前交叉韧带重建术影响步行时足底压力时相特征初步研究

黄红拾 敖英芳 郭秦炜 徐雁

北京大学第三医院运动医学研究所（北京100191）

临床常采用问卷、体格检查、膝关节静态松弛度和等速肌力测定等方法评价前交叉韧带（Anterior Cruciate Ligament，ACL）断裂后的膝关节功能［1］。 但上述方法均不能在动态承重状态下量化和评估膝关节的功能状态［2］。 而且，在ACL 重建术后第一年，ACL 移植物的组织学和生物力学特性会发生很大变化［3，4］，应及时调整不同时期的康复方案， 但依然缺乏特异性评定标准指导安全有效的康复。 在临床生物力学研究领域， 三维步态分析已被用来评定膝关节功能活动［5-12］，而且证实ACL 断裂后胫骨内旋增加。 但需要高昂设备和测量分析工作量巨大等缺点限制了三维步态分析的临床应用。近年来，迅捷、客观、无侵入性的动态足底压力分析已被证实能有效量化下肢生物力学负荷的特性和问题［13-18］。

行走过程中， 从一侧足跟开始着地到该侧足跟再次着地构成一个步态周期， 每一步态周期分为支撑相和摆动相［10］。根据足底压力的变化，支撑相分为足跟触地、前足触地、前后足支撑、足跟离地、足尖离地5 个时刻和足跟触地阶段、前足触地阶段、全足支撑阶段、前足蹬离阶段4 个阶段［19，20］，而且健康人群步行时4 个阶段的时间分布参数已被证实重测信度良好、左右侧对称［20］。

足和膝存在偶联机制：胫骨内旋引起跟骨外翻、前足旋前，胫骨外旋引起跟骨内翻、前足旋后；而前足旋前或旋后也引起相应的胫骨内旋或外旋［21，22］。前两个阶段（足跟触地阶段和前足触地阶段）发生前足旋前、胫骨内旋；而在后两个阶段（全足支撑阶段和前足蹬离阶段）发生前足旋后、胫骨外旋［22］。ACL重建术能调整紊乱的膝关节生物力学指标，显著改善患者膝关节的稳定性与功能［23］。 基于足膝偶联机制［21，22］，ACL 重建术将进一步影响运动时的动态足底压力分布。 迄今仅一篇文献报道了动态足底压力在ACL 损伤中的应用［24］，作者分析了平地步行和下楼梯时全足、后跟和前足的冲量变化，认为足底压力测量能有效量化评估ACL 重建术后的康复进程。 但该研究所用的仪器性能较低（采样率50 Hz、 长度不足50 厘米，只能采集单足步态信息，无法获得连续步态）。近年来，长达2 米的高采样率（> 400 Hz）足底压力平板等先进仪器克服了上述缺点。 ACL 重建术是否影响步行时足底压力的时相特征， 目前尚未见相关文献报道。 本研究通过分析动态足底压力， 初步探讨ACL 重建术对步行时足底压力时相产生的影响及其生物力学机制。

1 对象和方法

1.1 对象

12 例有膝不稳症状的单侧ACL 断裂患者，其中男性9 例、女性3 例；年龄21～52 岁，平均（30.8±9.5）岁；左侧5 例，右侧7 例；术前体重62.6～75.5 kg，平均（69.5±3.7）kg，术后体重65.7～77.5 kg，平均（69.9±4.1）kg。 所有患者由同一术者进行常规四股半腱肌和股薄肌肌腱重建ACL， 术后进行3 个月常规程序化康复。 本研究得到北京大学第三医院伦理委员会批准（项目编号IRB00006761-2012010）。 患者了解研究目的和风险后，签署知情同意书。 分别在术前1周和术后6 个月进行动态足底压力测试。测试时，膝关节均无肿胀、疼痛。

1.2 实验程序

1.3 测试参数及统计学分析

分别选择左、 右侧支撑相四个阶段的时间占支撑相的百分比作为参数。 参数的不对称性采用对称指数（symmetry index，SI）百分比来分析［19］，SI= 100*|Xs-Xi| / 0.5* （Xs+Xi），Xs 表示未受伤侧参数，Xi 表示受伤侧参数，SI 为0 表示双侧参数无差别。比较支撑相足底压力4 个阶段的时间分布参数在手术前后的变化。 采用SPSS 15.0（SPSS Inc.，Chicago，USA）进行统计分析，计算每个参数的均值和标准差。采用配对t 检验分析单侧ACL 重建术分别对左右侧上述参数的影响。

2 结果

ACL 重建手术前后足底压力测试时的体重差别（t = -1.296，P = 0.222）和步行速度差别（t = -1.616，P = 0.134）均无统计学意义。 与手术前相比，ACL 重建术后，伤侧足跟触地阶段明显缩短（t = 4.250，P =0.001，见表1），双侧不对称性明显改善（t = 4.250，P= 0.001，见表2）；健侧和伤侧全足支撑阶段均明显延长（健侧t = -3.702，P = 0.003；伤侧t = -5.503，P = 0.000，见表1）；健侧前足蹬离阶段明显缩短（t =2.611，P = 0.024，见表1）。

表1 步行时支撑相4 个阶段占支撑相的百分比值在手术前后的变化（n=12）

表2 手术前后步行时支撑相4 个阶段的双侧对称指数（SI）变化（n=12）

3 讨论

步行是人类最基本、 最简单的一种反复运动形式。步行时足部承受的地面反作用力可达体重的1.5倍左右。 即便微小的足底压力变化积累后也会反复产生不良的关节负荷。

通过分析人体在不同行走状态下的足底压力，掌握足运动机制和功能特征，结合足-膝偶联机制［21，22］，可找出ACL 断裂手术前后的步态特征和足底压力分布特点，以量化的方式指导临床治疗和康复。基于足-膝偶联关系，ACL 断裂后， 胫骨出现异常内旋和前移［9］可能引起跟骨外翻和足旋前。 而ACL 重建术能调整紊乱的膝关节生物力学指标， 改善膝关节稳定性与功能［23］，进一步改善运动时的足底压力分布。

本研究中，患者手术前后体重、步行速度无明显差别，可不考虑体重和步行速度对足底压力的影响。与术前相比，ACL 重建术后伤侧足跟触地阶段明显缩短，从术前的9.0%±1.5%缩短至术后的6.2%±1.9%，提示重心从足跟部转移前足增快，膝关节稳定性增强，患膝承重更自如。更有意义的是，足跟触地阶段的双侧对称指数从术前的50.7±18.6 显著改善到术后的17.6±19.9。 然而，也可能是足跟触地机制发生代偿，缩短足跟触地阶段， 以避免此阶段发生足旋前和胫骨内旋而引起的膝关节不稳。另一个结果是，术后健侧和伤侧的全足支撑阶段均明显延长， 伤侧从术前的33.09±5.43%延长到术后的37.68% ±6.27%，健侧从术前的30.61%±7.01%延长到术后的34.62%±7.14%（P < 0.05）。 获得上述变化是动态足底压力测试的独特优势，也是其它方法难以观察到的结果。动态足底压力测试为临床证实ACL 重建后功能状态改善提供了新的诊断工具。 但ACL 损伤后足底压力变化的相关机制有待明确， 有必要扩大受试者数量和分析足底压力的其它参数，并进行长期随访，提高对足底压力参数和足膝生物力学偶联关系的临床理解。

4 总结

前交叉韧带重建术影响步行时动态足底压力的时间分布参数， 显著改善足跟触地阶段的双侧对称性。

［1］ Daniel DM，Malcom LL，Losse G，et al. Instrumented measurement of anterior laxity of the knee. J Bone Joint Surg Am，1985，67（5）：720-726.

［2］ Rudroff T. Functional capability is enhanced with semitendinosus than patellar tendon ACL repair. Med Sci Sports Exerc，2003，35（9）：1486-1492.

［3］ 黄红拾，敖英芳，于运花，等. 持续被动运动对兔重建前交叉韧带的生物力学影响. 中国运动医学杂志，2008，27（3）：283-285.

［4］ 黄红拾，敖英芳，周谋望，等. 持续被动活动对兔重建前交叉韧带组织学的影响. 中国康复医学杂志，2007，22（12）：1059-1061.

［5］ Stergiou N，Ristanis S，Moraiti C，et al. Tibial rotation in anterior cruciate ligament （ACL）-deficient and ACL-reconstructed knees：a theoretical proposition for the development of osteoarthritis. Sports Med，2007，37 （7）：601-613.

［6］ Andriacchi TP，Dyrby CO. Interactions between kinematics and loading during walking for the normal and ACL deficient knee. J Biomech，2005，38（2）：293-298.

［7］ Georgoulis AD，Papadonikolakis A，Papageorgiou CD，et al.Three-dimensional tibiofemoral kinematics of the anterior cruciate ligament-deficient and reconstructed knee during walking. Am J Sports Med，2003，31（1）：75-79.

［8］ Van de Velde SK，Gill TJ，Li G. Evaluation of kinematics of anterior cruciate ligament-deficient knees with use of advanced imaging techniques，three-dimensional modeling techniques，and robotics. J Bone Joint Surg Am，2009，91（Suppl 1）：108-114.

［9］ Defrate LE，Papannagari R，Gill TJ，et al. The 6 degrees of freedom kinematics of the knee after anterior cruciate ligament deficiency： an in vivo imaging analysis. Am J Sports Med，2006，34（8）：1240-1246.

［10］ 励建安，孟殿怀. 步态分析的临床应用. 中华物理医学与康复杂志，2006，28（7）：500-503.

［11］ 张晋，冯华，周敬滨，等. 膝关节后交叉韧带合并后外复合体损伤重建术后步态分析. 中国运动医学杂志，2010，29（3）：260-263.

［12］ 马燕红，周俊，梁娟，等. 膝前交叉韧带重建术后步态分析初步研究. 中华物理医学与康复杂志，2007，29（8）：555-556.

［13］ De Cock A，Vanrenterghem J，Willems T，et al. The trajectory of the centre of pressure during barefoot running as a potential measure for foot function. Gait Posture，2008，27（4）：669-675.

［14］ 张立山，潘勇卫，田光磊，等. 不同术式拇手指再造术后供足的步态分析. 中华手外科杂志，2009，25 （5）：312-316.

［15］ Stolwijk NM，Duysens J，Louwerens JW，et al. Flat feet，happy feet? Comparison of the dynamic plantar pressure distribution and static me +dial foot geometry between Malawian and Dutch adults. PLoS One，2013，8 （2）：e57209.

［16］ Goffar SL，Reber RJ，Christiansen BC，et al. Changes in dynamic plantar pressure during loaded gait. Phys Ther，2013，93（9）：1175-84.

［17］ 周军杰，俞光荣，曹成福，等. 足踝部反复损伤青少年足球运动员FootScan 足底压力分析. 中国运动医学杂志，2010，29（5）：520-524.

［18］ 袁刚，张木勋，王中琴，等. 正常人足底压力分布及其影响因素分析. 中华物理医学与康复杂志，2004，26（3）：30-33.

［19］ De Cock A，De Clercq D，Willems T，et al. Temporal characteristics of foot roll-over during barefoot jogging：Reference data for young adults. Gait Posture，2005，21（4）：432-439.

［20］ 黄红拾，敖英芳，李松竹，等. 健康女大学生步行时左右足支撑期时相特征比较. 中国运动医学杂志，2011，30（2）：157-160.

［21］ Hintermann B，Nigg BM，Sommer C. Foot movement and tendon excursion： an in vitro study. Foot Ankle Int，1994，15（7）：386-395.

［22］ Whittle M. Gait analysis： an introduction. 3rd ed. Great Britain：Butterworth heinemann，2002.59-62.

［23］ 徐雁，敖英芳，余家阔，等. 单束重建前交叉韧带骨道位置对临床效果影响的研究. 中国运动医学杂志，2008，27（2）：202-205.

［24］ Mittlmeier T，Weiler A，Sohn T，et al. novel Award Second Prize Paper. Functional monitoring during rehabilitation following anterior cruciate ligament reconstruction. Clin Biomech（Bristol，Avon），1999，14（8）：576-584.