步态分析在髋关 节骨性关节炎患者中应用的研究概况

卢 斌，徐立岩，柏豪豪，王 颖，孙 磊，田爱现，王 岩，董本超，马剑雄，马信龙

据初步估计，年龄在70岁以上的中老年人群，其骨性关节炎的患病率高达40%，在各种类型的关节炎中高居榜首[1]。近年来，我国社会总体的人群老龄化进程加快，骨关节炎的患病率更是逐年升高[2]。随着科技发展，三维步态分析技术在过去的10年中有了显著的提高，已经成为临床评估肌肉骨骼疾病的重要工具[3-4]。自我评估问卷是经过验证的下肢骨性关节炎患者研究的主要工具[5]，膝关节疼痛指数[6]等，是对功能障碍进行的主观评价。步态分析的主要优势恰与广泛使用的问卷相反，它的结果测量不仅仅依靠患者报告，同时还根据测试所得数据进行客观定量评估功能障碍。此外，许多骨性关节炎患者步态变量的改变发生在临床功能障碍之前[7]，这能为我们早期诊断及预防骨性关节炎提供了数据支持。

1 髋关节骨性关节炎

骨关节炎的相关危险因素比较复杂，主要包括年龄、遗传因素、肥胖、机械应力刺激和营养代谢异常等[8]。关节软骨的退变是骨关节炎的特征性改变，最后可能出现整个软骨层的缺失[9]。骨质增生亦是伴随软骨改变而出现的重要病变。当进展并出现一定的临床症状时，还会伴随发病关节的滑膜炎[10]。

髋关节骨性关节炎常伴有疼痛、僵硬以及功能障碍[11]，其程度取决于关节结构上的疾病进展和相关症状，也取决于对疾病的耐受能力。因此，髋关节骨性关节炎治疗策略是复杂的，需要对每个患者的现存症状以及功能受限有所了解[12]。物理治疗是治疗骨性关节炎最佳选择之一，然而却没有统一的意见哪种物理治疗是最有效的，并且阐述这些干预措施是怎么影响受损关节的生物力学的[13]。临床上通常给予抗炎、镇痛药来改善症状，然而严重的疼痛以及关节结构的改变可能需要手术干预，如截骨术、髋关节镜手术，或疾病后期常采取髋关节置换[14-15]。

2 步态分析

2.1 步态周期时相 步态是人体步行的行为特征。孙嘉利等[16]认为，流畅的步态是因为重心能最小限度地定位于骨盆，再加上适宜的关节运动和适宜的力量，使得身体稳定，步行正常。

步行周期指一侧下肢完成从足落地到再次落地的时间过程，根据下肢在步行时的位置，分为支撑相和摆动相。站立相可被分为五个时相，以脚跟初次触地开始，负重反应期、支撑中期、支撑末期至摆动前期结束。一个有效的步态需要个体在站立过程中保持稳定，在摆动期有合适的足部预定位、足间隙和足够的步长来保持能量[17]。

2.2 步态分析及其兴起 步态分析是研究步行规律的检测方法，是对人体行走时的肢体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的研究方法。旨在通过生物力学和运动学手段，揭示步态异常的影响因素，从而协助临床诊断、疗效评估、机理研究等。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，迄今已经有100多年的历史，但是真正进入临床实用阶段只有10多年的时间。

2.3 临床步态分析 临床步态分析研究人走路包括运动质量的衡量，以及找出异常的可能原因并提供治疗建议。在进行3D步态分析时，受试者被要求在约10米长的既定路线来回行走，而运动学和关节反应动力学的测量则使用3D摄像机和测力板来完成[18-19]。运动学描述的是在行走过程中的运动范围和形态。动力学研究的是不可见的作用于人体的力。测量关节运动时间和分段角速度来计算能量，可分为吸收能（离心收缩）或产出能（向心收缩）。同时可以获得关于步速、时间和距离的参数如步速、步长、步幅及下肢支撑时间等[17]。

2.4 步态分析的应用和局限性 步态分析能提供关于关节的旋转度和力的详细信息，从而进一步解释关节疾病或关节损伤与因缓解疼痛和致残畸形而产生的步态代偿之间的关系。但步态分析的局限性在于数据比较存在实验室不同，以及标志点安放位置不同的差异。然而步态分析能提供关键参数，用来确认步态异常，是一种更客观的评估干预措施效果的方式[17]。

2.5 时空步态参数及步速的作用 时空步态参数是一种简单的方法来客观评估步态功能障碍和检查治疗进展的临床手段[20-21]。时间和距离参数在关节炎患者是异常的，通常表现为步速、步频的降低，步幅与步长的减小，双下肢支撑期延长[24-26]。健康人群中，关节运动学和关节动力学受步速影响，如较慢的步速会导致关节活动度减少和降低关节反应[27-28]。一般来说，根据有限的研究，运动学、动力学和步幅参数数据会受到步速和疾病病理的共同影响，所以步速应该在评估过程和下结论时仔细考虑[20,29]。

3 髋关节骨性关节炎患者的典型步态异常

髋关节骨性关节炎是一种慢性进行性骨关节病，其形成过程会导致关节肿胀、变硬、不稳定、骨畸形和肌营养不良，且常伴有疼痛，这些病变严重影响日常生活活动和步态[30]。髋关节骨性关节炎会导致关节结构改变和软组织僵硬，进而引起关节活动度减少[31-32,58]。使用3D步态分析，可以很容易区别髋关节骨性关节炎患者适应性改变后的步态和健康人步态模式的不同[19]，包括由于关节承重能力下降，致使患肢承重能力显著降低而出现的以支撑相中期时间显著缩短、健侧步长缩短、双支撑相延长、上身摆动幅度增大、偏向健侧为特点的疼痛步态[22]，以及骨质增生、关节间隙变化、关节活动角度受限甚至畸形，迫使患者长期行动不便或卧床。患肢软组织挛缩而出现的废用性萎缩，疼痛、功能受限以及某些情况下的关节畸形，会引起步态的改变如步速的降低[22-23]。

Kubota等人总结了12名双侧髋关节骨性关节炎患者改变了行走速度的步态特点。数据显示，患者行走步频加快和踝关节发力增加，整个步态周期保持骨盆前倾，站立时骨盆下沉，步宽减少，髋关节屈伸和外展角度减小，以及髋部活动减弱[33]。在两个评估单侧髋关节骨性关节炎患者步态的研究中发现，步态差异随着行走速度的增加而变大[34-35]。这种差异可能是由于患者为减轻疼痛而适应性地使肌力减弱导致的[36]。Cichy等人发现髋关节骨性关节炎患者步长有明显的差异，健侧和患侧腿地面接触面积较小，二者相比有明显统计学差异，髋关节骨性关节炎患者的步态异常，主要见于不对称的负重和不对称的步长[37]。

Reininga等人通过三维步态分析量化髋关节骨性关节炎患者的躯干代偿运动，发现髋关节骨性关节炎患者骨盆活动范围比健康人要小，且步速和正常人比起来明显要慢。在纠正了步速差别后，步长和步频两组比起来没有明显不同[38]。

4 步态分析在髋关节置换术后的应用

4.1 髋关节置换术后患者的步态特点 为增强关节的活动能力，减轻疼痛来改善患者的生活质量，行全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）患者的数目还在不断增加，并且因髋关节骨性关节炎而行关节置换的患者有年轻化趋势，他们有更多的活动需求，而且比以往患者整体有更长的寿命预期[39]。尽管THA患者术后功能恢复效果良好，但他们术后1年的步态和正常人之间仍有差异[40-41]。髋关节骨性关节炎患者由于步长减小和髋关节屈伸及外展受限导致步速减低，并且髋关节矢状面上的伸髋角度峰值变小[42]。这些差异都受术前采用的镇痛策略、对于假体植入后的适应、术后髋外展不足的躯干代偿的影响[43-44]。Perron等人认为，髋关节骨性关节炎术后1年的步速降低、异常步态，分别与伸髋肌肌力的减弱和减小髋外展角度有关[45]。甚至年轻髋关节骨性关节炎患者，术后10年仍未达到正常步态运动学水平，这表明术后肌肉萎缩和僵硬都会长期影响患者的步态运动[46]。

4.2 手术方式及手术入路的选择 关于不同类型的髋关节置换之间，没有发现明显步态优劣的证据[47-48]。Petersen等[48]研究发现，运用Mallory头杯和 Exeter 颈假体的传统全髋置换术和表面置换术相比，在术后 6、12 周时，两者在步行速率、节奏、步幅、步长、单脚支撑时间均较术前有明显改善。而两者之间比较，除了传统组髋关节外展力矩峰值改善更明显外，其他步态指标的差异无统计学意义。Mont[47]等人评估了髋关节表面置换和单侧全髋关节置换患者的髋部运动学和动力学时-空参数，发现表面置换的患者步行速度更快（平均1.26 m/s），运动学功能几乎接近于正常人。Bennett 等[49]研究发现，微创手术和传统方式在术后 2 天、6 周两个测试时间点，手术侧和非手术侧下肢的步态参数差异无统计学意义。

步态分析也被用来检查手术入路对步态的影响。目前，没有研究发现前外侧入路和后侧入路的任何步态差别[50-51]。Krych等人比较了微创后侧入路和微创双切口入路髋关节骨性关节炎的患者步态差别，显示微创后侧入路髋关节骨性关节炎患者步态功能较好。然而另一个研究显示，使用Watson-Jones微创入路和后外侧入路相比步态没有差别[52-53]。Lugade 等[54]通过比较前侧入路切口和前外侧入路切口的 THA 手术发现，虽在术后 16 周 两种入路都可以降低手术侧和非手术侧下肢步态的不对称性，但在术后 6 周内步态对称性的改进上，前侧入路切口更有优势。Meneghini 等[55]对 3 种不同的微创THA 手术入路比较发现，微创双切口入路、后侧入路、前外侧入路三者术后 6周与术前相比步态参数在各方面均有所改善，但三者间的差异无统计学意义。

5 髋关节骨性关节炎患者步态分析的限制

髋关节骨性关节炎患者运动分析变量多种多样，使不同研究间数据整合变得复杂[40,42]。建立一套唯一的步态分析变量，会使研究者更容易比较和对比不同干预措施的效果。许多在髋关节骨性关节炎患者进行的步态分析实验，样本量较小，并且每个患者试验次数有限[56-57]。因此，大多数实验存在不足，在统计数据时，比较有可能犯II型错误（错误地判为无差别）。在一些研究中，患者样本是多样化的，步态分析是混合了髋关节骨性关节炎患者和髋膝踝手术患者的数据。另外，纳入标准也是不一致的。

考虑到数据的可用性，当研究者进行步态分析实验时，应先建立一个样本数量估计的计算。此外，大多数研究只评估运动学参数，但动力学和肌电图的数据可以挖掘更多运动异常的肌肉活动模式和受力信息[31]。为了更好地对患者的步态进行分析，建议整合运动学、动力学以及肌电图的结果，进行综合分析。同时我们建议，以疾病影像学的严重程度作为纳入标准，这样就在可以在步态分析分组上有更为统一的标准。