步态分析的基本概念和分析方法

步态分析的基本概念和分析方法

基本概念

步态是人类步行的行为特征。步行是人类生存的基础，是人类与其它动物区别的关键特征之一。正常步行并不需要思考，然而步行的控制十分复杂，包括中枢命令，身体平衡和协调控制，涉及足、踝、膝、髋、躯干、颈、肩、臂的肌肉和关节协同运动。任何环节的失调都可能影响步态，而某些异常也有可能被代偿或掩盖。临床步态分析旨在通过生物力学和运动学手段，揭示步态异常的关键环节和影响因素，从而协助康复评估和治疗，也有助于协助临床诊断、疗效评估、机理研究等。

一、概述

（一）自然步态

1、步行的基本功能 从某一地方安全、有效地移动到另一地方。

2、自然步态的要点 (1)合理的步长、步宽、步频。(2)上身姿势稳定。(3)最佳能量消耗或最省力的步行姿态。

3、自然步态的生物力学因素

(1)具备控制肢体前向运动的肌力或机械能。

(2)可以在足触地时有效地吸收机械能，以减小撞击，并控制身体的前向进程。

(3)支撑相有合理的肌力及髋膝踝角度，以及充分的支撑面。

(4)摆动相有足够的推进力、充分的下肢地面廓清和合理的足触地姿势控制。

步态分析的基本概念和分析方法

（二）步行周期

1、 支撑相

下肢接触地面和承受重力的时相，占步行周期的60%，包括：

(1)早期(early stance) 包括首次触地和承重反应，正常步速时占步行周期的10%~12%。①首次触地 指足跟接触地面的瞬间，使下肢前向运动减速，落实足在支撑相的位置的动作。参与的肌肉包括胫前肌、臀大肌、腘绳肌。首次触地异常是造成支撑相异常的最常见原因之一。②承重反应 指首次触地之后重心由足跟向全足转移的过程。骨盆运动在此期间趋向稳定，参与的肌肉包括股四头肌、臀中肌、腓肠肌。③双支撑相 支撑足首次触地及承重反应期相当于对侧足的减重反应和足离地，由于此时双足均在地面，又称之为双支撑相。双支撑相是步行周期中最稳定的时期。双支撑相的时间与步行速度成反比。双支撑相时间延长，使步行速度越慢，步行越稳定；而双支撑相时间缩短，使步行速度加快，但步行越不稳定；到跑步时双支撑相消失，表现为双足腾空。患者步行障碍时往往首先出现的异常就是双支撑相时间延长，步行速度减慢，以增加步行的稳定性。④地面反作用力（GRF） 首次触地时的GRF一般相当于体重和加速度的综合，正常步速时为体重的120%~140%。步速越快，GRF越高。下肢承重能力降低时可以通过减慢步速，减少肢体首次触地负荷。缓慢步态的GRF等于体重。患者在下肢承重能力减退时往往通过减慢步行速度以减轻下肢承重负荷。

(2)中期(mid stance) 支撑足全部着地，对侧足处于摆动相，是唯一单足支撑全部重力的时相，正常步速时大约为步行周期的38%~40%。主要功能是保持膝关节稳定，控制胫骨前向惯性运动，为下肢向前推进做准备。参与的肌肉主要为腓肠肌和比目鱼肌。下肢承重力小于体重或身体不稳定时此期缩短，以将重心迅速转移到另一足，保持身体平衡。

(3)末期(terminal stance) 指下肢主动加速蹬离(push off)的阶段，开始于足跟抬起，结束于足离地约为步行周期的10%~12%。此阶段身体重心向对侧下肢转移，又称为摆动前期。在缓慢步行时可以没有蹬离，而只是足趾离开地面，称之为足趾离地 (toe off)。踝关节保持蹠屈，髖关节主动屈曲，参与的肌肉为腓肠肌和比目鱼肌(等长收缩)、股四头肌和髂腰肌(向心性收缩)。

2、摆动相

下肢在空中向前摆动的时相，占步行周期的40%，包括：

(1)早期(initial swing) 主要的动作为足廓清地面和屈髋带动屈膝，加速肢体前向摆动，占步行周期的13%~15%。参与的肌肉为胫前肌、髂腰肌、股四头肌。如果廓清地面障碍(如足下垂)，或加速障碍(髂腰肌和股四头肌肌力不足)，将影响下肢前向摆动，导致步态异常。

(2)中期(mid swing) 足廓清仍然是主要任务，占步行周期的10%。参与的肌肉主要为胫前肌，保持踝关节背屈。

(3)末期(terminal swing) 主要任务是下肢前向运动减速，准备足着地的姿势，占步行周期的15%。参与的肌肉包括腘绳肌、臀大肌、胫前肌、股四头肌。

步行周期和时相与步行速度关系密切，在分析时必须加以考虑。

（三）运动学和动力学特征

1、运动学特征

(1) 人体重心 人体重心位于第二骶骨前缘，两髋关节中央。直线运动时该中心是身体上下和左右摆动度最小的部位。身体重心摆动包括：①骨盆前后倾斜 摆动侧的髖关节前向速度高于支撑侧，造成骨盆前倾。②骨盆左右倾斜 摆动侧骨盆平面低于支撑侧。③骨盆侧移 支撑相骨盆向支撑腿的方向侧移。④纵向摆动 重力中心在单支撑相时最高，双支撑相时最低。上下摆动8~10 cm。⑤膝关节支撑相早期屈曲 支撑侧膝关节屈曲15度。⑥体重转移 支撑侧早期在蹠屈肌的作用下体重由足跟转移到全足。⑦膝关节支撑相晚期屈曲 支撑侧膝关节屈曲30~40度。⑧步行时减少重心摆动是降低能耗的关键。

(2) 廓清机制 廓清指步行摆动相下肢适当离开地面，以保证肢体向前行进，包括摆动相早期-中期髖关节屈曲，摆动相早期膝关节屈曲，摆动相中-后期踝关节背屈。骨盆稳定性参与廓清机制。支撑相的影响包括：支撑中期踝蹠屈控制(防止胫骨过分前向行进)，中期至末期膝关节伸展和末期足跟抬起(踝蹠屈)。

2、动力学特征 步态的动力学特征与步行速度有关。临床步态分析一般采用自然步行速度，即受试者最舒服和能量使用效率最高的步行方式（图7-2）：

(1)垂直重力 垂直重力呈双峰型，即首次触地时身体GRF超过体重，表现为第一次高峰；在身体重心越过重力线时，体重向对侧下肢转移，至对侧下肢首次触地并进入承重期时GRF降低到最低点；然后由于蹬离的反作用力，GRF增加，一般与承重期的应力相似；在足离地时压力降低到零，进入摆动相。在下肢承重能力降低时，可以通过减慢步行速度，以减轻关节承重，此时GRF的双高峰曲线消失，表现为与体重一致的单峰波形。

(2)剪力 垂直剪力在首次触地时向前，越过重心线时剪力向后。表现为前后反向的尖峰图形。左右（内外）剪力形态相似，但是幅度较小。

(3)力矩 力矩是机体外力与内力作用的综合，是动力学与运动学的结合，受肌肉力量、关节稳定度和运动方向的影响。

分析方法

（一）临床分析

临床分析是步态评估的基础。实验室的检查结果最终都必须与临床分析结合。

1、内容

（1）病史回顾 包括既往手术、损伤、神经病变等病史。

（2）体格检查 重点在腱反射和病理反射、肌力和肌张力、关节活动度、感觉（触觉/痛觉/本体感觉）、压痛、肿胀、皮肤状况(溃疡/颜色)等。

（3）步态观察 注意全身姿势和步态，包括步行节律、稳定性、流畅性、对称性、重心偏移、手臂摆动、诸关节姿态与角度、患者神态与表情、辅助装置(矫形器、助行器)的作用等（表7-2）。在自然步态观察的基础上，可以要求患者加快步速，减少足接触面（踮足或足跟步行）或步宽（两足沿中线步行），以凸现异常；也可以通过增大接触面或给予支撑（足矫形垫或矫形器），以改善异常，从而协助评估。

（4）诊断性治疗 诊断性神经阻滞(局部麻醉剂注射)有助于鉴别肢体畸形的原因和指导康复治疗。关节畸形可以分为动态畸形和静态畸形。动态畸形指肌肉痉挛或张力过高导致肌肉控制失平衡，使关节活动受限，诊断性治疗可明显改善功能。静态畸形指骨骼畸形以及关节或肌肉挛缩导致的关节活动受限，诊断性治疗无变化。

步态分析的基本概念和分析方法

表7-2 步态临床观察要点

步态内容 观察要点

步行周期 时相是否合理 左右是否对称 行进是否稳定和流畅

步行节律 节奏是否匀称 速率是否合理

疼痛 是否干扰步行 部位、性质与程度与步行障碍的关系 发作时间与步行障碍的关系

肩、臂 塌陷或抬高 前后退缩 肩活动度降低

躯干 前屈或侧屈 扭转 摆动过度或不足

骨盆 前、后倾斜 左、右抬高 旋转或扭转

膝关节 摆动相是否可屈曲 支撑相是否可伸直 关节是否稳定

踝关节 是否可背屈和蹠屈 是否下垂/内翻/外翻 关节是否稳定

足 是否为足着地跟 是否为足趾离地 是否稳定

足接触面 足是否全部着地 两足间距是否合理 是否稳定

2、步态障碍的病因和病理基础 步态障碍主要表现为活动障碍、安全性降低和疼痛。异常步态的代偿导致步行能耗增加。障碍的主要原因为神经肌肉因素和骨关节因素。

(1) 骨关节因素 由于运动损伤、骨关节疾病、先天畸形、截肢、手术等造成的躯干、骨盆、髋、膝、踝、足静态畸形和两下肢长度不一致。疼痛和关节松弛等也对步态产生明显影响。

(2) 神经肌肉因素 中枢神经损伤，包括中风、脑外伤、脊髓损伤和疾病、脑瘫、帕金森氏综合症等造成的痉挛步态、偏瘫步态、剪刀步态、共济失调步态、蹒跚步态等。原发性原因主要是肌肉张力失衡和肌肉痉挛；继发性因素包括关节和肌腱挛缩畸形、代偿性步态改变等。外周神经损伤，包括神经丛损伤、神经干损伤、外周神经病变等导致的特定肌肉无力性步态，例如臀大肌步态、臀中肌步态、股四头肌步态等。原发因素为肌肉失神经支配，肌肉无力或瘫痪；继发因素包括肌肉萎缩、关节和肌腱挛缩畸形、代偿性步态改变；儿童患者可伴有继发性骨骼发育异常，导致步态异常。

3、临床观察的局限性

（1） 时间局限 由于步行速度较快，临床肉眼很难同时观察到瞬间变化的情况，例如足在摆动相的旋转，足跟着地时的旋转倾斜、髋、膝、踝关节角度变化等。

（2） 空间局限 由于人的视觉局限，因此难以进行三维方向观察。

（3） 记忆局限 人的记忆能力难以对长期纵向变化进行客观和全面对比分析。

（4） 思维局限 步态的临床观察主要依赖个人的观察能力和经验，缺乏客观数据，难以进行定量评估，从而在一定程度上影响评估的客观性和准确性。

步态分析的基本概念和分析方法

（二）运动学分析

1、定义 运动学(Kinematics)是研究步行时肢体运动时间和空间变化规律的科学方法，主要包括：步行整体时间与空间测定和肢体节段性运动方向测定。

2、时间/空间参数测定

（1）足印法 是步态分析最早期和简易的方法之一。在足底涂上墨汁，在步行通道（一般为4~6 m）铺上白纸。受试者走过白纸，留下足迹，便可以测量距离。也可以在黑色通道上均匀撒上白色粉末，让患者赤足通过通道，留下足迹。获得的参数包括：①步长(Step length)指一足着地至对侧足着地的平均距离。国内也有称之为步幅。②步长时间(step time)指一足着地至对侧足着地的平均时间。③步幅(Stride length)指一足着地至同一足再次着地的距离，也有称为跨步长。④步行周期(cycle time)指平均步幅时间(stride time)，相当于支撑相与摆动相之和。⑤步频 (cadence)指平均步数（步/min），步频=60(s) ÷步长平均时间(s)。由于步长时间两足不同，所以一般取其均值。有人按左右步长单独计算步频，以表示两侧步长的差异。⑥步速(velocity)指步行的平均速度(m/s)，步速=步幅÷步行周期。⑦步宽(walking base)：也称之为支撑基础(supporting base)，指两脚跟中心点或重力点之间的水平距离，也有采用两足内侧缘或外侧缘之间的最短水平距离。左右足分别计算。⑧足偏角(toe out angle)指足中心线与同侧步行直线之间的夹角。左右足分别计算。

（2）足开关 足开关是一种微型的电子开关，装置在类似于鞋垫形状的测定板内，分别置放于前脚掌（掌开关）和脚跟（跟开关）。电子开关由足跟触地首先触发跟开关，前脚掌触地时触发掌开关，脚跟离地时关闭跟开关，脚尖离地时关闭掌开关。这是最常用的时间定位标志。除了可以迅速获得上述参数外，还可以获得下列资料：①第一双支撑相，跟开关触发至掌开关触发的时间。②单足支撑相，跟开关与掌开关同时触发的时间。③第二双支撑相，跟开关关闭和掌开关关闭之间的时间。④摆动相，掌开关关闭至下次跟开关触发的时间。⑤各时相在步行周期的比例。

（3）电子步态垫 电子步态垫是足印法和足开关的结合，其长度为3~4 m，有10,000个压感电阻均匀分布在垫下。受试者通过该垫时，足底的压力直接被监测，并转换为数字信号，通过计算机立即求出上述所有参数。

3、节段性运动测定 节段性运动测定是指步行时特定关节或运动中心的三维动态分析，即步行时关节各方向活动角度的动态变化及其与步行时相之间的关系。常用的分析方式有：

（1）同步摄像分析 在4~8米的步行通道的周围设置2~6台摄像机，同时记录受试者步行图象，并采用同步慢放的方式，将受试者的动作分解观察和分析。

（2）三维数字化分析 通过2~6台检测仪(数字化检测仪或特殊摄像机)连续获取受试者步行时关节标记物的信号，通过计算机转换为数字信号，分析受试者的三维运动特征（图7-3）。同一标记物被两台以上的检测仪同时获取时，即可进行三维图象重建和分析。输出结果包括：数字化重建的三维步态、各关节三维角度变化、速率和时相（图7-4）。关节标记物一般置放于需要观察的关节或重力中心。

（3）关节角度计分析 采用特制的关节角度计固定于被测关节，记录关节活动的角度改变，转换为数字信号并用计算机重建步态。优点是操作简便，特别是上肢检查十分方便；缺点是难以正确记录旋转和倾斜活动。

（三）动力学分析

1、定义 动力学(kenetics)分析是对步行时作用力、反作用力强度、方向和时间的研究方法。牛顿第三定律（作用力=反作用力）是动力学分析的理论基础。

2、测定方法

(1) 测力平台 步行时人体GRF可以通过测力平台记录，以分析力的强度、方向和时间。测力平台一般平行设置在步行通道的中间，可以平行或前后放置，关键是保证连续记录一个步行周期的压力。测力平台测定身体运动时的垂直力和剪力。垂直力是体重施加给测力平台的垂直应力，而剪力是肢体行进时产生的前后/左右方向的力。与运动学参数结合可以分析内力，即肌肉、肌腱、韧带和关节所产生的控制外力的动力，一般以力矩表示。

(2) 足测力板 采用特制超薄的测力垫直接插入到受试者鞋内，测定站立或步行时足底受力分布及重心移动的静态或动态变化，协助设计合适的矫形鞋和步态分析。

（四）动态肌电图

1、定义 动态肌电图指在活动状态同步检测多块肌肉电活动的测定方法，揭示肌肉活动与步态关系的肌肉电生理研究，是临床步态分析必不可少的环节。

2、生理基础 肌肉收缩是步行的基础因素，涉及肌肉收缩的时相和力量。肌肉活动具有步行速度及环境依赖性。参与步行控制的肌肉数量和质量均有很大的冗余或储备力，从而使关节运动与肌肉活动之间出现复杂的关联。步态异常既可以是原发性神经肌肉功能障碍的结果，也可能由于骨关节功能的障碍，导致继发性肌肉活动异常。因此，动态肌电图对于这些问题的鉴别起关键作用。

3、方法 表浅肌肉一般采用表面电极，置放于接近肌腹，同时与相临肌肉距离最远的部位。。深部肌肉可以采用植入式线电极，其导线表面有绝缘物质覆盖，导线两端裸露，一端与肌肉接触，另一端与肌电图仪连接。

----来源作者： 励建安---