三维步态分析比较健康大学生与下肢运动损伤大学生步态特征的差异

刘会平 何俊 李佳

【摘要】  目的    應用三维步态分析系统比较健康大学生和下肢运动损伤大学生步行时步态特征的差异，为下肢运动损伤大学生的康复或预康复提供相关科学依据。方法    选取2019年10月—2020年4月期间因运动损伤后下肢功能障碍的大学生30例为研究组，健康大学生30例为对照组，采用三维步态分析系统对2组受试者分别行三维步态检测。结果    研究组步长、步频、步速、双足支撑时间小于对照组（P<0.05），步行周期长于对照组（P<0.05）；研究组足跟触地期屈膝角度大于对照组（P<0.05），承重反应期最大屈膝角度、支撑相中期最大伸膝角度、摆动相最大屈膝角度小于对照组（P<0.05）；研究组患侧矢状面和冠状面踝关节、膝关节、髋关节运动幅度均小于对照组，其中踝关节、髋关节转角幅值，膝关节矢状面转角幅值差异有统计学意义（P<0.05），膝关节冠状面转角幅值差异无统计学意义（P>0.05）。结论    三维步态分析系统用于下肢运动损伤患者的临床诊断、康复治疗及疗效评价具有客观、量化的特点，应用前景广泛。

【关键词】  运动损伤；三维步态分析系统；步态分析；时空参数；运动学参数

Comparison of gait characteristics between healthy college students and college students with lower limb movement injury using three-dimensional gait analysis

Liu Huiping 1，He Jun 2，Li Jia 2. 1 The College of Sports and Health Management of Changzhou Vocational Institute of Engineering，Changzhou，Jiangsu  213160; 2 The Dean Hospital，Changzhou，Jiangsu  213100

【Abstract】  Objective    The three-dimensional gait analysis system was used to compare the difference of gait characteristics between healthy college students and college students with lower limb movement injury，and to provide relevant scientific basis for the rehabilitation or pre-rehabilitation of college students with lower limb movement injury.Methods    30 college students with lower limb movement injury were selected as the study group from October 2019 to April 2020，and another 30 healthy college students were recruited as the control group．Results    Compared with the normal control group，step length，step frequency，step speed and foot support time in sports injury group were less than those in healthy group（P<0.05）.The walking cycle was longer than that of healthy group（P<0.05）.The knee bend angle of the sports injury group was higher than that of the healthy group（P<0.05）.The maximum knee bend angle，the maximum knee extension angle and the maximum knee bend angle in the middle support phase were lower than those in the healthy control group（P<0.05）.The motion amplitude of ankle joint，knee joint and hip joint decreased in the two groups in sagittal plane and coronal plane，and the amplitude of angle of ankle joint and hip joint decreased，the difference was statistically significant（P<0.05）.The coronal angle amplitude decreased，and the difference was not statistically significant（P>0.05）.Conclusion    The three-dimensional gait analysis system is an objective and quantitative evaluation system for the clinical diagnosis，rehabilitation and efficacy evaluation of the patients with lower limb movement injury，and has a wide application prospect.

【Key Words】  Sports injury；Three-dimensional gait analysis system；Gait analysis；Spatio-temporal parameters；Kinematic parameter

中图分类号：R493        文献标识码：A        文章编号：1672-1721（2023）07-0001-04

DOI：10.19435/j.1672-1721.2023.07.001

随着“健康中国”战略的大力度推进，“健康”成了全国人民最关注的话题之一。在全民健身的时代背景下，尤其当今大学生群体，除了注重知识的积累，越来越重视身体素质的增强，体育锻炼成了大学生课余生活中非常重要的部分，参加的项目、形式也逐渐多样化。但在进行体育活动过程中引发的运动损伤呈高发态势。运动损伤是指体育运动过程中发生的机体器官或组织解剖结构破坏或生理功能紊乱。在一项调查郑州市600名大学生运动损伤情况的报告中，发生率为32.8%[1]，男生发生率显著高于女生，尤其高发于球类运动中。从运动损伤的部位来看，损伤比例较高的是踝关节和膝关节[2]。陈咸等[3]在一项关于高校大学生的运动损伤调查问卷中发现，发生率高达40.58%，平均每人受伤0.57次，受伤部位频率较高的依次为踝关节（23.92%）、膝关节（18.10%）。探究其原因，主要与下肢解剖结构较为复杂，需要承受全身重量及运动量，以及当代大学生缺乏体育锻炼，运动不当，下肢力量明显不足等因素有关。一般下肢关节受伤情况大多是通过受伤者主观描述，或者受伤关节影像学检查和临床相关量表评分等来评估其功能[4]。为了更准确、客观地量化大学生下肢关节受伤情况，临床引入了三维步态分析系统，该系统主要用来研究步行规律，以及分析步态异常的环节及影响因素，从而进一步指导调整康复治疗方案[5]，逐步成为运动损伤康复和神经性疾病康复的重要评估方法[6]。本研究选取常州工程职业技术学院2019年10月—2020年4月期间因运动损伤后下肢功能障碍的大学生30例为研究组，健康大学生30例为对照组，通过对比2组行走时的时空、运动学和动力学参数，进一步指导制定康复治疗方案，报告如下。

1    资料与方法

1.1    一般资料    共纳入60例受试者，研究组30例，其中男21例，女9例；膝关节损伤14例，踝关节损伤16例。对照组30例，其中男19例，女11例。2组受试者基线资料差异无统计学意义（P>0.05），具有可比性，见表1。

1.2    纳入标准    （1）年龄18～25周岁；（2）研究组运动损伤后存在膝关节或踝关节损伤，能够独立完成三维步态分析检测；（3）受试者自愿参加此次测试，签署知情同意书；（4）本研究项目已经医学伦理委员会备案。

1.3    排除标准    （1）既往存在可能引起步态异常的骨骼肌肉疾病，功能障碍者或既往下肢骨折；（2）存在严重的其他系统疾病者，如恶性肿瘤、严重感染等；（3）长期规律的中、高强度有氧运动（过去1年运动≥3次/周，≥150 min/周）；（4）身体结构存在明显异常者（如X、O形腿，足弓异常等 ）；（5）对医用胶布及医用酒精过敏者。

1.4    退出和终止标准    受试者研究期间提出退出要求。

1.5    方法

1.5.1    测试仪器及原理    意大利TecnoBody Walker-view，运用抗干扰高速红外摄像系统，实时捕捉步行机奔跑中全身关节的角度变化情况，包括：躯干屈伸及侧弯，髋关节，膝关节及踝关节等，同时在额状面、矢状面及水平面内监测，并可进行360°旋转整体观察。同步大型灵敏压力感应跑台，实时记录身体压力中心变化，步长，步宽，触地时间及负重对称性等基本步态分析数据。将动作及步态数据整合分析，通过前方47英寸屏幕实时反馈给使用者，包括关节活动角度（全生理范围，左右对比），代偿情况（肩部对称性，脊柱弯曲以及骨盆对称性），步态等数据，指导训练及改进。一体化设计，主要操作于15英寸触摸面板进行，跑台扶手两侧另增设速度及坡度实体按钮，方便调节。

1.5.2    测试方法    受试者均由同一位康复治疗师采集三维步态分析数据。开机后站在跑台上，将紧急开关的夹子夹在衣服上，点击“快速开始”按钮，逐渐增加至适合的速度，待受试者熟悉后，记下速度值S后停止；点击“步态分析”按钮，速度设置为S，测试时间为30 s，完成后保存结果。测试结果包括：双侧平均步长、步行时双侧髋、膝关节的最大屈曲角度等。各进行3次有效测试，测力台截取左右足各一个周期分析，计算3次取均值作为该组数据。

1.6    观察指标    时间，空间指标（步頻、步长、步速、步行周期、双足支撑时间等），动力学指标（足跟触地期屈膝角度、承重反应期最大屈膝角度、支撑相中期最大伸膝角度、摆动相最大屈膝角度），患侧髋、膝、踝关节转角幅值。

1.7    统计学方法    应用SPSS 22.0统计学软件进行数据分析，计量资料以均数±标准差（x±s）表示，行t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2    结果

2.1    2组受试者时间-空间参数指标比较    研究组步长、步频、步速、双足支撑时间小于对照组，步行周期长于健康组，差异具有统计学意义（P<0.05），见表2、图1。

2.2    2組受试者运动学参数指标比较    研究组足跟触地期屈膝角度大于对照组，承重反应期最大屈膝角度、支撑相中期最大伸膝角度、摆动相最大屈膝角度小于对照组，差异具有统计学意义（P<0.05），见表3、图2。

2.3    2组受试者患侧髋、膝、踝关节转角幅值比较    研究组患侧矢状面和冠状面踝关节、膝关节、髋关节运动幅度均小于对照组，其中踝关节、髋关节转角幅值，膝关节矢状面转角幅值，差异有统计学意义（P<0.05），膝关节冠状面转角幅值差异无统计学意义（P>0.05），见表4。

3    讨论

随着人体生物工程学、电子信息学的飞速发展，在国外关于三维步态分析系统的研究已日趋成熟。其可以帮助临床诊疗、分析运动损伤，评估损伤严重程度，制定康复方案，评价疗效及优化治疗方案，还可用于体育科学等诸多领域。其由肌电遥测系统、三维光电跟踪系统、足底压力采集测量系统、计算机处理系统组成[7]，通过对步态内容中时间空间参数、运动学参数、动力学参数、肌电活动参数、能量消耗参数等进行综合、客观、定量地评估，总结步态规律，可以早期明确损伤的发生及进展程度，尽早采取相应的干预及治疗措施，制定康复方案，避免诱发创伤性关节炎，改善运动损伤患者的远期预后[8]。

在本次研究中发现，下肢运动损伤与步态异常存在密切关系，下肢运动损伤者步频、步幅、步长、步速、双足支撑相时间均小于健康对照组，而步行周期长于健康对照组（P<0.05）。时间空间参数是在受试者行走时评估下肢运动功能的指标，在步态时间空间参数中，机体步行的效率主要与步长和步速这两个参数有关，步频可以看出受试者步行的节奏及身体稳定性，平衡能力主要取决于双足支撑期时间和跛行指数，故下肢运动损伤者主要表现为步长变小，步速减慢，双足支撑期时间缩短，即“疼痛步态”[9]。其实就是通过减少踝、膝关节运动的方式，减少关节内压力和冲击力，避免关节疼痛的一种自我保护机制[10]。运动学参数主要是在站立位，通过屈伸下肢关节来检测的相关指标。本研究结果显示，运动损伤者和健康受试者相比，足跟触地期屈膝角度、承重反应期最大屈膝角度、支撑相中期最大伸膝角度、摆动相最大屈膝角度均存在一定程度下降（P<0.05）。研究组患侧矢状面和冠状面踝关节、髋关节转角幅值，膝关节矢状面转角幅值较健康受试者减小（P<0.05）。人类的步行运动包括髋关节、膝关节、踝关节及脊柱，可以看做是一条动作链，当人体下肢发生运动损伤后，为了避免疼痛机体会本能地对其步行状态进行微调整，即：通过下肢其他运动关节活动进行代偿，比如当髋、踝关节运动幅度减小时，一般可能通过膝关节代偿，步幅缩短。因此，与对照组相比，运动损伤组膝关节冠状面转角幅值无明显差异（P>0.05）。有研究发现[11]，踝关节外侧副韧带损伤时患者踝关节多呈跖屈位，考虑可能为失去韧带支持重力作用所致，也可能通过跖屈增加踝穴空间，来减轻压力引起的疼痛。国外一项研究[12]发现，当踝关节损伤时，患者通常通过减少髋关节活动范围、缩短步长、维持踝关节轻度跖屈位等途径来减轻踝关节疼痛，但是久而久之，包括健康关节在内的其他关节也可能会出现病理变化。膝关节作为机体下肢运动与负重支持力学系统中的重要关节，一旦受累，可能累及髋关节、踝关节或脊柱的稳定性。因此当膝关节周围肌力减退，屈伸角度不够时，跌倒风险显著增加。

本研究尚存在不足之处，纳入的样本量较少，导致临床结果不够客观全面。在今后的临床工作中期待建立更广泛的步态数据，并且以此为依据，建立更加完整、科学的康复及预康复体系。

参考文献

[1]    王铄，于雷，李傲雪.我国大学生运动损伤研究综述[J].拳击与格斗，2022，36（1）：94-96.

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[5]    ROCHA A P.System for automatic gait analysis based on a single RGB-D camera[J].PLoS One，2018，13（8）：17-28.

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[7]    BAKER R.Gait analysis：clinical facts[J].Eur J Phys Rehabil Med，2016，52（4）：560-574.

[8]    卢利萍，桑德春，季淑凤.下肢康复机器人LR2训练对偏瘫患者下肢肌痉挛和ADL能力改善的疗效观察[J].中国康复医学杂志，2018，33（1）：45-49.

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[10]  BROATCH J R.Compression Garments Reduce Muscle Movement and Activation during Submaximal Running[J].Med Sci Sports Exerc，2020，52（3）：685-695.

[11]    CHO B K，K J WOO.Lateral Collateral Ligament Reconstruction Using Suture-tape for Chronic Varus Metatarsophalangeal Instability of The Hallux[J].J Foot Ankle Surg，2020，59（5）：1062-1065.

[12]    CARROLL M.Ankle joint function during walking in tophaceous gout：A biomechanical gait analysis study[J].Gait Posture，2018（63）：150-153.

（收稿日期：2022-12-10）