步態分析在膝關節前交叉韌帶損傷中的研究進展

崔洪星　李偉　陳澤　張皓　孫書勤

【摘要】 近年來通過步態分析對不同階段膝關節前交叉韌帶損傷患者步態障礙進行精確定量評估受到國內外學者廣泛關注。步態分析能夠客觀定量評估行走過程中的運動學及動力學參數，并分析步態障礙形成機制，從而指導臨床治療及損傷后康復，提高治療效果。本文就步態分析在前交叉韌帶損傷中的應用做一綜述，旨在為臨床及研究提供參考。

【關鍵詞】 前交叉韌帶損傷 步態分析 康復

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

膝關節前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）位于膝關節關節囊內的髁間窩處，處于膝關節的正中位置，是維持膝關節穩定性的重要解剖結構[1]。前交叉韌帶的功能主要包括生物力學功能和本體感覺功能兩個方面。生物力學功能主要包括限制脛骨前移、膝關節過伸和內外翻等，ACL損傷會導致膝關節向前及旋轉時的不穩定[2]。同時，ACL可以通過其表面分布的機械感受器對協調膝關節周圍各個肌群的活動。其損傷會直接影響膝關節的神經肌肉控制[3]，進而產生步態的改變。通過步態分析了解ACL損傷患者不同階段的運動學及動力學變化，能夠為臨床康復治療提供科學有效的指導，提高康復效率。目前國內外已做了大量關于ACL損傷患者步態分析的研究，并且取得了一定的成果。

1 步態分析評估

近年來被研究者廣泛使用的運動學分析儀器主要有光學運動捕捉三維步態分析系統及基于傳感器的便攜式步態分析系統，可測量步行過程中的三維運動數據，具有動態測量、客觀量化等優點。與測力臺和表面肌電相結合，還可測量步行過程中的動力學參數（地反作用力和關節力矩）及肌肉的活動情況[4-5]。相較臨床常用的評分量表評估，步態分析的量化程度高，評價參數指標詳細全面，且不容易受檢測者及被檢測者主觀因素的影響。同時相較于體格檢查與磁共振檢查，步態分析是一種更為經濟有效的前交叉韌帶損傷診斷方法[6]。

2 ACL損傷后運動功能障礙的機制

ACL的前內側束韌帶主要在旋轉時保持膝關節的穩定，而ACL的后外側束韌帶則在控制膝關節向前的穩定性中發揮著重要的作用，故ACL在保持膝關節向前及旋轉時的穩定性方面具有重大的意義。同時，ACL結構也含有機械感受器，其損傷會引起傳入神經阻滯介導的脊柱和脊髓的運動控制失調，直接影響膝關節的神經肌肉控制[3]。ACL損傷可引起生物力學功能、本體感覺功能和運動控制策略的改變，具體可表現為本體感覺、姿勢控制、肌肉力量的變化。因此，ACL損傷不是簡單的外周肌肉骨骼損傷，而是一種神經生理學功能障礙[7]。

ACL重建手術是目前ACL損傷最常用的治療方法[8-9]。據統計，ACL損傷患者接受手術治療后，能恢復到受傷前運動水平的比例不足45%[10-11]，很多患者術后存在本體感覺功能減退、神經肌肉控制能力減弱、步態異常以及膝關節周圍肌群腫痛、僵硬、萎縮等問題[12-15]。ACL損傷及重建手術后膝關節解剖結構的變化和神經肌肉控制的改變均可導致步態的異常。

3 ACL損傷后下肢運動學和動力學變化

近年來，國內外研究發現ACL損傷及ACL重建手術后下肢運動學和動力學參數會出現規律性改變。ACL損傷患者下肢運動功能改變的運動學機制包括時間特征異常和空間特征異常。與正常人比較，由于主動活動范圍受限及協調性下降出現適應性代償，改變了下肢的步態模式，降低了步行效率。Zhang等[16]選取24例單側ACL損傷患者為試驗組，30例無膝關節損傷史的健康受試者為對照組，比較兩組受試者膝關節六個自由度運動學的差異并據此推測可能的代償機制。研究發現ACL損傷患者步態中脛骨外旋增加，擺動相中更為明顯。在支撐相，腳的外旋導致地面反作用力橫向和后向位移。該研究得出結論，運動學變化的效果是縮短杠桿臂，減少膝關節的伸展力矩。這表明患者形成了代償機制，以避免由于ACL損傷而導致的膝關節位置不穩定或避免部分撕裂的ACL拉伸。Ursei等[17]發現ACL損傷患者與健康受試者相比，在首次觸地時跖屈角度減小，支撐相背屈角度減小，差異有統計學意義。研究表明患者踝關節發生的代償性改變，有利于提高膝關節的穩定性。周敬濱等[18]使用高速紅外運動捕捉系統對ACL損傷患者及健康人進行步態分析，發現損傷組步頻、步速降低，步態周期時間延長。這些時間參數的變化導致了步行效率下降。關節角度的改變在預承重期最為明顯，與對照組相比，損傷組膝關節最大屈角度以及踝跖屈最大角度均顯著減小（P<0.05），最大脛骨外旋角度明顯增大（P<0.05），而髖關節的最大屈曲角度與對照組相比未見明顯差異。他們的研究中同樣發現代償以踝關節為主，這可能是因為髖關節和骨盆的代償需要更大的能量消耗。除了膝踝關節的代償，Shi等[19]還探究了ACL損傷患者軀干姿勢的代償模式，與健康受試者相比，ACL損傷患者在下樓梯運動中，當膝關節矢狀面力矩結束時，軀干后傾斜度更高，在上樓梯運動中，患膝關節冠狀面力矩開始時，對側軀干側屈較高，平地行走時，患側肩軀干旋轉角度較小。

針對ACL損傷后下肢運動學變化，杜天舒等[20]認為患者為避免二次損傷，會在行走時盡可能地增加對足跟區的保護，以減少患側肢體的受力，因而影響了動態足底壓力的相關參數。在患側下肢的足跟區，測得的沖量、平均峰值壓力以及壓強均減小，達峰值壓力的時間延長。Pei-An等[21]對急性ACL損傷患者與慢性ACL損傷患者進行對比，慢性組雙膝伸屈肌的肌力高于急性組。然而，對于急性組和慢性組患側腿的最大扭矩，腘繩肌和股四頭肌的比例同樣高。在步態方面，急性組的髖關節和膝關節不對稱，而慢性組沒有。急性損傷后即刻的肌力下降可能是急性期疼痛相關的神經肌肉抑制所致。由于疼痛消退，這種抑制逐漸減輕，肌肉力量可以恢復。Sánchez-Alepuz等[22]研究發現ACL損傷患者健側腿的最大角加速度、5%標準化膝關節力矩、50%標準化膝關節力矩和50%標準化踝關節力矩均顯著高于健康受試者;ACL損傷患者患側腿最大膝關節角度顯著低于健康受試者，標準化膝50%標準化膝關節力矩和50%標準化踝關節力矩顯著高于健康受試者。ACL損傷患者健康腿的蹬地力明顯低于健側腿，患側腿制動力、蹬地力、擺動力較健康人顯著降低。這表明，在受傷的膝關節中，這些角度參數的改變可以通過標準化膝關節角度的變化來代償。然而，這些代償性變化的出現，改變了步行的正常生物力學模式，可能會增加膝關節骨性關節炎的發生的風險[23]。

上述實驗對ACL損傷后下肢運動學、動力學的變化做了系統研究，但未就損傷時間對步態的影響進行探究。Li等[5]將90例單側ACL損傷成人，按傷后時間分為A組（3周～1.5個月）、B組（1.5個月～1年）、C組（1年以上）。采用便攜式步態采集設備監測步態，患者以舒適的速度在50米跑道上行走，測試任務包括：行走、快走、倒走、蛇形走、雙重任務行走、上樓下樓和熱身后正常行走。研究發現ACL損傷1年后步態穩定性再次下降。這種現象可能提示ACL損傷引起的并發癥會在損傷1年后出現并影響步行能力。因此，建議在損傷后1年內進行ACL重建手術。有研究指出，盡管ACL重建手術恢復了膝關節穩定性，但這些適應性一直持續到手術后的第一年。客觀的和患者報告的功能測量有了改善，但下肢步態仍有異常，這表明可能有潛在的神經肌肉或本體感覺障礙。在ACL重建手術后的短期隨訪期間，許多步態適應現象持續到36個月[24]。趙立連等[25]分別于手術前及手術后3個月、6個月、1年、2年隨訪了270例采用自體肌腱行ACL重建手術的ACL損傷患者。與術前相比，所有患者最后一次隨訪的平均Lysholm評分、IKDC客觀評分、IKDC主觀評分、KOOS的疼痛、癥狀、功能、日常生活及生活質量評分、Tegner評分、KT-1000側-側差值、Lachman試驗和軸移試驗均顯著改善（P<0.05）。膝關節六自由度運動學參數較手術前有了明顯改善（P<0.05）。患者術后重返運動率僅為36.3%。研究表明重建術后患側膝關節的穩定性以及功能顯著提高，但重返運動率較低。Wellsandt等[26]對比40名接受手術治療ACL損傷運動員與17名接受非手術治療ACL損傷運動員康復5年后步態變化，非手術治療的患者行走時比手術治療的患者具有更大的膝關節內側間隙壓力和最大膝關節內收力矩。1例（5.9%）接受非手術治療的患者和6例（16.7%）接受手術治療的患者在5年內的放射學檢查中出現了脛股骨性關節炎。這些結果表明，非手術組步態中較高的內側間隙接觸力和膝關節外收力矩在5年后可能不會對膝關節健康造成危害。研究證實，ACL損傷后有效的康復治療可以顯著降低重建手術的實施率，提高患者的運動功能的恢復[27]。因此，ACL重建手術雖然能夠最大程度恢復韌帶的解剖結構，提高下肢功能及穩定性，但不是恢復運動能力或預防并發癥的唯一因素，揭示ACL重建術后膝關節運動生物力學規律和機制的變化，根據異常的運動學和動力學特征制定精準合理的康復方案[28-29]，確保患者接受高效的康復治療是損傷后運動能力恢復及預防并發癥的關鍵因素[30]。

4 結語

目前步態分析廣泛應用于ACL損傷的評估，對ACL損傷及重建手術后的運動學和動力學研究已比較完善，但在臨床康復治療應用較少，目前的康復治療方案主要是以手術后的時間為進階標準、以“醫療經驗”為基礎制定的，康復效率較低。通過步態分析客觀量化評估不同階段運功學與動力學特征，并跟蹤評估康復治療效果，幫助醫生制定更有針對性的個體化治療方案，有利于ACL損傷及重建手術后患者運動能力的提高，減少術后并發癥的出現。因此期望未來進行更深入而長期的步態研究，加強與臨床康復的結合，為ACL損傷及重建手術后患者的康復治療提供新的思路。

參考文獻

[1] GALI J C，CAMARGO D B，OLIVEIRA F A M，et al.

Descriptive anatomy of the anterior cruciate ligament femoral insertion[J].Rev Bras Ortop，2018，53（4）：421-426.

[2]劉卉，于冰.生物力學在確定膝關節前交叉韌帶損傷危險因素中的應用[J].體育科研，2010，31（6）：15-16.

[3] DECKER L M，MORAITI C，STERGIOU N，et al.New insights into anterior cruciate ligament deficiency and reconstruction through the assessment of knee kinematic variability in terms of nonlinear dynamics[J].Knee Surgery，Sports Traumatology，Arthroscopy，2011，19（10）：1620-1633.

[4]時會娟，黃紅拾，于媛媛，等.單純前交叉韌帶斷裂與合并半月板損傷患者的步態分析[J].中國運動醫學雜志，2017，36（10）：858-864.

[5] LI W，LI Z，QIE S，et al.Biomechanical Evaluation of Preoperative Rehabilitation in Patients of Anterior Cruciate Ligament Injury[J].Orthopaedic Surgery，2020，12（2）：421-428.

[6]羅鴻，劉方，李順華，等.步態分析應用在前交叉韌帶損傷診斷中的意義[J].中國組織工程研究，2019，23（31）：4969-4973.

[7] Van MELICK N，Van CINGEL R E，BROOIJMANS F，et al.

Evidence-based clinical practice update：practice guidelines for anterior cruciate ligament rehabilitation based on a systematic review and multidisciplinary consensus[J].Br J Sports Med，2016，50（24）：1506-1515.

[8] MUSAHL V，KARLSSON J.Anterior Cruciate Ligament Tear[J].

N Engl J Med，2019，380（24）：2341-2348.

[9]陳連旭，付立功.前交叉韌帶斷裂和重建的臨床流行病學分析[J].中國組織工程研究，2016，20（24）：3602-3608.

[10] ARDERN C L，TAYLOR N F，FELLER J A，et al.Return-to-sport outcomes at 2 to 7 years after anterior cruciate ligament reconstruction surgery[J].American Journal of Sports Medicine，2012，40（1）：41-48.

[11] ARDERN C L，WEBSTER K E，TAYLOR N F，et al.Return to sport following anterior cruciate ligament reconstruction surgery：a systematic review and meta-analysis of the state of play[J].British Journal of Sports Medicine，2011，45（7）：596-606.

[12]郝永紅，周軍，孫鴻安，等.本體感覺強化訓練對前交叉韌帶重建患者術后膝關節功能的影響[J].中華物理醫學與康復雜志，2012，34（5）：388-389.

[13]馬釗，周謀望，谷莉，等.前交叉韌帶重建術后患者平衡功能的研究[J].中國康復醫學雜志，2010，25（7）：625-627.

[14] M?NSSON O，KARTUS J，SERNERT N.Health-related quality of life after anterior cruciate ligament reconstruction[J].Am J Sports Med，2011，19（3）：479-487.

[15] BARENIUS B，PONZER S，SHALABI A，et al.Increased risk of osteoarthritis after anterior cruciate ligament reconstruction：a 14-year follow-up study of a randomized controlled trial[J].American Journal of Sports Medicine，2014，42（5）：1049-1057.

[16] ZHANG L Q，SHIAVI R G，LIMBIRD T J，et al.Six degrees-of-freedom kinematics of ACL deficient knees during locomotion-compensatory mechanism[J].Gait Posture，2003，17（1）：34-42.

[17] URSEI M E，ACCADBLED F，SCANDELLA M，et al.Foot and ankle compensation for anterior cruciate ligament deficiency during gait in children[J].Orthop Traumatol Surg Res，2020，106（1）：179-183.

[18]周敬濱，李國平，李方祥.慢性膝關節前交叉韌帶損傷患者步態的運動學分析[J].中國運動醫學雜志，2012，31（10）：898-901.

[19] SHI D，LI N，WANG Y，et al.Gait modification strategies in trunk over right stance phase in patients with right anterior cruciate ligament deficiency[J].Gait Posture，2016，46：63-68.

[20]杜天舒，成西俠，張春禮，等.前交叉韌帶損傷患者動態足底壓力變化[J].中國運動醫學雜志，2016，35（6）：520-526.

[21] PEI-AN Y，FAN C H，KUO L T，et al.Differences in gait and muscle strength of patients with acute and chronic anterior cruciate ligament injury[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2020，80：105161.

[22] SáNCHEZ-ALEPUZ E，MIRANDA I，MIRANDA F J.Evaluación funcional de los pacientes con rotura del ligamento cruzado anterior.Estudio analítico transversal[J].Rev Esp Cir Ortop Traumatol （Engl Ed），2020，64（2）：99-107.

[23] ARHOS E K，CAPIN J J，BUCHANAN T S，et al.Quadriceps Strength Symmetry Does Not Modify Gait Mechanics After Anterior Cruciate Ligament Reconstruction，Rehabilitation，and Return-to-Sport Training[J].The American Journal of Sports Medicine，2021，49（2）：417-425.

[24] SLATER L V，HART J M，KELLY A R，et al.Progressive Changes in Walking Kinematics and Kinetics After Anterior Cruciate Ligament Injury and Reconstruction：A Review and Meta-Analysis[J].Journal of Athletic Training，2017，52（9）：847-860.

[25]趙立連，盧明峰，邢基斯，等.前交叉韌帶重建術后膝關節功能及三維運動步態分析[J/OL].中華關節外科雜志（電子版），2021，15（1）：23-32.

[26] WELLSANDT E，KHANDHA A，CAPIN J，et al.Operative and nonoperative management of anterior cruciate ligament injury：Differences in gait biomechanics at 5 years[J].Journal of Orthopaedic Research，2020，38（12）：2675-2684.

[27] FROBELL R B，ROOS E M，ROOS H P，et al.A randomized trial of treatment for acute anterior cruciate ligament tears[J].

N Engl J Med，2010，363（4）：331-342.

[28] CULVENOR A G，BARTON C J.ACL injuries：the secret probably lies in optimising rehabilitation[J].Br J Sports Med，2018，52（22）：1416-1418.

[29] HERZOG M M，MARSHALL S W，LUND J L，et al.Incidence of Anterior Cruciate Ligament Reconstruction Among Adolescent Females in the United States，2002 Through 2014[J].JAMA Pediatr，2017，171（8）：808-810.

[30] CIEZA A，CAUSEY K，KAMENOV K，et al.Global estimates of the need for rehabilitation based on the Global Burden of Disease study 2019：a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2019[J].Lancet，2021，396（10267）：2006-2017.

（收稿日期：2022-02-08） （本文編輯：田婧）