三维步态分析在偏瘫康复中的研究进展.doc

三维步态分析在偏瘫康复中的研究进展夏清作者单位：230011 合肥市第二人民医院康复医学科 穆景颂230001 安徽省立医院（南区）康复医学科（穆景颂）【关键词】步态分析；偏瘫；康复步态分析(Grait Analysis)是研究步行规律的检查方法，旨在通过生物力学和运动学手段，揭示步态异常的关键环节和影响因素，从而指导康复评估和治疗，也有助于临床诊断、疗效评估、机理研究等。三维步态分析系统是一种新兴的步态分析的手段，具有客观、定量、准确的特点，目前逐渐被应用于骨科康复、神经康复、矫形外科等领域。1 三维步态分析的常用参数1.1运动学参数1.1.1 时间-空间参数步长、步幅、步宽、步频、步速等是基本的时间-空间参数，也是其他步态分析指标的基础。正常成年女性步长(63.352.21)cm，步速(69.702.59)cms。正常成年男性步长(69.003.39)cm，步速(74.141.60)cms。正常成人步频70-120步min1。步速是影响步行的重要参数，也是反映偏瘫患者步行能力的敏感、可靠而准确的指标2。通常将适合个体的舒适速度作为正常速度，此时个体将能耗的效率发挥至最大3。影响步频的主要因素有患肢的负重能力、步行的稳定性及对下肢的控刺能力4。1.1.2 重心重心是重力的作用心，重心的移动是影响能量消耗的最重要因素。在步态分析系统中通过计算将重心在侧向(x)、前后向(Y)及垂直向(z)随步行周期的位移绘制出一基本圆滑的曲线，同时将重心位移在3个平面上的投影绘制成图 ，能有效地区别正常和病理步态，评价康复过程的变化。站立时，人体重心一般在正中面上第三骶骨上缘前方7cm处5。步行时，人体重心不仅往复上下运动，而且还往复左右移动，运动呈现周期性的正弦振动运动规律。运动在矢状面内表现为周期性上下移动，运动轨迹为正弦波。垂直方向上的高度变化幅值约为5cm。额状面内表现为左右往复运动，轨迹同样形成正弦波3。人体重心的摆动幅度和频率反映人体运动的平衡能力6。一般来讲，人体重心起伏越大则耗能越大。所以减少重心的摆动是降低耗能的关键。1.1.3 节段性运动正常步态的维持，应该是髋关节前屈约30，后伸100，膝关节充分伸展，屈曲60，踝关节跖屈20，背伸157。而就临床意义而言，角度-时间曲线和角度-角度曲线较之单纯的角度值则更具意义。行走中的角度-时间关系曲线可以反映相应关节的功能情况，关节运动随时间的变化规律；角度-角度曲线则可形象的表现两个关节之间的协调关系，比较正常和异常步态的差异8。1.2 动力学参数1.2.1 足地反应力主要包括地面反作用力、力矩、剪力等。利用三维测力台装置可以得出脚对台面的作用力的3个分量Fx、Fy、Fz9。其中以Fz为最大，约为体重的1.51.8倍1。正常步行周期中Fx呈双峰正值，Fy可呈负-正-负的变化过程。这反映了脚跟先向前踩，随即脚尖后蹬的过程。下肢承重能力降低或步行速度降低时，地面反作用力双峰曲线降低或消失10。许光旭等11在对偏瘫步态进行的研究中，选择Fz随时间的积分-垂直冲量作为基础参数。进一步通过患侧占健侧的积分值的百分比R，来反映步态的不对称性。力矩是力与关节活动范围的乘积。步态分析中，可利用运动学和地面反作用力等计算出下肢关节的力矩。下肢损伤后最敏感的变化在于关节力矩的变化 12。王人成等13的研究认为，在一个步态周期内，膝关节力矩是时间或膝屈角的函数，对关节力矩的控制是改善步态的关键。1.2.2 肌电活动参数表面肌电图是步态分析非常重要的组成部分，用于检测步行时肌肉活动与步态的关系，表浅肌肉一般采用表面电极，置放于与相邻肌肉距离最远并且接近肌腹的部位，深部肌肉可以采用植入式线电极14，由于神经疾病患者步态分析的发展，临床对于明确步行障碍关键肌肉的需求日益提高，动态肌电图的价值越来越突出。1.3 能量代谢参数氧价（Oxygen cost,OC）是国际上积极应用而在国内所知甚少的指标。氧价是步行时耗氧量和步行距离的商（OC=VO2/meter）。受试者采用便携式氧分析方式，在步行时同步采集呼出的气体，进行耗氧量分析，再与步行距离相除。氧价越低，说明步行运动的能量消耗越省，自然步态的标志就是最节约能量的步行方式15。任何步行训练效果的金标准就是降低氧价。因此，氧价分析将成为未来十分有发展前景的技术。心率也被视为机体能量消耗的指标。2 偏瘫异常步态模式偏瘫是运动系统失去了高位中枢神经系统的调控，使原始的、被抑制的、受到调节的皮层下中枢运动反射释放，导致肢体肌群间协调紊乱，肌张力异常而产生运动障碍16。典型的偏瘫步态常表现为：足下垂、内翻、膝过伸、髋关节外展外旋之划圈步态。3 偏瘫的三维步态分析研究3.1 时间-空间参数研究 偏瘫患者步态步宽加大，步长、步幅缩短，步频降低，步速减慢，足偏角大。正常人跨步长为156cm，江晓峰17等人研究表明，偏瘫患者的患侧肢体经康复训练后，跨步长明显提高。正常人步频为95-125步/分，偏瘫患者步频为40-75步/分。正常人步长为50-70cm，而偏态步态的步长平均为40cm18。李华19等人研究认为偏瘫患者步速与平衡功能、活动能力、下肢的运动功能等均呈高度相关。徐光青20等研究表明，脑卒中偏瘫患者的步行能力与其躯体运动学特征的相关密切，并且显示其步行能力与躯体侧方运动呈负相关，而与其躯体垂直运动呈正相关。偏瘫患者的步速(反映步行能力)与骨盆运动之间呈负相关，其步行能力与骨盆的旋转运动之间的相关有显著性意义；而骨盆的左右前后倾斜运动与其步速之间的相关无显著性意义。其躯体运动特点是：躯体运动表现为大范围的侧方运动和骨盆旋转、小范围的垂直运动和躯体运动的不对称6，提示躯体的协凋性训练和骨盆的控制性训练对改善脑卒中偏瘫患者步行能力的重要性。3.2 步态周期参数研究 偏瘫患者步态周期为2.3士0.8s，明显大于正常的1.2士0.1s。而偏瘫患者患侧站立相为67% ，摆动相为33%，而健侧站立相为80 %，摆动相为20%。荣湘江21等的研究显示，在自然行走过程中，偏瘫患者双下肢的单支撑期和摆动期的明显缩短是导致患者步行周期延长,步态异常，步速减慢，步行能力下降的根本原因，提示增加单足支撑训练是改善患者步态和步速的有效方法。3.3 下肢关节角度参数研究偏瘫患者下肢髋伸展、膝屈曲和踝背伸不对称是描述偏瘫下肢运动不对称的有价值的指标21。偏瘫患者的髋伸、膝屈与踝背屈均受到限制其角度变化明显小于正常人。髋、膝、踝关节角度的变化可用于判断偏瘫水平23。胡雪艳24等研究表明，偏瘫患者患侧髋关节首次着地时刻、站立相最大伸展角度、足尖离地时关节角度、迈步相最大屈曲角度、矢状面关节髋角度范围与正常人的差异存在显著性意义。王卫强25等研究显示，偏瘫患者的步态在膝关节角位移、角速度等方面均存在明显的不对称性。因此，把提高偏瘫患者步态的对称性作为提高步行能力的主要指标。江晓峰17等在研究中表明：偏瘫患者肢体康复训练后踝关节角度参数的表现为,首次着地时踝关节曲角度明显减少，站立相踝关节最大伸展角度训练前后对比有非常显著性的改变。足尖离地时踝关节角度明显增加，前后对比存在显著性差异。踝关节角度变化范围明显减少，存在显著性差异。3.4 力矩分析研究 许光旭等18的研究表明，偏瘫患者康复治疗组患侧膝关节站立中期的总平均伸展、屈曲力矩经康复治疗后显著下降，而总平均膝屈曲力矩值则显著增加。说明膝关节在康复治疗后控制能力明显增加。3.5 肌电活动分析研究 偏瘫患者下肢肌肉活动的异常影响着步态的恢复26。一项关于脑卒中患者偏瘫下肢肌肉活动时序的研究中27，对24例脑卒中偏瘫患者与14名健康被试者的股二头肌、股直肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧头在步态周期的4期(第1个双腿支撑期、单腿支撑期以及第2个双腿支撑期、摆动期)中活动持续时间进行比较发现：大腿肌肉中，偏瘫患者股二头肌和股直肌在单腿支撑期活动持续时间明显延长，股二头肌股直肌在单腿支撑期的协同活动时间也延长，另外患者偏瘫侧股二头肌一股直肌在第1个双腿支撑期协同活动的总体时间异常延长；小腿肌肉中，脑卒中患者偏瘫侧腓肠肌内侧头在第1个双腿支撑期的总体活动时间延长，偏瘫侧胫骨前肌在摆动期的活动持续时间也延长，而在单腿支撑期的总体活动时间缩短。该研究表明脑卒中患者偏瘫侧及健侧下肢的肌肉活动时序均存在明显异常，偏瘫侧尤其显著。Trueblood等28比较了三种不同步行模式(水平地面行走、带减重训练的水平地面行走、带减重训练的跑台行走)下的步态特征，并探讨重复性跑台减重训练的效果。研究发现，不管是水平地面还是跑台减重训练，10例慢性脑卒中患者在训练后站立摆动期，肢体对称性、胫骨前肌及股四头肌肌群的表面肌电活动都有所改善，表明跑台减重训练有助于帮助慢性脑卒中患者恢复正常步态和改善平衡能力。3.6 重心及能量变化的分析研究要偏瘫患者的能量消耗40积极做功需要患侧完成，主要是踝跖屈、髋关节屈曲和外展。而且患侧下肢在站立后期和摆动前能耗较少，花费更多时间在摆动期，因而其健腿站立相较患侧长。偏瘫患者需要用力的时候在患侧摆动前期，却能量补充不足29。而不需要用力时例如患肢摆动期患肢的高紧张状态造成了多余的能量消耗。徐光青20等人研究认为，减少运动耗能的方法主要是减少身体重心的垂直和侧方运动。减重训练在偏瘫治疗早期的应用可以起到减轻负重、调节下肢肌张力的作用，从而可调节异常能量代谢参数30，31。4 研究展望过去的研究多集中在定性分析方面，三维步态分析系统的问世，为定量研究步态提供了良好的手段。随着科技的进步，运动学分析将与肌电图、能量代谢等同步结合，实时确定步行过程中的各种参数变化，为病理步态提供评估，从而指导康复功能训练。相信在不久的将来，随着运动解析系统和步态分析的深入开展，人类将对偏瘫步态运动特点有全新的认识，为今后人体运动科学和临床步态分析提供更好的发展方向。【参考文献】1张伟，于长泉，杨长山步态分析在矫形外科中的应用J武警医学，2002，13(10)：616-617.2王桂茂，齐瑞，严隽陶.中风偏瘫步态的生物力学及其运动学特征分析J.中国组织工程研究与临床康复，2007，11(40):8169-8172. 3王茂斌.脑卒中的康复医疗M北京：中国科学技术出版社，2006.4王桂茂，严隽陶应用三维运动解析技术定量观测步态变化J.中国组织工程研究与临床康复，2007，11(35)：7081-7083.5全国体育学院教材委员会运动生物力学M北京：人民体育出版社，2005.6徐光青, 兰月, 毛玉瑢, 等.脑卒中患者躯体运动偏瘫模式的三维运动学评价J.中国康复医学杂志, 2009, 24(10): 893-895.7王瑞华步态分析J中级医刊，1994，29(4)：9-1O.8励建安神经疾病的步态分析J中国康复医学杂志，2005，20(4)：304-306.9周凌宏，丁海曙，王广志，等正常成人步态与偏瘫步态的比较与分析J.生物医学工程学杂志，1995，12(4)：315-320.10励建安，孟殿怀步态分析的临床应用J中华物理医学与康复杂志，2006，28(7)：500-503.11许光旭，王彤，王翔，等偏瘫不对称步态的生物力学研究J.中国康复医学杂志，199510(3)：97-1O1.12周敬滨，李国平.膝关节前交叉韧带损伤与重建术后的步态分析研究现状J.中国运动医学杂志，2005，25（3）：323-326.13王人成，金德闻步态分析在假肢设计中的应用J中国临床康复，2002，6(20)：3000.14Carlo F,Paolo C.Multichannel SEMG in clinical gait analysis: A review and state-of-the-artJ. 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