三維步態分析技術在腦卒中后偏癱步態中的應用進展

胡填，古劍雄

一項流行病學調查顯示，中國腦卒中發病率較過去30年明顯增加［1］。腦卒中是成年人獲得性殘疾的主要病因［2］，其中步行障礙是影響腦卒中患者正常生活的主要運動功能障礙之一。腦卒中患者多因下肢伸肌痙攣而出現骨盆后縮、髖關節伸展內旋、膝關節伸展、足內翻、跖屈，致使其行走時需提髖，下肢外旋、外展才能順利邁步，表現為患側下肢經外側劃半圓弧再回旋向前邁步，這種偏癱步態模式又稱“劃圈步態”［3］。為了更準確地量化腦卒中患者的步行能力，臨床工作者引入了三維步態分析系統。三維步態分析系統是由三維光電跟蹤系統、肌電遙測系統、足底壓力采集測量系統及計算機處理系統4部分組成，其中三維光電跟蹤系統可捕捉放置于受試者身體特定位置的反射標志物，肌電遙測系統可動態觀察受試者肌電活動情況，足底壓力采集測量系統可以反映受試者行走時地面對足底的支撐反應力，計算機處理系統可整合處理各項數據并描繪成數據表格或統計圖［4］。三維步態分析技術是指檢查者通過三維步態分析系統所導出的關于受試者行走時的時空參數、運動機能學參數、動力學參數、肌電活動參數和能量消耗參數等［5］來客觀地評價其步行能力，總結步態規律，分析步態異常的病因，從而為醫學診斷、手術決策制定和療效評定提供科學依據。

近年來，隨著現代醫學技術的持續發展和三維步態分析系統的不斷改進，三維步態分析技術已廣泛應用于生物力學、臨床醫學、康復工程和體育科學等諸多領域。三維步態分析系統客觀、精準的測量結果有助于醫務工作者鑒定傷殘、制定治療方案、評價療效及設計研發矯形器具等，且其在探究腦卒中后偏癱患者異常運動模式中的應用已日趨成熟。三維步態分析技術是臨床評價腦卒中后偏癱患者步態的“金標準”［6-7］。本文就三維步態分析技術在評估腦卒中后偏癱步態中的應用進展進行綜述，以期為患者制定更有針對性的康復方案提供參考。

1 腦卒中后偏癱步態的三維步態分析

1.1 時空參數研究 步態的時空參數包括步速、步頻、步長、步幅、步寬、步態周期和步態時相。腦卒中后偏癱患者的異常步態主要表現為步速減慢，步長縮短，步幅降低，步寬增大，步態周期延長［8］。步速和步長的改善常作為偏癱患者的主要結局指標或次要結局指標而被臨床研究者廣泛應用［9-11］。步速、步長可用于評價腦卒中患者的步行能力，且步長的偏差可用于評價步態的對稱性［12］。單莎瑞等［13］研究表明，步速和雙支撐相是社區健康老年人Berg平衡量表（Berg Balance Scale，BBS）得分的主要影響因素。PARK等［14］通過三維步態分析技術發現，步速和步長的改善可以提高腦卒中患者卒中專門生存質量量表（Stroke-specific Quality-of-life，SSQOL）得分，且患者BBS得分與SSQOL得分呈正相關。上述研究均提示步速、雙支撐相、步長對腦卒中后偏癱患者平衡能力具有潛在的評估價值。

腦卒中患者常因偏癱側肢肌肉無力、痙攣和活動受限而導致其出現不對稱行走，步態不穩，進而增加跌倒風險［15］。步態周期參數中的擺動相/支撐相比值常用于衡量患者步行質量和步態恢復情況［16］。榮湘江等［17］指出，患側下肢單支撐期縮短是導致腦卒中患者步行能力下降的根本原因。盛逸瀾等［18］研究也證實了這一觀點，而踝關節、足下垂功能矯正貼治療可增強腦卒中患者患側肢體的支撐能力，降低擺動相/支撐相比值，從而改善步態，增強步行能力。

1.2 運動機能學參數研究 腦卒中患者由于患側下肢各關節活動受限、控制能力下降及分離運動不充分等原因而導致患側髖、膝、踝關節的活動度均較正常健康人減小［19］，主要體現在患側下肢在擺動過程中屈髖、屈膝和踝背屈的角度不足。國內外大量研究表明，干預性的康復治療方案可通過改善患者患側髖、膝、踝關節的活動度來增強患者的步行能力［20-24］。因此，利用三維步態分析技術測量患側髖、膝、踝關節的活動角度也可用于評價腦卒中后偏癱程度。此外，行走時下肢各關節活動的相互關系也可用于指導康復方案的制定。ROCHE等［25］首次發現，腦卒中患者患側下肢在跨步時髖關節屈曲角度與踝關節背屈角度呈負相關（r=-0.26），提示臨床可通過采取近端策略（踝背屈能力不足時增加屈髖能力進行補償）或遠端策略（鍛煉踝背屈能力以克服屈髖能力不足）來改善足廓清障礙。

1.3 動力學參數研究

1.3.1 足-地接觸力 足-地接觸力可按垂直、前后和左右方向做三維記錄。在整個步態周期中，正常健康人在垂直方向上的地面反作用力（ground reaction force，GRF）曲線表現為對稱雙峰［5］，可反映“足跟著地-足部放平-足尖蹬地”的過程。受偏癱步態的影響，腦卒中患者足跟著地和足尖蹬地的表現減弱或消失，GRF曲線由正常的對稱雙峰變為不規則，且由于患側下肢單支撐相縮短，存在對稱雙峰第一波峰延遲和第二波峰提前的現象［26］。另外，腦卒中后偏癱患者由于患側肢體無力，需要依靠健側肢體支撐身體，所以腦卒中后偏癱患者與正常健康人的區別主要在于雙下肢的不對稱性，且LEE等［27］發現腦卒中患者健側GRF明顯小于健康受試者的優勢側。ARDESTANI等［28］在探究腦卒中患者行走能力時發現，腦卒中患者在訓練室行走時，患側GRF曲線的雙峰比明顯增高，患側負重能力增加15%～25%，負重對稱性增加11%～24%，提示在對腦卒中后偏癱患者進行步行訓練時可能會高估患者的行走能力而導致跌倒風險增加。

1.3.2 關節力矩 力矩是描述力對物體轉動作用的物理量。人類所有的復雜動作是由肌肉收縮發力牽拉骨骼引起關節轉動所促成的，并由神經系統控制，因此關節力矩是力與關節活動范圍的乘積。在已知GRF和關節角度曲線的情況下，可采用逆向動力學分析法計算下肢關節力矩［5］。關節力矩是臨床診斷下肢功能損傷最敏感的指標［29］。

腦卒中患者下肢關節力矩降低多因相關肌肉群肌力下降和下肢伸肌痙攣所致，主要體現在屈髖、伸髖、伸膝和踝背伸［30］。全俊等［31］研究發現，腦卒中后偏癱患者患側膝關節屈肌/伸肌峰值力矩（hamstring/quadriceps，H/Q）比值與BBS得分、起立-行走計時測試（timed up and go test，TUGT）得分、10 m步行距離（ten-meter walking distance，10MWD）、穩定極限和偏移指數等均具有相關性，提示H/Q比值可較客觀地評價腦卒中后偏癱患者的平衡和步行能力。

1.4 肌電活動參數研究 已有研究證實，腦卒中后偏癱患者患側肌肉運動功能單位數量及放電量均減少，肌肉纖維類型發生轉變［32］，這些因素均可導致偏癱側肌無力，不利于步行能力的恢復。楊慧馨等［33］通過表面肌電分析系統探討太極拳和八段錦是否可以改善腦卒中患者下肢運動功能，結果顯示，治療后八段錦組、太極拳組患者踝背屈時脛骨前肌肌電積分值（integrated electromyogram，iEMG）升高，且均高于常規治療組，表明患者練習太極拳和八段錦后小腿主動肌電活動增強，兩種鍛煉方法均可有效恢復患者的下肢運動功能。D'SOUZA等［34］研究表明，腦卒中后偏癱患者在社區環境下行走時，患側下肢股直肌、股二頭肌、脛前肌和腓腸肌的肌肉最大自主收縮（maximum voluntary contraction，MVC）百分比均降低，肌電活動明顯減少。上述研究提示在訓練患者步行能力時應注重模擬真實環境，加強患者在雙重任務甚至多任務下的步行訓練。

1.5 能量消耗參數研究 氧價（oxygen cost，OC）是指運動時人體單位體質量、單位距離所消耗的氧氣量，其單位是ml?kg-1?m-1［5］，主要通過氣體代謝分析儀測出的耗氧量（oxygen consumption，VO2）進行計算，可定量評價人體在運動過程中的能量消耗，OC越小，表明人體運動時所消耗的能量越少。腦卒中后偏癱患者步速緩慢、不對稱性行走［35］等異常步態均可增加能量消耗。VO2的研究有利于為腦卒中患者制定個體化的運動強度。MUNARI等［36］將16例慢性腦卒中患者分為兩組，一組接受高強度間歇跑步機訓練（high-intensity treadmill training，HITT），另一組接受低強度持續跑步機訓練（low-intensity treadmill training，LITT），結果顯示，與接受LITT患者相比，接受HITT患者的步行能力較好，且最大步速行走時OC降低，同時VO2峰值升高，提示HITT對于腦卒中患者是可行、安全的。

2 三維步態分析技術在中國的挑戰

上述研究表明，三維步態分析技術中的時空、運動機能學和動力學等步態參數能較好地反映腦卒中后偏癱患者的步行功能。但三維步態分析技術因儀器昂貴、評估耗時長、產生數據較多且不易使用等限制了其在臨床中的廣泛應用。

2.1 三維步態分析技術應用成本昂貴 目前，三維步態分析系統需要有足夠的空間來安放多攝像機運動捕捉系統和力檢測平臺［37］，且患者在評估時需要一個相對安靜的環境，這就要求醫院需要建設專門的實驗室來擺放三維步態分析系統。另外，由于國內對于研發系統的技術還不成熟，主流三維步態分析系統多來自國外［38］，這無疑增加了科室的運營成本。

2.2 三維步態分析技術耗時、費力 三維步態分析技術主要是依賴放置于人體上反射標志物的反饋，這些常用的反射標志物多達30個［39］，這在準備、測量過程中十分耗時。此外，在系統采集數據時需要患者進行反復行走，這對腦卒中后偏癱患者無疑是一項不小的挑戰。

2.3 三維步態分析技術數據應用困難 基于三維步態分析技術的評估會產生大量數據，雖然客觀，但在臨床應用中十分復雜。研究表明，由于步行期間關節之間的相互關系，即一個關節的異常可能會在另一個關節、另一個平面或步態周期的另一個階段產生異常步態的效應［40］，這就要求評估者需要具備扎實的生物力學理論基礎和足夠的多學科知識儲備。同時如何更好地將這些“過載”數據與腦卒中患者功能障礙聯系起來對評估者來說也是一項挑戰。

3 小結與展望

三維步態分析技術因其可客觀、敏感地定量評價患者的下肢運動功能而廣泛應用于神經科、骨科和康復科等臨床一線科室，幫助醫生和治療師對患者的步行功能進行臨床診斷、制定康復方案和療效評估。三維步態分析技術在臨床應用中雖存在著諸多不足，但隨著我國醫療事業的不斷發展，患者對精準診療的需求不斷提高，三維步態分析技術的優勢還有待進一步挖掘。

3.1 測量結果的解釋需要標準化 三維步態分析技術會產生大量數據，且測量數據較客觀，但檢查者對于各項參數的解釋卻是主觀的，因此有必要建立一個廣泛認可的參數指南用以標準化解讀各項步態參數，進而客觀地評估患者的步行能力。

3.2 推廣便攜式步態分析儀的使用 近年來，便攜式步態分析儀憑借其操作簡便、所需成本較低等特點而被研發并代替三維步態分析系統。有研究表明，通過便攜式步態分析儀分析的健康人群［41］和腦卒中患者［42］的步態參數均具有良好的信度。因此，筆者認為便攜式步態分析儀值得在一些無法提供特殊場地和經費不足的醫院如二級醫院和社區醫院中推廣使用，使精確化診療走向社區。

作者貢獻：胡填進行文章的構思與設計，文獻/資料的收集、整理，撰寫及修訂論文；古劍雄進行文章的可行性分析，負責文章的質量控制及審校，并對文章整體負責、監督管理。

本文無利益沖突。