2.1   足底压力与步态分析   步行是人类基本的功能活动方式之一，是在保证支撑稳定性的同时，利用一系列复杂的肢体运动使身体向前移动。步态周期是行走时一侧足跟着地到该侧足跟再次着地的过程，常分为支撑相和摆动相。步态分析是利用力学原理、人体解剖学和生理学知识对人体行走状态进行对比分析的一种研究方法。步态分析包括定性分析和定量分析，定量分析目前主要有3种技术：计算机视觉技术、压力传感技术(足底压力系统)和可穿戴技术(可穿戴式传感器系统)，见图3。"

足底压力分析是步态定量分析的研究重点[6]。据报道，1882年，有研究首次对足底压力进行了研究，到了20世纪50年代，足底压力技术才应用于临床。足底压力数据承载着重要的行走信息，随着足底压力仪器的变革，告别了原始的足印法，以压力传感器为核心的压力测试仪器大量涌入，目前足底压力系统主要分为平板系统和鞋垫/鞋内系统，平板系统分析压力时外界干扰较小，但测量面积小且每次测量只能有限地分析一两个步态，而鞋垫/鞋内系统能连续测试步态并实时监测，但分析压力时外界干扰较大，美国Tekscan公司的F-scan系统和比利时Footscan公司的平板系统以及德国Novel公司的Emed平板系统和Pedar鞋垫系统应用较为广泛。足底压力测量系统的优缺点，见表1。 "

随着测量技术不断的发展成熟，临床上对于足底的分区方法多达数十种，目前较常见的分区是将足底分为10个区域[7]：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)，中足(Midfoot)，足跟内侧(Heel Medial，HM)，足跟外侧 (Heel Lateral，HL)。另外将步态周期的支撑相分为5个时刻(足跟触地、前足触地、前后足支撑、足跟离地和足尖离地)和4个时相阶段：足跟触地阶段(initial contact phase，ICP)、前足触地阶段(forefoot contact phase，FFCP)、全足支撑阶段((foot flat phase，FFP)和前足蹬离阶段(forefoot push off phase，FFPOP)[8]。足底压力分析的测试参数有：压力、压强、接触面积、压力-时间积分、支撑相时长、足底压力中心轨迹等，国内外研究较多的足底压力参数包括峰值压力和压力中心轨迹[9]。 足底压力测量系统一般由压力传感器、数据线和系统自带分析软件组成，鞋垫/鞋内系统要求受试者穿戴好测试仪器，以平时的步态行走，数据同步传输到分析软件中。平板系统要求受试者脱去鞋袜，同样以平时的步态走过力板，数据同步传输到分析软件中。 目前利用足底压力仪器对患者进行步态分析的研究主要针对的受试者人群是糖尿病足和扁平足等病理足患者[10-11]。人体正常步行是消耗能量最小的节律性、平滑的移动，正常行走过程中下肢协调运动，在重力的作用下，足会受到地面在垂直方向上的反作用力，当人体结构或状态发生变化时，足底压力分布也会随之变化。所以膝关节损伤后步态的改变同样能从足底压力分析中反映，目前采用足底压力仪器进行步态分析的膝关节疾病主要包括前交叉韧带损伤[7，12]、前交叉韧带重建术后以及膝骨关节炎[13-16]。 2.2   足底压力仪器在前交叉韧带损伤患者步态分析中的应用    2.2.1   足底压力时相特征方面   相关研究发现单侧前交叉韧带断裂患者步行时的足底压力时相特征出现异常[7，12，17]。 与健侧相比，患者患侧足跟触地阶段、全足支撑阶段和支撑相总时长显著缩短，而前足蹬离阶段显著延长[7，17]。患侧支撑相总时长显著缩短，表明患者为了避免疼痛和膝不稳而代偿性采用以健侧负重为主的步态，这在患者中经常能看到。杜天舒等[7]发现与正常对照组相比，前交叉韧带损伤患者双侧足足跟触地阶段、全足支撑阶段均显著缩短，而前足触地阶段、前足蹬离阶段和支撑相总时长均显著延长。术后患者两侧肢体支撑相总时长均高于正常对照组，这可能与术后患者步速降低有关，因为步行速度较低可减少关节负荷，并为主动控制膝关节运动提供更多时间。另外有研究认为健侧足底压力时相特征发现改变可能与患者在自选速度行走时都力求步态对称有关[18]，因为该研究观察到患者两侧足底压力时相特征的改变一致。而HUANG等[12]采用了不同于足底压力软件自带的步态时相特征，同样发现与正常对照组相比，患侧前足蹬离阶段和双侧足支撑相总时长显著延长，而与健侧相比，患侧前足蹬离阶段显著延长，足支撑相总时长显著缩短。不同的是他们将前足接触阶段和全足支撑阶段合并为一个时相阶段，并且发现与正常对照组相比，这一时相阶段显著降低。另外，足底压力时相特征方面的改变还与肌肉收缩能力下降以及避免前交叉韧带承受较大应力有关[12，19]，杜天舒等[7]和黄红拾等[14]认为在足跟触地阶段，膝关节接近伸直位，胫骨受到的剪切力主要是股四头肌收缩所提供的前向剪切力，这会增加膝关节不稳，而在全足支撑阶段，黄红拾认为胫股关节轴向压力的增加也会导致膝关节不稳，所以患者为了减少患侧膝不稳而降低了这两个时相阶段。另外，HUANG等[12]认为在前足蹬离阶段由于髌腱和腓肠肌提供的前向剪切力几乎被地面反作用力的后向分量所平衡，所以前交叉韧带受到的剪切力较小，患者适应性地延长此阶段来弥补前几个时相阶段的降低。 2.2.2   足底负荷方面   除此之外，相关研究还发现前交叉韧带损伤侧全足和足跟负荷显著降低[7，12，20-21]，而中足负荷显著增高[12，21]。 文章发现患者患侧全足负荷显著降低，这与以往发现的前交叉韧带损伤患者患侧垂直地面反作用力峰值降低一致[22]，步速与足底压力负荷呈正相关[23]，所以全足负荷的显著降低与前交叉韧带损伤患者步速变慢有关。TSUBOYAMA等[24]发现膝关节伸肌无力导致患者支撑相早期足后跟负荷降低，这可能是导致足跟负荷降低的原因。有研究发现足跟负荷的降低与观察到的足底压力时相特征改变相一致，患者通过缩短足跟触地阶段而减少了足跟的负重，但患者前足蹬离阶段的延长却并没有发现前足负荷相应增高，这可能与肌肉力量下降导致的蹬离阶段力量不足有关，而中足负荷显著增高可能与患侧纵弓下降增加而致足扁平有关[25]。除了观察整个支撑相内足底压力的变化，HUANG等[12]还计算了不同时相阶段的足部内外侧压力比，发现与正常对照组相比，患侧足跟触地阶段的足跟内外侧压力比显著降低，这表明患侧足跟外侧压力增高，即足部旋后增加。有趣的是，以往研究已经表明前交叉韧带损伤可能与足部过度旋前有关[26]，而患者在发生损伤后，可能通过自身调整来避免再次损伤的发生。MITTLMEIER等[20]在研究了前足内外侧负荷比之后，并未发现患侧与健侧有差异，他们还发现患侧足部总冲量百分比(占健侧的百分比)与60 (°)/s等速测试下的股四头肌肌力缺陷百分比(占健侧的百分比)有显著相关性，提示股四头肌力量对称性对步态足部负荷对称性有预测作用，考虑到肢体负荷不对称性与前交叉韧带重建术后膝骨关节炎发生有关[27]，通过提高患侧股四头肌力量而降低肢体间股四头肌的不对称性可能会降低膝骨关节炎的发生率。但最近一项研究并未发现股四头肌力量对称性与步态生物力学对称性有相关性[28]，文章认为这可能与肌肉评估模式不同有关，这项研究评估了股四头肌等长峰值力矩的对称性，而肌肉在等速条件下的评估可能更能反映动态活动。 2.2.3   足底压力中心方面   SUGAWARA等[29]发现对于损伤侧属于优势侧肢体的患者来说，前交叉韧带损伤组和正常对照组各项压力中心指标相比均无差异；而对于损伤侧属于非优势侧肢体的患者来说，前交叉韧带损伤组足底压力中心百分比、足底压力中心轨迹面积百分比和足底压力中心最大振幅值均显著低于正常对照组，这表明优势侧肢体在损伤后更容易恢复，但患者的非优势侧损伤更多，压力中心能够反映平衡能力，对于前交叉韧带损伤侧属于非优势侧肢体的患者，其压力中心转移能力即平衡能力要弱于正常人的非优势侧，所以应该对非优势侧损伤患者进行更进一步的平衡训练。另有学者计算了不同时相阶段的足底压力中心，发现患侧/健侧与正常对照组相比，压力中心在前后方向上均有差异，而在中外方向上无显著差异[12]，进一步表明患者压力中心向前转移存在缺陷，这与观察到的降低足跟负重时间，将负重快速转移到前足有关。虽然足底压力分析能够直观且迅速地得到患者步态相关数据，但如果面对大量的足底压力数据时，同样会带来较大的工作量和难度，所以一些学者考虑应用数学模型对足底压力数据进行分析处理，目前涉及的参数主要是足底压力中心参数。李晓理等[30]采用极限学习机神经网络聚类算法对前交叉韧带损伤患者的足底压力中心数据进行聚类分析，发现结果与临床诊断有比较好的一致性，而从仿真结果来看，使用FCM和SVM机器学习对足底压力中心数据进行聚类和识别分析的结果同样是可以接受的[31]。另外，还有学者建立了足底压力图像与前交叉韧带断裂的关系，发现模型诊断前交叉韧带断裂的正确率超过90%，且诊断过程只需3 s[32]。应用数学模型具有时间短、效率高、操作简单的优点，甚至不需要专业医务人员操作，给诊断疾病提供了新的思路，但目前只能作为临床上的辅助诊断，未来研究如果能够将更多足底压力参数进行模型分析，可能会进一步提高诊断疾病的准确性。 作者整理了足底压力仪器在前交叉韧带损伤患者步态分析中的主要研究成果，见表2。 "

2.3   足底压力仪器在前交叉韧带重建术后患者步态分析中的应用    2.3.1   足底压力时相特征方面   黄红拾等[14]对比了术前1周和术后6个月患者的足底压力时相特征，与术前相比，术后患侧足跟触地阶段显著缩短，健侧与患侧全足支撑阶段显著增高，最重要的是发现了术后支撑相各阶段对称性均有改善，但只有足跟触地阶段对称性有显著性差异。该研究观察到前交叉韧带重建术导致患侧足跟触地阶段显著降低，该研究之前已经发现前交叉韧带损伤患者为了减少膝不稳而缩短足跟触地阶段，这表明重建术并没有恢复患者正常的足底压力时相特征，而观察到的足跟触地阶段对称性的显著改善意味着健侧足跟触地阶段也出现降低。虽然该研究不清楚这种术后改变最终对于患者是否有利，但从肢体对称性方面来说这种改善是有利的，因为术后早期膝骨关节炎的发生、发展与步态不对称有关[27]。另外，李玉周等[13]研究了重建后6-8周患者的足底压力时相特征，发现与健侧相比，患侧全足支撑阶段显著增高，前足蹬离阶段显著降低。而与正常对照组相比，患侧足跟触地阶段和前足蹬离阶段显著降低，支撑相总时长显著增高。健侧与正常对照组相比，前足触地阶段和支撑相总时长显著增高。 前交叉韧带重建术还改变了患者患侧全足支撑阶段和前足蹬离阶段的时相特征，与之前发现的前交叉韧带损伤患侧时相特征相反，前交叉韧带重建术改善了患者的膝不稳，这可能解释了在术后患者中观察到的患侧前足蹬离阶段的显著降低，但不幸的是，研究发现患侧前足蹬离阶段与正常对照组相比，仍有显著差异。从支撑相总时长来看，研究发现术后两侧肢体仍高于正常对照组，这与术后早期患者步速较慢有关，同前交叉韧带损伤患者足底压力时相特征相一致，不同的是患侧支撑相总时长与健侧支撑相总时长在术后显示无显著差异，这表明前交叉韧带重建术改善了患侧承重能力，患者两侧肢体负重时间一致。术后早期重建的组织和韧带需要愈合过程，存在疼痛和本体感觉缺失现象，随着组织的恢复、康复的进行以及其他韧带、肌肉和肌腱的代偿，膝关节功能逐渐恢复，这可能解释了在前交叉韧带重建术后1年患者中并未观察到患者两侧足底压力时相特征有显著差异的原因[33]，见表3。 "

因此，尽管术后早期改变没有向着正常人水平进展，这可能与股四头肌无力、疼痛等有关，但重要的是，术后显著改善了肢体时相特征的对称性，使步态更加协调。 2.3.2   足底负荷方面   MITTLMEIER等[20]在术后6周发现与健侧比，患侧后足冲量显著降低，前足冲量显著增高，冲量是力与其作用时间的乘积，这表明患侧负荷向前足转移增多，这与李玉周等[13]在术后6-8周的研究结果一致，可能与患者股四头肌无力以及尽可能降低疼痛而做出的适应性改变有关[24]。足跟触地阶段，膝关节接近伸直位，这时足部负荷直接向上传递到膝关节，而患者关节负荷吸收能力下降，并且足跟触地阶段膝关节屈曲角度增大[34]，这时关节负荷转移到不常受力的软骨区，这可能是导致膝骨关节炎的诱因，所以患者可能通过降低足跟负荷来缓解膝关节受损的负荷吸收能力，因为该研究在膝骨关节炎患者行走过程中同样发现足跟负荷相对于前足出现降低[35]。除此之外，研究还发现与正常对照组相比，患侧足跟外侧压强显著降低[13]，只观察到足外侧负荷降低表明足跟受力向内侧偏移，表明足部旋前增加。考虑到足部过度旋前已被认为可能是前交叉韧带损伤的风险因素[26]，所以这可能是前交叉韧带重建术后患者仍存在很高的二次损伤风险的原因[36]，而MITTLMEIER等[20]在术后患者中并未发现患侧与健侧的前足内外侧负荷比有差异。随着术后时间的推移和康复的进行，发现足底负荷大小以及对称性都有显著改善，在术后6周发现的患侧与健侧负荷的差异，在术后12周和24周并未观察到[20]；另外他们还发现与术后6周相比，术后12周双足冲量不对称性显著改善，另有学者发现重建术后14.5个月患侧足跟负荷较术前显著增加[21]，且与正常对照组无差异。术后1年以上患者的两侧足部负荷并未发现差异，这与术后1年以上患者观察到的两侧支撑相总时长无差异相一致[33]，这些结果均表明术后1年以上患者步态对称性出现显著改善。异常负荷已被认为是前交叉韧带重建术后患者膝骨关节炎高发生率的重要风险因素[37]，显著改善的足部负荷可能有助于延缓膝骨关节炎的发生和发展。有研究还发现无论前交叉韧带损伤患者是否经历过重建手术，患侧足部旋转与健侧相比均无差异[20]，但这并不代表患侧足部旋转正常，因为在步行过程中同样发现健侧生物力学发生异常改变，并且与正常人相比，已有研究观察到患侧足部旋转存在异常[12-13]，这种足部旋转异常需要引起重视，尤其在术后患者中发现的患侧足部过度旋前与前交叉韧带损伤有关。 "