三维步态分析在骨科康复等临床医学的应用.docx

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三维步态分析在骨科康复等临床医学的应用

三维步态分析在骨科康复等临床医学的应用

作者：

刘安民先生，英国曼彻斯特索尔福德大学健康学院研究员

一步态分析研究的历史

　　行走是人类最基本的运动，行走的姿态可分为不同的类型。

步态分析是一门有关人行走过程中,体态,骨骼间（关节），肌肉与肢体，以及肢体与外界物体间相对运动，力学关系的分析方法。

步态分析是固体力学在生物系统应用（即生物力学）的典型范例。

　　人类对动物及自身姿态及运动的兴趣和研究起源可以上溯到公元前三个多世纪的亚里士多德。

他的‘动物的行走’被广泛认为是人类有关包括自身在内的动物行走研究的最早专著。

文艺复兴时期的艺术家达分奇被认为是生物力学的先驱之一，因为他首次在力学环境下研究人的骨骼解剖结构。

十七世纪的法国物理家勒内·笛卡尔最早提出人和所有动物的行走都遵循统一的力学法则，他的这一思想对促进和推动生物力学的持续发展起到了重要作用。

同一时期的意大利物理家乔瓦尼·阿方索·博雷利接受了这一思想，并对鸟和鱼等走，跑、跳、飞和游等动作进行了研究，他甚至在力学框架内研究了心脏的活塞运动。

确定人体重心的位置，测量出吸和呼的空气量，并指出吸气是肌肉收缩造成，而呼气是由于身体组织弹性造成。

博雷利首次阐明骨肌系统的杠杆结构对运动而不是力本身的放大作用。

肌肉必须产生足以克服运动阻力的力才能实现运动。

受伽利略影响，他在牛顿三大定律发表前便建立了直观了解关节静力平衡规律的方法。

　　运动是生物力学的重要组成部分，有关动物运动及人类步态的研究随着工业革命的开始得到进一步发展，首先，著名的德国爱德华·韦伯和威廉·韦伯兄弟正式系统地对人类行走进行了研究，1836年合著了‘人类行走力学’。

随后,相机的发明对生物运动学产生了巨大推动作用。

该时期的法国生理学家艾蒂安·朱尔斯·马雷在专著‘动物机械原理’中，提出了动物，人和机器都遵守同一物理法则，人体仅是有生命的机器的理论。

他利用自己发明的步枪式连拍照相机成功记录了鹈鹕等多种鸟，动物及人的动作。

英国人爱德华·迈布瑞奇（与其同龄,同与1904去世）几乎于同一时期在美国利用多架相机，成功捕捉了奔马连续动作的多幅照片，不仅证明马在奔跑的过程中会产生四蹄离地的瞬间，而且证明了法国人马雷理论的正确性。

这二位开创性的工作使得他们被后人尊为生物力学的先驱。

他们采用的联系动作连拍摄影的方法到目前为止还是步态分析的重要组成部分。

　　上个世纪四十年代，二战造成的众多伤残人员对假肢的大量需求促进了步态分析的研究。

当时的假肢无论在设计和临床应用都没有成熟的步态生物力学理论可寻。

每个残疾人的假肢都是经多次重复试验确定，不仅设计匹配无优化，而且耗时。

美国的骨科医生维恩·托马斯·茵曼和结构工程师出身的著名假肢设计师的霍华德·戴维斯·艾博哈特（初为茵曼的截肢病人）共同开展了大量针对人类行走生物力学的系统研究1,2,3,4。

不仅确定了各个肢体在每个步态周期的运动，而且测得了着地足的地面支反力以及肌肉在收缩时的肌电信号。

力和肌电信号的引入极大地推动了步态生物力学的发展。

他们发现的决定健康正常行走的诸多要素为假肢的设计，以及后来的步态分析临床应用奠定了基础。

　　电子及计算机技术的迅速发展，使得基于红外线摄影的数字化运动捕捉和分析系统在过去的三十多年间逐步发展成为广为应用的临床步态分析工具。

步态分析已经从图像观察为主的文字描述模式发展成了精确的三维数字报告模式。

目前，一份综合步态试验结果可以包括多平面同步录相，运动，地面支反力，足底压力，肌电信号及能耗（耗氧）量的详细记录。

通过生物力学分析软件处理，一份包括步态时空变量　（步宽，步（跨）长，步频和线性速度），三维关节角度　（可以是非相邻肢体间相对转角），角速度，角加速度，关节力，力矩和功率，以及肌腱长度变化和肌腱力的步态分析报告可以在步态试验后迅速形成。

步态分析的准确性和全面性使其在临床诊断和科研中得到了越来越多应用。

二步态试验室的基本构成　　目前的运动捕捉及分析设备分为传感器式和光标信号式两种。

传感器式的运动捕捉系统是以测量加速度和角转动惯量（陀螺仪）为基础的运动定位方法。

其特点是价格相对便宜，运动信号的测量不需参考坐标系，方便用于试验室（户）外。

但存在零飘和信号误差积累的问题。

基于光标信号的运动捕捉系统又分为主动光标式和被动光标式。

典型的被动发光光标产品系列有瑞典的QUAULISYS系统,英国的VICON系统，美国的MOTIONANALYSIS和OptiTrack系统，这些系统以其灵活简单的布光标方便性在步态及运动分析试验室得到广泛应用。

此外，也有功能相同但以主动光标为特点的主动型运动捕捉系统，如英国的CODA和加拿大的NDI系统。

这些运动捕捉系统与测力设备，表面肌电测试等系统一起构成一个现代步态试验室。

一个现代步态分析试验室（图1）的主要设备及软件：

·一个宽敞的实验室（行走步道长度应在６米以上，　以保障采集的步态周期均匀，稳定）；·两个摄相机　（用于从前面和侧面对患者的步态试验录相）；·一套三维运动捕捉系统（一般至少要８个摄像头，增加镜头数，可以提高运动数据质量）；·一至两个嵌入实验室行走地板中的测力板　（两个以上的测力板会提高力数据采集的效率）；·一套体表肌电测量系统　（常用８－１６通道，即监测８－１６块肌肉活动度），；·一套足底压力测量系统　（可选）；·一套耗氧测量系统　（可选）；·步态分析软件，如美国CMOTION的VISUAL3D软件等。

图1:

英国曼彻斯特索尔福德大学健康学院

三步态分析的基本方法　　临床步态分析的关键是相关医生与生物力学工程师对人体行走生物力学的正常规律和参数的全面掌握5。

这包括标准健康人正常自然行走的速度，步频，步（跨）长，着地足在支撑相所用时间，摆腿相所用时间以及支撑相在一个步态周期所占的百分比。

标准健康人正常行走时每一块肌肉收缩的时序和持续时间。

标准健康人正常行走时地面支反力在三个平面（矢状面，冠状面和水平面）分量的变化规律和变化范围。

标准健康人正常行走时关节运动在三个平面分量的变化规律和角度变化范围。

标准健康人正常行走时关节力矩和机械功率在三个平面分量的变化规律和变化范围。

标准健康人指的身体健康，体重身高在标准正常范围，足踝，下肢及神经系统无缺陷，残疾和运动疾病病史的人。

测试者以自己常用的均匀速度和步态行走被认为是正常自然行走。

　　基于标准正常数据库，临床步态分析报告可以通过病态步态数据与标准正常数据的对比而产生（图2）。

步态分析的结果可以确定步态畸形患者的各个关节运动，受力异常情况，肌肉功能以及相关肌肉是否存在痉挛或神经控制紊乱等问题。

到目前为止，标准健康人正常行走时标准数据结果已经在国际生物力学界的多年科研中取得共识。

不同步态试验室公布和采用的正常数据和生物力学变量在一个步态周期的正常变化曲线都十分接近。

然而，由于系统误差，步态试验操作中布光标的准确性和重复性，步态试验室采集空间大小，系统设置，标定质量以及对行走速度掌控的严格程度都会影像正常数据曲线的变化范围和误差，各个临床步态试验室多在自己的试验室建立标准健康人正常行走的步态数据库。

并在建库过程中通过和其他步态试验室数据对比并对自己试验设备的调整减少误差，提高数据的精确性和可靠性。

图2:

美国吉列儿童医院的步态试验报告截图6，髋膝踝关节在一个步态周期（矢状面）的角运动，力矩和肌电（兰色）和功率曲线（红－患者病态曲线，灰色阴影－标准健康正常曲线）

　　以运动捕捉信号，地面支反力为基础的生物力学（步态）分析技术已经在运动医学，骨科临床、神经外科临床，康复医学、假肢及矫形临床，体育训练以及健康足具开发等领域的服务和科研中得到广泛应用。

尤其是在诊治脑瘫及评估治疗效果方面发挥着重要作用，给脑瘫患者带来跨越步态障碍的新希望。

具体的步态试验并不复杂，患者在布好光标后会在医务人员的指导下在步态实验室里以自然姿态行走数次，利用步态分析软件绘制出病人的步态曲线。

根据这个测量结果，医务人员可以确定是否某关节的屈不够，或者是伸不够，屈或伸受哪几块肌肉影响，屈或伸不够可能由哪几个原因导致，结合病人行走中存在的问题，得出诊断意见给相关医生。

四临床步态分析适用的病人群体和主要临床应用　　临床步态（运动）分析试验已经在以下具有骨骼，肌肉，关节及神经异常症状患者的诊断中得到应用:

·截肢患者；·脑损伤及相关神经外伤引起的行动异常患者；·脑瘫患者；·复杂的运动障碍患者；·脚趾行走患者；·手和上肢运动障碍患者；·肢体不等长，四肢差异患者；·错骨骼及肢体错位和足体畸形患者；·脊柱裂患者；·骨关节炎患者；·中风患者；·帕金森患者；·运动损伤患者

1.步态分析在假肢临床中的应用　　步态分析在假肢的开发早期，便得到了医生和假肢设计工程师的重视。

茵曼和艾博哈特等在这一领域作了很多开创性研究。

为临床步态奠定了基础1。

在过去很长的一个时期，步态分析仅仅在假肢的研发中广为应用。

而在假肢的临床匹配，安装中用得较少，主要以目测，病人试用反馈作为调整依据。

这不仅不科学，而且很难克服主观判断产生的误差。

近年来，随着三维步态试验的自动化程度提高，越来越多的假肢及矫形临床匹配服务都采用了临床步态分析。

临床匹配的目标清晰直观，即，假肢或矫形器具的采用应使各个关节的运动最大程度地接近正常健康步态曲线。

由于数据结果可以立刻在计算机屏幕再现，临床匹配服务中对假肢或矫形器的调整更具有科学性，而效果可以立刻通过步态曲线进行评估。

临床步态的应用可以大大提高假肢和矫形匹配质量，缩短新患者的调整适用期。

近几年发展起来的动力型假肢更是大量依赖步态试验分析结果。

典型的例子是麻省理工学院的仿生设计师修·贺教授在他在成功开发动力假脚BIOM过程中对步态的研究和应用7。

在他为２０１３年因波士顿恐怖袭击爆炸中失去左脚的舞蹈家哈斯赖特－戴维斯配装动力假脚时，运用了大量健康舞步步态试验数据，使得匹配非常成功，哈斯赖特－戴维斯女士在失去左脚２００天后重返舞台。

舞步恢复如初。

2.步态分析在儿童骨科康复的临床应用

　　人的吞咽，语言，面部表情，肢体及行走动作，都是由肌肉收缩产生。

而完成动作的两个关键是神经信号和健康的肌肉功能。

小儿瘫瘫是幼儿在出生前，出生过程中或出生后（至３岁）早期内脑发育不成熟造成的非渐进性的永久性行中枢神经障碍综合征。

它造成运动神经紊乱，使身体运动功能受损。

病因在脑，但表现为四肢动作的不正常，并常伴有智力低下、癫痫、精神，举止异常及视、听觉、语言障碍等症状。

绝大多数脑瘫患者无法以正常步态行走，即左右两腿动作失调，行走过程中单腿或双腿多关节运动畸形。

如蹲伏步态，即患者以过于弯曲的髋关节和膝关节角曲腿步行；趾步态，及双脚脚跟翘起以脚尖着地行走;内（外）八字步态，即患者的单或双脚以超常大的内（外）旋角与地面作用完成行走。

随着患者的发育生长,特别是体重的增加，这些畸形步态会对下肢肢体以及诸关节产生严重损害,最终，严重的后果会是丧失行走能力，所以这些脑瘫病人需要尽早进行治疗。

　　在过去相当长一个时期，脑瘫被认为是不治之症。

患者家庭多放弃治疗。

目前尚无根治脑瘫的方法。

然而，一个多世纪的临床实践证明，手术，药物，矫形及康复等综合措施可以改善患者的行走和其他行为能力。

目前，该病医治主要是尽可能地恢复患者的行走和自理能力。

由于，人体的行走是躯干及下肢的协调动作，在任何一块肌肉或神经出现障碍时，异常运动不仅反应在其直接相关关节。

其它所有关节都会有影响。

在引入数字化步态分析前，多通过目测，CT及核磁共振影像和经验判定并确定治疗方案。

效果并不理想。

美国圣保罗的吉列儿童专科医院的杰姆斯·盖治医生8曾感慨地指出，过去脑瘫儿童的治疗结果显示，虽然治疗后很多脑瘫儿童的状况变好，但几乎一样多的脑瘫儿童治疗后反尔变得更糟。

和患者家长交谈也会发现，他们对治疗效果并不满意，脑瘫儿童在手术治疗前行走质量很差，然而，术后他们仅仅是换了一种同样糟的步态行走，根本谈不上步态的改进。

盖治是最早在脑瘫诊治中应用步态分析技术的。

1981年在美国康涅迪克州纽翁顿儿童医院建立了美国的第一个现代步态试验室。

1987年他又在圣保罗的吉列儿童专科医院建立了全美第二个全自动的数字化步态试验室。

通过步态分析，可以准确地知道患者在行走中具体关节角度变化，受力状况和每个肌肉的活动度以及作用顺序，从而，诊断出影响行走的关键原因。

基于步态分析结果，医生可以更有信心地确定治疗方案。

目前，即使具有丰富临床经验的医生，在具体骨肌系统改造手术方案的确定上，仍需要以步态分析结果确认，以减少误判，增加手术效果9。

步态分析技术的最大特点是它能够给出任何某个时刻肢体，关节和肌肉的运动和受力状况，这种动态结果可以补偿静态获取的CT，核磁共振影像的缺陷。

它可以清晰显示患者的每一关节在一个步态周期内关节运动和受力变化曲线以及和健康曲线间的差异。

在盖治医生的脑瘫诊治临床实践中，大量引进了步态分析技术，取得了良好效果。

对于178位脑瘫儿童术后跟踪调查和步态试验评估中发现，所有脑瘫儿童术后的行走都有了显著改善。

盖治的工作对现代临床步态分析在儿童骨科康复起到了重要推动作用。

他的‘脑瘫患者步态问题的确诊与治疗’8一书更是成为脑瘫临床步态之经典。

3.步态分析在骨科的临床应用

　　虽然骨科疾病直接影响到行走步态，然而，在脑瘫和假肢外的骨外科手术中，步态分析的临床应用推广得相对慢。

有些骨科医生对步态分析的临床指导意义持怀疑态度。

他们认为基于临床经验的骨科足可以服务于患者，并不需要步态分析。

也有部分骨科医生认为病人在试验室的步态并不代表他们的生活中的真实步态，因而步态数据的指导意义值得怀疑。

随着步态分析技术的发展和普及，越来越多的骨科医生认识到了其作用。

不仅骨科的治疗效果可以利用临床步态评估，初诊结论和初定的治疗方案也可以通过步态试验结果进行验证和推敲。

以关节炎等病变导致的关节置换手术为例，尽管全膝关节置换技术已经很成熟，但不同厂家的人工关节材质结构上略有不同，手术的操作也有差异，然而，什么是最佳匹配并无共识。

另一例子是全膝关节置换中后十字交叉腱保留与否,术后对步态有何影响的争议，可能只有步态试验分析解决。

　　除关节置换外的膝关节炎其它治疗方法10（镇痛剂除外），都是以改善关节受力工况为目的。

高位胫骨截骨手术（HTO）就是通过改善径骨和股骨在冠状面的同轴性，减小地反力对径骨产生的内翻力矩来减少膝关节内侧压力。

膝关节减荷支具是通过借助径骨和股骨施加使径骨外翻的反力矩来减少膝关节内侧压力。

而外楔形矫形鞋垫是通过使足底压力中心外移而减小内翻力臂，即力矩，来减少膝关节内侧压力。

因为每一患者的骨骼结构，步态规律都有差异，这些治疗措施的实施和效果验证都要依靠步态分析。

　　由于步态分析技术的应用，上述疗法在近几年得到迅速发展。

步态分析在其它关节疾病的治疗中也同样得到广泛应用，尤其在足踝外科。

由于医学上，对由２６块骨头构成的足体内力学和运动学尚没有清晰而统一的认识，足弓畸形，足骨间关节炎及肌腱病变等足外科问题仍是骨科的难题，因此，在步态试验室环境下，对健康足，病足的针对性研究成为人体生物力学的一个关注重点。

此外，针对足体本身病状或下肢行走障碍的临床矫形主要以步态试验数据依据。

　　足踝关节因严重关节炎和其它症状而经融合手术后，患者要长期穿鞋底为曲面的特制鞋，而这种鞋的设计和选配需要步态分析提供依据。

4.步态分析在神经损伤及中风病人康复治疗中的临床应用　　脑或神经损伤以及中风病人的普遍症状是行走功能的部分或全部丧失。

随着人口老龄化的日趋严重，这类患者在世界各地都不断增加。

目前康复医疗的最主要的目的是使神经损伤或中风患者最大程度地恢复独立行走和自理能力。

然而这类病人无法正常行走的原因是复杂的。

用目测观察，通常无法准确地诊断出问题的关健，并确定最佳康复方案。

目前，国外很多康复中心都将步态分析引入临床11。

首先，在病人开始康复治疗之前进行步态分析，通过对行走的步态时空参数，关节运动，足底地面支反力的幅值，变化模式以及肌电信号的测量，确定步态异常的原因。

由于步态不稳，摆腿迟缓，关节刚度下降和运动范围减少即可能是神经控制功能障碍造成，也可能是某一肌肉萎缩产生。

所用，通常上述运动，力和电信号都需要在步态试验中同步测量。

从而确定影响行走步态的主要相关因素，确定最佳康复方案。

在开始康复疗程后的一段时间后，通过重复步态试验对康复疗效进行评估，并及时调整治疗方案。

在康复治疗中应用临床步态分析可以提高康复方案的及时性和科学性。

尤其在确定新的治疗仪器设备的控制量，康复药物的疗效上有准确步态数据可依。

近年来发展起来的针对中风病人的功能电刺激康复疗法的应用大多都借助临床步态分析结果对仪器设置及调整。

和步态分析类似的运动生物力学试验也在中风病人的上肢康复中得到应用。

例如，采用不同功能电刺激帮助中风病人恢复抓取动作的过程，多需要以各个肢体的运动范围，速度和加速度作为调试和评估依据。

五步态分析未来发展

　　虽然步态分析技术及报告并不会为医生提供治疗方案。

但作为一个动态检验和评估的方法，它发挥着越来越重要的作用。

它不仅通过利用动态步态分析结果对行走质量诊断，也可以对临床治疗效果进行全面评估。

步态分析检测报告提供的关节运动，受力数据，以及出结论性诊断意见。

对形成或调整治疗方案提供主要科学依据。

由于治疗方案的制定是医生经验，患者及其家庭的态度，伦理观念，患者体况及其家庭经济负担能力的综合结果，所以，期待步态试验分析结果产生出唯一的治疗方案并不现实。

　　临床步态试验已经在欧美发达国家得到很广泛的应用。

尤其在儿童脑瘫等疾病的诊治过程中，应用更为普遍。

许多骨科，神经外科，康复科以及假肢与矫形科的医生逐步学会利用步态分析或运动分析的方法来提高自己的诊治水平。

当然，这需要一个过程，因为生物力学，运动学对医生来说毕竟是新的学科。

其涉及的方法只有在不断的学习和实践中才能逐步掌握。

现在我国国内很多医院已经引进了先进的运动分析设备，并陆续建立了各自的步态分析试验室。

但到目前为止，临床应用水平还不高。

最基本的人体生物力学参数，步态参数和健康人体各关节的正常动态运动范围对很多相关的医生来说还是空白，急需相关的深造和培训。

在这种情况下,即使步态分析得出患者的病态数据结果，也无法确定某一关节是否正常，如果异常，更无法确定病态程度如何。

更不能深入到是哪个肌肉或骨骼，确定关节异常的原因。

　　步态分析技术属于复杂的医工交叉学科。

涉及很多肢体和关节的三维转角、三维受力的复杂生物力学问题。

通常需要一个专门软件处理才能得到需要的结果。

有些参数，例如人体关节间的互相作用力。

肌肉操纵关节运动时的肌力，只能是根据运动、地面支反力和肢体的质量用逆向动力学的方法计算来得出。

这些技术属于工科，而非医学学科的范畴。

所以步态分析试验室的工作通常是由医生和工科背景的步态分析人员组成的团队共同完成。

当然，医生通过进一步的相关学习单独进行步态分析并直接将结果用于临床实践的例子也很多。

　　随着测量设备功能的进一步完善和计算机技术的发展，以及人体生物力学模型的更加科学严密，未来融生物力学知识，人体解剖知识和各种病理知识为一体的专家库型专用临床步态自动分析软件可能随着步态分析的普及而诞生！

《世界康复工程与器械》12·2014