膝骨關(guān)節(jié)炎患者膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后足底壓力研究

黃萍錢念東齊進(jìn)陳博劉志宏 郭蕾

1上海市傷骨科研究所，上海市中西醫(yī)結(jié)合防治骨與關(guān)節(jié)病損重點(diǎn)實驗室，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院（上海200025）

2上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院骨科（上海200025）

1 引言

膝骨關(guān)節(jié)炎是多種因素共同作用導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)骨、軟骨、以及周圍軟組織的共同病損，會引起膝、足的運(yùn)動力學(xué)改變。而這種力學(xué)的異常又會反過來加重膝骨關(guān)節(jié)炎的臨床表現(xiàn)（膝關(guān)節(jié)疼痛、畸形、以及功能障礙等）[1]。運(yùn)動力學(xué)評估對于膝骨關(guān)節(jié)炎病情監(jiān)測、療效判斷、功能鍛煉具有指導(dǎo)意義。

現(xiàn)代足底壓力分析技術(shù)能較好地完成各種足底力學(xué)參數(shù)的檢測，可作為診治膝骨關(guān)節(jié)炎的參考力學(xué)指標(biāo)，越來越受到醫(yī)學(xué)研究者的關(guān)注。國內(nèi)外已有一些學(xué)者報道了膝骨關(guān)節(jié)炎患者行走時足底壓力分布存在特征性改變[2-4]。目前人工膝關(guān)節(jié)置換已經(jīng)成為治療晚期膝骨關(guān)節(jié)炎的安全有效治療手段[5]。手術(shù)在解除患者疼痛、矯正關(guān)節(jié)畸形、改善關(guān)節(jié)功能等主觀癥狀方面具有顯著療效[6-7]。但對于膝骨關(guān)節(jié)炎膝關(guān)節(jié)置換后存在的足底壓力改變恢復(fù)如何報道很少。本研究選取雙膝骨關(guān)節(jié)炎單膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者，通過對這些受試者行走時足底壓力進(jìn)行測試分析，了解膝關(guān)節(jié)置換后足底壓力分布情況，作為臨床手術(shù)和治療的科學(xué)參考。

2 對象和方法

2.1 對象

2011年7月～2014年10月，上海市瑞金醫(yī)院收治的雙膝骨關(guān)節(jié)炎單側(cè)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者33例。右膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)后22例，左膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)后11例；男6例，女27例；置換后隨訪4～84（17.88±18.48）個月；年齡53～82（69.30 ±7.02）歲；體重50～88（65.76±9.31）kg；身高1.40～1.78（1.57±0.08）m。納入標(biāo)準(zhǔn)：①患者手術(shù)前確診雙膝關(guān)節(jié)炎，診斷標(biāo)準(zhǔn)符合美國風(fēng)濕病學(xué)會2001年制定的OA診斷標(biāo)準(zhǔn)[8]；②手術(shù)前雙膝關(guān)節(jié)疼痛，關(guān)節(jié)功能明顯障礙伴關(guān)節(jié)畸形，嚴(yán)重影響工作和生活，保守治療無效，X線顯示退行性骨關(guān)節(jié)炎診斷明確，排除全身嚴(yán)重器質(zhì)性疾病及感染灶者；③為了患者圍手術(shù)期的安全，患者均先進(jìn)行單膝置換；④所有手術(shù)由同一組醫(yī)生完成；④手術(shù)后受試者能獨(dú)立行走，對實驗知情同意。排除標(biāo)準(zhǔn)：①具有骨結(jié)核、骨腫瘤、外傷、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等其它下肢疼痛性疾患；②嚴(yán)重心腦血管疾?。虎劬裥睦砑膊?。本研究得到上海市瑞金醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。在上海市傷骨科研究所完成足底壓力測試。

2.2 實驗程序

采用比利時RSscan International公司的Footscan足底壓力測量系統(tǒng)，設(shè)備主要包括壓力平板、3D數(shù)據(jù)采集盒、電腦。測量平板為2096 mm×472 mm×18 mm，平板內(nèi)共置16384個傳感器，平板由數(shù)據(jù)線與3D數(shù)據(jù)采集盒端口相連，數(shù)據(jù)采集盒利用USB接口與計算機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，測試頻率設(shè)定為126 Hz。

測試前，告訴受試者檢測過程，讓受試者放松心情，保持平常行走步態(tài)。測試時，每個受試者脫鞋襪，在離測力板2米處開始自然直走。通過測力板后，再行走2米，測量3次以上，分析時選取3次好的雙足圖像數(shù)據(jù)，計算3次的平均值。根據(jù)足底不同部位觸地時刻，將單足（左足或右足）支撐期的初始足著地（Initial foot contact，IFC）、初始跖骨著地（Initial metatarsal contact，IMC）、初始前足平伸著地（ Initial forefoot flat contact，IFFC）、足跟離地（heel off，HO）、足與地面的最后接觸（Last foot contact，LFC）5個關(guān)鍵時刻點(diǎn)，支撐期又被分成4個階段:開始著地階段（Initial contact phase，ICP）、前足接觸階段（forefoot contact phase，F(xiàn)FCP）、整足接觸階段（foot flat phase，F(xiàn)FP）和前足離地階段（forefoot push off phase，F(xiàn)FPOP）。

主要觀察指標(biāo)：受試者足底各區(qū)域壓力峰值、沖量、最大壓力峰值出現(xiàn)的時間，單足支撐期參數(shù)。

2.3 統(tǒng)計學(xué)分析

首先采用Footscan足底壓力系統(tǒng)自帶的配套軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的圖形和原始數(shù)據(jù)。該軟件默認(rèn)將足底分為10個區(qū)域：第1趾骨、第2～5趾骨、第1跖骨、第2跖骨、第3跖骨、第4跖骨、第5跖骨、中足、足跟內(nèi)側(cè)、足跟外側(cè)。然后應(yīng)用SPSS13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計。健、患側(cè)各均值指標(biāo)使用配對t檢驗比較差異，結(jié)果以±s表示，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 受試者足底各分區(qū)和全足壓力峰值

從表1可知，受試者自然行走中，置換側(cè)足底第2跖骨區(qū)、第3跖骨區(qū)、第4跖骨區(qū)、中足、足跟內(nèi)側(cè)、足跟外側(cè)、全足底的平均壓力峰值均高于未置換側(cè)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表1 受試者足底各分區(qū)和全足平均壓力峰值（N，n=33）

3.2 受試者足底各分區(qū)和全足沖量

從表2可知，受試者自然行走中，置換側(cè)足底第2跖骨區(qū)、第3跖骨區(qū)、第4跖骨區(qū)、中足、足跟內(nèi)側(cè)、足跟外側(cè)、全足底的平均沖量均高于未置換側(cè)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表2 受試者足底各分區(qū)和全足平均沖量（Ns，n=33）

3.3 受試者足底各分區(qū)和全足最大壓力峰值出現(xiàn)的時間

從表3得知，受試者自然行走中，置換側(cè)足底第1跖骨區(qū)、第2跖骨區(qū)、第3跖骨區(qū)、第4跖骨區(qū)、第5跖骨區(qū)、中足的最大壓力峰值出現(xiàn)時間均長于未置換側(cè)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

3.4 受試者單足支撐期各階段時間和總時間

從表4可知，受試者自然行走中，膝關(guān)節(jié)置換側(cè)開始著地階段時間、整足接觸階段時間、單足支撐期總時間均長于未置換側(cè)，兩側(cè)比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表3 受試者足底各分區(qū)和全足最大壓力峰值出現(xiàn)的時間（ms，n=33）

表4 受試者單足支撐期各階段時間和總時間（ms，n=33）

4 討論

膝骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生除與生物因素有關(guān)外，與膝關(guān)節(jié)軟骨及軟骨下骨受到異常的力作用或正常的力作用于異常的軟骨關(guān)節(jié)等力學(xué)因素也有密切關(guān)系[9-10]。有研究表明，膝骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)程與下肢生物力學(xué)因素緊密相關(guān)[11]。因此從生物力學(xué)角度探討骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制、治療效果是目前的研究方向之一。

膝關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療晚期膝骨關(guān)節(jié)炎的一種常用手術(shù)方式，能夠緩解患者疼痛，顯著改善關(guān)節(jié)功能和行走能力，臨床效果優(yōu)良[12-13]。有研究觀察雙膝骨關(guān)節(jié)炎患者單膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后效果，采用美國HSS（hospital for special surgery）膝關(guān)節(jié)評分標(biāo)準(zhǔn)，得出膝關(guān)節(jié)置換側(cè)的平均分91.44，手術(shù)優(yōu)良率為100%，膝關(guān)節(jié)置換側(cè)術(shù)后在疼痛、關(guān)節(jié)功能方面有明顯改善；未手術(shù)側(cè)平均分54.52。由此可見采用膝關(guān)節(jié)置換術(shù)治療膝骨關(guān)節(jié)炎具有明顯的臨床療效[14]。臨床上普遍采用HSS這種主觀評分標(biāo)準(zhǔn)來評價膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的治療效果，但HSS評分對患者的行走功能沒有定量分析。另外，膝關(guān)節(jié)置換10～15年后，患者會出現(xiàn)膝骨關(guān)節(jié)炎復(fù)發(fā)和假體再換[14]。膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的長期療效與手術(shù)技術(shù)、假體材料及術(shù)后康復(fù)等有關(guān)。其中術(shù)后康復(fù)中，觀察和評估膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后的力學(xué)平衡是決定膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定、人工關(guān)節(jié)壽命、預(yù)防骨關(guān)節(jié)炎復(fù)發(fā)的重要因素[15]。因此，要獲得膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的長期療效，從生物力學(xué)方面評估膝關(guān)節(jié)置換術(shù)顯得越來越重要。

足底壓力分析儀作為一種先進(jìn)的臨床生物力學(xué)檢測儀器，在對足底壓力及步態(tài)分析方面有越來越普遍的應(yīng)用價值和研究空間[16]。然而目前足底壓力分析主要應(yīng)用在足踝部疾病方面，對膝骨關(guān)節(jié)炎患者的足底壓力特點(diǎn)研究甚少[17]。尤其關(guān)于膝骨關(guān)節(jié)炎膝關(guān)節(jié)置換后患者的足底壓力情況未見報道。另外，基于足膝偶聯(lián)關(guān)系，動態(tài)足底壓力測量結(jié)果能很好地反映膝關(guān)節(jié)受力和運(yùn)動協(xié)調(diào)性變化[18]。這使本研究具有重要意義。作者采用足底壓力分析系統(tǒng)對在本院行膝關(guān)節(jié)置換的患者進(jìn)行了量化分析，更加準(zhǔn)確地了解膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)變化，從客觀上評價手術(shù)的療效，進(jìn)而探索最佳的治療手段和手術(shù)后的康復(fù)方法。

足底壓力峰值和沖量是反映足底壓力分布的重要指標(biāo)，能較好地反映下肢關(guān)節(jié)的受力和步態(tài)情況[19-20]。有研究報道，膝骨關(guān)節(jié)炎患者足跟部的肌肉活動和平衡能力控制較正常年輕人弱，足跟部壓力峰值較正常青年人降低[1]。另有研究顯示，膝骨關(guān)節(jié)炎患者患側(cè)足跟沖量數(shù)值小于健側(cè)[21]。本研究結(jié)果顯示，雙膝骨關(guān)節(jié)炎患者單膝置換后，膝關(guān)節(jié)置換側(cè)足底第2跖骨區(qū)、第3跖骨區(qū)、第4跖骨區(qū)、中足、足跟內(nèi)外側(cè)、全足底的平均壓力峰值和平均沖量均高于未置換側(cè)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。以上結(jié)果說明膝骨關(guān)節(jié)炎患者膝關(guān)節(jié)置換后，其膝關(guān)節(jié)性能改變，疼痛、畸形明顯改善，膝關(guān)節(jié)的承重能力增強(qiáng)，骨和軟骨恢復(fù)了良性應(yīng)力刺激，足部的負(fù)重能力和平衡能力控制相應(yīng)增強(qiáng)，使得置換側(cè)足底的壓力峰值和沖量增高。這表明了該手術(shù)療法的有效性，同時也證實足底壓力分析可用于指導(dǎo)膝骨關(guān)節(jié)炎治療，并能為手術(shù)長期療效的評定提供參考依據(jù)。

本研究結(jié)果顯示，受試者自然行走中，置換側(cè)足底第1跖骨區(qū)、第2跖骨區(qū)、第3跖骨區(qū)、第4跖骨區(qū)、第5跖骨區(qū)、中足的最大壓力峰值出現(xiàn)時間均長于未置換側(cè)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。這說明置換側(cè)足底的這幾個區(qū)域與地面接觸的時間比未置換側(cè)足顯著延長，出現(xiàn)上述情況，可能是由于未置換側(cè)膝關(guān)節(jié)疼痛、畸形等原因，相應(yīng)足底局部區(qū)域為減少其所受局部壓力影響，而相應(yīng)減少著地時間，使置換側(cè)足底部分區(qū)域著地時間代償性增加，以減少未置換側(cè)足受到地面反作用力的進(jìn)一步作用，減輕疼痛。同時也說明置換側(cè)膝關(guān)節(jié)功能增強(qiáng)。正是人體存在這樣一種保護(hù)性代償機(jī)制，引起左右足底局部區(qū)域最大壓力峰值出現(xiàn)的時間存在差異。

行走時一側(cè)足跟著地至此足跟再次著地所經(jīng)過的時間稱為一個步態(tài)周期，一個步態(tài)周期分為支撐期和擺動期。支撐期是足與地面接觸時的時間階段，根據(jù)足底不同部位觸地時刻，支撐期被分為4個階段:開始著地階段、前足接觸階段、整足接觸階段和前足離地階段[22]。為減少疼痛，膝骨關(guān)節(jié)炎患者會盡量減少患側(cè)單獨(dú)支撐體重的時間，患側(cè)足跟著地、前足著地、全足支撐期時間低于健側(cè)，可作為診斷膝骨關(guān)節(jié)炎的參考力學(xué)指標(biāo)[23]。而本次測試結(jié)果得出，受試者自然行走中，膝關(guān)節(jié)置換側(cè)開始著地階段時間、整足接觸階段時間、單足支撐期總時間均長于未置換側(cè)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。這說明膝骨關(guān)節(jié)炎單膝關(guān)節(jié)置換后，置換側(cè)膝關(guān)節(jié)的功能增強(qiáng)；另外，膝關(guān)節(jié)疼痛的緩解也明顯改善患者足底壓力，使得置換側(cè)單足支撐期延長，相應(yīng)的未置換側(cè)足底支撐期縮短，緩解了未置換側(cè)膝關(guān)節(jié)的疼痛。

5 總結(jié)

膝關(guān)節(jié)置換側(cè)足底壓力指標(biāo)優(yōu)于未置換側(cè)，說明膝關(guān)節(jié)置換治療膝骨關(guān)節(jié)炎從生物力學(xué)指標(biāo)上使患者病情得到了明顯的改善。足底壓力分析可用于指導(dǎo)膝骨關(guān)節(jié)炎治療，為觀察手術(shù)長期療效提供參考依據(jù)。