三維步態(tài)分析比較健康大學生與下肢運動損傷大學生步態(tài)特征的差異

劉會平 何俊 李佳

【摘要】? 目的? ? 應(yīng)用三維步態(tài)分析系統(tǒng)比較健康大學生和下肢運動損傷大學生步行時步態(tài)特征的差異，為下肢運動損傷大學生的康復或預康復提供相關(guān)科學依據(jù)。方法? ? 選取2019年10月—2020年4月期間因運動損傷后下肢功能障礙的大學生30例為研究組，健康大學生30例為對照組，采用三維步態(tài)分析系統(tǒng)對2組受試者分別行三維步態(tài)檢測。結(jié)果? ? 研究組步長、步頻、步速、雙足支撐時間小于對照組（P<0.05），步行周期長于對照組（P<0.05）；研究組足跟觸地期屈膝角度大于對照組（P<0.05），承重反應(yīng)期最大屈膝角度、支撐相中期最大伸膝角度、擺動相最大屈膝角度小于對照組（P<0.05）；研究組患側(cè)矢狀面和冠狀面踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)運動幅度均小于對照組，其中踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角幅值，膝關(guān)節(jié)矢狀面轉(zhuǎn)角幅值差異有統(tǒng)計學意義（P<0.05），膝關(guān)節(jié)冠狀面轉(zhuǎn)角幅值差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05）。結(jié)論? ? 三維步態(tài)分析系統(tǒng)用于下肢運動損傷患者的臨床診斷、康復治療及療效評價具有客觀、量化的特點，應(yīng)用前景廣泛。

【關(guān)鍵詞】? 運動損傷；三維步態(tài)分析系統(tǒng)；步態(tài)分析；時空參數(shù)；運動學參數(shù)

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

中圖分類號：R493? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1672-1721（2023）07-0001-04

DOI：10.19435/j.1672-1721.2023.07.001

隨著“健康中國”戰(zhàn)略的大力度推進，“健康”成了全國人民最關(guān)注的話題之一。在全民健身的時代背景下，尤其當今大學生群體，除了注重知識的積累，越來越重視身體素質(zhì)的增強，體育鍛煉成了大學生課余生活中非常重要的部分，參加的項目、形式也逐漸多樣化。但在進行體育活動過程中引發(fā)的運動損傷呈高發(fā)態(tài)勢。運動損傷是指體育運動過程中發(fā)生的機體器官或組織解剖結(jié)構(gòu)破壞或生理功能紊亂。在一項調(diào)查鄭州市600名大學生運動損傷情況的報告中，發(fā)生率為32.8%[1]，男生發(fā)生率顯著高于女生，尤其高發(fā)于球類運動中。從運動損傷的部位來看，損傷比例較高的是踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)[2]。陳咸等[3]在一項關(guān)于高校大學生的運動損傷調(diào)查問卷中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生率高達40.58%，平均每人受傷0.57次，受傷部位頻率較高的依次為踝關(guān)節(jié)（23.92%）、膝關(guān)節(jié)（18.10%）。探究其原因，主要與下肢解剖結(jié)構(gòu)較為復雜，需要承受全身重量及運動量，以及當代大學生缺乏體育鍛煉，運動不當，下肢力量明顯不足等因素有關(guān)。一般下肢關(guān)節(jié)受傷情況大多是通過受傷者主觀描述，或者受傷關(guān)節(jié)影像學檢查和臨床相關(guān)量表評分等來評估其功能[4]。為了更準確、客觀地量化大學生下肢關(guān)節(jié)受傷情況，臨床引入了三維步態(tài)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用來研究步行規(guī)律，以及分析步態(tài)異常的環(huán)節(jié)及影響因素，從而進一步指導調(diào)整康復治療方案[5]，逐步成為運動損傷康復和神經(jīng)性疾病康復的重要評估方法[6]。本研究選取常州工程職業(yè)技術(shù)學院2019年10月—2020年4月期間因運動損傷后下肢功能障礙的大學生30例為研究組，健康大學生30例為對照組，通過對比2組行走時的時空、運動學和動力學參數(shù)，進一步指導制定康復治療方案，報告如下。

1? ? 資料與方法

1.1? ? 一般資料? ? 共納入60例受試者，研究組30例，其中男21例，女9例；膝關(guān)節(jié)損傷14例，踝關(guān)節(jié)損傷16例。對照組30例，其中男19例，女11例。2組受試者基線資料差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05），具有可比性，見表1。

1.2? ? 納入標準? ? （1）年齡18～25周歲；（2）研究組運動損傷后存在膝關(guān)節(jié)或踝關(guān)節(jié)損傷，能夠獨立完成三維步態(tài)分析檢測；（3）受試者自愿參加此次測試，簽署知情同意書；（4）本研究項目已經(jīng)醫(yī)學倫理委員會備案。

1.3? ? 排除標準? ? （1）既往存在可能引起步態(tài)異常的骨骼肌肉疾病，功能障礙者或既往下肢骨折；（2）存在嚴重的其他系統(tǒng)疾病者，如惡性腫瘤、嚴重感染等；（3）長期規(guī)律的中、高強度有氧運動（過去1年運動≥3次/周，≥150 min/周）；（4）身體結(jié)構(gòu)存在明顯異常者（如X、O形腿，足弓異常等 ）；（5）對醫(yī)用膠布及醫(yī)用酒精過敏者。

1.4? ? 退出和終止標準? ? 受試者研究期間提出退出要求。

1.5? ? 方法

1.5.1? ? 測試儀器及原理? ? 意大利TecnoBody Walker-view，運用抗干擾高速紅外攝像系統(tǒng)，實時捕捉步行機奔跑中全身關(guān)節(jié)的角度變化情況，包括：軀干屈伸及側(cè)彎，髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)等，同時在額狀面、矢狀面及水平面內(nèi)監(jiān)測，并可進行360°旋轉(zhuǎn)整體觀察。同步大型靈敏壓力感應(yīng)跑臺，實時記錄身體壓力中心變化，步長，步寬，觸地時間及負重對稱性等基本步態(tài)分析數(shù)據(jù)。將動作及步態(tài)數(shù)據(jù)整合分析，通過前方47英寸屏幕實時反饋給使用者，包括關(guān)節(jié)活動角度（全生理范圍，左右對比），代償情況（肩部對稱性，脊柱彎曲以及骨盆對稱性），步態(tài)等數(shù)據(jù)，指導訓練及改進。一體化設(shè)計，主要操作于15英寸觸摸面板進行，跑臺扶手兩側(cè)另增設(shè)速度及坡度實體按鈕，方便調(diào)節(jié)。

1.5.2? ? 測試方法? ? 受試者均由同一位康復治療師采集三維步態(tài)分析數(shù)據(jù)。開機后站在跑臺上，將緊急開關(guān)的夾子夾在衣服上，點擊“快速開始”按鈕，逐漸增加至適合的速度，待受試者熟悉后，記下速度值S后停止；點擊“步態(tài)分析”按鈕，速度設(shè)置為S，測試時間為30 s，完成后保存結(jié)果。測試結(jié)果包括：雙側(cè)平均步長、步行時雙側(cè)髖、膝關(guān)節(jié)的最大屈曲角度等。各進行3次有效測試，測力臺截取左右足各一個周期分析，計算3次取均值作為該組數(shù)據(jù)。

1.6? ? 觀察指標? ? 時間，空間指標（步頻、步長、步速、步行周期、雙足支撐時間等），動力學指標（足跟觸地期屈膝角度、承重反應(yīng)期最大屈膝角度、支撐相中期最大伸膝角度、擺動相最大屈膝角度），患側(cè)髖、膝、踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角幅值。

1.7? ? 統(tǒng)計學方法? ? 應(yīng)用SPSS 22.0統(tǒng)計學軟件進行數(shù)據(jù)分析，計量資料以均數(shù)±標準差（x±s）表示，行t檢驗，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2? ? 結(jié)果

2.1? ? 2組受試者時間-空間參數(shù)指標比較? ? 研究組步長、步頻、步速、雙足支撐時間小于對照組，步行周期長于健康組，差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.05），見表2、圖1。

2.2? ? 2組受試者運動學參數(shù)指標比較? ? 研究組足跟觸地期屈膝角度大于對照組，承重反應(yīng)期最大屈膝角度、支撐相中期最大伸膝角度、擺動相最大屈膝角度小于對照組，差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.05），見表3、圖2。

2.3? ? 2組受試者患側(cè)髖、膝、踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角幅值比較? ? 研究組患側(cè)矢狀面和冠狀面踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)運動幅度均小于對照組，其中踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角幅值，膝關(guān)節(jié)矢狀面轉(zhuǎn)角幅值，差異有統(tǒng)計學意義（P<0.05），膝關(guān)節(jié)冠狀面轉(zhuǎn)角幅值差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05），見表4。

3? ? 討論

隨著人體生物工程學、電子信息學的飛速發(fā)展，在國外關(guān)于三維步態(tài)分析系統(tǒng)的研究已日趨成熟。其可以幫助臨床診療、分析運動損傷，評估損傷嚴重程度，制定康復方案，評價療效及優(yōu)化治療方案，還可用于體育科學等諸多領(lǐng)域。其由肌電遙測系統(tǒng)、三維光電跟蹤系統(tǒng)、足底壓力采集測量系統(tǒng)、計算機處理系統(tǒng)組成[7]，通過對步態(tài)內(nèi)容中時間空間參數(shù)、運動學參數(shù)、動力學參數(shù)、肌電活動參數(shù)、能量消耗參數(shù)等進行綜合、客觀、定量地評估，總結(jié)步態(tài)規(guī)律，可以早期明確損傷的發(fā)生及進展程度，盡早采取相應(yīng)的干預及治療措施，制定康復方案，避免誘發(fā)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎，改善運動損傷患者的遠期預后[8]。

在本次研究中發(fā)現(xiàn)，下肢運動損傷與步態(tài)異常存在密切關(guān)系，下肢運動損傷者步頻、步幅、步長、步速、雙足支撐相時間均小于健康對照組，而步行周期長于健康對照組（P<0.05）。時間空間參數(shù)是在受試者行走時評估下肢運動功能的指標，在步態(tài)時間空間參數(shù)中，機體步行的效率主要與步長和步速這兩個參數(shù)有關(guān)，步頻可以看出受試者步行的節(jié)奏及身體穩(wěn)定性，平衡能力主要取決于雙足支撐期時間和跛行指數(shù)，故下肢運動損傷者主要表現(xiàn)為步長變小，步速減慢，雙足支撐期時間縮短，即“疼痛步態(tài)”[9]。其實就是通過減少踝、膝關(guān)節(jié)運動的方式，減少關(guān)節(jié)內(nèi)壓力和沖擊力，避免關(guān)節(jié)疼痛的一種自我保護機制[10]。運動學參數(shù)主要是在站立位，通過屈伸下肢關(guān)節(jié)來檢測的相關(guān)指標。本研究結(jié)果顯示，運動損傷者和健康受試者相比，足跟觸地期屈膝角度、承重反應(yīng)期最大屈膝角度、支撐相中期最大伸膝角度、擺動相最大屈膝角度均存在一定程度下降（P<0.05）。研究組患側(cè)矢狀面和冠狀面踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角幅值，膝關(guān)節(jié)矢狀面轉(zhuǎn)角幅值較健康受試者減小（P<0.05）。人類的步行運動包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)及脊柱，可以看做是一條動作鏈，當人體下肢發(fā)生運動損傷后，為了避免疼痛機體會本能地對其步行狀態(tài)進行微調(diào)整，即：通過下肢其他運動關(guān)節(jié)活動進行代償，比如當髖、踝關(guān)節(jié)運動幅度減小時，一般可能通過膝關(guān)節(jié)代償，步幅縮短。因此，與對照組相比，運動損傷組膝關(guān)節(jié)冠狀面轉(zhuǎn)角幅值無明顯差異（P>0.05）。有研究發(fā)現(xiàn)[11]，踝關(guān)節(jié)外側(cè)副韌帶損傷時患者踝關(guān)節(jié)多呈跖屈位，考慮可能為失去韌帶支持重力作用所致，也可能通過跖屈增加踝穴空間，來減輕壓力引起的疼痛。國外一項研究[12]發(fā)現(xiàn)，當踝關(guān)節(jié)損傷時，患者通常通過減少髖關(guān)節(jié)活動范圍、縮短步長、維持踝關(guān)節(jié)輕度跖屈位等途徑來減輕踝關(guān)節(jié)疼痛，但是久而久之，包括健康關(guān)節(jié)在內(nèi)的其他關(guān)節(jié)也可能會出現(xiàn)病理變化。膝關(guān)節(jié)作為機體下肢運動與負重支持力學系統(tǒng)中的重要關(guān)節(jié)，一旦受累，可能累及髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)或脊柱的穩(wěn)定性。因此當膝關(guān)節(jié)周圍肌力減退，屈伸角度不夠時，跌倒風險顯著增加。

本研究尚存在不足之處，納入的樣本量較少，導致臨床結(jié)果不夠客觀全面。在今后的臨床工作中期待建立更廣泛的步態(tài)數(shù)據(jù)，并且以此為依據(jù)，建立更加完整、科學的康復及預康復體系。

參考文獻

[1]? ? 王鑠，于雷，李傲雪.我國大學生運動損傷研究綜述[J].拳擊與格斗，2022，36（1）：94-96.

[2]? ? 肖浦.關(guān)于大學生運動損傷的研究分析[J].智庫時代，2019，3（27）：229，231.

[3]? ? 陳咸，陳庚.大學生運動損傷現(xiàn)狀及健康教育干預效果研究[J].基層醫(yī)學論壇，2019，23（19）：2671-2675.

[4]? ? 楊鳳嬌.三維步態(tài)分析比較青年人與老年人雙任務(wù)下步態(tài)特征的差異[J].中國組織工程研究，2021，25（3）：344-349.

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

[6]? ? ATTIAS M.Kinematics can help to discriminate the implication of iliopsoas，hamstring and gastrocnemius contractures to a knee flexion gait pattern[J].Gait Posture，2019，（68）：415-422.

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

[8]? ? 盧利萍，桑德春，季淑鳳.下肢康復機器人LR2訓練對偏癱患者下肢肌痙攣和ADL能力改善的療效觀察[J].中國康復醫(yī)學雜志，2018，33（1）：45-49.

[9]? ?TATEUCHI H.Gait-and Posture-Related Factors Associated With Changes in Hip Pain and Physical Function in Patients With Secondary Hip Osteoarthritis：A Prospective Cohort Study[J].Arch Phys Med Rehabil，2019，100（11）：2053-2062.

[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）