膝骨關(guān)節(jié)炎患者步態(tài)動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)分析

李偉 周敬濱 陶增羽 李國(guó)平

1上海體育學(xué)院（上海 200438） 2國(guó)家體育總局運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究所

骨性關(guān)節(jié)炎（OA）是中老年人群的多發(fā)病和高發(fā)病，其中又以膝關(guān)節(jié)OA（KOA）的發(fā)病率最高，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。目前對(duì)其發(fā)病機(jī)理的相關(guān)生物力學(xué)臨床研究較廣泛，已成為國(guó)內(nèi)外運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)界的研究熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)代三維步態(tài)分析系統(tǒng)使精確測(cè)量下肢動(dòng)態(tài)生物力學(xué)指標(biāo)成為現(xiàn)實(shí)，并且具有操作簡(jiǎn)便、無(wú)創(chuàng)傷性和數(shù)據(jù)詳實(shí)的特點(diǎn)，為骨科生物力學(xué)研究和客觀評(píng)價(jià)治療效果提供了可靠依據(jù)和工具。利用其對(duì)代償步態(tài)的分析來(lái)揭示KOA患者的發(fā)病機(jī)制的研究也越來(lái)越多。但由于KOA的力學(xué)發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，不區(qū)分患者類型的步態(tài)分析不能準(zhǔn)確反映膝關(guān)節(jié)步行時(shí)各關(guān)節(jié)面的力學(xué)改變。如有的研究對(duì)象樣本量較少［1-3］，有研究KOA患者類型和病情不同，忽視了患者膝關(guān)節(jié)不同部位病變產(chǎn)生的相應(yīng)力學(xué)改變的差異而采用統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)［4-7］，以及研究設(shè)備各異與研究方法簡(jiǎn)單等，導(dǎo)致有價(jià)值的研究成果不多，且爭(zhēng)議較多。

因此本實(shí)驗(yàn)利用現(xiàn)代步態(tài)分析手段，測(cè)試了不同病情的脛股關(guān)節(jié)KOA患者膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)面負(fù)荷的差異，觀察其下肢各關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)變化，并分析患者代償性步態(tài)變化的生物力學(xué)機(jī)制，為相關(guān)康復(fù)治療及其療效評(píng)價(jià)提供客觀依據(jù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)象

雙膝脛股關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)面OA患者60名。納入標(biāo)準(zhǔn)：符合美國(guó)類風(fēng)濕學(xué)會(huì)KOA診斷標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)間隙相比外側(cè)狹窄；具備反饋術(shù)后感受能力，包括原有膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷的患者。排除標(biāo)準(zhǔn)：先前有其他感染性關(guān)節(jié)疾病者及伴有髕股關(guān)節(jié)OA者，以及OA以外病癥和診斷模糊者。

根據(jù)K/L分級(jí)，將60名OA患者分成輕型患病組（less severe KOA，LKOA）和重型患病組（more severe KOA，MKOA）兩組，每組30名。另外選擇年齡、性別、體重、身高與患病組相當(dāng)?shù)?0名正常人作為正常對(duì)照組（control subjects，CON）。受試者一般資料見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象一般資料

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)在國(guó)家體育總局運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究所三維動(dòng)作分析實(shí)驗(yàn)室完成。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括三維運(yùn)動(dòng)動(dòng)作分析系統(tǒng)和測(cè)力臺(tái)。動(dòng)作分析系統(tǒng)（VICON MX13 motion analysis system，OxfordMetricsLTD，Oxford，UK） 包括 VICON MX13主機(jī)、MX net集成器和6架高速三維攝像機(jī)。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象在長(zhǎng)約12米的木質(zhì)地板步態(tài)分析區(qū)域進(jìn)行自由、自主、無(wú)暗示行走測(cè)試。測(cè)量前校正系統(tǒng)、采集靜態(tài)數(shù)據(jù)并貼記標(biāo)記點(diǎn)等。選取符合要求的3次穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果。運(yùn)用Polygon2.4軟件和Bodybuilder3.6分析軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù)。選取步態(tài)周期中有代表性的特征點(diǎn)，觀察步態(tài)周期中各指標(biāo)的變化曲線并進(jìn)行分析。所測(cè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括矢狀位和冠狀位的關(guān)節(jié)相對(duì)力矩（以下統(tǒng)稱為力矩）以及膝關(guān)節(jié)受力。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 動(dòng)力學(xué)參數(shù)（表2）

2.1.1 矢狀位力矩

LKOA組與MKOA組支撐末期最大屈髖力矩均顯著大于對(duì)照組（兩組均為P<0.05）。其余矢狀位力矩指標(biāo)均無(wú)顯著性差異。

2.2.2 冠狀位力矩

支撐早期，LKOA組與MKOA組膝關(guān)節(jié)最大外展力矩比CON組顯著增加（P<0.001），且LKOA組顯著大于MKOA 組（P<0.05）。

支撐中期，MKOA組膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第1峰值（最大內(nèi)收力矩）顯著大于 LKOA組（P<0.05）和 CON組（P<0.001）；支撐末期，LKOA組膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第 2峰值（0.34±0.6）顯著低于 CON 組（0.41±0.5）（P<0.05）。

MKOA組髖關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第1峰值（0.68±0.6）顯著低于 CON 組（0.74±0.5）（P<0.05），MKOA 組髖關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第 2峰值（0.85±0.5）顯著低于 CON組（0.93±0.5）（P<0.001）。

支撐末期，LKOA組與MKOA組踝關(guān)節(jié)最大內(nèi)翻力矩均顯著小于CON組（P<0.05）。

表2 支撐期下肢關(guān)節(jié)冠狀位與矢狀位力矩及關(guān)節(jié)應(yīng)力

2.2 膝關(guān)節(jié)受力情況（表2）

MKOA組支撐期最大地面反作用力顯著大于CON組（P<0.001）和 LKOA 組（P<0.05），而 LKOA 組與 CON組間也存在顯著差異（P<0.01）。

3 討論

脛股關(guān)節(jié)解剖特點(diǎn)不同于其它滑膜關(guān)節(jié)，如髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。因?yàn)榘朐掳逶黾恿嗣劰呛凸晒堑膬?nèi)外側(cè)軟骨的接觸面積，其間韌帶主要起引導(dǎo)關(guān)節(jié)活動(dòng)的作用，而周圍肌肉則穩(wěn)定關(guān)節(jié)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)姿勢(shì)。這種雙髁結(jié)構(gòu)使膝關(guān)節(jié)對(duì)更年期相關(guān)的急性和慢性機(jī)械環(huán)境的改變尤其敏感。對(duì)此雙髁關(guān)節(jié)施加一內(nèi)收或外展力矩，會(huì)把實(shí)際關(guān)節(jié)接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)移至一面，而增加單側(cè)關(guān)節(jié)面的負(fù)荷。故對(duì)于合并髕股關(guān)節(jié)OA者，其步態(tài)機(jī)制涉及多維度動(dòng)力學(xué)的交互作用，不能準(zhǔn)確表現(xiàn)各關(guān)節(jié)面的力學(xué)改變。同時(shí)，為避免單側(cè)和雙側(cè)患者的代償步態(tài)差異，我們選取雙膝脛股關(guān)節(jié)OA患者為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

3.1 脛股關(guān)節(jié)OA患者代償步態(tài)的可能機(jī)制

Radin等［3］1991年研究報(bào)道，有 KOA前期改變的患者由于輕度的、間歇性和運(yùn)動(dòng)相關(guān)性膝痛而產(chǎn)生的垂直負(fù)荷率增加。他將此病人與對(duì)照組不同的步態(tài)稱為“微拙”（microklutziness），并比較了連續(xù)此模式步行和重復(fù)性沖力負(fù)荷。開(kāi)始涉及KOA代償步態(tài)的生物力學(xué)研究。

本研究結(jié)果顯示，矢狀面中，LKOA組與MKOA組支撐末期最大屈髖力矩均顯著大于對(duì)照組，而二者間無(wú)顯著差異，而膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)矢狀面力矩各組間無(wú)顯著變化，提示患者的代償性屈髖步態(tài)。這與相關(guān)研究相符［1，8，9］。本研究結(jié)果顯示：所有患者膝關(guān)節(jié)的最大地面反作用力增加，提示關(guān)節(jié)面垂直負(fù)荷增加；MKOA組和LKOA組膝關(guān)節(jié)最大內(nèi)收力矩較對(duì)照組大，以前者為著，提示病情越重，膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)面負(fù)荷越大。相關(guān)研究證實(shí)，KOA患者步態(tài)周期的支撐期百分比增加［10，11］，提示患者為減輕關(guān)節(jié)面負(fù)荷增加導(dǎo)致的疼痛而加快對(duì)側(cè)肢體向支撐肢體的體重轉(zhuǎn)換。這種代償性步態(tài)可以通過(guò)減少重心與膝關(guān)節(jié)中心間的內(nèi)外向距離而減少地面反作用力的力臂，相應(yīng)地，可能減少了支撐期膝關(guān)節(jié)外側(cè)某一點(diǎn)的內(nèi)收力矩，從而減少膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)的應(yīng)力。另外，患病組緊隨支撐早期較CON組增大的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)外展力矩顯著增加，這與其它研究結(jié)果一致［12］。同時(shí)，為完成更加向外側(cè)的軀干移動(dòng)，足會(huì)在地板上施一向內(nèi)的力，表現(xiàn)為所有病人踝關(guān)節(jié)的地面反作用力更大。

3.2 步態(tài)改變與KOA病情的關(guān)系

減慢內(nèi)側(cè)面膝關(guān)節(jié)OA進(jìn)展速度的最有效方法是病人自身的自然代償。而一項(xiàng)隨訪5～11年的縱向研究［13］認(rèn)為，長(zhǎng)期異常步態(tài)會(huì)加重病情。還有人認(rèn)為［14］，步態(tài)和神經(jīng)肌肉控制方式與KOA的發(fā)病程度有關(guān)。

本實(shí)驗(yàn)中，LKOA組與CON組在支撐期的髖關(guān)節(jié)最大內(nèi)收力矩相同。髖關(guān)節(jié)內(nèi)收外力矩與髖肌肉外翻力矩相平衡，提示LKOA組患者的髖關(guān)節(jié)外展肌群可以維持軀干的正常姿勢(shì)，與CON組相比就產(chǎn)生了相同的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第一峰值和減小的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第二峰值。

有研究［8］發(fā)現(xiàn)，相同外展肌群力量情況下，OA程度和力線內(nèi)收越嚴(yán)重，髖關(guān)節(jié)內(nèi)收肌就越強(qiáng)壯。MKOA組與CON組相比，其支撐期的髖關(guān)節(jié)最大內(nèi)收力矩明顯變小。這樣，MKOA組就可能因髖關(guān)節(jié)外展缺乏而不能保持軀干的姿勢(shì)不變。故此組病人于整個(gè)擺動(dòng)期可能會(huì)出現(xiàn)支撐腿對(duì)側(cè)肢體下垂的現(xiàn)象，以便使軀干外側(cè)移動(dòng)離開(kāi)支撐腿，這被稱為特倫德倫堡步態(tài)（Trendelenburg gait，臀肌麻痹時(shí)所見(jiàn)的搖擺步態(tài)）?；颊叩纳眢w重心與膝關(guān)節(jié)中心的內(nèi)外向距離增大，同時(shí)有更大的下肢內(nèi)翻力線，因此可能導(dǎo)致患者產(chǎn)生更高的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第一峰值。

目前，對(duì)內(nèi)側(cè)面膝關(guān)節(jié)OA的治療目的在于減少膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩第一峰值，以減少負(fù)荷向關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)面?zhèn)鬟f。這些糾正關(guān)節(jié)面負(fù)荷異常分配的措施包括支具［15］、足部矯形器［16-18］、步態(tài)訓(xùn)練［16］和加強(qiáng)股四頭肌力量［19，20］等。迄今為止，核心肌肉和髖關(guān)節(jié)肌肉力量在膝關(guān)節(jié)OA的治療和預(yù)防上的原則還未引起注意。關(guān)于重型膝關(guān)節(jié)OA患者有較小髖關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩和較大膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩的發(fā)現(xiàn)提示，加強(qiáng)髖關(guān)節(jié)外翻肌群力量對(duì)于膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)面OA，尤其是MKOA組可能有幫助。

3.3 研究展望

膝關(guān)節(jié)OA的致病因素諸多，發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，治療也很困難。本研究?jī)H針對(duì)內(nèi)側(cè)脛股關(guān)節(jié)KOA患者的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，采用三維步態(tài)分析系統(tǒng)采集自主步態(tài)下數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因而未討論不同步速和步行方式時(shí)，患者軀干前傾［21］（蹬階時(shí)）和外向擺動(dòng)［1，12］代償方式對(duì)下肢動(dòng)力學(xué)改變的影響。進(jìn)一步研究應(yīng)引入肌電圖（EMG）測(cè)量技術(shù)［11，22］，以量化關(guān)節(jié)周圍肌肉活動(dòng)情況，并可用于療效評(píng)價(jià)。另外，還應(yīng)對(duì)膝關(guān)節(jié)OA患者進(jìn)行長(zhǎng)期隨訪和跟蹤測(cè)量的縱向研究，以通過(guò)對(duì)病情進(jìn)展情況更為客觀的了解，進(jìn)一步闡明其發(fā)病機(jī)制。

4 總結(jié)

脛股關(guān)節(jié)KOA病情越重，膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)面負(fù)荷越大。相比健康人，患者髖關(guān)節(jié)外展力矩較大，重型患者髖關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩較小，患者踝關(guān)節(jié)的地面反作用力更大。

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