脑卒中偏瘫患者膝过伸步态与下肢肌肉激活功能的相关性

徐翰林，胡国炯，郑绍城，曾晓文，曾宪华，邵文启

1.同济大学附属养志康复医院（上海市阳光康复中心），上海市 201613；
2.浙江康复医疗中心，浙江杭州市 310052

脑卒中是一个全球性健康问题[1]。独立步行是脑卒中患者主要康复目标之一[2]。步行时，脑卒中患者会表现出异常步态，这与中枢神经受损后的代偿策略有关[3]。膝过伸是脑卒中后常见的异常步态，严重影响患者步行速度和效率[4]。

膝过伸是指在步行的单支撑相，股胫关节在矢状面上出现过度伸展，膝关节伸展角度超过中立位[4]。膝过伸可以在单支撑相，通过锁定膝关节保持膝关节稳定，达到独立步行[5]。但膝关节锁定后，会增加躯干前倾，身体重心快速前移，影响患者步行稳定性[6]。支撑相膝过伸还会导致膝关节在摆动相时难以屈曲，足廓清困难，从而增加能量消耗，影响患者步行耐力[7]。长期膝过伸甚至会引起膝关节后囊和前交叉韧带松弛，诱发膝关节慢性疼痛，降低日常生活能力[8-9]。

约40%～68%的脑卒中患者存在膝过伸[10]。膝过伸的原因尚无定论，伸膝肌激活度较低、伸膝肌离心控制较差、股四头肌和踝跖屈肌痉挛、腘绳肌无力和本体感觉障碍都可能是导致膝过伸的原因[9,11-13]。Santos等[14]发现，弱化伸膝肌、增强屈膝肌，可以改善膝关节过伸步态。限制踝内翻也可以降低膝过伸角度，改善膝过伸步态[5]。Sijobert 等[15]发现，基于传感器的多通道功能电刺激作用于膝关节周围肌群，可以有效控制脑卒中患者膝关节角度。Geerars 等[4]发现，膝关节本体感觉强化也可以改善膝关节过度伸展。

光学三维步态分析系统可以量化步态的时空和运动学参数[16]，表面肌电可以反映运动过程中肌肉激活状况[17]。膝过伸步态涉及步行时空和运动学参数改变[18]。从生物力学角度看，相邻关节间存在相互影响，骨盆、髋和踝关节运动均会影响膝关节的时空和运动学参数[19]。本研究通过三维运动捕捉系统结合无线表面肌电采集系统，对脑卒中患者和健康人膝过伸步态在步行时骨盆、髋、膝、踝关节矢状面运动学数据，以及下肢肌肉肌电数据进行对比研究，探究脑卒中患者膝过伸时过伸角度与下肢肌肉激活度的相关性。

1.1 一般资料

2020 年8 月至2021 年7 月，在同济大学附属养志康复医院(上海市阳光康复中心)神经康复科住院的伴膝过伸的脑卒中患者24例作为试验组，均符合“中国各类主要脑血管病诊断要点2019”脑卒中诊断标准[20]，经头颅CT 或MRI 检查确诊；
同时符合Geerars等[4]提出的膝过伸诊断标准，单支撑相膝关节角度＜ 0°。

试验组纳入标准：①首次发病，并发偏瘫；
②年龄18～70岁；
③病程＜ 2年；
④病情稳定，能独立或借助拐杖步行50 m 以上；
⑤知情同意并签署知情同意书。

试验组排除标准：①严重基础疾病，不能耐受；
②下肢骨骼肌肉系统疾病，如开放性骨折或创伤伤口未愈合、骨关节疼痛等；
③交流困难、认知障碍，不能配合。

2020 年8 月至2021 年9 月，选取在同济大学附属养志康复医院(上海市阳光康复中心)工作，与试验组性别、年龄、身高、体质量匹配的员工、护工和患者家属24例作为对照组，均符合膝过伸诊断[4]。

对照组纳入标准：①听力正常，无明显认知障碍；
②可独立步行50 m以上；
③知情同意并签署知情同意书。

对照组排除标准：①存在明显精神疾病；
②并发其他影响步行功能的疾病，如心肺功能不全、神经系统疾病、肌肉骨骼疾病等。

两组间性别、年龄、身高、体质量、体质量指数(body mass index,BMI)均无显著性差异(P＞ 0.05)。见表1。

表1 两组基线资料比较

本研究经同济大学附属养志康复医院(上海市阳光康复中心)伦理委员会批准(No.YZ2020-058)，所有受试者均签署知情同意书。

1.2 方法

采用Vicon 三维运动捕捉系统(英国VICON MOTION SYSTEMS 公司)，包含8 个MX T40-S 红外摄像头，图像采样频率100 Hz，plug-in-gait 改良模型[21]。21个反光球粘贴于髂前上棘、髂后上棘和第二骶骨棘突、股骨内侧髁、股骨外侧髁和大腿外侧中线下1/3、踝关节内侧和外侧踝、腓骨小头和外侧踝连线中点下1/3、第二跖骨头，以及与第二跖骨头水平平行的足跟部[22]。

采用16 通道UItium 无线表面肌电采集系统(美国NORAXON 公司)，采样频率2000 Hz。与Vicon 三维运动捕捉系统间用外同步线连接，实现双系统数据同步采集。根据SENIAM 表面肌电采集指南，选择双侧臀大肌(骶椎和大转子连线中点，大转子上方臀部最凸出的肌肉上，电极方向从髂后上棘到大腿后面方向)、股二头肌(坐骨结节与胫骨外侧髁连线中点，电极方向与坐骨结节-胫骨外侧髁连线平行)、股内侧肌(髂前上棘和髌内侧韧带关节缝连线远端，电极方向与髂前上棘-髌内侧韧带关节缝连线垂直)、腓肠肌内侧头(最突出鼓起的肌腹处，电极方向与胫骨平行)进行肌电采集。

反光球和表面肌电的定位和固定由同一名治疗师完成。

受试者着运动短裤，充分暴露腰部(髂后上嵴以上)、大腿中段及以下部位。反光球和表面肌电固定后，受试者按照试验流程先熟悉采集运动要求及过程。受试者站在试验室中心位置，双脚与肩同宽，双上肢自然放在身体两侧，维持3 s，采集静态数据，用于确定膝关节和踝关节轴心。适配采集模型完成静态数据采集后，取掉双侧内踝、双侧股骨内侧髁的反光球，受试者以舒适速度来回沿着10 m走道行走，至少30 s。以能完全采集至少3 个连续步态周期为有效数据，至少采集3次有效数据。

1.3 数据处理

随机选取有效数据中的3 个步态周期，采用Vicon Nexus 软件进行运动学计算，提取患侧单支撑相骨盆、髋、膝和踝关节矢状面运动学数据。肌电数据使用Noraxon 软件进行整流、滤波(20～450 Hz)、均方根平滑(窗口50 ms)、最大值幅度归一化[23]。提取患侧3个步态周期的支撑相数据进行平均化。

对照组提取配对患者的对应侧下肢支撑相数据做相同处理。

记录单支撑相膝过伸角度最大时，骨盆、髋、膝、踝在矢状面上的角度，以及此时目标肌肉的激活度。

1.4 统计学分析

采用SPSS 26.0 进行统计学分析。计量资料符合正态分布，以()表示，组间比较采用独立样本t检验。计数资料以频数表示，采用χ2检验。步态参数与肌电数据间相关性分析采用双变量(Bovariate)分析。显著性水平α=0.05。

2.1 运动学参数和肌肉激活度

两组膝过伸角度最大时，骨盆、髋、踝倾角均有非常显著性差异(P＜ 0.01)。见表2。两组膝过伸角度最大时，试验组臀大肌、股内侧肌和股二头肌激活度高于对照组，腓肠肌内侧头激活度明显低于对照组(P＜ 0.01)。见表3。

表2 两组单支撑相膝过伸角度最大时各关节倾角 单位：°

表3 两组单支撑相膝过伸角度最大时下肢目标肌肉激活度比较 单位：%

2.2 相关性分析

膝过伸角度最大时，试验组膝过伸角度与该时刻臀大肌激活度呈明显负相关(P＜ 0.01)；
两组膝过伸角度与踝关节跖屈角度呈显著正相关(P＜ 0.001)。见表4。

表4 两组单腿支撑相膝最大过伸角度与目标肌肉激活度及关节角度的相关性

本研究显示，脑卒中膝过伸患者在膝关节过伸角度最大时，踝跖屈角度、髋屈曲角度、骨盆前倾角度，以及臀大肌、股内侧肌、股二头肌激活度高于存在膝过伸的健康人，腓肠肌内侧头激活度较低。脑卒中膝过伸患者单腿支撑相膝过伸最大角度越小，臀大肌激活程度越高。同时，无论患者还是健康人，膝过伸最大角度越大，踝跖屈角度越大。

相比于膝过伸健康人，脑卒中膝过伸患者臀大肌激活度影响膝过伸角度。臀大肌是伸展髋关节的主要肌群。在支撑相，臀大肌收缩，稳定骨盆，抑制躯干前倾，维持髋关节于伸展位，维持步行稳定[24]。脑卒中后臀大肌肌力不足，常被认为是步行时伸髋受限的重要原因[25]。由于伸髋不充分，支撑相初期身体重心过度前移，地面反作用力位于膝关节前方，股骨相对于胫骨向前滑动，从而导致膝关节过伸[26]。脑卒中患者为维持步行时伸髋稳定，激活更多臀大肌可理解为一种适应性策略[27]。徐光青等[28]也发现，伸髋受限是影响脑卒中患者步行中躯干稳定性的主要因素。

膝关节运动与踝关节活动密切相关[29]，足跖屈是导致膝过伸的原因之一[11]。当压力中心前移到足前掌时，下肢力线前移越过膝关节，使膝关节过伸，以稳定下肢[30]。本研究发现，膝过伸患者和健康人踝跖屈角度均与膝过伸角度正相关，而脑卒中患者足跖屈角度更大。小腿三头肌挛缩是脑卒中患者足跖屈的主要原因之一[31]。姜亚斌等[32]认为，下肢肌肉挛缩后，表面肌电呈低信号，肌肉激活度较低。本研究发现，脑卒中膝过伸患者腓肠肌内侧头肌肉激活度低，可能由于小腿三头肌挛缩导致患者足跖屈增加，从而膝过伸更大。

膝过伸人群中，踝跖屈角度与膝过伸角度相关，小腿三头肌挛缩可能是导致脑卒中膝过伸患者踝跖屈角度过大的重要原因。提示临床可采取相应康复措施。

本研究未限定受试者的步行速度，步速可能影响受试者对膝关节的控制能力。有待进一步研究完善。

脑卒中膝过伸患者步行时，膝过伸与臀大肌激活程度相关。临床可考虑增加臀大肌肌力改善膝过伸。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。