下楼和热身后正常行走。研究发现ACL损伤1年后步态稳定性再次下降。这种现象可能提示ACL损伤引起的并发症会在损伤1年后出现并影响步行能力。因此，建议在损伤后1年内进行ACL重建手术。有研究指出，尽管ACL重建手术恢复了膝关节稳定性，但这些适应性一直持续到手术后的第一年。客观的和患者报告的功能测量有了改善，但下肢步态仍有异常，这表明可能有潜在的神经肌肉或本体感觉障碍。在ACL重建手术后的短期随访期间，许多步态适应现象持续到36个月[24]。赵立连等[25]分别于手术前及手术后3个月、6个月、1年、2年随访了270例采用自体肌腱行ACL重建手术的ACL损伤患者。与术前相比，所有患者最后一次随访的平均Lysholm评分、IKDC客观评分、IKDC主观评分、KOOS的疼痛、症状、功能、日常生活及生活质量评分、Tegner评分、KT-1000侧-侧差值、Lachman试验和轴移试验均显著改善（P<0.05）。膝关节六自由度运动学参数较手术前有了明显改善（P<0.05）。患者术后重返运动率仅为36.3%。研究表明重建术后患侧膝关节的稳定性以及功能显著提高，但重返运动率较低。Wellsandt等[26]对比40名接受手术治疗ACL损伤运动员与17名接受非手术治疗ACL损伤运动员康复5年后步态变化，非手术治疗的患者行走时比手术治疗的患者具有更大的膝关节内侧间隙压力和最大膝关节内收力矩。1例（5.9%）接受非手术治疗的患者和6例（16.7%）接受手术治疗的患者在5年内的放射学检查中出现了胫股骨性关节炎。这些结果表明，非手术组步态中较高的内侧间隙接触力和膝关节外收力矩在5年后可能不会对膝关节健康造成危害。研究证实，ACL损伤后有效的康复治疗可以显著降低重建手术的实施率，提高患者的运动功能的恢复[27]。因此，ACL重建手术虽然能够最大程度恢复韧带的解剖结构，提高下肢功能及稳定性，但不是恢复运动能力或预防并发症的唯一因素，揭示ACL重建术后膝关节运动生物力学规律和机制的变化，根据异常的运动学和动力学特征制定精准合理的康复方案[28-29]，确保患者接受高效的康复治疗是损伤后运动能力恢复及预防并发症的关键因素[30]。

4 结语

目前步态分析广泛应用于ACL损伤的评估，对ACL损伤及重建手术后的运动学和动力学研究已比较完善，但在临床康复治疗应用较少，目前的康复治疗方案主要是以手术后的时间为进阶标准、以“医疗经验”为基础制定的，康复效率较低。通过步态分析客观量化评估不同阶段运功学与动力学特征，并跟踪评估康复治疗效果，帮助医生制定更有针对性的个体化治疗方案，有利于ACL损伤及重建手术后患者运动能力的提高，减少术后并发症的出现。因此期望未来进行更深入而长期的步态研究，加强与临床康复的结合，为ACL损伤及重建手术后患者的康复治疗提供新的思路。

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（收稿日期：2022-02-08） （本文編辑：田婧）