266071 濟南軍區(qū)青島第一療養(yǎng)院 孫嘉利 王桂清(審校)

1 概述

人類的步行是一個復(fù)雜的過程，它的根本目的是從一處安全有效地轉(zhuǎn)移到另一處。步行(walking)是指通過雙腳的交互動作移行機體的人類特征性活動。步行需要全身肌肉的參與，包括人體重心移位，骨盆傾斜旋轉(zhuǎn)，髖、膝、踝關(guān)節(jié)伸屈及內(nèi)外旋展等，使人體位移的一種復(fù)雜的隨意運動[1]。步態(tài)則是人類步行的行為特征，涉及行為習慣、職業(yè)、教育、年齡及性別等因素，也受到多種疾病的影響[2]。

由于人類個體之間的內(nèi)在差異，每個人的步態(tài)模式都是獨特的。然而，由于每個人都有基本相同的解剖和生理結(jié)構(gòu)，所以健康人的步行是在一系列相似的過程中完成的[3]。在這種周期性的和高度自動化的運動模式中，包含有軀體和四肢有節(jié)律的動態(tài)變化，在連續(xù)的步行過程中，各個步態(tài)周期之間的差異是非常細微的[4]。

行走是人體日常生活中重復(fù)最多的一種整體性運動。直立行走運動是人類長期進化的結(jié)果?，F(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展使我們有可能對人類行走時身體各部分，特別是下肢的運動和受力情況進行動態(tài)的數(shù)量化分析，這項工作逐漸發(fā)展為生物力學的一個特殊分支，并被定名為步態(tài)分析(gait analysis)。步態(tài)分析就是研究步行規(guī)律的檢查方法，旨在通過生物力學和運動學手段，揭示步態(tài)異常的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和影響因素，從而指導(dǎo)康復(fù)評估和治療，也有助于臨床診斷、療效評定及損傷機制的研究等[2]。

同時，步態(tài)分析也是一種對人體行走方式進行客觀記錄并對步行功能進行系統(tǒng)評價的有效手段，是康復(fù)評定的重要組成部分。在臨床工作中，對患有神經(jīng)系統(tǒng)或骨骼肌肉系統(tǒng)疾病而可能影響行走能力的患者需要進行步態(tài)分析，以評估患者是否存在異常步態(tài)以及步態(tài)異常的性質(zhì)和程度，為分析異常步態(tài)原因和矯正異常步態(tài)、制訂治療方案提供必要的依據(jù)[5]。

2 正常及異常步態(tài)模式

2.1 正常步態(tài) 所謂正常步態(tài)是指當一個健康成人用自我感覺最自然、最舒坦的姿態(tài)行進時的步態(tài)，它具有如下3個特點[6]：身體平穩(wěn)、步長適當、耗能最少。正常步態(tài)需要中樞神經(jīng)系統(tǒng)、周圍神經(jīng)系統(tǒng)及骨骼肌肉的動態(tài)整合，是通過骨盆、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和足趾的一系列活動完成的，而軀干則基本保持在兩足之間的支撐面上[7]。正常步態(tài)應(yīng)該是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的靈活運動，身體良好的平衡能力以及頭、軀干、四肢協(xié)調(diào)、流暢的配合運動[8]。正常步態(tài)很流暢的原因就是將重心最小限度地定位于骨盆，加上適宜的關(guān)節(jié)運動和適宜的力量，如果不能保證這些，則會導(dǎo)致異常步態(tài)的產(chǎn)生。

2.2 步態(tài)周期 從一側(cè)足跟接地起到同側(cè)足跟再次接地止稱為一個步行周期，由支撐相和擺動相構(gòu)成[9]。支撐相是指腳與地面相接的時期，包括足跟接地、足掌接地、支撐中期、足跟離地、足趾離地5個時段；擺動相為腳離開地面的時期，由加速期、擺動中期、減速期這3期構(gòu)成。在一個正常的步行周期中，支撐相占60%，其中大約有10%為雙支撐相，擺動相占40%。這些百分比是通過正常人以較舒適的速度步行時測得的，隨著步行速度的變化，這些百分比會發(fā)生很大的變化。加快步行速度會延長單支撐相的時間，而縮短雙支撐相的時間[10]。步行時身體重心做上下約5°的移動，骨盆做幅度8°左右的前后旋轉(zhuǎn)。正常步態(tài)的維持，應(yīng)為髖關(guān)節(jié)前屈30°，后伸10°；膝關(guān)節(jié)充分伸展，屈曲60°；踝關(guān)節(jié)跖屈20°，背伸15°左右[11]。

2.3 異常病理步態(tài) 臨床上較多涉及康復(fù)介入的中樞神經(jīng)系統(tǒng)病理步態(tài)主要包括中樞神經(jīng)受損(腦卒中)所致的異常步態(tài)(偏癱步態(tài))[12]；大腦彌漫性損害(腦性癱瘓)所致的異常步態(tài)(如腦癱所致的剪刀步態(tài)或舞蹈步態(tài)等)[13]；小腦損害或疾患所致異常步態(tài)(“鴨子”步態(tài))[14]及基底神經(jīng)核疾患所致異常步態(tài) (如帕金森病患者的前沖步態(tài))[15]等。周圍神經(jīng)損傷(特定肌群喪失神經(jīng)支配)所致異常步態(tài)在臨床也較多見，如臀大肌步態(tài)、臀中肌步態(tài)、股四頭肌步態(tài)、脛前肌步態(tài)以及腓腸肌和比目魚肌無力步態(tài)等[16]。但以上病理步態(tài)的臨床診斷主要依靠其原發(fā)病史、臨床表現(xiàn)及肉眼檢測而確定，因此對于患者在行進過程中出現(xiàn)的步態(tài)異常尚缺乏定量和精確的分析，在協(xié)助臨床診斷和治療方面也很難提出有針對性的診療方案。

3 步態(tài)分析的分類及方法

步態(tài)分析是利用力學的概念、處理手段和已經(jīng)掌握的人體解剖、生理學知識對人體行走的功能進行對比分析的一種生物力學研究方法[17]。步態(tài)分析可分為定性法(目測分析法)和定量法(儀器分析法)兩種。

3.1 定性分析 臨床醫(yī)生通常進行的是目測步態(tài)分析，即由醫(yī)務(wù)人員通過目測的方法觀察病人的行走過程，然后根據(jù)所得印象或按照一定觀察項目逐項評價的結(jié)果，憑借其豐富的臨床經(jīng)驗得出初步分析結(jié)論[18]。目測法只能定性，不能定量。觀察時需從側(cè)、前、后3個方向分別觀察患者行走時各關(guān)節(jié)、肌肉、骨盆的運動情況及全身姿勢的協(xié)調(diào)性狀況[19]。這種類型的步態(tài)分析無法提供量化信息，并且由于人類步行的速度和復(fù)雜化等原因，有很多局限性。如果是在病理步態(tài)下產(chǎn)生的差異或代償，情況將更加復(fù)雜。因此，在步態(tài)訓(xùn)練的前、中、后還可采用直接或間接(錄像)觀察法，詳細觀察患者在行走時身體各個部分的變化[20]，如頭是否抬起；頸是否居中；患側(cè)肩帶是否下壓、肩胛骨是否后縮或前伸；軀干是否痙攣、向患側(cè)扭曲或向健側(cè)傾斜；患側(cè)骨盆是否上提、后突、向前或向后旋轉(zhuǎn)；髖、膝、踝線性排列是否正常；患側(cè)下肢負重及重心轉(zhuǎn)移的情況；下肢伸肌、外展肌群肌張力增高及屈髖、屈膝、踝背屈的程度；雙臂擺動的幅度；步長、步寬及步速；膝關(guān)節(jié)的控制能力；足的內(nèi)翻和外翻；整體運動的對稱性和協(xié)調(diào)性等[21]。

3.2 定量分析 步態(tài)的定量分析在國內(nèi)已逐步應(yīng)用于臨床及科研，為客觀評定提供了一種精確有效的手段；可對步態(tài)分析的基礎(chǔ)參數(shù)(步速、步頻、步長)、時相與周期、站立相力矩及下肢關(guān)節(jié)角度等多種步態(tài)指標進行定量分析，指導(dǎo)步態(tài)訓(xùn)練。

3.2.1 運動學(kinematics)分析 運動學分析是研究步行時肢體運動時間和空間變化規(guī)律的科學方法，主要包括：步行整體時間與空間測定和肢體節(jié)段性運動方向測定。足落地的時間、空間類型是整合的步行運動的結(jié)束。在站立相和擺動相的時空連續(xù)性過程中，可測定基本變量來描述步態(tài)。這些數(shù)據(jù)可通過測量足觸地時的間距和時間來獲得，如使用墨水和紙、足開關(guān)及一些更加復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)等[22]。

目前多采用節(jié)段性運動測定，即針對特定關(guān)節(jié)或運動中心的三維動態(tài)分析。獲得步行時關(guān)節(jié)各方向活動角度的動態(tài)變化及其與步行時相之間的關(guān)系。常用的分析方式有：①同步攝像分析。在4～8 m的步行通道周圍設(shè)置2～6臺攝像機，同時記錄受試者步行圖像，并采用同步慢放的方式，將受試者的動作分解觀察和分析。②三維數(shù)字化分析。通過2～6臺檢測儀(數(shù)字化檢測儀或特殊攝像機)連續(xù)獲取受試者步行時關(guān)節(jié)標記物的信號，通過計算機轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，分析受試者的三維運動特征[23]。同一標記物被兩臺以上的檢測儀同時獲取時，即可進行三維圖象重建和分析。輸出結(jié)果包括：數(shù)字化重建的三維步態(tài)、各關(guān)節(jié)三維角度變化、速率和時相。關(guān)節(jié)標記物一般置放于需要觀察的關(guān)節(jié)或重力中心。③關(guān)節(jié)角度計分析。采用特制的關(guān)節(jié)角度計固定于被測關(guān)節(jié)，記錄關(guān)節(jié)活動的角度改變，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并用計算機重建步態(tài)[24]。優(yōu)點是操作比較簡便，特別是對上肢的檢查十分方便；缺點是難以準確記錄軀體的旋轉(zhuǎn)及傾斜活動等。

3.2.2 動力學(kinetics)分析 動力學分析是對步行時作用力、反作用力強度、方向和時間的研究方法。牛頓第三定律(作用力=反作用力)是動力學分析的理論基礎(chǔ)。反應(yīng)力(反作用力)可以按時間標示，也可以根據(jù)步長時間的百分比標示其垂直成分[25]。動力學分析(kinetic analysis)系統(tǒng)的主要設(shè)備是三維測力板(Kistler,AMTI)。測力板由對稱分布在力板四角的傳感器組成，可以實時反映步行時垂直、水平和側(cè)向作用力。與運動學數(shù)據(jù)結(jié)合可以求出運動功量(power)[26]。

3.2.3 時間/空間參數(shù)分析(time-spatial parameter analysis)步態(tài)的時/空參數(shù)主要包括步長、步幅、步速、步頻、步寬、足偏角、步行周期等。過去需要使用足開關(guān)，甚至足印法進行測量，十分耗時而且不精確。現(xiàn)在可以使用有10萬個壓力感受器的電子步態(tài)墊 (gait mat)，外觀恰似普通的地毯。患者走過之后就可以立即把上述數(shù)據(jù)以圖形和數(shù)據(jù)的方式顯示和打印，設(shè)備可以手提攜帶，成為臨床步態(tài)分析十分實用的工具[27]。

3.2.4 動態(tài)肌電圖(dynamic electromyography) 動態(tài)肌電圖是步態(tài)分析非常重要的組成部分，用于檢測步行時肌肉活動與步態(tài)的關(guān)系。表淺肌肉一般采用表面電極，置放于與相鄰肌肉距離最遠并且接近肌腹的部位，深部肌肉可以采用植入式線電極[26]。由于神經(jīng)疾病患者步態(tài)分析的發(fā)展，臨床對于明確導(dǎo)致步行障礙的關(guān)鍵神經(jīng)肌肉的需求日益提高；因此，動態(tài)肌電圖的診斷價值也隨之越來越突出。

3.2.5 能量利用率(energy utility)測定 能量利用率的測定主要是通過心率、氧耗、氧損失來求得。在正常情況下，合適的步行速度可以使單位距離的能量消耗減小到最低。步行周期的運動學要求身體重心在水平和垂直方向的移動均減小到最低，即最佳能量消耗的運動[28]。步行時，既由于身體各節(jié)段的移動而消耗動能，又可因關(guān)節(jié)韌帶和肌肉的牽拉以及重心的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生勢能；步行時產(chǎn)生的勢能有大約50%可以被再利用。心率已成為評定正常兒童和腦癱兒童能量消耗的指標。有研究表明，以正常步態(tài)行進時，在接近最大心率之前，心率和氧耗呈線性關(guān)系。氧耗信息可用修訂的Douglas袋技術(shù)或與病人同步行走的車載氣體自動分析系統(tǒng)收集[29]。

4 研究進展及臨床應(yīng)用

步態(tài)分析最早期和最簡易的檢測方法之一便是足印法。即在被檢測者的足底涂上墨汁，在步行通道(一般為4～6 m)鋪上白紙；囑受試者走過白紙，留下足跡，便可以測量距離。也可以在黑色通道上均勻撒上白色粉末，讓患者赤足通過通道，留下足跡[30]。足印法可獲得的參數(shù)包括步長、步長時間、跨步長、步行周期、步頻、步速及步寬等。足印法等目測手段在具有其方便實用等優(yōu)點的同時，也存在著諸如準確性差及精確性不足的缺陷，這都是需要加以改進和替換的方面。

4.1 國內(nèi)外研究概況 隨著現(xiàn)代步態(tài)分析技術(shù)的日臻完善和提高，目測分析的方法已逐漸被高新的電子技術(shù)所取代，現(xiàn)在多采用足開關(guān)或電子步態(tài)墊來測定步態(tài)的時空參數(shù)。不過，迄今為止，測試的精確性及可靠性最高的步態(tài)分析設(shè)備則首推已在國外廣泛應(yīng)用的三維步態(tài)分析系統(tǒng)。定量步態(tài)分析研究始于19世紀末，20世紀70年代以后發(fā)展較快，80年代以后逐漸轉(zhuǎn)向三維運動學研究。三維步態(tài)分析系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，可以彌補目測法所得結(jié)果的準確性及可靠性差等不足，對臨床治療具有很大的指導(dǎo)價值[31]。但國外的步態(tài)分析系統(tǒng)大多采用專用的視頻設(shè)備和計算機設(shè)備，價格昂貴且不易更新?lián)Q代，雖然具有很高的精確度，但同時也使操作過程具有很高的專業(yè)性和復(fù)雜性，故尚未在我國普及使用。

我國在步態(tài)分析領(lǐng)域的研究起步較晚，國內(nèi)只有少數(shù)幾家科研機構(gòu)從上世紀80年代起開展了研究工作。由于進口步態(tài)分析系統(tǒng)的價格普遍比較昂貴，再加上檢測的技術(shù)參數(shù)相對復(fù)雜，難以被廣泛理解和分析應(yīng)用。因此，目前在國內(nèi)的諸多醫(yī)療和科研機構(gòu)中，很多臨床醫(yī)生及研究人員仍然采用目測、秒表、米尺等簡單工具對患者的步態(tài)進行定性分析及診斷[32]，從而嚴重制約了現(xiàn)代步態(tài)分析技術(shù)在我國的開展和普及應(yīng)用。

4.2 臨床應(yīng)用 步行障礙是由多種原因綜合引起的。病理步態(tài)可由生理病理及臨床狀況的變化而產(chǎn)生，目前有3種主要的病因?qū)W分類：①結(jié)構(gòu)(肌肉骨骼畸形)。②關(guān)節(jié)軟組織病損(如關(guān)節(jié)炎、軟組織攣縮等)。③神經(jīng)系統(tǒng)病變(周圍或中樞神經(jīng)系統(tǒng)的病變)[33]。正確合理的干預(yù)需要對正常步態(tài)及其生物力學基礎(chǔ)有一個清晰的了解。通過步態(tài)分析和準確的臨床診斷，可指導(dǎo)諸如外科手術(shù)、治療練習、輔助步行及機械和電子矯形器的使用等步態(tài)再訓(xùn)練程序[34]。在治療干預(yù)的前后，還可以通過步態(tài)分析與測試來評估治療的效果。

步態(tài)分析在對人體運動系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病因分析和診斷；功能、療效與殘疾的評定；骨、關(guān)節(jié)假體與義肢設(shè)計；截癱病人的行走功能重建等方面均有重要意義，已成為基礎(chǔ)和臨床研究中不可缺少的技術(shù)手段之一，在人類學、體育學和宇航學等領(lǐng)域也具有特殊的價值[35]。臨床步態(tài)分析旨在通過生物力學和運動學手段，揭示步態(tài)異常的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和影響因素，從而協(xié)助康復(fù)評估和治療，也有助于協(xié)助臨床診斷、療效評估和機制研究等。步態(tài)分析可用于評估目測步態(tài)差異的動力學基礎(chǔ)，也是一項對各種治療效果及不同處理方案進行客觀選擇的有價值的標準[36]。

目前，步態(tài)分析在腦性癱瘓的診斷與治療中已得到了廣泛的關(guān)注[37]。Bell等[38]對8例腦癱兒童進行平均間隔4.4年的步態(tài)分析，研究腦癱兒童的步態(tài)在沒有手術(shù)干預(yù)下的自然進展情況；結(jié)果表明，與經(jīng)過手術(shù)干預(yù)的腦癱兒童相比，未經(jīng)手術(shù)干預(yù)的腦癱兒童的行走功能有顯著下降。步態(tài)分析所得的肌電活動參數(shù)可幫助區(qū)分馬蹄足患者在行走時的主要痙攣肌肉，以幫助選擇BTX的最佳注射部位[39]。Galli M等[40]對腦癱兒童在BTX注射前后分別進行了三維步態(tài)分析，比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BTX注射后踝關(guān)節(jié)的運動學和動力學參數(shù)提高，踝關(guān)節(jié)的背屈功能也有顯著提高[40]。

在患者進行康復(fù)訓(xùn)練、安裝支具或矯形器及手術(shù)前后進行步態(tài)分析，對所得步態(tài)參數(shù)進行比較，可以客觀地評定治療效果。Abel R[41]等對應(yīng)用減重步態(tài)訓(xùn)練系統(tǒng)進行治療的截癱患者進行了治療前后的步態(tài)分析，結(jié)果提示，減重步態(tài)訓(xùn)練可以有效改善截癱患者的行走能力。有研究人員通過評定腦癱、偏癱患者佩戴踝足矯形器(ankle foot orthosis,AFO)后所產(chǎn)生的治療效果及作用，認為正確使用AFO可以顯著提高患者的步行速度，矯正肢體畸形或防止畸形加重；還可有效加強踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，防止膝關(guān)節(jié)于站立相過伸，從而達到改善步態(tài)的目的[42-43]。

白躍宏等[44]應(yīng)用三維步態(tài)分析系統(tǒng)(英國VICON公司制，V-612)對健康自愿者40名(平均年齡33歲)和患有矯形外科疾病的112名患者進行了三維步態(tài)的分析與測試。結(jié)果表明，步態(tài)分析所提供的運動學參數(shù)、生物力學參數(shù)及運動中骨骼肌的肌電活動參數(shù)變化等，可較好地區(qū)分正常及異常步態(tài)的原因、性質(zhì)并作出合理的診斷及治療建議。由此認為，將三維步態(tài)分析的方法應(yīng)用于矯形外科和康復(fù)醫(yī)學科，進行手術(shù)方案的制定、手術(shù)療效的評價和康復(fù)治療方法的選擇與療效評定等是切實可行的。

5 總結(jié)與展望

步行是人類最主要的行動方法，也是人體動作中重復(fù)性最高的一種。從學習走路開始，隨著神經(jīng)骨骼肌肉系統(tǒng)的逐漸成熟，步行成為了一個不假思索的動作。如果神經(jīng)骨骼肌肉系統(tǒng)受到損傷或產(chǎn)生病變，則很容易表現(xiàn)在行走時的步態(tài)上。因此，將步態(tài)分析的方法應(yīng)用于診斷與評估神經(jīng)骨骼肌肉系統(tǒng)的疾病方面，確有其優(yōu)勢及必要性。

隨著高新技術(shù)日新月異的發(fā)展，步態(tài)分析系統(tǒng)將更容易被操作，分析所得的資料將更精確、更完整、更易于判讀，應(yīng)用的范圍也將更加廣泛。然而，科學技術(shù)的發(fā)展終究要以服務(wù)病患為依歸。因此，如何將這些技術(shù)較好地應(yīng)用于疾病的臨床診斷與治療規(guī)劃的制定及評估等方面，則有待臨床醫(yī)師、康復(fù)專科醫(yī)師與醫(yī)學工程師的密切合作與共同努力。

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