前交叉韧带损伤患者动态足底压力变化

杜天舒 成西侠 张春礼 徐虎 王迎春 丁明

第四军医大学附属西京骨科医院运动损伤科（西安 710032）

前交叉韧带损伤患者动态足底压力变化

杜天舒 成西侠 张春礼 徐虎 王迎春 丁明

第四军医大学附属西京骨科医院运动损伤科（西安 710032）

目的：通过检测前交叉韧带（ACL）损伤患者动态足底压力，探讨ACL损伤对步行时足底压力产生的影响。方法：采用FootScan足底压力检测系统，分别对31例单侧ACL损伤患者及26例正常人进行动态足底压力测试，采集计算测试者单足支撑相时长及各阶段所占支撑相百分比、全足及测定区域平均峰值压力、各测定区域达到其峰值压力时间分布、各测定区域冲量分布、各测定区域平均峰值压强数据，对患者患健侧下肢之间及患者与正常人之间足底压力相关参数进行统计比较。结果：与未损伤侧比较，ACL损伤侧足跟触地相、前脚掌触地相、全足支撑相所占百分比及全足支撑相总时长降低，足蹬离相所占百分比增高，不具有统计学意义；足跟内外侧足底平均峰值压力显著降低，冲量及平均峰值压强降低更为显著，达峰值时间增加。与正常对照组比较，ACL损伤侧足跟触地相及全足支撑相所占百分降低，前脚掌触地相、足蹬离相及全足支撑相总时长增高，不具有统计学意义；足跟内外侧足底冲量显著降低，平均峰值压力及平均峰值压强显著降低，达峰值时间增加。结论：ACL损伤后膝关节功能紊乱，患者为避免再损伤步行时会尽可能减少使用患肢，增加对足跟区保护，从而影响动态足底压力相关参数，导致患肢单足支撑相各阶段时长及比例发生变化，足跟区平均峰值压力、压强及冲量减小，达峰值压力时间延长。应用步态分析运动学数据可对韧带损伤进行量化评估，更为准确了解ACL损伤后下肢生物力学特性改变。

前交叉韧带；膝；动态足底压力；步态分析

前交叉韧带（Anterior Cruciate Ligament，ACL）损伤会导致患者关节不稳和部分功能的丧失，从而使关节活动时发生运动学参数的改变。Berchuck等[1]发现韧带损伤患者在行走时调整出一种代偿的步态方式：ACL损伤后，患者行走时通过改变屈膝屈髋角度，尽力避免股四头肌收缩，防止胫骨前移，重新达到关节内外力矩再一次平衡。这种被称为“股四头肌逃避步态”之后也被不少研究者观察并证实，认为ACL损伤患者行走时步态姿势存在变化[2-7]。

足踝关节作为下肢末端结构，在人类步行、站立等运动中起着极为重要的作用。足的部分区域支撑全身大部分重量，并调节人体平衡。行走时下肢各关节相互协调，有序运动形成整体。有人认为足膝之间存在偶联机制[8]。有文献报道[9]ACL损伤后，随着膝关节运动学和运动力学指标变化，髋、踝关节也将产生相应的参数变化。

自上世纪末有人开始研究足底压力分布测量技术[10]以来，该项技术应用发展迅速。近年来，简便迅捷、客观且无侵入性的动态足底压力分析方法已逐渐被证实能有效量化评估下肢生物力学负荷特性[5，8，11-13]。但关于ACL损伤后是否影响正常步行时足底各区域压力等参数及时相特征，目前鲜有相关文献报道[14]。本研究通过分析ACL损伤患者动态足底压力改变，初步探讨ACL损伤对步行时足底压力相关参数产生的影响及其生物力学机制。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取我科2014年4月至2015年5月期间收治的在关节镜下确诊为ACL损伤患者（n=127）为研究对象。

入选标准：（1）经了解研究目的及风险后，同意参加实验；（2）初次单侧ACL损伤，不伴关节其它韧带损伤；（3）无明显软骨损伤，半月板无严重损伤[4]；（4）无既往外伤史；（5）无合并下肢血管神经损伤；（6）无既往足踝关节受伤史；（7）无明显下肢关节活动受限，可进行一般日常活动；（8）排除糖尿病、先天性足内外翻、膝内外翻畸形、偏瘫等神经肌肉系统疾病。

共31例ACL损伤患者（ACLD组）符合标准，其中，男性27例，女性4例；平均年龄28.5±8.1岁（17～46岁）；平均身高168.4±8.6 cm（155～178 cm）；平均体重75.6±9.9 kg（64～90 kg）；左侧18例，右侧13例。将该31例患者纳入损伤组，术前进行动态足底平板压力测试，与26例随机抽选出来的正常人组成的对照组进行比较研究（见表1）。

表1 ACLD组与对照组一般情况比较

1.2 测试仪器与设备

本研究采用比利时RScan公司设计研发的footscanR高频足底压力检测系统进行数据采集及分析。设备主要由三部分组成：（1）2米长测力板（内置16384个大小为0.5 cm×0.7 cm，密度为4个/cm2的传感器，测试频率设定为125 Hz）；（2）数据采集盒，使用3D box。（3）主控电脑1台。

1.3 测试程序及数据采集

嘱测试者脱袜裸足，熟悉测试步骤后以平常步态在foootscan平板上自然行走，用仪器记录及测量双脚各5次动态足底压力数据纳入结果分析。

数据采集及分析使用系统配套软件FootScan Software 7.0，将足底左右对称分为10个区域：第1趾骨（Toe 1，T1），第2～5趾骨（Toe 2～5，T2～5），第1跖骨（Meta 1，M1），第2跖骨（Meta 2，M2），第3跖骨（Meta 3，M3），第4跖骨（Meta 4，M4），第5跖骨（Meta 5，M5），足弓（Midfoot），足跟内侧（Heel Medial，HM），足跟外侧（Heel Lateral，HL）。

计算测试者单足支撑相时长及各阶段所占支撑相百分比、全足及测定区域平均峰值压力（Max Force，MF）、各测定区域达峰值压力时间（Time To Max Force，TMF）、各测定区域冲量（Impulse，IP）、各测定区域平均峰值压强（Max Pressure，MP）。

1.4 统计学分析

对照组左右下肢运动学指标不具有统计学意义，平均左右数值作为对照组数据。计算每个参数均值及标准差，使用SPSS统计软件对ACL损伤侧与未损伤侧进行配对t检验分析，对ACL损伤侧及未损伤侧与健康对照组行独立t检验分析，显著性界限定为双侧P＜0.05。

2 结果

2.1 单足支撑相时长及各阶段所占支撑相百分比

一个正常完整步态周期主要分为支撑相（Stance-Phase）和摆动相（Swing-phase）两个时期，左右足两相相互交替并有所重叠（图1）。其中FootScan系统又将单足支撑相分为初始触地相（Initial Contact Phase，ICP）、前足触地相（Forefoot Contact Phase，FCP）、全足支撑相（Foot Flat Phase，FFP）及足蹬离相（Forefoot Push-off Phase，FFPOP）四个时相阶段（图2）。

图1 完整步态周期示意图，左右两足支持相及摆动相相互交替重叠

图2 单足支撑相四阶段：初始触地相（ICP）、前足触地相（FCP）、全足支撑相（FFP）及足蹬离相（FFPOP）

由表2可见，ACL损伤侧与未损伤侧比较，ICP、FFCP、FFP所占百分比及全足支撑相总时长有所降低，FFPOP所占百分比稍高（tICP=－0.678，P=0.503；tFFCP=－0. 948，P=0.351；tFFP=－0.191，P=0.850；t总=－1.973，P=0.58；tFFPOP=1.722，P=0.95）。以上各差异均无统计学意义。

ACL损伤侧与对照组比较，ICP及FFP所占百分比较低（tICP=－0.537，P=0.593；tFFP=－0.685，P=0.496），FFCP、FFPOP所占百分比及全足支撑相总时长较高（tFFCP=0.22，P=0.827；tFFPOP=0.653，P=0.515；t总=0.155，P= 0.877）。以上各差异均无统计学意义。

ACL未损伤侧与对照组比较，ICP、FFP、FFPOP所占百分比较对照组降低（tICP=－0.001，P=0.999；tFFP=－0. 529，P=0.598；tFFPOP=－0.520，P=0.604），FFCP所占百分比及全足支撑相总时长较对照组高（tFFCP=1.059，P=0. 293；t总=1.59，P=0.116）。以上各差异均无统计学意义。

表2 步行时单足支撑相时长及各阶段所占百分比（±s）

表2 步行时单足支撑相时长及各阶段所占百分比（±s）

时相 ACLD损伤侧(n=31) 未损伤侧(n=31) 对照组(n=26) ICP(%) 6.80 – 1.87 7.05 – 2.26 7.05 – 2.14 FFCP(%) 10.35 – 6.63 11.85 – 7.12 9.96 – 8.26 FFP(%) 46.20 – 9.41 46.55 – 8.44 47.57 – 8.42 FFPOP(%) 36.66 – 9.10 34.55 – 6.66 35.43 – 7.82总时长(ms) 753.10 – 64.13 781.43 – 87.92 750.36 – 85.05

2.2 全足及各测定区域平均峰值压力

ACL损伤患者在行走过程中，左右足MF分布基本同正常对照组，压力仍为典型M型曲线，双峰仍主要集中在以M2、M3为主的跖骨区及HM、HL足跟区（图3）。

图3 a：正常人足底压力分布图（X轴为步态周期时间百分比，Y轴为区域平均峰值压力值），压力曲线呈典型的M型或双峰型。b：ACLD患者足底压力分布基本与正常参数一致，但曲线较平坦。

ACL损伤侧较未损伤侧HM、HL两处区域及全足MF显著降低（tHM=－4.262，P＜0.01；tHL=－4.374，P＜0.01；tsum=－3.073，P=0.004）。差异均具有统计学意义。

ACL损伤侧较对照组HM、HL区域MF明显降低（tHM=－2.124，P=0.037；tHL=－2.353，P=0.021）。差异均具有统计学意义。

ACL未损伤侧较对照组足跟区及全足MF相应代偿增高，但差异无统计学意义（见表3）。

表3 全足及各测定区域平均峰值压力（MF/N，±s）

表3 全足及各测定区域平均峰值压力（MF/N，±s）

a：损伤侧vs未损伤侧，PM2＜0.05，PHM＜0.01，PHL＜0.01，PSUM＜0.01 b：损伤侧vs对照组，PHM＜0.05，PHL＜0.05

部位 ACLD损伤侧(n=31） 未损伤侧(n=31） 对照组(n=26）T183.86 – 62.08 99.76 – 64.19 92.31 – 59.31 T2-512.57 – 10.56 21.65 – 30.97 19.45 – 24.82 M1122.16 – 70.59 139.54 – 74.81 143.66 – 95.04 M2199.23 – 62.48a238.01 – 88.98 216.62 – 101.04 M3213.34 – 67.17 216.03 – 55.36 202.36 – 73.36 M4148.84 – 53.04 137.64 – 41.32 141.05 – 57.12 M581.91 – 37.21 123.61 – 40.21 80.98 – 51.76 Midfoot 123.61 – 64.45 141.70 – 75.07 157.55 – 94.46 HM 259.58 – 90.12ab329.57 – 108.54 308.53 – 107.71 HL 192.83 – 60.28ab238.36 – 62.20 235.12 – 88.47 SUM 825.07 – 152.98a881.62 – 175.31 865.26 – 281.93

2.3 各测定区域达峰值压力时间

ACL损伤患者损伤侧及未损伤侧足底各区域TMF分布与正常对照组参数分布相似，即按照步行过程中足底各区域接触地面顺序从足跟至趾骨呈递增趋势。

ACL损伤侧T1、M1及M2区域TMF较未损伤侧明显减少（tT1=－2.354，P=0.025；tM1=－3.045，P=0.005；tM2=－2.283，P=0.03），差异具有统计学意义。

ACL未损伤侧较对照组足跟区TMF相应代偿增高。见表4。

2.4 各测定区域冲量

ACL损伤患者伤侧及未伤侧各区域IP分布与正常对照组相似，即行走过程中足底IP最大主要集中在M2、M3及HM区域，冲量较小主要集中在T2-5区域。

表4 全足及各测定区域达到其峰值压力时间分布（TMF/ms，±s）

表4 全足及各测定区域达到其峰值压力时间分布（TMF/ms，±s）

a：损伤侧vs未损伤侧，PT1＜0.05，PM1＜0.01，PM2＜0.05

部位 ACLD损伤侧(n=31） 未损伤侧(n=31） 对照组(n=26）T1594.99 – 75.87a627.87 – 69.43 754.77 – 168.71 T2-5537.40 – 142.32 583.79 – 109.29 513.64 – 179.99 M1535.60 –78.28a580.61 – 67.49 559.94 – 78.03 M2578.85 – 59.77a599.45 – 72.90 575.95 – 72.85 M3581.49 – 60.96 595.01 – 87.13 567.85 – 74.61 M4547.22 – 71.66 559.41 – 93.03 533.95 – 84.37 M5486.75 – 100.62 495.43 – 112.37 490.90 – 92.05 Midfoot 307.37 – 87.33 313.14 – 83.65 321.11 – 108.21 HM 184.83 – 51.55 175.02 – 44.65 177.34 – 53.74 HL 176.88 – 52.61 169.24 – 50.19 178.52 – 50.55 SUM 504.44 – 83.03 488.31 – 105.38 465.19 – 114.13

ACL损伤侧较未损伤侧足弓IP明显降低（tMidfoot=－2.422，P=0.022），HM、HL及全足IP均较未损伤侧显著减少（tHM=－4.788，P＜0.01；tHL=－4.835，P＜0.01；tSUM=－4. 821，P＜0.01）。

ACL损伤侧较对照组足跟区IP明显降低（tHM=－2.302；P=0.024；tHL=－2.455，P=0.016），以上差异均具有统计学意义。

未损伤侧足跟区及全足IP代偿增高，大小分布同MF分布。见表5。

表5 各测定区域冲量分布（IP/N·s，±s）

表5 各测定区域冲量分布（IP/N·s，±s）

a：损伤侧vs未损伤侧，PMidfoot＜0.05，PHM＜0.01，PHL＜0.01，PUM＜0.01 b：损伤侧vs对照组，PHM＜0.05，PHL＜0.05

部位 ACL损伤侧(n=31） 未损伤侧(n=31） 对照组(n=26）T117.68 – 14.60 19.06 – 14.21 17.95 – 13.58 T2-52.24 – 2.01 3.51 – 4.95 3.43 – 5.08 M132.78 – 19.75 34.13 – 20.97 35.52 – 26.35 M257.71 – 21.13 62.82 – 27.64 57.07 – 24.62 M362.82 – 23.21 59.23 – 15.94 55.68 – 19.14 M443.75 – 15.10 40.57 – 12.26 40.67 – 17.57 M522.70 – 10.34 21.62 – 12.06 22.08 – 15.16 Midfoot 37.54 – 22.61a47.44 – 28.50 48.71 – 31.08 HM 67.32 – 26.62ab92.81 – 32.62 84.70 – 36.73 HL 50.68 – 17.80ab68.22 – 20.93 65.34 – 30.23 SUM 395.11 – 72.73a449.91 – 80.37 431.72 – 140.02

2.5 各测定区域的平均峰值压强（Max Pressure，MP）

ACL损伤患者损伤侧及未损伤侧各区域MP分布规律与正常对照组相似，并与相应MF分布相一致，压强较大区域主要集中在以M2、M3为主的跖骨区及HM、HL足跟区。

ACL损伤侧较未损伤侧T1、T2-5、M2及Midfoot区MP明显降低（tT1=－2.364，P=0.025；tT2-5=－2.567，P=0. 015；tM2=－02.403，P=0.023；tMidfoot=－2.262，P=0.031），HM、 HL两处区域MP显著降低（tHM=－4.489，P＜0.01；tHL=－4. 140，P＜0.01；tsum=－3.073，P=0.004）。差异均具有统计学意义。

ACL损伤侧较对照组T2-5、Midfoot、HM及HL区MP明显降低（tT1=－2.364，P=0.025；tT2-5=－2.417，P=0. 018；tMidfoot=－2.379，P=0.020；tHM=－4.438，P=0.017；tHL=－2. 587，P=0.011）。差异均具有统计学意义。见表6。

未损伤侧足趾区、足弓及足跟区MP减少。

表6 各测定区域的平均峰值压强（MP/N·cm-2，±s）

表6 各测定区域的平均峰值压强（MP/N·cm-2，±s）

a：损伤侧vs未损伤侧，PT1＜0.05，PT2-5＜0.05，PM2＜0.05，PMidfoot＜0.05，PHM＜0.01，PHL＜0.01 b：损伤侧vs对照组，PT2-5＜0.05，PMidfoot＜0.05，PHM＜0.05，PHL＜0.05

部位 ACL损伤侧(n=31） 未损伤侧(n=31） 对照组(n=26）T15.14 – 3.36a6.37 – 4.00 5.33 – 3.13 T2-50.89 – 0.73ab1.42 – 1.65 1.38 – 0.98 M17.43 – 3.65 8.56 – 4.63 8.97 – 4.64 M216.36 – 4.87a18.45 – 6.12 18.78 – 8.83 M322.50 – 7.55 21.54 – 6.12 22.49 – 9.02 M415.74 – 6.96 13.37 – 4.15 16.04 – 7.07 M56.71 – 2.98 5.99 – 2.54 7.63 – 4.74 Midfoot 2.85 – 1.24ab3.33 – 1.44 3.79 – 1.97 HM 12.35 – 3.88ab15.45 – 4.84 14.80 – 4.71 HL 10.66 – 3.04ab12.97 – 3.12 13.36 – 5.30

3 讨论

本研究结果显示，ACL损伤侧与未损伤侧比较，ICP、FFCP、FFP所占百分比及全足支撑相总时长有所降低，FFPOP所占百分比稍高。这与之前黄红拾[14]研究结果相类似，其主要原因为ACL损伤后患者可能采取代偿机制，尽可能减少患侧触地及支撑时间。另外，我们还考虑患者患侧下肢及足部肌肉因为ACL损伤后长时间恐惧感，收缩能力下降[15，16]，导致蹬伸力量不足，从而延长了FFPOP时长。其次，我们还发现ACL患者双侧足与正常对照组比较，ICP及FFP所占百分比均较低，FFCP所占百分比及全足支撑相总时长较高。有研究表明[2，6]在足跟着地及支撑中后期，膝关节接近伸直，股四头肌收缩，牵拉胫骨前移，增加ACL的张力，此外在关节接近完全伸膝位时，髌韧带也会有一个向前牵拉胫骨的力。我们认为当ACL损伤后，患者失去了ACL对胫骨的前向限制，导致关节不稳，故ACL损伤患者会尽可能减少足跟着地与支撑中后期时间，避免伸直位时股四头肌收缩引起胫骨前移。另外，由于韧带损伤和修复后神经肌肉重新调节，ACL损伤患者回应及维持平衡能力会大打折扣，并且在行走过程中健侧关节也一同参与维持稳定性[5]，故其为了提高膝关节在支撑相稳定性，在FFCP阶段便需要更长时间来调整重心，加强身体平衡。

足底MF是反映足底压力分布的重要指标，其大小及分布对于足部损伤的发生具有重要作用。本研究表明ACL损伤侧全足平均峰值压力降低，其中足跟内外侧压力峰值降低更为明显，这可能与韧带损伤后患者自身保护机制[1，2，4，7]改变了足跟着地方式，避免其受到冲击有关。另外患肢肌肉收缩力量下降[17，18]，导致足与地面间相互作用力减小。其次，有研究表明步速与足底压力呈正相关[19]，ACL损伤患者在行走过程中为维持平衡，步幅减小，步速减慢[20]，这也许是造成全足平均峰值压力降低的重要因素。

有研究[21]表明足跟及跖骨区压力与地面接触时间呈负相关，本研究中ACL损伤侧足跟区达峰值压力时间较未损伤侧及对照组均延长，这与之前时相特征实验中ICP百分比缩短及足底压力测试中足跟区压力减小相一致。此外，我们还发现T1、M1及M2区域TMF明显缩短，考虑原因为患者在ACL损伤后避免使用足跟区受力而转为利用前脚掌支撑体重，故出现足跟TMF延长，跖骨区TMF缩短的改变。

冲量是指作用于物体的外力与其作用时间的乘积，用来描述力对物体持续作用一段时间所产生的累积效应。本研究结果表明ACL损伤侧足弓及跟骨内外侧冲量降低，以跟骨区变化更为明显。这一结果提示ACL损失后，患者在步行时采用代偿机制，减少足弓及足跟对地面的冲击力，并增加相应区域与地面接触时间，从而减少地面反应力对足底的持续伤害，避免运动损伤。

足底压强即单位面积足底所受压力，是研究防止足底局部相关组织遭受过高压力而受到损伤的有效指标。实验测得ACL损伤侧T2-5、足弓及足跟内外侧MP较未损伤侧及对照组明显降低，HM及HL降低更为显著。多考虑ACL损伤后患者因畏惧患肢再损伤而采取尽量减少利用患肢支撑体重行走的代偿行为。

综上所述，ACL损伤后膝关节功能紊乱，患者为避免再损伤步行时会尽可能减少使用患肢，增加对足跟区保护，从而影响动态足底压力相关参数，导致患肢单足支撑相各阶段时长及比例发生变化，足跟区平均峰值压力、压强及冲量减小，达峰值压力时间延长。应用步态分析运动学数据可对韧带损伤进行量化评估，更

为准确了解ACL损伤后下肢生物力学特性改变。

本研究存在以下局限性：（1）.基于减少其他因素对关节的影响，标准制定过于复杂，致样本量不大，实验结果准确性还有待增强；（2）本研究为单纯足底压力测试，实验过程中不可避免受测试者主观行为影响，故在今后研究中应考虑加强与临床静态检测指标数据的结合；（3）本研究仅观察ACL损伤侧与未损伤侧及正常对照组之间的比较，对损伤侧未行进一步细化比较研究（如左右侧损伤、受伤时间等因素），将在今后实验中加以完善。

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Change in Plantar Pressure of Patients with Anterior Cruciate Ligament Deficient during Walking

Du Tianshu，Chen Xixia，Zhang Chunli，Xu Hu，Wang Yingchun，Ding Ming
Department of Sports Injury，Xijing Orthopeadic Hospital，The Fourth Military Medical University，Xi’an，China 710032 Corresponding Author：Zhang Chunli，Email：zhangcl816@sohu.com

Objective To investigate the impact of anterior cruciate ligament deficient（ACLD）on the plantar pressure during walking.Methods This study included 31 subjects with isolated unilateral ACLD and 26 healthy persons.Following parameters during walking were measured and calculated：（1）the total planter contact duration and the percentages of contact duration of initial contact phase（ICP），forefoot contact phase（FCP），foot flat phase（FFP），and forefoot push-off phase（FFPOP）during single limb stance phase；（2）the average distribution of maximal force（MF）on the planta and its subareas；（3）the time to maximal force（TMF）；（4）the impulse（IP）distribution on the planta and its subareas；and（5）the average maximal pressure（MP）distribution on the planta and its subareas.Above parameters were compared between affected side and non-affected side of knee in ACLD patients，and between ACLD patients and healthy persons.Results Significantly shorter ICP，FFCP，FFP and total planter contact duration and insignificant difference in FFPOP were found in ACLD side as compared with non-affected side.Significantly shorter ICP and FFP，and greater FFCP，FFPOP and total planter contact duration were found in ACLD patients as compared with healthy persons.Compared non-affected side of ACLD patients with that of healthy persons，the affected side of ACLD patients showed significantly less MF，IP and MP in heel medial and heel lateral sides accompanied with

anterior cruciate ligament，knee，plantar pressure，gait analysis

2015.12.10

张春礼，Email：zhangcl816@sohu.com

greater TMF.Conclusions The patients with anterior cruciate ligament deficient are more likely to avoid using the affected side during walking，resulting in the change in dynamic planter pressure that can be used for quantifying the injury.