步态分析在临床中应用
摘要：
[目的]客观的提供矫形外科制定手术方案、评定术后疗效、制定康复治疗方案及评定康复疗效依据。[方法]应用三维步态分析系统(英国VICON公司制，V-612)对健康自愿者40名(平均年龄33岁)和患有矫形外科疾病的112名患者进行了步态分析，年龄17～73岁，平均46.2岁。男性42例，身高男性平均171±13 cm，体重65±11 kg；女性平均身高158±11 cm，体重45±1l kg。其中颈椎病21名，腰椎间盘突出症及腰椎管狭窄症26名，髋、膝、踝关节各12、34、19名。[结果]表明步态分析可提供运动学参数、生物力学参数和运动中骨骼肌的肌电活动参数的变化。[结论]将三维步态分析的方法应用于矫形外科和康复医学科进行手术方案的制定、手术疗效的评价、康复治疗方法的选择及疗效评定是切实可行的。
关键词：三维步态分析； 矫形外科与康复医学； 疗效评定
中图分类号 R687
Application of gait analysis in orthopaedic and rehabilitation medicine
BAI Yuehong,ZHOU Jun,LIANG Juan
Orthopedic Department,the 6thPeople's Hospitol,Shanghai 200233
Abstract：[Objective]To provide external basis of establishment operative and rehabilitative scheme, and estimate prooperation and rehabilitation treatment effect.[Method]A total of 40 unconstraint people (mean age 33) and 112 patients suffering from orthopaedic disease were made gait analysis using 3-D gait analysis system (VICONCompany, V-612, U.K.). Their mean age was 46.5. Among them 42 patients were male,and mean stature 171±13 cm, mean body weight 65±11 kg. Female stature 158±11 cm, and body weight 45±11 kg. [Result]The result indicated that gait analysis can supply changes of kinematics, biomechanics and skeletal EMG in activity.[Conclusion]The method of gait analysis is feasible for patient suffering from orthopaedic disease.
Key words: 3-D gait analysis； Orthopaedic and rehabilitation medicine； Treatment effect estimate
步态分析是生物力学的特殊分支，是对人体行走时的肢体和关节活动进行运动学观察和动力学分析，提供一系列时间、几何、力学等参数值和曲线。其研究 范围分为3个方面：(1)行走时肢体和关节活动的运动观察和分析；(2)行走时足地作用力的观察和分析；(3)行走时关节内应力分布和肌肉、韧带力的推算和分析[1～4]。由于步态分析可将矫形外科检查和康复治疗中沿用已久的定性分析和直观描述转换为客观、精确的定量评定[5]，目前，随着科学技术的发展，三维步态分析在国外矫形外科和康复医学科应用越来越广泛，而国内应用较少。作者为了客观的提供矫形外科制定手术方案和康复疗效评定的依据，对本院2004年12月～2005年7月40例健康人群自愿者和112例患有脊柱和髋、膝、踝关节疾病手术或非手术治疗的患者采用三维步态分析系统(英国VICON公司制，V-612)进行了步态分析。
1 临床资料与方法
11 病例选择
112名病人来自本院手术和康复治疗的患者，男性42例，年龄17～73岁，平均46.2岁，身高平均(171±13)cm，体重(65±11)kg；女性身高平均(158±11)cm，体重(45±11)kg。其中颈椎病患者21例，腰椎间盘突出症及腰椎管狭窄症26例，髋、膝、踝关节各12、34、19例。健康人群随机选择20～40岁、性别不限、无脊柱及四肢任何临床症状的自愿者40名。
12 操作方法：
首先调整测力板、步态分析主机与红外线摄像头之间的配置。测试中患者下身穿紧身运动短裤，以保证标志点标示运动中肢体的位置。三维步态分析反光点定位：(1)头面部～面部： 双侧额角近发际处；枕部：水平面平面部额角两点；(2)胸腹部～胸部：胸锁切迹，胸部剑突；(3)颈背部～颈部：隆椎棘突上；背部：棘突平第十胸椎平面；(4)肩手部～肩部：肩峰上；上臂：尺骨鹰嘴上10 cm；肘关节：尺骨鹰嘴；前臂：桡骨茎突上10 cm；腕关节：桡骨茎突，尺骨茎突；手掌：第二掌指关节与第三掌指关节之间；(5)骨盆部～腹部：髂前上棘；腰部：髂后上棘；(6)下肢部～大腿：股骨外侧髁上15 cm；膝关节：股骨外侧髁；小腿：外踝尖上15 cm；足部：外踝尖，第一跗跖关节与第二跗跖关节之间，跟腱平第一跗跖关节与第二跗跖关节之间(图1)。嘱患者在放松状况下沿指定方向行走。
13 观测指标
观测患者行走中的步长、跨步长、步宽、步速、步频、步态周期时间、站立相时间、迈步相时间、躯干运动、关节运动角度、地面对人体的反作用力、骨骼肌运动中的肌电变化。
14 注意事项
步态分析应由受过训练和有丰富临床经验的临床医生或技师进行。嘱患者以自然和习惯的姿势和速度步行数次，一定要注意患者的每只脚应分别踏在每一块测力板上，以免影响步态分析结果。
15 统计学分析
所有数据采用SPSS115软件统计，具体方法为独立样本t检验和相关分析，P<005为差异具有显著性，P<001为差异具有高度显著性。各数据均用±SD表示。
2 结果
步态分析可同时提供受试骨骼肌的动态肌电状况、骨骼肌的肌力情况及骨关节在X、Y、Z轴上的运动幅度、稳定程度。健康人群及112例脊柱、下肢各关节疾病患者的运动学数据改变(kinematics)见表1。
图1 采用三维步态分析系统进行步态分析(略)
表1 健康人群、脊柱及下肢各关节疾病患者的运动学参数改变(略)
健康人群及患者组患侧髋、膝、踝关节的生物力学参数在不同关节运动轨迹中均出现不同程度的改变，见图2～5(红色为左下肢，绿色为右下肢)。运动中骨骼肌的肌电活动参数亦有不同程度的改变(图6)。
图2(略) ①为左膝关节ACL重建术后1 a步态周期中膝关节屈伸活动度左右膝对比图。支撑相初期左膝伸膝较右膝下降9°。②为双膝关节应力垂直轴分力的对比图，支撑相初期左膝关节应力较右膝关节明显下降。
图3(略) ①为左髋关节关节置换术后1 a，步态周期中左右髋关节屈伸活动度对比图，支撑相初期左髋屈髋较右髋下降8.5°，支撑相末期伸髋下降3°。②为双髋关节应力垂直轴分力的对比图，支撑相过程中，左髋关节应力较右髋关节应力明显下降。
图4(略) ①为小儿麻痹症左足马蹄内翻，步态周期中左右踝关节屈伸活动度对比图，支撑相初期左踝背屈较右踝下降12°，支撑相末期跖屈下降5°。②为双踝关节应力垂直轴分力的对比图，支撑相中，左踝关节应力较右踝关节明显下降。
图5(略) ①为步态周期中正常双膝关节屈伸活动度变化曲线，②为正常膝关节应力垂直轴分力变化曲线。
图6(略) ①为正常股外侧肌在步态周期中的动态表面肌电信号变化。②为患侧股外侧肌在步态周期中的表面肌电信号变化。
3 讨论
行走时一侧足跟着地至该足跟再次着地称为一个步态周期，在一个步态周期中，每侧肢体要经过踩地负重和离地摆动两个阶段，分别称为步态周期的站立相和摆动相[3,5,7]。根据是单足着地，还是双足着地，将站立相分为单肢负重期和双肢负重期。步长、步频、步速是步态的3大要素，步态分析首先要找出正常人在步态周期中的有关时间、几何、力学等正常参数值和曲线，然后在此基础上分析各种病理状态下的异常参数和曲线，从而为矫形外科和康复医学所治疗疾病的病因、病程、疗效及功能评定提供客观真实的依据[6,7]。
作者只对健康人群组和患有脊柱及髋、膝、踝关节疾病的患者组进行了时间—距离参数、运动学参数和肌电活动参数的研究。结果阐明该项研究可对矫形外科疾病、特别是骨关节疾病的手术方案制定及手术后效果的评价提供客观、真实的依据，同时也为评价康复治疗疗效及选择、调整康复治疗方案提供切实可行的依据。因为三维步态分析可对身体某部位相应某组骨骼肌进行该骨骼肌收缩能力及该组骨骼肌所致靶器官的运动能力、生物力学改变以及支配该骨骼肌的神经在运动中的肌电变化提供客观的数据。因此，将三维步态分析的方法应用于矫形外科和康复医学科进行手术方案的制定、手术疗效的评价、康复治疗方法的选择及疗效评定是切实可行的。
参考文献：
[1] Andrew JG, Churchill, Mena D，et al. RIVCAM: a simple video-based kinematic analysis for clinical disorders of gait[J]. Computer Methods and Programs in Biomedicine, 2002,69:197-209.
[2] Abel R, Schablowski M, Rupp R, et al. Gait analysis on the treatmillmonitoring exercise in the treatment of paraplegia [J]. Spinal Cord, 2002,40(1): 17-22.
[3] Bateni H, Olney SJ. Kinematic and kinetic variations of belowknee amputee gait [J]. Prothet Orthot Int, 2002,14:2-10.
[4] Bell KJ, Ounpuu S, Deluca PA， et al. Natural progression of gait in children with cerebral palsy[J]. J Pediatr Orthop, 2002,22(5):677-682.
[5] Saraph V, Zwick EB, Zwick G, et al. Multilevel surgery in spastic diplegia:evaluation by physical examination and gait analysis in 25 children[J]. J Pediatr Orthop, 2002,22(2): 112-115.
[6] 王亚泉.步态分析在偏瘫康复中的应用[J]. 中国临床康复，2004，8(25)：5332-5333.
[7] 胡雪艳，恽晓平.步态分析在临床中的应用[J].中国康复理论与实践，2003，9(11)：677-679.
(上海交通大学附属第六人民医院，上海宜山路600号 200233), http://www.100md.com(白跃宏，周 俊，梁 娟)
[目的]客观的提供矫形外科制定手术方案、评定术后疗效、制定康复治疗方案及评定康复疗效依据。[方法]应用三维步态分析系统(英国VICON公司制，V-612)对健康自愿者40名(平均年龄33岁)和患有矫形外科疾病的112名患者进行了步态分析，年龄17～73岁，平均46.2岁。男性42例，身高男性平均171±13 cm，体重65±11 kg；女性平均身高158±11 cm，体重45±1l kg。其中颈椎病21名，腰椎间盘突出症及腰椎管狭窄症26名，髋、膝、踝关节各12、34、19名。[结果]表明步态分析可提供运动学参数、生物力学参数和运动中骨骼肌的肌电活动参数的变化。[结论]将三维步态分析的方法应用于矫形外科和康复医学科进行手术方案的制定、手术疗效的评价、康复治疗方法的选择及疗效评定是切实可行的。
关键词：三维步态分析； 矫形外科与康复医学； 疗效评定
中图分类号 R687
Application of gait analysis in orthopaedic and rehabilitation medicine
BAI Yuehong,ZHOU Jun,LIANG Juan
Orthopedic Department,the 6thPeople's Hospitol,Shanghai 200233
Abstract：[Objective]To provide external basis of establishment operative and rehabilitative scheme, and estimate prooperation and rehabilitation treatment effect.[Method]A total of 40 unconstraint people (mean age 33) and 112 patients suffering from orthopaedic disease were made gait analysis using 3-D gait analysis system (VICONCompany, V-612, U.K.). Their mean age was 46.5. Among them 42 patients were male,and mean stature 171±13 cm, mean body weight 65±11 kg. Female stature 158±11 cm, and body weight 45±11 kg. [Result]The result indicated that gait analysis can supply changes of kinematics, biomechanics and skeletal EMG in activity.[Conclusion]The method of gait analysis is feasible for patient suffering from orthopaedic disease.
Key words: 3-D gait analysis； Orthopaedic and rehabilitation medicine； Treatment effect estimate
步态分析是生物力学的特殊分支，是对人体行走时的肢体和关节活动进行运动学观察和动力学分析，提供一系列时间、几何、力学等参数值和曲线。其研究 范围分为3个方面：(1)行走时肢体和关节活动的运动观察和分析；(2)行走时足地作用力的观察和分析；(3)行走时关节内应力分布和肌肉、韧带力的推算和分析[1～4]。由于步态分析可将矫形外科检查和康复治疗中沿用已久的定性分析和直观描述转换为客观、精确的定量评定[5]，目前，随着科学技术的发展，三维步态分析在国外矫形外科和康复医学科应用越来越广泛，而国内应用较少。作者为了客观的提供矫形外科制定手术方案和康复疗效评定的依据，对本院2004年12月～2005年7月40例健康人群自愿者和112例患有脊柱和髋、膝、踝关节疾病手术或非手术治疗的患者采用三维步态分析系统(英国VICON公司制，V-612)进行了步态分析。
1 临床资料与方法
11 病例选择
112名病人来自本院手术和康复治疗的患者，男性42例，年龄17～73岁，平均46.2岁，身高平均(171±13)cm，体重(65±11)kg；女性身高平均(158±11)cm，体重(45±11)kg。其中颈椎病患者21例，腰椎间盘突出症及腰椎管狭窄症26例，髋、膝、踝关节各12、34、19例。健康人群随机选择20～40岁、性别不限、无脊柱及四肢任何临床症状的自愿者40名。
12 操作方法：
首先调整测力板、步态分析主机与红外线摄像头之间的配置。测试中患者下身穿紧身运动短裤，以保证标志点标示运动中肢体的位置。三维步态分析反光点定位：(1)头面部～面部： 双侧额角近发际处；枕部：水平面平面部额角两点；(2)胸腹部～胸部：胸锁切迹，胸部剑突；(3)颈背部～颈部：隆椎棘突上；背部：棘突平第十胸椎平面；(4)肩手部～肩部：肩峰上；上臂：尺骨鹰嘴上10 cm；肘关节：尺骨鹰嘴；前臂：桡骨茎突上10 cm；腕关节：桡骨茎突，尺骨茎突；手掌：第二掌指关节与第三掌指关节之间；(5)骨盆部～腹部：髂前上棘；腰部：髂后上棘；(6)下肢部～大腿：股骨外侧髁上15 cm；膝关节：股骨外侧髁；小腿：外踝尖上15 cm；足部：外踝尖，第一跗跖关节与第二跗跖关节之间，跟腱平第一跗跖关节与第二跗跖关节之间(图1)。嘱患者在放松状况下沿指定方向行走。
13 观测指标
观测患者行走中的步长、跨步长、步宽、步速、步频、步态周期时间、站立相时间、迈步相时间、躯干运动、关节运动角度、地面对人体的反作用力、骨骼肌运动中的肌电变化。
14 注意事项
步态分析应由受过训练和有丰富临床经验的临床医生或技师进行。嘱患者以自然和习惯的姿势和速度步行数次，一定要注意患者的每只脚应分别踏在每一块测力板上，以免影响步态分析结果。
15 统计学分析
所有数据采用SPSS115软件统计，具体方法为独立样本t检验和相关分析，P<005为差异具有显著性，P<001为差异具有高度显著性。各数据均用±SD表示。
2 结果
步态分析可同时提供受试骨骼肌的动态肌电状况、骨骼肌的肌力情况及骨关节在X、Y、Z轴上的运动幅度、稳定程度。健康人群及112例脊柱、下肢各关节疾病患者的运动学数据改变(kinematics)见表1。
图1 采用三维步态分析系统进行步态分析(略)
表1 健康人群、脊柱及下肢各关节疾病患者的运动学参数改变(略)
健康人群及患者组患侧髋、膝、踝关节的生物力学参数在不同关节运动轨迹中均出现不同程度的改变，见图2～5(红色为左下肢，绿色为右下肢)。运动中骨骼肌的肌电活动参数亦有不同程度的改变(图6)。
图2(略) ①为左膝关节ACL重建术后1 a步态周期中膝关节屈伸活动度左右膝对比图。支撑相初期左膝伸膝较右膝下降9°。②为双膝关节应力垂直轴分力的对比图，支撑相初期左膝关节应力较右膝关节明显下降。
图3(略) ①为左髋关节关节置换术后1 a，步态周期中左右髋关节屈伸活动度对比图，支撑相初期左髋屈髋较右髋下降8.5°，支撑相末期伸髋下降3°。②为双髋关节应力垂直轴分力的对比图，支撑相过程中，左髋关节应力较右髋关节应力明显下降。
图4(略) ①为小儿麻痹症左足马蹄内翻，步态周期中左右踝关节屈伸活动度对比图，支撑相初期左踝背屈较右踝下降12°，支撑相末期跖屈下降5°。②为双踝关节应力垂直轴分力的对比图，支撑相中，左踝关节应力较右踝关节明显下降。
图5(略) ①为步态周期中正常双膝关节屈伸活动度变化曲线，②为正常膝关节应力垂直轴分力变化曲线。
图6(略) ①为正常股外侧肌在步态周期中的动态表面肌电信号变化。②为患侧股外侧肌在步态周期中的表面肌电信号变化。
3 讨论
行走时一侧足跟着地至该足跟再次着地称为一个步态周期，在一个步态周期中，每侧肢体要经过踩地负重和离地摆动两个阶段，分别称为步态周期的站立相和摆动相[3,5,7]。根据是单足着地，还是双足着地，将站立相分为单肢负重期和双肢负重期。步长、步频、步速是步态的3大要素，步态分析首先要找出正常人在步态周期中的有关时间、几何、力学等正常参数值和曲线，然后在此基础上分析各种病理状态下的异常参数和曲线，从而为矫形外科和康复医学所治疗疾病的病因、病程、疗效及功能评定提供客观真实的依据[6,7]。
作者只对健康人群组和患有脊柱及髋、膝、踝关节疾病的患者组进行了时间—距离参数、运动学参数和肌电活动参数的研究。结果阐明该项研究可对矫形外科疾病、特别是骨关节疾病的手术方案制定及手术后效果的评价提供客观、真实的依据，同时也为评价康复治疗疗效及选择、调整康复治疗方案提供切实可行的依据。因为三维步态分析可对身体某部位相应某组骨骼肌进行该骨骼肌收缩能力及该组骨骼肌所致靶器官的运动能力、生物力学改变以及支配该骨骼肌的神经在运动中的肌电变化提供客观的数据。因此，将三维步态分析的方法应用于矫形外科和康复医学科进行手术方案的制定、手术疗效的评价、康复治疗方法的选择及疗效评定是切实可行的。
参考文献：
[1] Andrew JG, Churchill, Mena D，et al. RIVCAM: a simple video-based kinematic analysis for clinical disorders of gait[J]. Computer Methods and Programs in Biomedicine, 2002,69:197-209.
[2] Abel R, Schablowski M, Rupp R, et al. Gait analysis on the treatmillmonitoring exercise in the treatment of paraplegia [J]. Spinal Cord, 2002,40(1): 17-22.
[3] Bateni H, Olney SJ. Kinematic and kinetic variations of belowknee amputee gait [J]. Prothet Orthot Int, 2002,14:2-10.
[4] Bell KJ, Ounpuu S, Deluca PA， et al. Natural progression of gait in children with cerebral palsy[J]. J Pediatr Orthop, 2002,22(5):677-682.
[5] Saraph V, Zwick EB, Zwick G, et al. Multilevel surgery in spastic diplegia:evaluation by physical examination and gait analysis in 25 children[J]. J Pediatr Orthop, 2002,22(2): 112-115.
[6] 王亚泉.步态分析在偏瘫康复中的应用[J]. 中国临床康复，2004，8(25)：5332-5333.
[7] 胡雪艳，恽晓平.步态分析在临床中的应用[J].中国康复理论与实践，2003，9(11)：677-679.
(上海交通大学附属第六人民医院，上海宜山路600号 200233), http://www.100md.com(白跃宏，周 俊，梁 娟)