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励建安临床步态分析
励建安临床步态分析
临床步态评估
步态是步行的行为特征。
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。
近10年来计算机技术的发展促进了步态数据处理和分析能力,极大地推动了步态分析的发展和临床应用。
第一节正常步态
一、基本概念
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。
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(重力方向),以及充分的支撑面(足的位置)。
(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。
二、步态周期
1、支撑相
足接触地面和承受重力的时相,占步态周期的60%,包括:
(1)早期(earlystance):
包括首次触地和承重反应,正常步速时大约为步态周期的10%~12%。
首次触地是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。
首次触地的正常部位为足跟,参与的肌肉主要包括胫前肌、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。
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。
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。
双支撑相的时间与步行速度成反比。
跑步时双支撑相消失,表现为双足腾空。
首次触地时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。
(2)中期(midstance):
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态周期的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(terminalstance):
指下肢主动加速蹬离(pushoff)的阶段,开始于足跟抬起,结束于足离地。
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(toeoff)。
对侧足处于支撑相早期,属于双支撑相,约为步态周期的10%~12%。
踝关节保持蹠屈,髖关节主动屈曲,参与的肌肉主要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
足在空中向前摆动的时相,占步态周期的40%,包括:
(1)早期(initialswing):
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,占步态周期的13%~15%。
参与的肌肉主要为胫前肌、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(midswing):
足廓清仍然是主要任务,占步态周期的10%。
参与的肌肉主要为胫前肌,保持踝关节背屈。
(3)末期(terminalswing):
主要任务是下肢前向运动减速,准备足着地的姿势,占步态周期的15%。
参与的肌肉包括腘绳肌、臀大肌、胫前肌、股四头肌。
步态周期和时相与步行速度关系密切,在分析时必须加以考虑。
表1正常步态周期中主要肌肉的作用
肌肉
步态周期的作用
腓肠肌和比目鱼肌
支撑相中期至蹬离,首次触地
臀大肌
摆动相末期,首次触地至支撑相中期
腘绳肌
摆动相中期,首次触地至承重反应结束
髂腰肌和股内收肌
足离地至摆动相早期
股四头肌
摆动相末期,首次触地至支撑相中期
足离地至摆动相早期
胫前肌
首次触地至承重反应结束
足离地至再次首次触地
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右足
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支撑相
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摆动相
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早期
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中期
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末期
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早期
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中期
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末期
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双支撑
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[/td][td=1,1,59colSpan=2]
双支撑
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左足
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支撑相
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摆动相
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支撑相
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末期
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早期
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中期
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末期
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早期
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中期
[td=1,1,59colSpan=2]双支撑
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[/td][td=1,1,59colSpan=2]双支撑
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[td=1,1,590colSpan=20]
步态周期
050%100%
图1步态周期示意图
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。
从运动学角度,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的髖关节,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骨盆。
(3)骨盆侧移:
支撑相骨盆向支撑腿的方向侧移。
(4)重力中心纵向摆动:
重力中心在单足支撑相时最高,在双足支撑相时最低。
上下摆动距离一般为8~10cm。
(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。
步行时降低身体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(60度左右),摆动相中-后期踝关节背屈。
骨盆稳定性参与廓清机制。
支撑相对廓清机制的影响因素包括:
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舒适步行速度,即受试者最舒服和能量使用效率最高的步行方式。
其动力学特征如下(图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。
在康复治疗机理研究方面有较大的价值。
垂直GRF
左足右足
前后剪力
图2、步行动力学特征
第二节步态分析方法
一、临床分析
临床分析是步态评估的基础。
步态实验室的检查结果最终都必须与临床分析结合。
1、临床分析的内容
(1)病史回顾:
患者既往的手术、损伤、神经病变等病史对判断步态异常有重要参考价值。
例如小儿麻痹后遗症患者发病10~15年之后再度出现步态恶化,其原因既可以是儿麻后综合症所造成的神经肌肉功能恶化,也可以是下肢骨关节退行性改变造成的疼痛性步态,脊柱退行性改变或腰椎间盘病变造成脊髓神经压迫也是常见原因。
此外,老年性痴呆、下肢血管病变、帕金森氏综合症、糖尿病足病、痛风等同样可能是潜在的原因,心理功能障碍也可造成异常步态。
假肢和矫形器的设计与制作决定了截肢或瘫痪患者的步态特征。
(2)体格检查:
体检是研究步态的基础,侧重于神经反射(腱反射、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:
注意患者全身姿势,包括动态(步行)和静态(站立)姿势;步态概况,包括步行节律、稳定性、流畅性、对称性、身体重心偏移、手臂摆动、诸关节在步行周期的姿态与角度、患者神态与表情、辅助装置(支具、助行器)的作用等(表2)。
观察应该包括前面、侧面和后面,注意对称比较,注意疼痛对步态的影响。
患者要充分暴露下肢,并可以显示躯干和上肢的基本活动。
受试者一般采取自然步态,必要时可以使用助行器。
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(足矫形垫或支具),以改善异常,从而协助评估。
(4)诊断性治疗:
诊断性神经阻滞(采用利多卡因等局部麻醉剂),有助于鉴别肢体畸形的原因和指导康复治疗。
从肌肉动力学角度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。
表2步态临床观察要点
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步态内容
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观察要点
1.
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
2.
步行节律
节奏是否匀称
速率是否合理
3.
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
4.
肩、臂
塌陷或抬高
前后退缩
肩活动度降低
5.
躯干
前屈或侧屈
扭转
摆动过度或不足
6.
骨盆
前、后倾斜
左、右抬高
旋转或扭转
7.
膝关节
摆动相是否可屈曲活动
支撑相是否可伸直
关节是否稳定
8.
踝关节
是否可合理背屈和蹠屈
是否下垂、内翻或外翻
关节是否稳定
9.
足
足着地部位是否为足跟
足离地部位是否为足趾
是否稳定
10.
足接触面
足是否可以全部着地
两足之间距离是否合理
是否稳定
2、常见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。
原发性原因主要是中枢神经对肢体运动调节失控导致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,因此难以对步行运动同时进行多维方向全面观察。
(3)记忆局限:
人的记忆能力有限,难以对纵向变化进行客观和全面的对比分析。
(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。
由于临床观察的局限性,现代步态分析才得以发展,成为步态障碍评估的重要工具。
二、运动学分析
1、定义
运动学(Kinematics)是步行时肢体运动时间和空间变化规律的研究方法,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4~6m)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。
步行同时用秒表记录时间。
这种方式不需要复杂设备,但是十分耗时,所以实际临床应用很少。
可以获得的参数包括:
1)步长(Steplength):
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(steptime):
指一足着地至对侧足着地的平均时间,相当于支撑相早期和中期。
4)步幅(Stridelength):
指一足着地至同一足再次着地的距离。
国内也有称之为跨步长。
5)步行周期(cycletime):
指平均步幅时间(stridetime),相当于支撑相与摆动相之和
3)步频(cadence):
指平均步数(步/min),等于:
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),等于:
步幅÷步行周期。
7)步宽(walkingbase):
也称之为支撑基础(supportingbase),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(toeoutangle):
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。
通过有线或遥控方式将信息发送给主机测定。
这种装置十分简单,有一定的临床价值。
同时也是其它运动学和动力学研究必不可少的时间定位标志。
除了可以迅速获得上述与时间相关的参数外,还可以获得下列参数:
1)第一双足支撑相:
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)各时相在步态周期的比例。
(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3~4m,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,通过计算机分析,可以立即求出上述所有参数,在临床上已经逐渐成为主导方式。
电子步态可以制作为类似地毯式样,以携带到现场。
3、节段性运动测定
节段性运动测定是指对步行时特定关节或运动中心的多维动态分析,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,从而可以剖析运动障碍的具体环节和部位,以及各环节之间的关系。
进行节段性分析必须要能够分解受试者的动作,并同时从多维方向进行观察,因此必须使用必要的仪器。
常用的方式有:
(1)同步摄像分析:
最基本的方式是在4~8米的步行通道的周围设置2~4台摄像机,同时记录受试者正面、侧面步行的图象,并采用同步慢放的方式,将受试者较快的动作分解为较慢的动作,在同一屏幕显示,从而使检查者可以获得两维图象,进行动作特征分析。
(2)三维数字化分析:
通过2~6台检测仪(数字化检测仪或高速摄像机)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3)。
同一标记物被两台检测仪同时获取时,计算机即可进行三维图象重建和分析。
其输出结果包括:
数字化重建的三维步态、各记录关节的屈/伸、内收/外展和内旋/外旋角度变化、速率和时相(图4)。
关节标记物分为主动和被动两种。
主动标记物:
标记物主动发射红外线信号。
被动标记物:
标记物反射检测仪发出红外线信号。
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:
基本原理是闭链系统的关节角度动态变化可以反映运动特征,并可以重建运动模式。
具体方法是采用特制的关节角度计固定于被测关节,记录关节活动时角度计的改变,转换为数字信号后可用计算机重建步态。
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,对于髋关节的活动难以处理。
C5
C2
C3
C4
C1
C6
EMG
压力板
步态垫
中心处理计算机
步行通道
图3、三维数字化步态分析系统示意图
C1-C6指摄象机或数字化记录仪
膝关节
髋关节
踝关节
步态周期时间
图4、1例正常人步行时侧面髋、膝、踝关节角度变化趋势
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:
步行时人体的重力和反作用力(GRF)可以通过测力平台记录,并分析力的强度、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,测定站立或步行时受试者足底受力分布及重心移动的静态或动态变化,从而有助于理解患者足的应力状态,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测定多块肌肉电活动,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
(1)电极:
对于表浅的肌肉一般采用表面电极。
对于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,导线的两端裸露,一端与检测的肌肉接触,另一端与肌电图仪连接。
(2)部位:
表面电极一般置放于接近肌腹,同时与相临肌肉距离最远的部位(减少干扰)。
(3)肌肉:
通常检测的下肢肌肉包括:
腓肠肌、比目鱼肌、胫前肌、屈趾长肌、屈拇长肌、屈趾短肌、屈拇短肌、腓骨长肌、腓骨短肌、伸趾长肌、伸拇长肌、伸趾短肌、腘绳肌、阔筋膜张肌、缝匠肌,股四头肌、内收肌、臀大肌、臀中肌、髂腰肌、竖躯干肌。
第三节病理步态
一、分类
1、支撑相障碍
下肢支撑相属于闭链运动,足、踝、膝、髋、骨盆、躯干、上肢、颈、头均参与步行姿势。
闭链系统的任何改变都将引起整个运动系统的改变,例如足踝病变可以引起头的姿势异常,同样头颈姿势的异常也可以导致整个步态的改变;相对而言,远端承重轴(踝关节)对整体姿态的影响最大。
(1)支撑面异常:
足内翻、足外翻、单纯踝内翻和踝内翻伴足内翻、单纯踝外翻和踝外翻伴足外翻、足趾屈曲、拇趾背伸。
(2)肢体不稳:
由于肌力障碍或关节畸形导致支撑相踝过分背屈、膝关节屈曲或过伸、膝内翻或外翻、髋关节内收或屈曲,致使肢体不稳。
支撑面异常也是肢体不稳的重要诱因。
(3)躯干不稳:
一般为髋、膝、踝关节异常导致的代偿性改变。
2、摆动相障碍
摆动相属于开链运动,各关节或肢体可以有相对孤立的姿势改变,但是往往引起对侧处于支撑相的下肢姿态发生代偿性改变;相对而言近端轴(髋关节)的影响最大。
(1)肢体廓清障碍:
垂足、膝僵硬、髋关节屈曲受限、髋关节内收受限。
(2)肢体行进障碍:
膝僵硬、髋关节屈曲受限或对侧髋关节后伸受限、髋关节内收。
二、常见异常步态
异常步态可以孤立存在,也可以组合存在,构成复杂的临床现象。
下述分类可以作为临床判断的参考。
1、足内翻最常见的病理姿态,多见于上运动神经元病变患者,常合并足下垂和足趾卷屈。
步行时足跟触地部位由正常的足后跟改变为足前外侧部,重力主要由足前外侧缘,特别是第五蹠骨基底部承担,常有承重部位疼痛。
足内翻通常在支撑相持续存在,导致踝关节不稳,进而影响全身平衡。
支撑相早期和中期由于踝背屈障碍,导致胫骨前向移动受限,从而促使支撑相末期膝关节过伸,以代偿胫骨前移不足。
由于膝关节过伸,足蹬离力降低,使关节做功显著下降。
此外髋关节也可发生代偿性屈曲。
足内翻常导致患肢摆动相地面廓清能力降低。
步态障碍患者纠正足内翻往往是改善步态的第一要素。
与足内翻畸形相关的肌肉包括:
胫前肌、胫后肌、趾长屈肌、腓肠肌、比目鱼肌、拇长伸肌和腓骨长肌。
其中胫前肌、胫后肌、腓肠肌和比目鱼肌过分活跃较常见,拇长伸肌过度活动也有关联。
如果难以鉴别胫前肌和胫后肌与足内翻的关系,可以采用胫神经利多卡因诊断性封闭。
2、足外翻骨骼发育尚未成熟的儿童或年轻患者多见(例如脑瘫),表现为步行时足向外侧倾斜,支撑相足内侧触地,可有足趾屈曲畸形。
可以导致舟骨部位胼胝生成和足内
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