三维运动解析在康复中的运用

三维运动解析在康复中的运用

步态分析的研究和应用从19世纪末摄影技术刚兴起的时候就开始发展，但是真正进入临床实用阶段只有10多年的时间。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。其在康复评定、训练与治疗的过程中，客观、定量地评定人体步行功能，全面反映患者的康复功能状态，可为颅脑损伤、中枢及周围神经系统损伤及骨关节病损的患者制定康复治疗方案及评定康复疗效，提供客观的手术方案以及用于评定术后疗效等[1]。

临床步态分析的目的[2]：1.对步长、步频、步速，时相与周期，站立相力矩，关节角度等多种步态指标进行定量分析，提供客观数据，指导临床及科研。2.评定康复治疗前后步态中存在的问题、异常步态模式及下肢肌张力、肌力改善的程度，制定康复治疗、训练计划。3.评定康复疗效，于定做支具、矫形器的前后进行步态对比，确定所做支具或矫形器的合适程度及使用价值。将三维步态分析的方法应用于康复医学领域，并根据所提供的运动学参数、生物力学参数和运动中骨骼肌的肌电活动参数的变化，可将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[3]。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]。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[4-5]。目前，随着科学技术的发展，三维步态分析在康复医学科应用越来越广泛。

1. 正常步态模式

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、距小腿关节（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、距小腿关节的灵活运动，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是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，就会出现异常步态。

Grabiner等[9]认为正常步态的必须条件是：1.支撑期良好的稳定性。2.摆动期足部放松。3.足够的步长。4.膝关节在支撑期吸收震荡并且蓄积能量，在摆动期带动小腿和足部运动。为完成这一作用，膝关节必须在支撑期完全伸直，在摆动期屈曲大约600。同样，平衡肌群对于正常行走也是必不可少的，如屈髋肌及小腿三头肌等。行走过程中身体各部位的运动主要是为了减少重心的移动，这就涉及到能量消耗的问题。影响行走能量消耗最主要的变量是重心移动的特点。正常步态是双侧对称的，虽然有些人受左利或右利的影响会在行走时偏重于一侧肢体，造成轻微的步态不对称，但这种不对称如果相差超过8-10%，则应视为异常[10]。

2. 异常病理步态

2.1 中枢神经受损（即脑卒中）所致的异常步态-偏瘫步态：

偏瘫步态是指患者在行走时，由于膝关节屈曲不充分，患侧产生提髋，下肢外旋、外展(划圈)，同时伴有足内翻、跖屈，使患侧下肢不能正常负重，这种状况持续下去，使下肢伸肌痉挛进一步加重，患者走路时费时、费力且不易保持平衡。偏瘫步态按其步态模式可分为：提髋型、瘸拐型、划圈型、膝过伸伴髋后突型。造成偏瘫步态的原因主要有[11]：

1.患者早期卧位或坐位时，忽视了患肢的正确体位，加之缺乏早期康复训练，使患侧下肢伸肌痉挛模式加重。2.患侧下肢伸肌痉挛模式占优势后，膝关节分离的屈伸活动则很困难，这种状况的持续存在，就会造成屈膝肌群及胫前肌群失用性萎缩。3.患者迈步时为了屈膝，过度抬高患腿，屈膝的同时，造成了腓肠肌痉挛，足内翻。

2.2 大脑弥漫性损害（脑性瘫痪）所致的异常步态：

1.剪刀步态：脑瘫患者由于髋内收肌张力过高，双膝内侧常呈并拢状，行走时，双足尖（相对或分开）点地，交叉前行，呈剪刀状。2.舞蹈步态：见于四肢肌张力均增高的脑瘫患者，站立相，足内翻，踝缺乏背屈，足尖着地，身体不能保持平衡。摆动相，双侧髋关节、膝关节屈曲困难。行走时，双上肢屈曲，双下肢跳跃，呈舞蹈状。

2.3小脑损害或疾患所致异常步态-“鸭子”步态

小脑病变者，由于共济失调，行走时，步宽加大，步幅长短不一，速度快慢不等，东倒西歪，呈(鸭子)状或蹒跚状。

2.4基底神经核疾患

如帕金森病所致异常步态-前冲步态。帕金森病患者，行走时，躯干前倾，双上肢缺乏摆动，步幅短小，越走越快，呈前冲或慌张步态。

2.5周围神经损伤（特定肌群丧失神经支配）所致异常步态

2.5.1.臀大肌无力步态：臀大肌是主要的伸髋及脊柱稳定肌，在足触地时控制重力中心向前运动，当肌力下降时其作用改由韧带支持及棘旁肌代偿, 导致患者在支撑相早期臀部

突然后退，中期腰部前凸，以保持重力线在髋关节之后。胭绳肌可以部分代偿臀大肌，但是在外周神经损伤时，胭绳肌与祥大肌的神经支配往往同时损害。臀大肌步态患者表现为躯干前、后摆动显著增加，类似鹅行走的姿态，亦称为“鹅步”。

2.5.2臀中肌无力步态：患者在支撑相早期和中期骨盆向患侧下移超过度，髋关节向患侧凸，患者肩和腰出现代偿性侧弯，以增加骨盆稳定度。患侧下肢表现为功能性相对过长，所以在摆动相膝关节和裸关节屈曲增加，以保证地面廓清。臀中肌步态患者表现为躯干左、右摆动显著增加, 类似鸭行走的姿态, 又称为“鸭步”。

2.5.3屈髋肌无力步态：屈髋肌是摆动相主要的加速肌，其肌力下降造成摆动相肢体行进缺乏动力，只有通过躯干在支撑相末期向后摆动、摆动相早期突然向前摆动来进行代偿，其患侧步长明显缩短。

2.5.4股四头肌无力步态：常见于股神经麻痹导致的股四头肌瘫痪患者。 股四头肌无力使支撑相早期膝关节处于过伸位，用臀大肌保持股骨近端位置，用比目鱼肌保持股骨远端位置，从而保持膝关节稳定。膝关节过伸导致躯干前屈，产生额外的膝关节后向力矩如长期处于此状态将极大地增加膝关节韧带和关节囊的负荷，导致损伤及疼痛。

2.5.5踝背伸肌无力步态：常见于排总神经麻痹导致的胫前肌瘫痪。患者在足触地后，由于其踝关节不能有效控制跖屈，所以支撑相早期阶段缩短，迅速进人支撑相中期。严重时患者在摆动相出现足下垂，导致下肢功能性过长，往往以过分屈髋、屈膝代偿跨槛步态，同时支撑相早期由全脚掌或前脚掌先接触地面。

2.5.6腓肠肌比目鱼肌无力步态：常见于因胫神经麻痹而导致的小腿三头肌瘫痪患者，其胫骨在支撑相中期和末期向前行进过度，使膝关节产生瞬时屈曲塌陷，因而又称之为膝

塌陷步态。患者往往采用收缩股四头肌的方式避免跌倒，长期发展可导致伸膝肌过用综合征，部分患者可使用上肢支撑膝关节的方式进行代偿，另外患者还常伴有对侧步长缩短，同侧足推进延迟的现象。

3. 三维步态分析在偏瘫康复中的研究应用

偏瘫是运动系统失去了高位中枢神经系统的，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[12]。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。

3.1时间-空间参数研究：偏瘫患者步态为步宽加大，步长、步幅 缩短，步频降低，步速减慢，足偏角大。江晓峰等[13]研究表明，偏瘫患者患侧肢体经康复训练后，跨步长(正常人为156 cm)明显提高。正常人步频为95-125步/min，偏瘫患者步频为40-75步/mjn。 正常人步长为50-70 cm，而偏态步态的步长平均为40 cm[14]。李华等[15]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。徐光青等[16]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密切相关，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统计学意义；而骨盆的左右前后倾斜运动与其步速之间的相关无统计学意义。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[17]。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莺要性。

3.2步态周期参数研究：偏瘫患者步态周期为(2.3士0.8)s，明显大于正常的(1.2士0.1)s。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％。荣湘江等[18] 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[18]。偏瘫患者的髋伸、膝屈与踝背屈均受到其角度变化明显小于正常人。因而髋、膝、踝的关节角度的变化可用于判断偏瘫水平[19]。胡雪艳等

[20]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、矢状面髋 关节角度范围与正常人的差异有统计学意义。王卫强等[21]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。江晓峰等[13]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的改变；足尖 离地时踝关节角度明显增加．前后对比差异有统计学意义；踝关节角度变化范围明显减少。差异也有统计学意义。

3.4力矩分析研究许光旭等[14]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[22]。一项关于脑卒中患者偏瘫下肢肌肉活动时序的研究中[23]，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和股直肌在第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。True-blood等[24]比较了3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 重复性跑台减莺训练的效果。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茧摆动期，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[25]。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。徐光青等[16]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。

4. 步态分析在脊髓损伤患者康复中的应用

步行障碍是脊髓损伤患者的共性问题，也是患者最迫切希望解决的功能障碍。由于步行涉及到复杂的神经和肌肉控制，因此步态异常往往是复杂因素的综合结果。 完全性和不完全性脊髓损伤在神经恢复及行走功能预后的方面有很大的差别。 完全性四肢瘫患者 如果损伤超过1个月时感觉和运动仍完全丧失，则下肢运动功能几乎没有恢复的可能。不完全性四肢瘫神经恢复程度与截瘫相似，两者的运动功能恢复大多数出现在最初的6-9个月，12个月时达到平台期.有人认为脊髓损伤患者需要一侧屈髋肌肌力≥3级，另一侧股四头肌

肌力≥3级，才能进行有效的行走。只要一侧配戴有一定踝背屈活动度固定距小腿关节的小腿支具，另一侧用类似距小腿关节固定和锁住膝关节的长腿支具，患者就能自己行走，但要保留完整的本体感觉。与不完全性截瘫相比，不完全性四肢瘫患者恢复行走功能的可能性很小。Waters等[26]发现只有46%的不完全性四肢瘫患者（而76%的不完全性截瘫患者）1年后恢复社区行走功能。造成这一情况的原因是四肢瘫患者上肢肌力受到严重损害，从而没有足够的力量扶拐行走，Burns等[27]也发现不完全性四肢瘫ASIA C级的患者，小于50岁者91%（30/33例）可以行走，而大于50岁的只有42%(16/31例)能恢复行走。所有ASIA D级的患者都能恢复行走功能，而与年 龄无关。

临床步态分析将为明晰脊髓损伤患者步态异常的关键因素提供有力的依据，从而协助临床诊断和治疗。具体的应用范畴包括：1.鉴定步态异常：三维步 态分析可以精确地确定步态异常的规律，运动障碍的关键关节和肌肉、步行障碍与躯干和上肢活动的关系、步行辅助具和步行方式对步行效率和安全性的价 值等，从而为临床诊断和治疗方案的确定提供科学依据。2.评定治疗效果：三维步态分析是对脊髓损伤患者的步行功能进行康复治疗和临床治疗效果最好的 评价工具，具有不可替代的作用。特别需要强调的是，步态训练的目标应该是使患者最省力和最安全地行走，而不仅仅是在外观上与正常人接近。过分追求“正常步态”而牺牲步行效率和安全性是不科学的，也是临床上对脊髓损伤患者进行步行功能训练的误区[28]。3.协助制定手术方案：由于三维步态分析可以有针对性地截取各个躯体运动节段的动态数据，因此对这些动态数据的修订，可以模拟再现针对关键关节或者肌肉进行手术或者其他康复干预之后的效果，从而有效地协助制定骨科手术的方案。

功能性步行量表[29]（function inventory,FAI）是对脊髓损伤患者的功能性步行能力进行精确、详细的评估方法，由步态参数、辅助装置使用分值和步行移动能力分值3部分组成。步态参数由6个基本成份组成：重心转移能力、步宽、步行节律、步高、步长和足接触。辅助装置包括下肢矫形器和上肢助行器（或扶拐）。步行移动能力可通过录像对每走

10步所耗费的时间来进行评分。步态参数的最大分值为20分，辅助装置使用的最大分值为14分，步行移动能力的最大分值为5分。脊髓损伤功能性步行量表（SCI-FAI）为患有脊髓损伤但可行动患者的功能性步行能力的评估提供了一个可靠、实用和灵敏的测量方法，无论是在现场 评估还是通过录像评估都可以得到精确的结果。新的步行评定方法，如脊髓损伤步行指数和脊髓损伤性标准，可以更准确地评价步行改善程度[30]。

5. 三维步态分析系统在儿童运动功能评价及康复中的应用

三维步态分析是一种新兴的运动评估技术，可以用于诊断，运动功能的评价，并指导 治疗。对于科研和临床功能评价均是一种可靠的评价工具。

5.1鉴定分析异常运动

三维步态分析系统能够准确的鉴别并分析异常运动，及时的发现异常运动并可以通过运动学、动力学及动态 肌电图的分析找出异常运动的原因。主要可鉴 别分析运动异常，偏瘫诊断分析等。 神经系统疾病的患儿多存在不同程度的运 动异常。这些运动异常是疾病的主要表现之一， 三维步态能准确鉴别并分析这些异常。以蹲伏 步态为例，蹲伏步态是脑瘫患儿的一项令人厌恶的异常，特点是：髋关节和膝关节支撑相过 度屈曲。三维步态分析不仅可以准确的鉴别出此异常步态，还可以通过动力学和运动学的分 析找出蹲伏步态产生的原因。通过量化臀大肌、 腿腱、比目鱼肌、腓肠肌和其他肌肉引起的髋膝关节角加速度，和计算髋膝关节的肌肉引起 的单位加速度力可以评价每块肌肉加速肢体部分屈曲和伸展的动态潜力描述单侧肢体支撑相 的肌肉活性。这些三维步态分析显示蹲伏姿势 与步态时，几乎所有的主要髋关节和膝关节伸肌的能力都明显降低，但腿腱肌肉群例外，它们在蹲伏姿势时其能力得以维持[31-32]。Anderson等[33]运用一个三维仿真模型和感应位置分析来测定足趾离开地面时和足趾离开地面后肌肉压力的运 动学条件如何影响正常步态摆

动相的膝关节屈曲峰值， 最后得出：膝关节摆动相的最初角速度对峰值膝屈曲度 有最大的贡献，而足趾离开地面时的肌肉压力对膝关节 的屈曲峰值影响最大。

三维步态分析系统的运用不仅限于对步态进行分析还可分析手部运动。三维运动系统可以分析偏瘫儿童 在完成功能任务的实时节奏，关节活动度和近端补偿机 制。Macke等

[34]在研究偏瘫儿童手部运动中，运用三 维步态分析系统发现患儿获得较慢的运动速度(P <

0.5)。关节活动度中，反掌姿势和肩伸展减少而躯体前 屈补偿性增加。

5.2 治疗前评价 三维步态分析通过指导手术和其 它治疗方法使对脑瘫和脊髓损伤患儿的治疗有性 的改变[35]。三维步态分析可以为治疗方案的确定提供较 准确的依据，并使治疗获得更好的治疗效果，减少治疗 中的风险并防止进一步的损害。运用来自于三维步态分 析的治疗推荐的脑瘫患儿在步行中明显获得更好的进 步[36]。Arnold 等[37]运用三维步态分析检查肌肉，肌腱的 长度和速度证明步行有异常缓慢腿筋或短肌腱的个体 不同于没有这些表现的人；并且这可能有助于鉴别哪些 病人在伸膝或骨盆倾斜方面有手术后不理想的改变的 危险。Konop 等[38]，在研究中运用三维步态系统对两种 类型助行器的三维关节反应压力和力矩进行分析。对现 有数据的动力学分析可以用于长期的临床学习计划。可 以早期检查出上肢关节存在病理学的危险因素，进而在 步态例行训练、助行器安装、或者助行器设计中做出改 变以防止进一步的损害。 在外科手术治疗中，三维步态分析的使用同样具有 重要意义。三维步态分析系统的分析结果可能改变患儿 的手术建议、手术方案。结合三维步态分析的运动学， 动力学和肌电图数据有 52%的脑瘫患儿改变了其手术 建议，在减少手术花费的同时也避免了不必要的手术损 伤。在进行三维步态分析后，腓肠肌和股直肌的手术建 议增加而腿腱、腰肌、髋关节内收肌、股骨和胫骨的手 术建议减少[39]。Vries等[40]通过实验证明了多程序段足 运动学模型在判定最佳手术治疗方法和评价治疗效果 中的有效性。Arnold 等[41]以骨盆，股骨和胫骨近端的三 维几何结构，髋关节和胫关节运动学以及半腱肌和半膜 肌路径为特征的三维步态分析的运动学数据的计算

机 下肢模型对患者半膜肌的肌腱长度和速度进行评估，从 而判断出手术可以松弛患者紧张的跟腱和减少腘旁伸 展性痉挛反应。进而证明了腿腱手术的有效性。Lofterød 等[42]和Chan等[43]分别运用三维步态分析证明了孤立小腿肌肉加长术和选择性背神经根切断术术后的功能改善情况和远期效果。

5.2 治疗后评价

三维步态还可以用于治疗后的治疗效果评价和远期的预后评价。是一种被推荐用于临床 试验的有效性的、系统的、可靠的工具[44]。此系统可用 于评价各种治疗方法对疾病患儿关节运动学、动力学及 肌电活动的改善情况。Beyaert 等[45]运用三维步态分析对 手术治疗后的残余畸形内旋进行膝、踝、髋关节运动学、 动力学和动态肌电图分析，发现此畸形患儿在步行中膝关节的运动学发生动态改变，是引起膝关节炎的原因。 三维步态分析系统的使用，同时能够评价矫形器的 效果，帮助临床医师更准确的使用矫形器。评价矫形器 的使用效果及发现其可能存在的损伤。Lucareli等[46]则 对穿有临床上的规定的带铰链的地面反作用力踝—足 矫形器(FRAFO)进行三维步态分析，得出膝关节伸展和 踝关节背曲等情况，进而证明 FRAFO 的有效性。而Sison-Williamson等[47]运用三维步态分析系统对使用踝膝矫形器的脊髓脊膜突出患儿的矢状面，横断面，冠状面运动功能进行分析得出：突出位置不同矫形器效果不同，如：S1-2-水平对膝关节有害。

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。

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夏菁