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1概述 人类的步行是一个复杂的过程,它的根本目的是从一处安全有效地转移到另一处。步行(walking)是指通过双脚的交互动作移行机体的人类特征性活动。步行需要全身肌肉的参与,包括人体重心移位,骨盆倾斜旋转,髋、膝、踝关节伸屈及内外旋展等,使人体位移的一种复杂的随意运动[1]。步态则是人类步行的行为特征,涉及行为习惯、职业、教育、年龄及性别等因素,也受到多种疾病的影响[2]。
由于人类个体之间的内在差异,每个人的步态模式都是独特的。然而,由于每个人都有基本相同的解剖和生理结构,所以健康人的步行是在一系列相似的过程中完成的[3]。在这种周期性的和高度自动化的运动模式中,包含有躯体和四肢有节律的动态变化,在连续的步行过程中,各个步态周期之间的差异是非常细微的[4]。
行走是人体日常生活中重复最多的一种整体性运动。直立行走运动是人类长期进化的结果。现代测量技术的发展使我们有可能对人类行走时身体各部分,特别是下肢的运动和受力情况进行动态的数量化分析,这项工作逐渐发展为生物力学的一个特殊分支,并被定名为步态分析(gait analysis)。步态分析就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、疗效评定及损伤机制的研究等[2]。
同时,步态分析也是一种对人体行走方式进行客观记录并对步行功能进行系统评价的有效手段,是康复评定的重要组成部分。在临床工作中,对患有神经系统或骨骼肌肉系统疾病而可能影响行走能力的患者需要进行步态分析,以评估患者是否存在异常步态以及步态异常的性质和程度,为分析异常步态原因和矫正异常步态、制订治疗方案提供必要的依据[5]。
2正常及异常步态模式
2.1正常步态所谓正常步态是指当一个健康成人用自我感觉最自然、最舒坦的姿态行进时的步态,它具有如下3个特点[6]:身体平稳、步长适当、耗能最少。正常步态需要中枢神经系统、周围神经系统及骨骼肌肉的动态整合,是通过骨盆、髋关节、膝关节、踝关节和足趾的一系列活动完成的,而躯干则基本保持在两足之间的支撑面上[7]。正常步态应该是髋关节、膝关节、踝关节的灵活运动,身体良好的平衡能力以及头、躯干、四肢协调、流畅的配合运动[8]。正常步态很流畅的原因就是将重心最小限度地定位于骨盆,加上适宜的关节运动和适宜的力量,如果不能保证这些,则会导致异常步态的产生。
2.2步态周期从一侧足跟接地起到同侧足跟再次接地止称为一个步行周期,由支撑相和摆动相构成[9]。支撑相是指脚与地面相接的时期,包括足跟接地、足掌接地、支撑中期、足跟离地、足趾离地5个时段;摆动相为脚离开地面的时期,由加速期、摆动中期、减速期这3期构成。在一个正常的步行周期中,支撑相占60%,其中大约有10%为双支撑相,摆动相占40%。这些百分比是通过正常人以较舒适的速度步行时测得的,随着步行速度的变化,这些百分比会发生很大的变化。加快步行速度会延长单支撑相的时间,而缩短双支撑相的时间[10]。步行时身体重心做上下约5°的移动,骨盆做幅度8°左右的前后旋转。正常步态的维持,应为髋关节前屈30°,后伸10°;膝关节充分伸展,屈曲60°;踝关节跖屈20°,背伸15°左右[11]。
2.3异常病理步态临床上较多涉及康复介入的中枢神经系统病理步态主要包括中枢神经受损(脑卒中)所致的异常步态(偏瘫步态)[12];大脑弥漫性损害(脑性瘫痪)所致的异常步态(如脑瘫所致的剪刀步态或舞蹈步态等)[13];小脑损害或疾患所致异常步态(“鸭子”步态)[14]及基底神经核疾患所致异常步态(如帕金森病患者的前冲步态)[15]等。周围神经损伤(特定肌群丧失神经支配)所致异常步态在临床也较多见,如臀大肌步态、臀中肌步态、股四头肌步态、胫前肌步态以及腓肠肌和比目鱼肌无力步态等[16]。但以上病理步态的临床诊断主要依靠其原发病史、临床表现及肉眼检测而确定,因此对于患者在行进过程中出现的步态异常尚缺乏定量和精确的分析,在协助临床诊断和治疗方面也很难提出有针对性的诊疗方案。
3步态分析的分类及方法
步态分析是利用力学的概念、处理手段和已经掌握的人体解剖、生理学知识对人体行走的功能进行对比分析的一种生物力学研究方法[17]。步态分析可分为定性法(目测分析法)和定量法(仪器分析法)两种。
3.1定性分析临床医生通常进行的是目测步态分析,即由医务人员通过目测的方法观察病人的行走过程,然后根据所得印象或按照一定观察项目逐项评价的结果,凭借其丰富的临床经验得出初步分析结论[18]。目测法只能定性,不能定量。观察时需从侧、前、后3个方向分别观察患者行走时各关节、肌肉、骨盆的运动情况及全身姿势的协调性状况[19]。这种类型的步态分析无法提供量化信息,并且由于人类步行的速度和复杂化等原因,有很多局限性。如果是在病理步态下产生的差异或代偿,情况将更加复杂。因此,在步态训练的前、中、后还可采用直接或间接(录像)观察法,详细观察患者在行走时身体各个部分的变化[20],如头是否抬起;颈是否居中;患侧肩带是否下压、肩胛骨是否后缩或前伸;躯干是否痉挛、向患侧扭曲或向健侧倾斜;患侧骨盆是否上提、后突、向前或向后旋转;髋、膝、踝线性排列是否正常;患侧下肢负重及重心转移的情况;下肢伸肌、外展肌群肌张力增高及屈髋、屈膝、踝背屈的程度;双臂摆动的幅度;步长、步宽及步速;膝关节的控制能力;足的内翻和外翻;整体运动的对称性和协调性等[21]。
3.2定量分析步态的定量分析在国内已逐步应用于临床及科研,为客观评定提供了一种精确有效的手段;可对步态分析的基础参数(步速、步频、步长)、时相与周期、站立相力矩及下肢关节角度等多种步态指标进行定量分析,指导步态训练。
3.2.1运动学(kinematics)分析运动学分析是研究步行时肢体运动时间和空间变化规律的科学方法,主要包括:步行整体时间与空间测定和肢体节段性运动方向测定。足落地的时间、空间类型是整合的步行运动的结束。在站立相和摆动相的时空连续性过程中,可测定基本变量来描述步态。这些数据可通过测量足触地时的间距和时间来获得,如使用墨水和纸、足开关及一些更加复杂的技术系统等[22]。
目前多采用节段性运动测定,即针对特定关节或运动中心的三维动态分析。获得步行时关节各方向活动角度的动态变化及其与步行时相之间的关系。常用的分析方式有:①同步摄像分析。在4～8 m的步行通道周围设置2～6台摄像机,同时记录受试者步行图像,并采用同步慢放的方式,将受试者的动作分解观察和分析。②三维数字化分析。通过2～6台检测仪(数字化检测仪或特殊摄像机)连续获取受试者步行时关节标记物的信号,通过计算机转换为数字信号,分析受试者的三维运动特征[23]。同一标记物被两台以上的检测仪同时获取时,即可进行三维图象重建和分析。输出结果包括:数字化重建的三维步态、各关节三维角度变化、速率和时相。关节标记物一般置放于需要观察的关节或重力中心。③关节角度计分析。采用特制的关节角度计固定于被测关节,记录关节活动的角度改变,转换为数字信号并用计算机重建步态[24]。优点是操作比较简便,特别是对上肢的检查十分方便;缺点是难以准确记录躯体的旋转及倾斜活动等。
3.2.2动力学(kinetics)分析动力学分析是对步行时作用力、反作用力强度、方向和时间的研究方法。牛顿第三定律(作用力=反作用力)是动力学分析的理论基础。反应力(反作用力)可以按时间标示,也可以根据步长时间的百分比标示其垂直成分[25]。动力学分析(kinetic analysis)系统的主要设备是三维测力板(Kistler,AMTI)。测力板由对称分布在力板四角的传感器组成,可以实时反映步行时垂直、水平和侧向作用力。与运动学数据结合可以求出运动功量(power)[26]。
3.2.3时间/空间参数分析(time-spatial parameter analysis) 步态的时/空参数主要包括步长、步幅、步速、步频、步宽、足偏角、步行周期等。过去需要使用足开关,甚至足印法进行测量,十分耗时而且不精确。现在可以使用有10万个压力感受器的电子步态垫(gait mat),外观恰似普通的地毯。患者走过之后就可以立即把上述数据以图形和数据的方式显示和打印,设备可以手提携带,成为临床步态分析十分实用的工具[27]。
3.2.4动态肌电图(dynamic electromyography)动态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[26]。由于神经疾病患者步态分析的发展,临床对于明确导致步行障碍的关键神经肌肉的需求日益提高;因此,动态肌电图的诊断价值也随之越来越突出。
3.2.5能量利用率(energy utility)测定能量利用率的测定主要是通过心率、氧耗、氧损失来求得。在正常情况下,合适的步行速度可以使单位距离的能量消耗减小到最低。步行周期的运动学要求身体重心在水平和垂直方向的移动均减小到最低,即最佳能量消耗的运动[28]。步行时,既由于身体各节段的移动而消耗动能,又可因关节韧带和肌肉的牵拉以及重心的转移而产生势能;步行时产生的势能有大约50%可以被再利用。心率已成为评定正常儿童和脑瘫儿童能量消耗的指标。有研究表明,以正常步态行进时,在接近最大心率之前,心率和氧耗呈线性关系。氧耗信息可用修订的Douglas袋技术或与病人同步行走的车载气体自动分析系统收集[29]。
4研究进展及临床应用
步态分析最早期和最简易的检测方法之一便是足印法。即在被检测者的足底涂上墨汁,在步行通道(一般为4～6 m)铺上白纸;嘱受试者走过白纸,留下足迹,便可以测量距离。也可以在黑色通道上均匀撒上白色粉末,让患者赤足通过通道,留下足迹[30]。足印法可获得的参数包括步长、步长时间、跨步长、步行周期、步频、步速及步宽等。足印法等目测手段在具有其方便实用等优点的同时,也存在着诸如准确性差及精确性不足的缺陷,这都是需要加以改进和替换的方面。
4.1国内外研究概况随着现代步态分析技术的日臻完善和提高,目测分析的方法已逐渐被高新的电子技术所取代,现在多采用足开关或电子步态垫来测定步态的时空参数。不过,迄今为止,测试的精确性及可靠性最高的步态分析设备则首推已在国外广泛应用的三维步态分析系统。定量步态分析研究始于19世纪末,20世纪70年代以后发展较快,80年代以后逐渐转向三维运动学研究。三维步态分析系统的广泛应用,可以弥补目测法所得结果的准确性及可靠性差等不足,对临床治疗具有很大的指导价值[31]。但国外的步态分析系统大多采用专用的视频设备和计算机设备,价格昂贵且不易更新换代,虽然具有很高的精确度,但同时也使操作过程具有很高的专业性和复杂性,故尚未在我国普及使用。
我国在步态分析领域的研究起步较晚,国内只有少数几家科研机构从上世纪80年代起开展了研究工作。由于进口步态分析系统的价格普遍比较昂贵,再加上检测的技术参数相对复杂,难以被广泛理解和分析应用。因此,目前在国内的诸多医疗和科研机构中,很多临床医生及研究人员仍然采用目测、秒表、米尺等简单工具对患者的步态进行定性分析及诊断[32],从而严重制约了现代步态分析技术在我国的开展和普及应用。
4.2临床应用步行障碍是由多种原因综合引起的。病理步态可由生理病理及临床状况的变化而产生,目前有3种主要的病因学分类:①结构(肌肉骨骼畸形)。②关节软组织病损(如关节炎、软组织挛缩等)。③神经系统病变(周围或中枢神经系统的病变)[33]。正确合理的干预需要对正常步态及其生物力学基础有一个清晰的了解。通过步态分析和准确的临床诊断,可指导诸如外科手术、治疗练习、辅助步行及机械和电子矫形器的使用等步态再训练程序[34]。在治疗干预的前后,还可以通过步态分析与测试来评估治疗的效果。
步态分析在对人体运动系统和神经系统疾病的病因分析和诊断;功能、疗效与残疾的评定;骨、关节假体与义肢设计;截瘫病人的行走功能重建等方面均有重要意义,已成为基础和临床研究中不可缺少的技术手段之一,在人类学、体育学和宇航学等领域也具有特殊的价值[35]。临床步态分析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,从而协助康复评估和治疗,也有助于协助临床诊断、疗效评估和机制研究等。步态分析可用于评估目测步态差异的动力学基础,也是一项对各种治疗效果及不同处理方案进行客观选择的有价值的标准[36]。
目前,步态分析在脑性瘫痪的诊断与治疗中已得到了广泛的关注[37]。Bell等[38]对8例脑瘫儿童进行平均间隔4.4年的步态分析,研究脑瘫儿童的步态在没有手术干预下的自然进展情况;结果表明,与经过手术干预的脑瘫儿童相比,未经手术干预的脑瘫儿童的行走功能有显著下降。步态分析所得的肌电活动参数可帮助区分马蹄足患者在行走时的主要痉挛肌肉,以帮助选择BTX的最佳注射部位[39]。Galli M等[40]对脑瘫儿童在BTX注射前后分别进行了三维步态分析,比较结果发现,BTX注射后踝关节的运动学和动力学参数提高,踝关节的背屈功能也有显著提高[40]。
在患者进行康复训练、安装支具或矫形器及手术前后进行步态分析,对所得步态参数进行比较,可以客观地评定治疗效果。Abel R[41]等对应用减重步态训练系统进行治疗的截瘫患者进行了治疗前后的步态分析,结果提示,减重步态训练可以有效改善截瘫患者的行走能力。有研究人员通过评定脑瘫、偏瘫患者佩戴踝足矫形器(ankle foot orthosis,AFO)后所产生的治疗效果及作用,认为正确使用AFO可以显著提高患者的步行速度,矫正肢体畸形或防止畸形加重;还可有效加强踝关节的稳定性,防止膝关节于站立相过伸,从而达到改善步态的目的[42-43]。
白跃宏等[44]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名患者进行了三维步态的分析与测试。结果表明,步态分析所提供的运动学参数、生物力学参数及运动中骨骼肌的肌电活动参数变化等,可较好地区分正常及异常步态的原因、性质并作出合理的诊断及治疗建议。由此认为,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、手术疗效的评价和康复治疗方法的选择与疗效评定等是切实可行的。
5总结与展望
步行是人类最主要的行动方法,也是人体动作中重复性最高的一种。从学习走路开始,随着神经骨骼肌肉系统的逐渐成熟,步行成为了一个不假思索的动作。如果神经骨骼肌肉系统受到损伤或产生病变,则很容易表现在行走时的步态上。因此,将步态分析的方法应用于诊断与评估神经骨骼肌肉系统的疾病方面,确有其优势及必要性。
随着高新技术日新月异的发展,步态分析系统将更容易被操作,分析所得的资料将更精确、更完整、更易于判读,应用的范围也将更加广泛。然而,科学技术的发展终究要以服务病患为依归。因此,如何将这些技术较好地应用于疾病的临床诊断与治疗规划的制定及评估等方面,则有待临床医师、康复专科医师与医学工程师的密切合作与共同努力。
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