步態分析

266071 濟南軍區青島第一療養院 孫嘉利 王桂清(審校)

1 概述

人類的步行是一個復雜的過程，它的根本目的是從一處安全有效地轉移到另一處。步行(walking)是指通過雙腳的交互動作移行機體的人類特征性活動。步行需要全身肌肉的參與，包括人體重心移位，骨盆傾斜旋轉，髖、膝、踝關節伸屈及內外旋展等，使人體位移的一種復雜的隨意運動[1]。步態則是人類步行的行為特征，涉及行為習慣、職業、教育、年齡及性別等因素，也受到多種疾病的影響[2]。

由于人類個體之間的內在差異，每個人的步態模式都是獨特的。然而，由于每個人都有基本相同的解剖和生理結構，所以健康人的步行是在一系列相似的過程中完成的[3]。在這種周期性的和高度自動化的運動模式中，包含有軀體和四肢有節律的動態變化，在連續的步行過程中，各個步態周期之間的差異是非常細微的[4]。

行走是人體日常生活中重復最多的一種整體性運動。直立行走運動是人類長期進化的結果。現代測量技術的發展使我們有可能對人類行走時身體各部分，特別是下肢的運動和受力情況進行動態的數量化分析，這項工作逐漸發展為生物力學的一個特殊分支，并被定名為步態分析(gait analysis)。步態分析就是研究步行規律的檢查方法，旨在通過生物力學和運動學手段，揭示步態異常的關鍵環節和影響因素，從而指導康復評估和治療，也有助于臨床診斷、療效評定及損傷機制的研究等[2]。

同時，步態分析也是一種對人體行走方式進行客觀記錄并對步行功能進行系統評價的有效手段，是康復評定的重要組成部分。在臨床工作中，對患有神經系統或骨骼肌肉系統疾病而可能影響行走能力的患者需要進行步態分析，以評估患者是否存在異常步態以及步態異常的性質和程度，為分析異常步態原因和矯正異常步態、制訂治療方案提供必要的依據[5]。

2 正常及異常步態模式

2.1 正常步態 所謂正常步態是指當一個健康成人用自我感覺最自然、最舒坦的姿態行進時的步態，它具有如下3個特點[6]：身體平穩、步長適當、耗能最少。正常步態需要中樞神經系統、周圍神經系統及骨骼肌肉的動態整合，是通過骨盆、髖關節、膝關節、踝關節和足趾的一系列活動完成的，而軀干則基本保持在兩足之間的支撐面上[7]。正常步態應該是髖關節、膝關節、踝關節的靈活運動，身體良好的平衡能力以及頭、軀干、四肢協調、流暢的配合運動[8]。正常步態很流暢的原因就是將重心最小限度地定位于骨盆，加上適宜的關節運動和適宜的力量，如果不能保證這些，則會導致異常步態的產生。

2.2 步態周期 從一側足跟接地起到同側足跟再次接地止稱為一個步行周期，由支撐相和擺動相構成[9]。支撐相是指腳與地面相接的時期，包括足跟接地、足掌接地、支撐中期、足跟離地、足趾離地5個時段；擺動相為腳離開地面的時期，由加速期、擺動中期、減速期這3期構成。在一個正常的步行周期中，支撐相占60%，其中大約有10%為雙支撐相，擺動相占40%。這些百分比是通過正常人以較舒適的速度步行時測得的，隨著步行速度的變化，這些百分比會發生很大的變化。加快步行速度會延長單支撐相的時間，而縮短雙支撐相的時間[10]。步行時身體重心做上下約5°的移動，骨盆做幅度8°左右的前后旋轉。正常步態的維持，應為髖關節前屈30°，后伸10°；膝關節充分伸展，屈曲60°；踝關節跖屈20°，背伸15°左右[11]。

2.3 異常病理步態 臨床上較多涉及康復介入的中樞神經系統病理步態主要包括中樞神經受損(腦卒中)所致的異常步態(偏癱步態)[12]；大腦彌漫性損害(腦性癱瘓)所致的異常步態(如腦癱所致的剪刀步態或舞蹈步態等)[13]；小腦損害或疾患所致異常步態(“鴨子”步態)[14]及基底神經核疾患所致異常步態 (如帕金森病患者的前沖步態)[15]等。周圍神經損傷(特定肌群喪失神經支配)所致異常步態在臨床也較多見，如臀大肌步態、臀中肌步態、股四頭肌步態、脛前肌步態以及腓腸肌和比目魚肌無力步態等[16]。但以上病理步態的臨床診斷主要依靠其原發病史、臨床表現及肉眼檢測而確定，因此對于患者在行進過程中出現的步態異常尚缺乏定量和精確的分析，在協助臨床診斷和治療方面也很難提出有針對性的診療方案。

3 步態分析的分類及方法

步態分析是利用力學的概念、處理手段和已經掌握的人體解剖、生理學知識對人體行走的功能進行對比分析的一種生物力學研究方法[17]。步態分析可分為定性法(目測分析法)和定量法(儀器分析法)兩種。

3.1 定性分析 臨床醫生通常進行的是目測步態分析，即由醫務人員通過目測的方法觀察病人的行走過程，然后根據所得印象或按照一定觀察項目逐項評價的結果，憑借其豐富的臨床經驗得出初步分析結論[18]。目測法只能定性，不能定量。觀察時需從側、前、后3個方向分別觀察患者行走時各關節、肌肉、骨盆的運動情況及全身姿勢的協調性狀況[19]。這種類型的步態分析無法提供量化信息，并且由于人類步行的速度和復雜化等原因，有很多局限性。如果是在病理步態下產生的差異或代償，情況將更加復雜。因此，在步態訓練的前、中、后還可采用直接或間接(錄像)觀察法，詳細觀察患者在行走時身體各個部分的變化[20]，如頭是否抬起；頸是否居中；患側肩帶是否下壓、肩胛骨是否后縮或前伸；軀干是否痙攣、向患側扭曲或向健側傾斜；患側骨盆是否上提、后突、向前或向后旋轉；髖、膝、踝線性排列是否正常；患側下肢負重及重心轉移的情況；下肢伸肌、外展肌群肌張力增高及屈髖、屈膝、踝背屈的程度；雙臂擺動的幅度；步長、步寬及步速；膝關節的控制能力；足的內翻和外翻；整體運動的對稱性和協調性等[21]。

3.2 定量分析 步態的定量分析在國內已逐步應用于臨床及科研，為客觀評定提供了一種精確有效的手段；可對步態分析的基礎參數(步速、步頻、步長)、時相與周期、站立相力矩及下肢關節角度等多種步態指標進行定量分析，指導步態訓練。

3.2.1 運動學(kinematics)分析 運動學分析是研究步行時肢體運動時間和空間變化規律的科學方法，主要包括：步行整體時間與空間測定和肢體節段性運動方向測定。足落地的時間、空間類型是整合的步行運動的結束。在站立相和擺動相的時空連續性過程中，可測定基本變量來描述步態。這些數據可通過測量足觸地時的間距和時間來獲得，如使用墨水和紙、足開關及一些更加復雜的技術系統等[22]。

目前多采用節段性運動測定，即針對特定關節或運動中心的三維動態分析。獲得步行時關節各方向活動角度的動態變化及其與步行時相之間的關系。常用的分析方式有：①同步攝像分析。在4～8 m的步行通道周圍設置2～6臺攝像機，同時記錄受試者步行圖像，并采用同步慢放的方式，將受試者的動作分解觀察和分析。②三維數字化分析。通過2～6臺檢測儀(數字化檢測儀或特殊攝像機)連續獲取受試者步行時關節標記物的信號，通過計算機轉換為數字信號，分析受試者的三維運動特征[23]。同一標記物被兩臺以上的檢測儀同時獲取時，即可進行三維圖象重建和分析。輸出結果包括：數字化重建的三維步態、各關節三維角度變化、速率和時相。關節標記物一般置放于需要觀察的關節或重力中心。③關節角度計分析。采用特制的關節角度計固定于被測關節，記錄關節活動的角度改變，轉換為數字信號并用計算機重建步態[24]。優點是操作比較簡便，特別是對上肢的檢查十分方便；缺點是難以準確記錄軀體的旋轉及傾斜活動等。

3.2.2 動力學(kinetics)分析 動力學分析是對步行時作用力、反作用力強度、方向和時間的研究方法。牛頓第三定律(作用力=反作用力)是動力學分析的理論基礎。反應力(反作用力)可以按時間標示，也可以根據步長時間的百分比標示其垂直成分[25]。動力學分析(kinetic analysis)系統的主要設備是三維測力板(Kistler,AMTI)。測力板由對稱分布在力板四角的傳感器組成，可以實時反映步行時垂直、水平和側向作用力。與運動學數據結合可以求出運動功量(power)[26]。

3.2.3 時間/空間參數分析(time-spatial parameter analysis)步態的時/空參數主要包括步長、步幅、步速、步頻、步寬、足偏角、步行周期等。過去需要使用足開關，甚至足印法進行測量，十分耗時而且不精確。現在可以使用有10萬個壓力感受器的電子步態墊 (gait mat)，外觀恰似普通的地毯。患者走過之后就可以立即把上述數據以圖形和數據的方式顯示和打印，設備可以手提攜帶，成為臨床步態分析十分實用的工具[27]。

3.2.4 動態肌電圖(dynamic electromyography) 動態肌電圖是步態分析非常重要的組成部分，用于檢測步行時肌肉活動與步態的關系。表淺肌肉一般采用表面電極，置放于與相鄰肌肉距離最遠并且接近肌腹的部位，深部肌肉可以采用植入式線電極[26]。由于神經疾病患者步態分析的發展，臨床對于明確導致步行障礙的關鍵神經肌肉的需求日益提高；因此，動態肌電圖的診斷價值也隨之越來越突出。

3.2.5 能量利用率(energy utility)測定 能量利用率的測定主要是通過心率、氧耗、氧損失來求得。在正常情況下，合適的步行速度可以使單位距離的能量消耗減小到最低。步行周期的運動學要求身體重心在水平和垂直方向的移動均減小到最低，即最佳能量消耗的運動[28]。步行時，既由于身體各節段的移動而消耗動能，又可因關節韌帶和肌肉的牽拉以及重心的轉移而產生勢能；步行時產生的勢能有大約50%可以被再利用。心率已成為評定正常兒童和腦癱兒童能量消耗的指標。有研究表明，以正常步態行進時，在接近最大心率之前，心率和氧耗呈線性關系。氧耗信息可用修訂的Douglas袋技術或與病人同步行走的車載氣體自動分析系統收集[29]。

4 研究進展及臨床應用

步態分析最早期和最簡易的檢測方法之一便是足印法。即在被檢測者的足底涂上墨汁，在步行通道(一般為4～6 m)鋪上白紙；囑受試者走過白紙，留下足跡，便可以測量距離。也可以在黑色通道上均勻撒上白色粉末，讓患者赤足通過通道，留下足跡[30]。足印法可獲得的參數包括步長、步長時間、跨步長、步行周期、步頻、步速及步寬等。足印法等目測手段在具有其方便實用等優點的同時，也存在著諸如準確性差及精確性不足的缺陷，這都是需要加以改進和替換的方面。

4.1 國內外研究概況 隨著現代步態分析技術的日臻完善和提高，目測分析的方法已逐漸被高新的電子技術所取代，現在多采用足開關或電子步態墊來測定步態的時空參數。不過，迄今為止，測試的精確性及可靠性最高的步態分析設備則首推已在國外廣泛應用的三維步態分析系統。定量步態分析研究始于19世紀末，20世紀70年代以后發展較快，80年代以后逐漸轉向三維運動學研究。三維步態分析系統的廣泛應用，可以彌補目測法所得結果的準確性及可靠性差等不足，對臨床治療具有很大的指導價值[31]。但國外的步態分析系統大多采用專用的視頻設備和計算機設備，價格昂貴且不易更新換代，雖然具有很高的精確度，但同時也使操作過程具有很高的專業性和復雜性，故尚未在我國普及使用。

我國在步態分析領域的研究起步較晚，國內只有少數幾家科研機構從上世紀80年代起開展了研究工作。由于進口步態分析系統的價格普遍比較昂貴，再加上檢測的技術參數相對復雜，難以被廣泛理解和分析應用。因此，目前在國內的諸多醫療和科研機構中，很多臨床醫生及研究人員仍然采用目測、秒表、米尺等簡單工具對患者的步態進行定性分析及診斷[32]，從而嚴重制約了現代步態分析技術在我國的開展和普及應用。

4.2 臨床應用 步行障礙是由多種原因綜合引起的。病理步態可由生理病理及臨床狀況的變化而產生，目前有3種主要的病因學分類：①結構(肌肉骨骼畸形)。②關節軟組織病損(如關節炎、軟組織攣縮等)。③神經系統病變(周圍或中樞神經系統的病變)[33]。正確合理的干預需要對正常步態及其生物力學基礎有一個清晰的了解。通過步態分析和準確的臨床診斷，可指導諸如外科手術、治療練習、輔助步行及機械和電子矯形器的使用等步態再訓練程序[34]。在治療干預的前后，還可以通過步態分析與測試來評估治療的效果。

步態分析在對人體運動系統和神經系統疾病的病因分析和診斷；功能、療效與殘疾的評定；骨、關節假體與義肢設計；截癱病人的行走功能重建等方面均有重要意義，已成為基礎和臨床研究中不可缺少的技術手段之一，在人類學、體育學和宇航學等領域也具有特殊的價值[35]。臨床步態分析旨在通過生物力學和運動學手段，揭示步態異常的關鍵環節和影響因素，從而協助康復評估和治療，也有助于協助臨床診斷、療效評估和機制研究等。步態分析可用于評估目測步態差異的動力學基礎，也是一項對各種治療效果及不同處理方案進行客觀選擇的有價值的標準[36]。

目前，步態分析在腦性癱瘓的診斷與治療中已得到了廣泛的關注[37]。Bell等[38]對8例腦癱兒童進行平均間隔4.4年的步態分析，研究腦癱兒童的步態在沒有手術干預下的自然進展情況；結果表明，與經過手術干預的腦癱兒童相比，未經手術干預的腦癱兒童的行走功能有顯著下降。步態分析所得的肌電活動參數可幫助區分馬蹄足患者在行走時的主要痙攣肌肉，以幫助選擇BTX的最佳注射部位[39]。Galli M等[40]對腦癱兒童在BTX注射前后分別進行了三維步態分析，比較結果發現，BTX注射后踝關節的運動學和動力學參數提高，踝關節的背屈功能也有顯著提高[40]。

在患者進行康復訓練、安裝支具或矯形器及手術前后進行步態分析，對所得步態參數進行比較，可以客觀地評定治療效果。Abel R[41]等對應用減重步態訓練系統進行治療的截癱患者進行了治療前后的步態分析，結果提示，減重步態訓練可以有效改善截癱患者的行走能力。有研究人員通過評定腦癱、偏癱患者佩戴踝足矯形器(ankle foot orthosis,AFO)后所產生的治療效果及作用，認為正確使用AFO可以顯著提高患者的步行速度，矯正肢體畸形或防止畸形加重；還可有效加強踝關節的穩定性，防止膝關節于站立相過伸，從而達到改善步態的目的[42-43]。

白躍宏等[44]應用三維步態分析系統(英國VICON公司制，V-612)對健康自愿者40名(平均年齡33歲)和患有矯形外科疾病的112名患者進行了三維步態的分析與測試。結果表明，步態分析所提供的運動學參數、生物力學參數及運動中骨骼肌的肌電活動參數變化等，可較好地區分正常及異常步態的原因、性質并作出合理的診斷及治療建議。由此認為，將三維步態分析的方法應用于矯形外科和康復醫學科，進行手術方案的制定、手術療效的評價和康復治療方法的選擇與療效評定等是切實可行的。

5 總結與展望

步行是人類最主要的行動方法，也是人體動作中重復性最高的一種。從學習走路開始，隨著神經骨骼肌肉系統的逐漸成熟，步行成為了一個不假思索的動作。如果神經骨骼肌肉系統受到損傷或產生病變，則很容易表現在行走時的步態上。因此，將步態分析的方法應用于診斷與評估神經骨骼肌肉系統的疾病方面，確有其優勢及必要性。

隨著高新技術日新月異的發展，步態分析系統將更容易被操作，分析所得的資料將更精確、更完整、更易于判讀，應用的范圍也將更加廣泛。然而，科學技術的發展終究要以服務病患為依歸。因此，如何將這些技術較好地應用于疾病的臨床診斷與治療規劃的制定及評估等方面，則有待臨床醫師、康復專科醫師與醫學工程師的密切合作與共同努力。

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