步態分析在前交叉韌帶損傷中的應用

王奇奇，徐朱杰，馮德宏，周一逸，劉儀

(南京醫科大學附屬無錫人民醫院骨科，江蘇 無錫 214000)

前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)是膝關節重要的結構韌帶，也是膝關節最常見的損傷韌帶。ACL起自脛骨髁間隆突的前方內側，與外側半月板前角接合，斜向后上方外側，纖維呈扇形附著于股骨外側髁內側，主要參與控制膝關節前向穩定和旋轉穩定，其損傷多見于年輕的運動人員。隨著我國近年來競技體育的發展，群眾性體育運動的普及，ACL損傷的患者也越來越常見[1]，而導致ACL損傷的高危行為主要包括跳躍后著陸、飛奔急停、突然轉向等[2]。

為了更精準的剖析膝關節韌帶損傷的異常步態模式，步態分析法逐漸被引入到相關的領域，并成為了科學評價ACL損傷的手段之一。既往研究表明[3-4]，ACL損傷患者的步態模式將發生改變，通過研究患者的步行規律和步相差異可以準確揭示疾病與步態的關系。步態分析方法主要分為定性分析和定量分析[3]。定性分析即通過目測，觀察受試者自然步行時的姿態，結合經驗或通過評定量表進行評估。定量分析則是借助步態分析系統，采集行走時的各項數據，并經由專業的分析軟件評估步態情況。作者通過對大量文獻檢索閱讀，現對步態分析在ACL損傷中的應用進行綜述。

1 ACL損傷患者的步態特征

目前，步態分析系統主要從運動學、動力學及動態肌電圖三個方面對步態進行測量。運動學研究行走時肢體在時間和空間的變化規律，主要參數包括步速、步頻、步長、各個步態時相在步態周期中的占比，以及步行中髖、膝、踝的角度或位移加速度的運動規律等。動力學研究步態周期中不同時相，各個部位與支撐面間的相互作用力，主要參數包括足地接觸力和關節力矩等。動態肌電圖通過貼于皮膚的表面電極，收集下肢肌肉收縮產生的電信號，揭示肌肉活動與步態關系。

1.1 運動學特征 研究表明[4-5]，ACL損傷患者在創傷后的最初幾天，于水平地面上典型的運動學變化表現為步態周期延長、損傷側膝關節屈曲角度峰值減小、髖關節屈伸及旋轉幅度下降。這種情況被描述為功能性固定，作為損傷急性期的一種保護機制，有利于減少脛骨前平移和旋轉不穩定，通過運動限制的方式穩定損傷的膝關節。隨著傷后恢復時間增加，損傷的ACL也由急性期轉入慢性期。周敬濱等[6]研究了30例單側慢性ACL損傷患者(損傷時間≥6個月)和健康對照組水平行走時的步態，發現損傷組步頻、步速下降，步態周期延長；步幅、步長及支撐相百分比兩組之間差異無統計學意義。在預承重期損傷組脛骨外旋角度峰值增加，膝關節屈曲角度峰值和踝關節跖屈角度峰值下降，髖關節屈伸角度在兩組中差異無統計學意義。ACL損傷后急性期與慢性期均表現出步態周期延長以及膝關節屈曲角度峰值下降。同側髖關節和踝關節角度也會出現適應性改變，以提高膝關節穩定性。但也有學者的研究表明[7]，隨著恢復時長繼續增加，ACL損傷組與健康對照組在時間距離參數上的差異將逐漸消失。

還有學者探討了慢跑及轉向對ACL損傷膝關節的影響。研究指出[8]，與健側膝相比，ACL損傷膝在步態周期中會出現顯著的脛骨前平移，而此種脛骨前平移模式不會被更快的行進速度改變。在同側轉向運動中，ACL損傷膝與健側膝相比，差異無統計學意義。而在對側轉向中，ACL損傷膝表現出明顯的伸展不足和脛骨外旋減少。

在運動要求更高的上下樓梯過程中，髖膝關節運動同樣會發生相應變化。Lepley等[9]在利用三維運動分析儀對20例單側ACL損傷患者及20例健康對照者研究后發現，在上下樓期間，損傷側膝關節矢狀面偏移減小；而在上樓過程中，損傷組雙側下肢均表現出較小的膝關節屈曲角度和峰值伸展角，以及較大的髖關節外展角和冠狀面偏移。該研究指出，矢狀面膝關節運動減少會導致運動鏈近端模式異常，并影響髖關節運動。

1.2 動力學特征 ACL損傷患者在水平行走、慢跑及上樓過程中，患肢屈膝外力矩及膝關節伸展力矩峰值將減小。Knoll等[10]認為，ACL損傷期<6個月的患者會出現膝關節伸展力矩下降，而慢性ACL損傷患者不會出現該現象。Ferber等[11]的研究支持Knoll的觀點。Ferber等認為，與健康對照組相比，慢性ACL損傷患者在膝關節力矩特征上沒有表現出明顯差異。然而，也有研究顯示[12]，ACL損傷患者受傷2年或更長時間后，仍會表現出較小的膝關節伸展力矩。

除了對膝關節力矩的研究，步態分析系統還采集了足底壓力數據。Huang等[13]的研究發現，與健康對照組相比，ACL損傷患者足底與地面接觸時間更長，前足掌接觸更早，足中段內側壓力更大。與健側相比，ACL損傷側足底與地面接觸時間縮短，足掌前滾加快，足跟壓力減小，前足掌壓力增加。杜天舒等[14]的研究也得出相似的結果，他們指出與健側及健康對照組相比，足跟內外側、足底平均峰值壓力、沖量及平均峰值壓強降低，達峰值時間增加。

1.3 肌電圖特征 急性ACL損傷導致對脛骨前移的主要約束失效，脛骨向前滑動，直到二次軟組織約束(副韌帶、半月板)提供阻力。作為補償，患者可反射性抑制其股四頭肌收縮，以避免無禁忌的脛骨前平移，這種現象被稱為“股四頭肌回避步態”，被認為是急性ACL損傷后膝關節不能伸展的主要因素。Li等[15]對90名患者分組研究后發現，在傷后早期階段(3周～1.5個月)，受傷下肢的股直肌、股內側肌及股外側肌肌力會出現顯著下降。Frank等[16]研究則表明，在步態周期中，急性ACL損傷患者股直肌處于激活狀態的時間顯著少于對照組，而其他肌肉的激活狀態在持續時間上差異無統計學意義。

與急性ACL損傷不同，慢性ACL損傷的肌電模式尚存在爭議。以往有研究表明，ACL損傷患者受傷2年或更長時間后，仍然會表現出股四頭肌抑制[12]。還有研究報告了ACL損傷6年以上的患者，股四頭肌抑制率為80%。但Ferber[11]及Li[15]的最新研究則指出隨著受傷時間的延長，股四頭肌將逐漸恢復到與未受傷側相同的水平，而不會表現出明顯的抑制。

除股四頭肌肌力的改變，步態周期中腘繩肌收縮的增加可能參與代償，以穩定受損膝關節[17]，這種活動模式被后來的學者稱為“腘繩肌促進”策略。此外，由于腓腸肌激活會對ACL產生張力，還有學者指出[18]，腓腸肌活動的減少也可以保護膝關節免受過度的脛骨前平移。

2 步態分析對ACL損傷的臨床診斷意義

ACL損傷常合并半月板撕裂，文獻指出[19]ACL損傷急性期半月板撕裂發病率為59.8%，慢性期發病率為94.3%。目前，對ACL損傷伴或不伴半月板撕裂的診斷常通過物理檢查結合影像學方法。然而該診斷方式受成像設備、所用技術以及臨床醫生經驗的影響，并且缺少對受損膝關節運動狀況的評估。步態分析系統因其測量的精準性，也被用于單純ACL損傷和ACL損傷合并半月板撕裂的診斷及鑒別診斷中。

2.1 對單純ACL損傷的診斷 步態分析系統可以提供人體膝關節運動的生物力學數據，評估膝關節的動態穩定性，并從運動學及動力學角度對臨床診斷提出補充。羅鴻[20]的一項研究對比了體格檢查，MRI及步態分析在診斷方面的差異。通過對膝關節每個步態活動周期內的內/外翻角、內/外旋角、屈曲/伸展角、前/后位移、上/下位移及內/外位移的采集分析，他認為步態分析的診斷方法陽性率更高，尤其體現在ACL輕度損傷的患者。還有研究顯示，步態分析系統可以幫助排查磁共振成像的假陽性結果。Yao等[21]利用改進的光學運動分析系統，對3例經MRI診斷為ACL損傷的患者進行了雙膝關節6個自由度(屈曲伸展、內收外展及內外旋轉)的運動學分析。2名受試者ACL損傷膝和對側膝之間的運動學存在顯著差異，而第3名受試者雙膝之間沒有差異，后續的關節鏡檢查也證實了該受試者ACL的完整性。他認為MRI結合運動學分析可以優化ACL損傷的診斷。

2.2 對ACL損傷合并半月板撕裂的診斷 ACL損傷常合并半月板的撕裂，與無半月板損傷的患者相比，ACL損傷伴半月板撕裂患者的步態力學表現出更為異常的模式。研究指出[7]，與單純ACL斷裂患者相比，合并半月板損傷的ACL斷裂者會產生較大的內源性膝外展力矩。Harato等[22]研究了單純ACL損傷與ACL損傷伴不穩定半月板撕裂患者的步態，發現在站立中期，兩組受試者患肢矢狀面膝關節偏移和峰值膝關節伸展角均低于健側肢體。與單純ACL損傷組相比，ACL損傷伴不穩定半月板撕裂患者在站立中期，患膝脛骨內旋轉角度變化更大。然而并非所有伴隨半月板撕裂的交叉韌帶損傷都能通過步態顯示，這與半月板損傷情況及位置有關[23]。Ren等[24]發現ACL損傷伴內側半月板后角撕裂與單純ACL損傷相比，雖然在脛骨外旋轉的角度以及內旋轉力矩上有所不同，但不會顯著影響行走的步態。此外，半月板撕裂還能在ACL損傷患者的肌肉力量模式上體現。研究顯示[25]，伴有內側半月板撕裂的ACL損傷患者，其股直肌力量在站立中晚期顯著低于單純ACL損傷患者和對照組，而腘繩肌和其余股四頭肌力量差異無統計學意義。

3 不同自體重建移植物對步態影響

ACL損傷后的關節鏡下重建，已被證實是一種有效地手術方式，可以治療膝關節不穩定。目前，解剖單束ACL重建被認為是恢復脛骨前平移和膝關節旋轉穩定性的金標準[26]。然而，關于理想移植物的選擇仍有爭議。由于同種異體移植物與人工韌帶增加額外成本，故在自身條件允許的情況下，臨床醫生與患者多選擇采用自體移植的方式。自體移植物中骨-髕腱-骨(bone-patellar tendon-bone，BPTB)因其強度高，取材方便，骨愈合能力強，被認為是ACL重建的金標準。但腘繩肌腱(hamstring tendon，HT)與股四頭肌腱(quadriceps tendon，QT)移植物由于良好的愈后，也受到越來越多學者的推崇[27]。現階段，學者從不同角度對自體移植物重建療效進行分析，對重建術后步態的研究也逐漸深入。

3.1 BPTB重建術 Bulgheroni等[28]研究發現，BPTB重建術后1年，ACL重建患者的膝關節在站立階段恢復了正常屈曲模式。在負荷反應及預拉伸過程中，膝關節矢狀面屈曲力矩恢復；在整個站立階段，冠狀面上髖及膝內收外展力矩達正常模式。與ACL損傷未經治療組相比，重建患者肌電圖值也接近正常，表現為股四頭肌活動在負荷反應期間增加，但在隨后的站立階段減少，并在預收縮時出現峰值。雖然既往的研究表明[29]，BPTB自體移植可能會增加髕骨骨折、移植物供區疼痛、髕股疼痛及下跪痛的風險，但其對受累肢體步態的改善仍舊是顯著的。

3.2 HT重建術 在HT重建ACL的研究中，王衛明等[30]發現重建術后3個月患者表現出股四頭肌逃避步態，隨著恢復時間延長，下肢步態模式趨于正常。Moya-Angeler等[31]也指出HT重建術后12個月內，受試者在步行、慢跑及單腿跳躍中，受累及未受累肢體動力學對稱性的恢復有增加趨勢。

Johnston等[32]比較了BPTB和HT在ACL重建后膝關節的步態。他發現重建術后遠期，兩組在膝關節屈曲角度峰值、內翻角度峰值、垂直地面反作用力、前平面力矩、股四頭肌力量等方面沒有差異。但也有學者持不同觀點，Webster等[33]的研究表明，BPTB組在站立中期膝關節屈曲力矩明顯減小；HT組在站立末期膝關節伸展力矩明顯減小。Rudroff[34]收集了自體髕腱和半腱肌腱重建術后2年時的跳躍、深蹲和步行數據，這些測試的結果表明半腱肌腱重建的患者比接受髕腱重建的患者具有更好的功能。他指出，髕腱重建的患者在跳躍過程中不能像半腱肌腱重建的患者那樣彎曲膝關節，股四頭肌和腘繩肌共同激活較低，行走時不對稱明顯。

3.3 QT重建術 近年來，越來越多的研究數據證明了自體QT在ACL重建中的作用。QT更厚、更長、更寬，與髕腱相比強度更大。一項利用QT自體移植的研究表明[35]，與BPTB自體移植相比，自體QT移植組供區疼痛的發病率降低，膝關節前向穩定性差異無統計學意義。Hunnicutt等[36]對接受QT自體移植和自體髕腱移植患者進行了時空步態分析，結果顯示兩組之間的下肢運動功能、等速伸膝肌力相似，差異無統計學意義。

在與自體HT移植的比較中，有學者認為自體QT表現出相似的膝關節穩定性，并且在屈肌肌力恢復方面存在優勢[37]。Mueske等[38]的一項回顧性研究還指出，自體QT和HT移植患者與健康對照組相比，在跳躍落地過程中，髖關節屈曲增加，踝關節背屈降低，髖、膝、踝關節的屈曲力矩和膝關節外展力矩增大；與健側肢體相比，手術側膝關節和踝關節屈曲角度下降、屈曲力矩減小、膝關節和髖關節外展力矩增加。與HT組相比，QT組在髖關節及膝關節屈曲力矩方面表現出更大的不對稱性。

3.4 其他 還有學者提出將腓骨長肌(peroneus longus tendon，PLT)或腓骨長肌腱前半部分(anterior half of the plt，AHPLT)用于ACL重建。杜天舒等[39]利用步態分析系統研究比較半腱肌及AHPLT重建ACL后的足底壓力情況，結果顯示兩者在足底壓力大小及分布上差異無統計學意義。還有研究對PLT聯合HT重建ACL后的步態進行分析[40]，結果表明：與對照組相比，ACL重建患者的髖關節內外側旋轉減少，膝關節內收/外展偏移減少，踝關節內外側旋轉的偏移量增加。與健側相比，手術側膝關節的旋轉力矩顯著降低，踝關節的旋轉力矩明顯增加。與HT重建患者相比，PLT聯合HT重建患者膝關節運動無明顯差異，踝關節運動差異有統計學意義。Karimi等[40]指出，PLT取腱后會對供區踝關節運動產生額外影響。

4 小 結

應用步態分析技術對ACL損傷后的步態數據進行采集分析，可以準確揭示下肢運動學、動力學及動態肌電圖的變化。雖然國內外學者已對此進行大量研究，但在損傷后遠期步態模式發展變化方面仍然存在爭論。作為一種研究評價手段，步態分析還可以依據定量的數據，對單純ACL損傷以及合并半月板撕裂的ACL損傷進行診斷。到目前為止，關于何種重建移植物最佳的討論仍在進行中。從步態變化的角度對移植物進行比較，并依據患者自身條件選擇手術方式，將是未來一項值得繼續探討的課題。