踝关节骨关节炎的步态特征研究

刘振伟，徐朱杰，高天舒，周一逸，刘仪

(南京医科大学附属无锡人民医院骨科，江苏 无锡 214000)

踝关节骨关节炎(ankle osteoarthritis，AOA)是一种常见的慢性关节疾病，具有病程长、治疗困难和手术致残率高等特点[1]。有文献报道，全世界约有1%的成年人患有AOA[2]。与其他骨关节炎类似[3]，AOA主要表现为关节疼痛、畸形和功能障碍等非特异性症状。除此之外，AOA往往还伴随着步态异常[4]。近年来，越来越多的国内外学者将步态分析技术应用到AOA的下肢功能监测中，以协助临床诊断和治疗术式的选择。作者通过检索大量文献，就步态分析技术在AOA中的应用进行全面综述。

1 步态分析概述

步态分析技术是通过运用力学原理、人体解剖学及生理学等知识对人类行走状态进行对比分析的一种研究方法[5]。公元前384年，亚里士多德首次从理论上分析人体步态。17世纪，科学家开始使用卷尺、秒表及望远镜等工具来测量步态。现阶段的步态分析系统包括平面定点摄像技术、测力板、表面肌电图及数据分析系统等。

目前，常用的步态参数主要包括：(1)运动学参数，主要用来描述人体的运动学轨迹特征，分为时空参数和关节角度参数，时空参数包括步速、步频、步长及步态周期中各时相的时间占比等，关节角度参数是指髋、膝、足关节在矢状面、冠状面和水平面上的角度运动规律。其中，步速、步频和步长能够直接体现运动能力，而支撑相和摆动相的步态周期百分比反映了人体在行走过程中的稳定性大小。(2)动力学参数，主要是指步行过程中足底与地面作用力的时间、强度和方向等，包括力矩和地面反作用力。力矩是力与关节活动范围的乘积，与肌肉力量和关节稳定性密切相关。地面反作用力可分为垂直、矢状和冠状三个方向，垂直地面反作用力曲线呈“M”型，与足底着地时的体重接受度呈正相关；矢状地面反作用力可用来描述支撑相推动力和制动力的变化情况，其峰值与步速呈正相关；冠状地面反作用力则体现了在行走过程中的踝关节内翻或外翻状态，与踝关节稳定性相关[6]。(3)表面肌电参数，反映了肌肉的激活或抑制，包括频谱特性和肌电幅度，频谱特性与动作电位的波形和传导速度有关，肌电幅度的大小取决于被激活的运动单位数目的多少[7]。

2 AOA患者的步态特征

2.1 运动学特征

2.1.1 时空参数 AOA患者的时空参数变化主要表现为步速下降、步频降低、步长缩短、摆动时间百分比减少和支撑时间百分比增加等[4]。这种异常的步态模式被学者命名为“减痛步态”，提示AOA患者通过减少踝关节载荷来达到缓解疼痛和稳定踝关节这一目的[8]。有学者探讨了性别对AOA患者时空参数的影响，发现男性AOA患者的步速大于女性AOA患者，女性AOA患者的跨步时间则长于男性AOA患者，而摆动时间百分比、支撑时间百分比和双足支撑时间百分比在性别之间的差异无统计学意义[9-10]。

2.1.2 关节角度参数 Valderrabano等[8]采用步态分析技术分析AOA患者日常行走时患侧踝关节活动度的变化，发现与健康对照组相比，踝关节矢状面活动度减少了37.5%，踝关节冠状面活动度减少了28.4%，踝关节水平面活动度减少了19.8%。其中矢状面上的减小最为明显，这与腓肠肌-比目鱼肌复合体缩短、关节活动受限和疼痛有关[11]。更有学者细化地分析了AOA患者步行时患侧踝关节和其他相邻足关节的角度参数[12]，发现与健康对照组相比，踝关节矢状面、冠状面和水平面活动度分别减小了7.0 °，2.0 °和4.0 °，跗横关节矢状面和水平面活动度分别减小了4.0 °和4.4 °，第一跖趾关节冠状面活动度减小了4.0 °，而跗跖关节冠状面活动度增大了1.7 °。

研究显示，AOA患者步行时患侧髋、膝关节活动度也会适应性改变。Schmitt等[13]分析AOA患者行走时患侧下肢关节角度参数的变化，发现与健康对照组相比，患者支撑相末期最大屈髋角度显著减小，最大伸髋、屈膝角度差异无统计学意义。AOA患者主要通过增加支撑相末期最大屈髋角度来代偿踝关节丧失的活动度，从而推动患肢进入摆动相。

2.2 动力学特征

2.2.1 下肢关节力矩 Eerdekens等[12]比较分析了110例AOA患者和25例健康对照组的足关节力矩，结果显示AOA患者日常步行时患侧踝关节矢状面力矩、跗横关节矢状面力矩、跖跗关节矢状面力矩和第1跖趾关节矢状面力矩均显著低于健康对照组。还有研究进一步探讨了AOA患者行走时患侧踝关节力矩在矢状面、冠状面和水平面的变化[8，14]，发现与健康对照组相比，最大跖屈(矢状面)力矩减少了13.8%(P<0.006)，最大内收(水平面)力矩减少了44.4%(P<0.001)，而最大扭转(冠状面)力矩差异无统计学意义(P>0.05)；其中最大内收(水平面)力矩减小最为显著，可能与AOA患者小腿肌肉萎缩和肌力下降有关。

2.2.2 地面反作用力 研究显示[15]，AOA患者在支撑相末期因疼痛和小腿肌力下降，下肢着地方式发生改变，并最终导致地面反作用力降低。Nüesch等[15]在利用测力平台系统对8例早中期AOA患者和15例健康对照组研究后发现，与健康对照组相比，患者步行时患侧垂直地面反作用力第1峰值和患侧矢状地面反作用力峰值均明显降低；患侧垂直地面反作用力第2峰值延迟出现，而健侧垂直地面反作用力第2峰值提前出现。随着AOA病程进展，患者受累的关节面从局部扩大到整体，AOA也由早中期发展为终末期。Valderrabano等[8]在一项针对终末期AOA患者的步态研究中发现了不同的地面反作用力变化，结果显示，与健康对照组相比，患者日常行走时患侧垂直地面反作用力第2峰值降低了9.4%(P<0.001)，患侧冠状地面反作用力峰值下降了26.7%(P=0.001)，而患侧垂直地面反作用力第1峰值和患侧矢状地面反作用力峰值差异无统计学意义。

2.3 肌电图特征

2.3.1 频谱特性 研究显示[16]，早中期AOA患者的患侧胫骨前肌的肌电信号平均频率低于健侧和健康对照组。Nüesch等[16-17]将12例早中期AOA患者分为内翻组和外翻组，并进一步比较了内翻组和外翻组小腿肌肉激活模式中的低频改变。结果发现与内翻组相比，外翻组的患侧腓骨长肌激活模式包含了更多的低频成分，这表明外翻组的患侧腓骨长肌活跃性较低，产生的向前推动力更少。研究发现[7，11，18]，在最大等长收缩期间，终末期AOA患者的患侧胫骨前肌、腓肠肌内侧肌、比目鱼肌和腓骨长肌也出现了类似的低频变化。

2.3.2 肌电幅度 除了低频改变，AOA患者的小腿肌肉激活模式中还可观察到振幅降低。早中期AOA患者的患侧胫骨前肌振幅均较健康对照组显著下降[19]。与健康对照组相比，终末期AOA患者的小腿在进行最大自主收缩时，患侧腓肠肌内侧肌的振幅显著降低，而胫骨前肌、比目鱼肌和腓骨长肌的振幅差异无统计学意义[18]。

3 不同术式对步态影响

3.1 踝关节融合术(ankle arthrodesis，AA) AA是终末期AOA手术治疗的金标准，可显著减轻关节疼痛，并提高患者生活质量[20-21]。Segal等[22]通过步态分析技术研究了AA治疗终末期AOA患者的步态特征，并随访至术后3年，发现与术前相比，患者术后第1年的步速加快了0.18 m/s(P=0.020)，术侧步长增加了0.09 m(P=0.007)，健侧步长增加了0.08 m(P=0.002)，而步频、步宽、支撑时间百分比和跨步时间差异无统计学意义；患者术后第2年的术侧步长增加了0.08 m(P=0.008)，而步速、术侧步长、步频、步宽、支撑时间百分比和跨步时间差异无统计学意义；患者术后第3年的术侧步长增加了0.09 m(P=0.007)，健侧步长增加了0.08 m(P=0.002)，而步速、步频、步宽、支撑时间百分比和跨步时间差异无统计学意义。

研究显示[23]，AA术后患者步行时术侧踝关节矢状面、冠状面活动度均小于健侧和健康对照组，健侧踝关节矢状面、冠状面活动度同样均小于健康对照组，这一表现在矢状面上尤为明显，这说明患者为了保持双侧步态对称而代偿性减小了健侧踝关节活动度。有学者发现AA术后患者的距下关节同样出现了代偿性运动。Lenz等[24]采用AA治疗了10例终末期AOA患者，并比较分析患者的双侧距下关节活动度，发现与健侧相比，患者术侧距下关节矢状面活动度明显增大，而术侧距下关节冠状面、水平面活动度差异无统计学意义。研究表明[25]，AA术后患者日常行走时术侧距下关节过度运动可引起相邻足关节面接触应力增大，最终导致相邻足关节的骨关节炎发病率增加。Gaedke等[26]在一项研究中对69例终末期AOA患者实施了AA，并对所有患者进行了2年以上的术后随访，发现其中39例患者存在术侧距下关节或跗横关节的骨关节炎，其中距下关节是最为常见的受累部位。

3.2 全踝关节置换术(total ankle replacement，TAR) 近年来，TAR在终末期AOA的治疗中越来越受欢迎[27-28]。目前常用的人工全踝关节假体主要分为两大类型：(1)固定平台的两部分假体；(2)活动平台的三部分假体。Queen等[29]将接受了TAR的40例终末期AOA患者按照假体类型分为固定式假体组和活动式假体组，并利用步态分析技术采集两组患者步态参数进行比较分析，分析指标包括步速、术侧踝关节背屈角度峰值、术侧踝关节跖屈角度峰值、术侧踝关节内翻角度峰值、术侧踝关节矢状面活动度和术侧踝关节跖屈力矩峰值等步态参数，结果显示两组术后步态参数均较术前明显改善，且术后组间差异无统计学意义。

研究发现[30]，TAR组的美国骨科足踝协会评分和踝关节活动度改善程度优于AA组，AA组的术后并发症发生率及再次手术率低于TAR组，而两组在疼痛视觉模拟评分和患者满意度方面差异无统计学意义。Sanders等[31]根据实施术式将20例终末期AOA患者分为TAR组和AA组，并比较分析了两组在水平行走和上楼时的步态参数。结果表明无论是水平行走还是上楼时，TAR组的患侧前足-胫骨矢状面活动度、后足-胫骨矢状面活动度和踝关节矢状面活动度均大于AA组，而两组的患侧前足-后足矢状面活动度、前足-胫骨冠状面活动度、后足-胫骨冠状面活动度、前足-后足冠状面活动度、踝关节冠状面活动度、踝关节背屈角度峰值、踝关节跖屈角度峰值、踝关节矢状面力矩峰值和踝关节冠状面力矩峰值差异无统计学意义。

3.3 胫距跟关节融合术 胫距跟关节融合术包括踝关节和距下关节的融合，常用于同时存在终末期AOA和距下关节骨关节炎的患者[23]。Tenenbaum等[32]对21例合并有距下关节骨关节炎的终末期AOA患者实施了胫距跟关节融合术，并利用三维步态分析技术采集了患者的步态参数，发现与术前相比，患者术后的步速增大了0.12 m/s(P=0.0012)，步频增加了3.94 steps/min(P=0.0256)，患侧支撑时间百分比减少了1.07%(P=0.0244)，健侧支撑时间百分比减少了1.96%(P=0.0204)，术侧踝关节矢状面活动度减少了2.98 °(P=0.0153)，健侧踝关节矢状面活动度增加了1.89 °(P=0.0145)，术侧髋关节矢状面活动度增加了4.16 °(P=0.0071)，而健侧髋关节矢状面活动度、术侧膝关节矢状面活动度和健侧膝关节矢状面活动度差异无统计学意义。

Monteagudo等[33]根据实施术式将终末期AOA患者分为胫距跟关节融合术组和AA组，并分析了两组术侧足关节活动度的改变。结果发现胫距跟关节融合术组的距下关节外翻增大，跗中关节矢状面活动度代偿性增加，足关节功能得到改善；而AA组通过减小距下关节外翻，来限制跗中关节矢状面活动度，从而导致足关节僵硬和功能障碍。Chopra等[23]分别采用胫距跟关节融合术和AA来治疗24例终末期AOA患者，并使用三维步态分析系统和压力鞋垫采集了患者的步态参数，发现与AA组相比，胫距跟关节融合术组表现出更好的步态对称性。

3.4 踝上截骨术 踝上截骨术是一种常用于早中期AOA的保关节手术，主要作用是矫正下肢力线，恢复关节应力平衡，延缓AOA进展[34]。Nüesch等[19]对19例早中期AOA患者实施了踝上截骨术，并按照随访时间分为短期随访组(12～18个月)和长期随访组(8～9年)，同时采集这些患者与15例健康对照组的步态参数进行比较分析。结果发现与短期随访组相比，长期随访组的步速、步频、步长对称性和小腿三头肌激活模式更加接近健康对照组，这说明为了适应改变的下肢力学轴线，患者的步态参数在术后1年仍在进行改善。他还认为踝上截骨术对步速、步频和步长对称性等步态参数的改善作用可持续至少8年。

3.5 其他 近年来，越来越多的学者比较了单一术式和联合术式对AOA患者步态特征的影响。Franz等[28]利用步态分析技术比较分析了单纯TAR、TAR联合踝上截骨术治疗AOA患者的步态参数，结果显示与术前相比，术后单纯TAR组的术侧踝关节活动度增加了8°(P=0.049)，术后TAR联合踝上截骨术组的术侧踝关节活动度差异无统计学意义，而术后两组美国骨科足踝协会评分和疼痛视觉模拟评分比较差异无统计学意义。Liang等[34]对63例内翻型AOA患者分别实施了单纯踝上截骨术、踝上截骨术联合腓骨截骨术，并采集步态参数进行分析，发现与单纯踝上截骨术组相比，踝上截骨术联合腓骨截骨术组的术侧距骨倾斜角、距骨内侧移位和后足对齐角更加接近健康对照组，更有利于AOA患者恢复正常的下肢力线。

4 小 结

步态分析技术通过采集分析AOA患者的步态数据，可以反映患者下肢运动功能的变化，协助判断患者病情。作为一种有效的手段，步态分析技术可用于比较分析接受不同术式的AOA患者的步态特征，并为临床工作者选择治疗方案提供指导。目前，国内外仅有少量关于AOA的步态研究，且相关研究较为片面局限，步态分析技术在AOA的严重程度分级、疗效评估和康复指导等方面仍存在空白。随着众多学者对步态分析技术在AOA中的应用不断探索完善，步态分析技术有望在AOA的临床诊疗中发挥越来越大的作用。