不同外側(cè)楔形矯形鞋墊對內(nèi)側(cè)間室膝骨性關(guān)節(jié)炎患者步態(tài)的影響

張旻，馬崢，江瀾，張晗，陳博，郭海玲，陳東煜，趙永芳，詹紅生

膝骨關(guān)節(jié)炎是一種常見的退行性慢性骨關(guān)節(jié)疾病[1]，尤以內(nèi)側(cè)間室型膝骨關(guān)節(jié)炎(Medial Compartment Knee Osteoarthritis,MKOA)最為多見[2]。近年來隨著生物力學(xué)研究技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，越來越多的學(xué)者致力于如何通過生物力學(xué)矯正方法來治療MKOA的研究[3-13]。Sasaki[14]率先發(fā)現(xiàn)通過在足底增加一個(gè)外側(cè)楔形矯形鞋墊(Lateral wedges,LW)可以糾正MKOA患者靜態(tài)模式下的膝關(guān)節(jié)的異常力學(xué)分布。近年來有大量的學(xué)者致力于研究不同長度、高度以及材質(zhì)的LW治療MKOA的臨床療效[15-19]。本研究針對以往國際上采用的傳統(tǒng)式LW為原型并加以改進(jìn)增加了足弓支撐以增加患者在佩戴時(shí)的舒適程度，通過三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)并配合三維測力臺(tái)分析早期MKOA患者佩戴傳統(tǒng)LW與新型LW后下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)以及時(shí)間空間參數(shù)的變化差異，在為臨床提供精確可靠的生物力學(xué)研究參數(shù)的同時(shí)，也可為將來設(shè)計(jì)新型的LW提供有價(jià)值的參數(shù)及理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料 2012年3月～2012年5月在上海交通大學(xué)附屬上海市第六人民醫(yī)院就診的早期MKOA患者30例，均符合早期MKOA診斷標(biāo)準(zhǔn)[18]。男2例，女28例；年齡(66.3±4.53)歲；身高(1.55±0.07)m，體質(zhì)量(69.8±5.77)kg；病程(1.33±0.55 )個(gè)月。

1.2 方法 30例患者均進(jìn)行生物力學(xué)測試。在測試前進(jìn)行身高及體質(zhì)量的測量，隨后分別在穿戴2種不同設(shè)計(jì)的LW以及未佩帶任何矯形器3種不同條件下進(jìn)行生物力學(xué)測試。傳統(tǒng)LW，足跟處建立楔形鞋外翻角，外翻角度統(tǒng)一設(shè)定為5°，新型LW在傳統(tǒng)LW的基礎(chǔ)上增加足弓支撐。見圖1，2。

圖1 傳統(tǒng)LW 圖2 新型LW

1.3 評定標(biāo)準(zhǔn) 受測者在3種不同條件下步行過程中的下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及時(shí)間空間參數(shù)變化。運(yùn)動(dòng)學(xué)及時(shí)間空間參數(shù)由Vicon (612,Oxford UK) 三維運(yùn)動(dòng)捕捉分析系統(tǒng)進(jìn)行記錄(配有6臺(tái)紅外線高速攝像頭)，并由2塊Kistler (Kistler 9286B，Alton UK)三維測力臺(tái)同步進(jìn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)的采集。將44個(gè)被動(dòng)光標(biāo)按照Cleveland下肢生物力學(xué)建模方式放置在受測者的骨性標(biāo)志上并以雙手交叉雙腳分開的站姿建立靜態(tài)模型，所用靜態(tài)光標(biāo)包括雙側(cè)股骨大轉(zhuǎn)子、股骨內(nèi)外上髁、內(nèi)外側(cè)踝、第1，2，5跖骨頭、足跟，5組動(dòng)態(tài)Clusters組合光標(biāo)分別置于雙側(cè)大腿、小腿外緣及骨盆。受測者經(jīng)過多次練習(xí)后，以最自然步行速度通過數(shù)據(jù)采集區(qū)域進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模型的建立，每種條件下均進(jìn)行至少10次數(shù)據(jù)采集，取平均值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換為c3d格式后，導(dǎo)入Visual 3D(C-Motion Inc)處理濾波(采用Butterworth低通濾波過濾信號(hào)，頻率6Hz)。測量指標(biāo)有：步速、步幅、膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩(Knee adduction moment,KAM)、膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角沖量(Knee adduction angular impulse,KAAI)、踝關(guān)節(jié)外翻角度、踝關(guān)節(jié)外翻力矩、地面反作用力(內(nèi)側(cè)方向)、下肢前進(jìn)角度(Foot progression angles,FPA)。另外，收集30例患者使用不同矯形器鞋墊后的反饋。

2 結(jié)果

30例患者在3種不同條件下步行過程中步速、步幅未見有明顯差異，相較于未佩戴矯形器情況下，佩戴2種不同設(shè)計(jì)的LW后膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室載荷KAM、KAAI均較未佩戴矯形器顯著降低(P<0.05)，2種不同的LW之間未見明顯差異。然而佩戴傳統(tǒng)LW后患者踝關(guān)節(jié)外翻角度、外翻力矩及地面反作用力內(nèi)側(cè)方向的分力較其他2種方式明顯增加(P<0.05)。而佩戴新型LW后FPA較其它2種方式顯著增加(P<0.05)。見表1。

30例患者佩戴不同設(shè)計(jì)的外側(cè)楔形角矯形鞋墊后的使用反饋顯示，佩戴新型設(shè)計(jì)矯形鞋墊后感覺較好28例、一般1例、無差異1例；佩戴傳統(tǒng)設(shè)計(jì)矯形鞋墊后感覺較好1例、一般28例、無差異1例。佩戴新型設(shè)計(jì)矯形鞋墊舒適度顯著優(yōu)于佩戴傳統(tǒng)設(shè)計(jì)矯形鞋墊(93.3%、3.3%，P<0.05)。

參數(shù)未佩戴任何矯形器佩戴傳統(tǒng)LW佩戴新型LW步速(m·s)1.02±0.051.02±0.051.02±0.05步幅(m)1.23±0.041.24±0.041.23±0.03KAM(N·m/kg)0.63±0.060.52±0.05a0.54±0.06aKAAI(Nm/kg·s)0.19±0.020.17±0.01a0.17±0.01a踝關(guān)節(jié)外翻角度(°)-3.11±0.16-5.01±0.50a-3.22±0.24b踝關(guān)節(jié)外翻力矩(N·m/kg)0.21±0.020.25±0.02a0.21±0.01b地面反作用力(內(nèi)側(cè)方向)(BW)0.07±0.010.08±0.01a0.07±0.01bFPA(°)-9.11±0.95-9.54±1.03-12.91±1.12ab

與未佩戴任何矯形器比較，aP<0.05；與佩戴傳統(tǒng)LW比較，bP<0.05

3 討論

大量的研究證實(shí)LW可有效地通過降低膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室載荷[13-16,19]，從而緩解MKOA患者在運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)節(jié)的疼痛。然而研究人員發(fā)現(xiàn)在佩戴LW后雖然膝關(guān)節(jié)的載荷有不同程度的減輕，但患者的踝關(guān)節(jié)外翻角度及外翻力矩明顯增加，有患者在佩戴LW后踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生了不同程度的不適，甚至部分患者因無法忍受踝關(guān)節(jié)的不適感最后不得不放棄使用此類治療方案。本研究旨在通過比較早期MKOA患者佩戴改良設(shè)計(jì)后以及傳統(tǒng)LW所產(chǎn)生的下肢生物力學(xué)差異探討新型設(shè)計(jì)的LW在早期MKOA康復(fù)中的應(yīng)用價(jià)值。

本研究結(jié)果表明與標(biāo)準(zhǔn)情況相比，佩戴2種不同設(shè)計(jì)的LW后患者的步速，步幅均無顯著性差異。而患者在佩戴兩種不同的LW后膝關(guān)節(jié)冠狀面上的載荷(KAM以及KAAI載荷)均明顯降低，而兩者間未見統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。這一結(jié)果表明2種不同的LW對于緩解早期MKOA的關(guān)節(jié)異常受力均有顯著效果，且兩者間沒有顯著差別。此外患者在佩戴傳統(tǒng)LW后踝關(guān)節(jié)外翻角度及扭矩以及地面反作用力內(nèi)側(cè)方向的分力明顯增加，這一結(jié)果也與我們先前的研究相一致[19]，這也解釋了部分患者在使用傳統(tǒng)LW治療后踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生不適感的原因。然而此次研究發(fā)現(xiàn)受測者在佩戴了新型設(shè)計(jì)的足弓支撐LW后踝關(guān)節(jié)外翻角度、扭矩及地面反作用力內(nèi)側(cè)方向分力并沒有顯著增加，而踝關(guān)節(jié)在水平面的FPA較其他兩種情況下明顯上升，先前已有研究報(bào)道增加步行過程中的FPA可有助于減小KAM[20]。這也部分解釋了為什么新型設(shè)計(jì)的LW可以在踝關(guān)節(jié)外翻角度及扭矩沒有顯著增加的情況下依然能夠有效的降低KAM，而由于沒有明顯增加踝關(guān)節(jié)外翻角度及扭矩，因此可以避免由于長期佩戴傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的LW后所致踝關(guān)節(jié)異常受力所產(chǎn)生的不適，而增加了足弓支撐后的LW也為患者帶來了更好的舒適度及使用體驗(yàn)。

本文發(fā)現(xiàn)，相較于標(biāo)準(zhǔn)情況，佩戴2種不同設(shè)計(jì)的LW均有助減輕早期MKOA患者在步行過程中受累關(guān)節(jié)的載荷，且兩者見未見顯著差異。但相較于傳統(tǒng)的LW，新型設(shè)計(jì)的足弓支撐LW佩戴后踝關(guān)外翻扭矩以及地面反作用力內(nèi)側(cè)方向的分力未見明顯增加，因而不會(huì)導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)受力模式的異常，從而避免因長期使用造成的踝關(guān)節(jié)不適，因而該矯形鞋墊能帶給患者更好的使用體驗(yàn)。

[1] Felson DT, Lawrence RC, Dieppe PA, et al. Osteoarthritis: new insights. Part 1: the disease and its risk factors[J]. Ann Intern Med,2000,133(5):635-646.

[2] Prodromos CC, Andriacchi TP, Galante JO. A relationship between gait and clinical changes following high tibial osteotomy[J].J Bone Joint Surg Am, 1985,67(8):1188-1194.

[3] 張旻,江瀾. 內(nèi)側(cè)間室膝骨性關(guān)節(jié)的下肢關(guān)節(jié)生物力學(xué)變化[J]. 中國康復(fù),2011,26(1):36-38.

[4] Metcalfe AJ, Stewart C, Postans N, et al. The effect of osteoarthritis of the knee on the biomechanics of other joints in the lower limbs[J]. Bone Joint J，2013, 95(3): 348-353.

[5] Carthy I, Hodgins D, Mor A, et al. Analysis of knee flexion characteristics and how they alter with the onset of knee osteoarthritis: a case control study[J]. BMC Musculoskelet Disord, 2013, 21(3):140-169.

[6] Kumar D, Manal KT, Rudolph KS. Knee joint loading during gait in healthy controls and individuals with knee osteoarthritis[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2012, 21(2): 298-305.

[7] Bechard DJ, Birmingham TB, Zecevic AA, et al. The effect of walking poles on the knee adduction moment in patients with varus gonarthrosis[J]. Osteoarthritis Cartilage, 20(12): 1500-1506.

[8] Clifford AG, Gabriel SM, O'Connell M, et al. The KineSpring((R)) Knee Implant System: an implantable joint-unloading prosthesis for treatment of medial knee osteoarthritis[J]. Med Devices, 2013, 6(1): 69-76.

[9] 張旻,江瀾. 佩帶膝外翻支具膝骨關(guān)節(jié)炎患者膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)變化[J]. 中國組織工程研究與臨床康復(fù),2011, 17(12):3109-3112.

[10]Squyer E, Stamper DL, Hamilton DT, et al. Unloader knee braces for osteoarthritis: do patients actually wear them[J]. Clin Orthop Relat Res, 2013，471(6): 1982-1991.

[11]Kakihana W, Akai M, Nakazawa K, et al. Effects of laterally wedged insoles on knee and subtalar joint moments[J]. Arch Phys Med Rehabil, 2005, 86(12):1465-1471.

[12]Kakihana W, Akai M, Yamasaki N,et al. Changes of joint moments in the gait of normal subjects wearing laterally wedged insoles[J]. Am J Phys Med Rehabil, 2004, 83(3):273-278.

[13]Kakihana W, Akai M, Nakazawa K, et al. Effect of a lateral wedge on joint moments during gait in subjects with recurrent ankle sprain[J]. Am J Phys Med Rehabil, 2005, 84(11): 858-864.

[14]Rafiaee M, Karimi MT. The effects of various kinds of lateral wedge insoles on performance of individuals with knee joint osteoarthritis[J]. Int J Prev Med, 2012, 10(3):693-698.

[15]Russell EM, Miller RH. Lateral wedges alter mediolateral load distributions at the knee joint in obese individuals[J]. J Orthop Res, 2013,31(5):665-671.

[16]Ashra F, Zarei A. Comparison the effect of lateral wedge insole and acupuncture in medial compartment knee osteoarthritis: A randomized controlled trial[J]. Knee, 2014,21(2):439-444.

[17]Ganesan M, Lee YJ. The effect of lateral or medial wedges on control of postural sway in standing[J]. Gait Posture, 2014,39(3):899-903.

[18]Ahlback S. Osteoarthrosis of the knee. A radiographicinvestigation[M]. Acta Radiol Diagn (Stockh). Suppl,1968,272-277.

[19]Min Z, Peiyu Q, Effectiveness of Different Orthoses on Joint Moments in Patients with Early Knee Osteoarthritis: Lateral Wedge Versus Valgus Knee Bracing[J]. J Science，2012，17(4)：505-510.

[20]Hunt MA, Takacs J. Effects of a 10-week toe-out gait modification intervention in people with medial knee osteoarthritis: a pilot, feasibility study[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2014,14(1) :42-45.