步態(tài)分析在前交叉韌帶損傷中的應(yīng)用

王奇奇，徐朱杰，馮德宏，周一逸，劉儀

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬無錫人民醫(yī)院骨科，江蘇 無錫 214000)

前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)是膝關(guān)節(jié)重要的結(jié)構(gòu)韌帶，也是膝關(guān)節(jié)最常見的損傷韌帶。ACL起自脛骨髁間隆突的前方內(nèi)側(cè)，與外側(cè)半月板前角接合，斜向后上方外側(cè)，纖維呈扇形附著于股骨外側(cè)髁內(nèi)側(cè)，主要參與控制膝關(guān)節(jié)前向穩(wěn)定和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定，其損傷多見于年輕的運(yùn)動人員。隨著我國近年來競技體育的發(fā)展，群眾性體育運(yùn)動的普及，ACL損傷的患者也越來越常見[1]，而導(dǎo)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(zhuǎn)向等[2]。

為了更精準(zhǔn)的剖析膝關(guān)節(jié)韌帶損傷的異常步態(tài)模式，步態(tài)分析法逐漸被引入到相關(guān)的領(lǐng)域，并成為了科學(xué)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(tài)模式將發(fā)生改變，通過研究患者的步行規(guī)律和步相差異可以準(zhǔn)確揭示疾病與步態(tài)的關(guān)系。步態(tài)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(tài)，結(jié)合經(jīng)驗或通過評定量表進(jìn)行評估。定量分析則是借助步態(tài)分析系統(tǒng)，采集行走時的各項數(shù)據(jù)，并經(jīng)由專業(yè)的分析軟件評估步態(tài)情況。作者通過對大量文獻(xiàn)檢索閱讀，現(xiàn)對步態(tài)分析在ACL損傷中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 ACL損傷患者的步態(tài)特征

目前，步態(tài)分析系統(tǒng)主要從運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)及動態(tài)肌電圖三個方面對步態(tài)進(jìn)行測量。運(yùn)動學(xué)研究行走時肢體在時間和空間的變化規(guī)律，主要參數(shù)包括步速、步頻、步長、各個步態(tài)時相在步態(tài)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(yùn)動規(guī)律等。動力學(xué)研究步態(tài)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(shù)包括足地接觸力和關(guān)節(jié)力矩等。動態(tài)肌電圖通過貼于皮膚的表面電極，收集下肢肌肉收縮產(chǎn)生的電信號，揭示肌肉活動與步態(tài)關(guān)系。

1.1 運(yùn)動學(xué)特征 研究表明[4-5]，ACL損傷患者在創(chuàng)傷后的最初幾天，于水平地面上典型的運(yùn)動學(xué)變化表現(xiàn)為步態(tài)周期延長、損傷側(cè)膝關(guān)節(jié)屈曲角度峰值減小、髖關(guān)節(jié)屈伸及旋轉(zhuǎn)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(hù)機(jī)制，有利于減少脛骨前平移和旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，通過運(yùn)動限制的方式穩(wěn)定損傷的膝關(guān)節(jié)。隨著傷后恢復(fù)時間增加，損傷的ACL也由急性期轉(zhuǎn)入慢性期。周敬濱等[6]研究了30例單側(cè)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(tài)，發(fā)現(xiàn)損傷組步頻、步速下降，步態(tài)周期延長；步幅、步長及支撐相百分比兩組之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義。在預(yù)承重期損傷組脛骨外旋角度峰值增加，膝關(guān)節(jié)屈曲角度峰值和踝關(guān)節(jié)跖屈角度峰值下降，髖關(guān)節(jié)屈伸角度在兩組中差異無統(tǒng)計學(xué)意義。ACL損傷后急性期與慢性期均表現(xiàn)出步態(tài)周期延長以及膝關(guān)節(jié)屈曲角度峰值下降。同側(cè)髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)角度也會出現(xiàn)適應(yīng)性改變，以提高膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。但也有學(xué)者的研究表明[7]，隨著恢復(fù)時長繼續(xù)增加，ACL損傷組與健康對照組在時間距離參數(shù)上的差異將逐漸消失。

還有學(xué)者探討了慢跑及轉(zhuǎn)向?qū)CL損傷膝關(guān)節(jié)的影響。研究指出[8]，與健側(cè)膝相比，ACL損傷膝在步態(tài)周期中會出現(xiàn)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(jìn)速度改變。在同側(cè)轉(zhuǎn)向運(yùn)動中，ACL損傷膝與健側(cè)膝相比，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。而在對側(cè)轉(zhuǎn)向中，ACL損傷膝表現(xiàn)出明顯的伸展不足和脛骨外旋減少。

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

1.2 動力學(xué)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(guān)節(jié)伸展力矩峰值將減小。Knoll等[10]認(rèn)為，ACL損傷期<6個月的患者會出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)伸展力矩下降，而慢性ACL損傷患者不會出現(xiàn)該現(xiàn)象。Ferber等[11]的研究支持Knoll的觀點。Ferber等認(rèn)為，與健康對照組相比，慢性ACL損傷患者在膝關(guān)節(jié)力矩特征上沒有表現(xiàn)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(xiàn)出較小的膝關(guān)節(jié)伸展力矩。

除了對膝關(guān)節(jié)力矩的研究，步態(tài)分析系統(tǒng)還采集了足底壓力數(shù)據(jù)。Huang等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，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(nèi)側(cè)壓力更大。與健側(cè)相比，ACL損傷側(cè)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(jié)果，他們指出與健側(cè)及健康對照組相比，足跟內(nèi)外側(cè)、足底平均峰值壓力、沖量及平均峰值壓強(qiáng)降低，達(dá)峰值時間增加。

1.3 肌電圖特征 急性ACL損傷導(dǎo)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(bǔ)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(xiàn)象被稱為“股四頭肌回避步態(tài)”，被認(rèn)為是急性ACL損傷后膝關(guān)節(jié)不能伸展的主要因素。Li等[15]對90名患者分組研究后發(fā)現(xiàn)，在傷后早期階段(3周～1.5個月)，受傷下肢的股直肌、股內(nèi)側(cè)肌及股外側(cè)肌肌力會出現(xiàn)顯著下降。Frank等[16]研究則表明，在步態(tài)周期中，急性ACL損傷患者股直肌處于激活狀態(tài)的時間顯著少于對照組，而其他肌肉的激活狀態(tài)在持續(xù)時間上差異無統(tǒng)計學(xué)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(xiàn)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(fù)到與未受傷側(cè)相同的水平，而不會表現(xiàn)出明顯的抑制。

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

2 步態(tài)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(xiàn)指出[19]ACL損傷急性期半月板撕裂發(fā)病率為59.8%，慢性期發(fā)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(jié)合影像學(xué)方法。然而該診斷方式受成像設(shè)備、所用技術(shù)以及臨床醫(yī)生經(jīng)驗的影響，并且缺少對受損膝關(guān)節(jié)運(yùn)動狀況的評估。步態(tài)分析系統(tǒng)因其測量的精準(zhǔn)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(tài)分析系統(tǒng)可以提供人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，評估膝關(guān)節(jié)的動態(tài)穩(wěn)定性，并從運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)角度對臨床診斷提出補(bǔ)充。羅鴻[20]的一項研究對比了體格檢查，MRI及步態(tài)分析在診斷方面的差異。通過對膝關(guān)節(jié)每個步態(tài)活動周期內(nèi)的內(nèi)/外翻角、內(nèi)/外旋角、屈曲/伸展角、前/后位移、上/下位移及內(nèi)/外位移的采集分析，他認(rèn)為步態(tài)分析的診斷方法陽性率更高，尤其體現(xiàn)在ACL輕度損傷的患者。還有研究顯示，步態(tài)分析系統(tǒng)可以幫助排查磁共振成像的假陽性結(jié)果。Yao等[21]利用改進(jìn)的光學(xué)運(yùn)動分析系統(tǒng)，對3例經(jīng)MRI診斷為ACL損傷的患者進(jìn)行了雙膝關(guān)節(jié)6個自由度(屈曲伸展、內(nèi)收外展及內(nèi)外旋轉(zhuǎn))的運(yùn)動學(xué)分析。2名受試者ACL損傷膝和對側(cè)膝之間的運(yùn)動學(xué)存在顯著差異，而第3名受試者雙膝之間沒有差異，后續(xù)的關(guān)節(jié)鏡檢查也證實了該受試者ACL的完整性。他認(rèn)為MRI結(jié)合運(yùn)動學(xué)分析可以優(yōu)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(tài)力學(xué)表現(xiàn)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(chǎn)生較大的內(nèi)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(wěn)定半月板撕裂患者的步態(tài)，發(fā)現(xiàn)在站立中期，兩組受試者患肢矢狀面膝關(guān)節(jié)偏移和峰值膝關(guān)節(jié)伸展角均低于健側(cè)肢體。與單純ACL損傷組相比，ACL損傷伴不穩(wěn)定半月板撕裂患者在站立中期，患膝脛骨內(nèi)旋轉(zhuǎn)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(tài)顯示，這與半月板損傷情況及位置有關(guān)[23]。Ren等[24]發(fā)現(xiàn)ACL損傷伴內(nèi)側(cè)半月板后角撕裂與單純ACL損傷相比，雖然在脛骨外旋轉(zhuǎn)的角度以及內(nèi)旋轉(zhuǎn)力矩上有所不同，但不會顯著影響行走的步態(tài)。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(xiàn)。研究顯示[25]，伴有內(nèi)側(cè)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(tǒng)計學(xué)意義。

3 不同自體重建移植物對步態(tài)影響

ACL損傷后的關(guān)節(jié)鏡下重建，已被證實是一種有效地手術(shù)方式，可以治療膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定。目前，解剖單束ACL重建被認(rèn)為是恢復(fù)脛骨前平移和膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的金標(biāo)準(zhǔn)[26]。然而，關(guān)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(yī)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(qiáng)度高，取材方便，骨愈合能力強(qiáng)，被認(rèn)為是ACL重建的金標(biāo)準(zhǔn)。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(xué)者的推崇[27]?，F(xiàn)階段，學(xué)者從不同角度對自體移植物重建療效進(jìn)行分析，對重建術(shù)后步態(tài)的研究也逐漸深入。

3.1 BPTB重建術(shù) Bulgheroni等[28]研究發(fā)現(xiàn)，BPTB重建術(shù)后1年，ACL重建患者的膝關(guān)節(jié)在站立階段恢復(fù)了正常屈曲模式。在負(fù)荷反應(yīng)及預(yù)拉伸過程中，膝關(guān)節(jié)矢狀面屈曲力矩恢復(fù)；在整個站立階段，冠狀面上髖及膝內(nèi)收外展力矩達(dá)正常模式。與ACL損傷未經(jīng)治療組相比，重建患者肌電圖值也接近正常，表現(xiàn)為股四頭肌活動在負(fù)荷反應(yīng)期間增加，但在隨后的站立階段減少，并在預(yù)收縮時出現(xiàn)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(qū)疼痛、髕股疼痛及下跪痛的風(fēng)險，但其對受累肢體步態(tài)的改善仍舊是顯著的。

3.2 HT重建術(shù) 在HT重建ACL的研究中，王衛(wèi)明等[30]發(fā)現(xiàn)重建術(shù)后3個月患者表現(xiàn)出股四頭肌逃避步態(tài)，隨著恢復(fù)時間延長，下肢步態(tài)模式趨于正常。Moya-Angeler等[31]也指出HT重建術(shù)后12個月內(nèi)，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(xué)對稱性的恢復(fù)有增加趨勢。

Johnston等[32]比較了BPTB和HT在ACL重建后膝關(guān)節(jié)的步態(tài)。他發(fā)現(xiàn)重建術(shù)后遠(yuǎn)期，兩組在膝關(guān)節(jié)屈曲角度峰值、內(nèi)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(xué)者持不同觀點，Webster等[33]的研究表明，BPTB組在站立中期膝關(guān)節(jié)屈曲力矩明顯減??；HT組在站立末期膝關(guān)節(jié)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(shù)后2年時的跳躍、深蹲和步行數(shù)據(jù)，這些測試的結(jié)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(guān)節(jié)，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(shù) 近年來，越來越多的研究數(shù)據(jù)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(qiáng)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(qū)疼痛的發(fā)病率降低，膝關(guān)節(jié)前向穩(wěn)定性差異無統(tǒng)計學(xué)意義。Hunnicutt等[36]對接受QT自體移植和自體髕腱移植患者進(jìn)行了時空步態(tài)分析，結(jié)果顯示兩組之間的下肢運(yùn)動功能、等速伸膝肌力相似，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

在與自體HT移植的比較中，有學(xué)者認(rèn)為自體QT表現(xiàn)出相似的膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，并且在屈肌肌力恢復(fù)方面存在優(yōu)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(guān)節(jié)屈曲增加，踝關(guān)節(jié)背屈降低，髖、膝、踝關(guān)節(jié)的屈曲力矩和膝關(guān)節(jié)外展力矩增大；與健側(cè)肢體相比，手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)屈曲角度下降、屈曲力矩減小、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)外展力矩增加。與HT組相比，QT組在髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)屈曲力矩方面表現(xiàn)出更大的不對稱性。

3.4 其他 還有學(xué)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(tài)分析系統(tǒng)研究比較半腱肌及AHPLT重建ACL后的足底壓力情況，結(jié)果顯示兩者在足底壓力大小及分布上差異無統(tǒng)計學(xué)意義。還有研究對PLT聯(lián)合HT重建ACL后的步態(tài)進(jìn)行分析[40]，結(jié)果表明：與對照組相比，ACL重建患者的髖關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)旋轉(zhuǎn)減少，膝關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展偏移減少，踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)旋轉(zhuǎn)的偏移量增加。與健側(cè)相比，手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)力矩顯著降低，踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)力矩明顯增加。與HT重建患者相比，PLT聯(lián)合HT重建患者膝關(guān)節(jié)運(yùn)動無明顯差異，踝關(guān)節(jié)運(yùn)動差異有統(tǒng)計學(xué)意義。Karimi等[40]指出，PLT取腱后會對供區(qū)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動產(chǎn)生額外影響。

4 小 結(jié)

應(yīng)用步態(tài)分析技術(shù)對ACL損傷后的步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，可以準(zhǔn)確揭示下肢運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)及動態(tài)肌電圖的變化。雖然國內(nèi)外學(xué)者已對此進(jìn)行大量研究，但在損傷后遠(yuǎn)期步態(tài)模式發(fā)展變化方面仍然存在爭論。作為一種研究評價手段，步態(tài)分析還可以依據(jù)定量的數(shù)據(jù)，對單純ACL損傷以及合并半月板撕裂的ACL損傷進(jìn)行診斷。到目前為止，關(guān)于何種重建移植物最佳的討論仍在進(jìn)行中。從步態(tài)變化的角度對移植物進(jìn)行比較，并依據(jù)患者自身條件選擇手術(shù)方式，將是未來一項值得繼續(xù)探討的課題。