足底壓力中心軌跡預(yù)警人體膝關(guān)節(jié)慢性損傷研究進(jìn)展

毋江波，王 靜，金宗學(xué)

膝關(guān)節(jié)慢性損傷是人體長(zhǎng)時(shí)間受運(yùn)動(dòng)過程中地面對(duì)身體的反作用力與身體重力合力作用的結(jié)果，同時(shí)也是引起損傷的重要因素[1]。膝關(guān)節(jié)慢性損傷一旦發(fā)生，治療難度極大，因此，預(yù)防膝關(guān)節(jié)慢性損傷比治療更有意義。在臨床治療和康復(fù)方面，評(píng)估膝關(guān)節(jié)慢性損傷的方法有很多種，體位、力量和柔韌，同時(shí)需要與患者自我感覺評(píng)價(jià)表(如疼痛、關(guān)節(jié)或肌肉過于緊張等)配合應(yīng)用，但它們受主觀因素影響較大，可能對(duì)已患損傷的評(píng)估并不是有效的方法。

1 COP軌跡

1.1 COP軌跡概述

足底壓力中心(Center of pressure, COP)軌跡是人體行走過程中足-地接觸作用力位置、大小、分布及力度順序的綜合結(jié)果，能反映足與地面接觸全過程的作用方式，也是人體行走運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的間接反映，是一種重要的步態(tài)支撐期足底壓力特征[2～4]。它是步態(tài)分析中至關(guān)重要的指標(biāo)之一[5]，是分析和衡量異常行走姿勢(shì)和步態(tài)的基礎(chǔ)[6]。Maki等[7]認(rèn)為，維持身體姿勢(shì)穩(wěn)定性主要有兩種方式：支撐面(Base of support, BOS)不變，改變身體環(huán)節(jié)使身體質(zhì)心(Center of mass, COM)處于平衡范圍內(nèi)，或者改變BOS。雖然COM-BOS是評(píng)估身體姿勢(shì)平衡的重要參數(shù)，但是運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)不足造成了COM相對(duì)于BOS的位置無法計(jì)算。實(shí)驗(yàn)和臨床數(shù)據(jù)表明，COP的移動(dòng)軌跡能反映身體姿勢(shì)的變化，同時(shí)COP的變化與下肢關(guān)節(jié)周圍肌肉的變化及整個(gè)身體重心運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)。它對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)疾病的病因分析、診斷、功能及療效評(píng)定具有重要意義[8]。

1.2 COP軌跡在臨床和康復(fù)上的應(yīng)用

目前，COP軌跡分析法可用來評(píng)估人體步行穩(wěn)定性和身體姿勢(shì)控制情況等。在下肢關(guān)節(jié)協(xié)同作用下，為了維持身體直立，身體重心不斷搖擺，映射到步態(tài)中的COP的軌跡線也發(fā)生相應(yīng)的變化[9]。各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的協(xié)調(diào)是由人的神經(jīng)系統(tǒng)控制的。神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控身體姿勢(shì)平衡時(shí)，下肢肌肉-骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的負(fù)反饋的互動(dòng)模式[10,11]，會(huì)引起行走過程中重力與地面的反作用力在下肢關(guān)節(jié)處發(fā)生相互的扭曲力，使相應(yīng)的關(guān)節(jié)代償增加，長(zhǎng)期積累，會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)關(guān)節(jié)出現(xiàn)磨損或產(chǎn)生形變[12～14]。臨床研究表明：膝關(guān)節(jié)不適或有炎癥的患者步行中的COP軌跡變化也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變或有改變的趨勢(shì)[15]。

在前人步態(tài)周期中COP軌跡線的成果基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為COP軌跡分析法是評(píng)估人體步態(tài)和平衡的一種有效方法。目前COP軌跡反映下肢關(guān)節(jié)是否存在慢性損傷的研究相對(duì)較少。主要原因是人體建模較難和縱向追蹤測(cè)試不易以及下肢關(guān)節(jié)受多種因素影響。它不僅僅受重力和地面反作用力，同時(shí)還受環(huán)節(jié)兩端的扭轉(zhuǎn)力等影響，利用步態(tài)周期中COP軌跡反映下肢關(guān)節(jié)的慢性損傷風(fēng)險(xiǎn)程度具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。綜述行走過程中支撐期中COP軌跡分析預(yù)警人體膝關(guān)節(jié)慢性損傷風(fēng)險(xiǎn)的效果，以期為后續(xù)的研究提供參考。

2 正常步態(tài)中COP軌跡變化

人體步態(tài)COP的運(yùn)動(dòng)軌跡變化對(duì)于分析人體的步態(tài)和評(píng)估平衡能力等方面具有非常重要的意義[16]。此外，COP的軌跡也可以評(píng)估視覺刺激對(duì)人體平衡的能力的影響[17]。有研究發(fā)現(xiàn)，行走過程中COP控制著人體質(zhì)心的變化，同時(shí)人體的重心也會(huì)影響COP軌跡[18]。臨床研究中，一個(gè)步態(tài)周期分為足跟著地、全足放平、足跟離地、屈膝增加、足趾離地、膝最大屈曲、髖最大屈曲及足跟再次著地8個(gè)分點(diǎn)[19]。在每個(gè)分點(diǎn)階段中，COP所呈現(xiàn)的軌跡圖與該階段行走特征具有相關(guān)性。人體行走需要神經(jīng)系統(tǒng)、各環(huán)節(jié)肌肉和韌帶相互協(xié)調(diào)，不斷控制和修正內(nèi)力和外力的平衡，以保持行走穩(wěn)定[9]。另外，由于人體的解剖結(jié)構(gòu)特性，各個(gè)環(huán)節(jié)的重心不可能維持在一條直線之上，需要下肢關(guān)節(jié)周圍水平方向的剪切力來維持這些環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性。但由于肌肉收縮的特性，并不能一直保持恒力以保持環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性，因此在步態(tài)周期中每一個(gè)分點(diǎn)階段中，人體都會(huì)自我控制和修正，在此過程中人體重心變化均會(huì)投射在步態(tài)中。力學(xué)模型研究發(fā)現(xiàn)：人體利用小腿肌肉收縮力維持站立平衡，并且人體的重心投影在腳踝的前8cm處[20,21]。行走過程中，人體軀干和下肢環(huán)節(jié)肌肉、韌帶相互調(diào)整，致使人體質(zhì)心速度在不同方向上變化，造成了人體重心呈“搖擺”的效果，同時(shí)人體的COP在步態(tài)周期中投射為“搖擺”的曲線。因此人體COP可作為評(píng)估步行穩(wěn)定性至關(guān)重要的變量。在每個(gè)步態(tài)周期中每個(gè)分點(diǎn)階段的COP均能反映身體軀干和下肢環(huán)節(jié)的變化情況。

3 膝關(guān)節(jié)慢性損傷改變COP軌跡

膝關(guān)節(jié)是人體最大且構(gòu)造最復(fù)雜，損傷概率較高的關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)疼痛或不適可由很多因素引起，具體因素尚不明確，但與行走步態(tài)情況和承重的身體活動(dòng)的相關(guān)性很高[22]。膝關(guān)節(jié)疼痛或不適主要包括骨性關(guān)節(jié)炎(Osteoarthritis, OA)、前交叉韌帶(Anterior Cruciate Ligament, ACL)、內(nèi)側(cè)副韌帶(Medial Collateral Ligament, MCL)和半月板等膝關(guān)節(jié)慢性損傷。

3.1 OA改變COP軌跡

OA是一種比較常見的慢性、進(jìn)行性的活動(dòng)關(guān)節(jié)疾病[23]。據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，美國(guó)60歲的人患OA的風(fēng)險(xiǎn)和已有癥狀的占37.4%和12.1%[24]。已有很多研究應(yīng)用步態(tài)分析研究膝關(guān)節(jié)OA發(fā)病的機(jī)理[25,26]。OA患者在行走過程中所受到地板的反作用力是關(guān)節(jié)面垂直重力的反映[27]。OA患者主要表現(xiàn)關(guān)節(jié)囊疼痛和炎癥、肌肉力量不穩(wěn)定、活動(dòng)范圍受限，同時(shí)，OA也會(huì)影響行走過程中的步態(tài)特征(如步長(zhǎng)和步速等)[28]。國(guó)際骨關(guān)節(jié)炎研究學(xué)會(huì)證實(shí)鍛煉可以緩解疼痛和改善身體功能，但關(guān)于改善步態(tài)的鍛煉仍缺乏一致性[29]。已證實(shí)OA患者可通過改善行走過程中的步態(tài)特征，降低體重來減少膝關(guān)節(jié)承受壓力[30,31]。由于OA的發(fā)生機(jī)制十分復(fù)雜，治愈非常困難，因此預(yù)防比治療更加重要?？蓱?yīng)用人體COP軌跡分析法預(yù)測(cè)是否存在發(fā)生OA的風(fēng)險(xiǎn)。OA步態(tài)周期中地面反作用力是關(guān)節(jié)面垂直負(fù)荷率的反映[32]，患者為了減輕或避免關(guān)節(jié)面負(fù)荷增加導(dǎo)致的疼痛，會(huì)采取加快擺動(dòng)對(duì)側(cè)肢體向支撐腿的重心轉(zhuǎn)換的代償策略。這一過程可能減少了支撐期外側(cè)某一點(diǎn)的膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩的變化[33]。

3.2 ACL損傷改變COP軌跡

ACL損傷是膝傷中最普遍的損傷之一，約占20%[34]。ACL患者存在膝關(guān)節(jié)周圍的韌帶松弛和肌肉力量變?nèi)醯惹闆r，會(huì)使行走過程中步速變慢、步長(zhǎng)變短、膝關(guān)節(jié)不能完全伸直、小腿的脛骨旋內(nèi)增大等[35,36]。這些運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的變化均能改變足底的COP軌跡線，進(jìn)而引起脛骨和股骨相對(duì)于膝關(guān)節(jié)過度旋內(nèi)或旋外。長(zhǎng)此以往，可能會(huì)影響膝關(guān)節(jié)面的穩(wěn)定和關(guān)節(jié)面之間的摩擦，引發(fā)關(guān)節(jié)軟骨磨損。根據(jù)逆向動(dòng)力學(xué)原理可知足底COP的軌跡線的變化也可反映人體行走過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，尤其是膝關(guān)節(jié)的慢性損傷。ACL損傷患者膝關(guān)節(jié)疼痛或腫脹等癥狀緩解后，患者在行走過程中全足放平期間，膝關(guān)節(jié)仍然是最不穩(wěn)定的部位，可能導(dǎo)致對(duì)應(yīng)髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)發(fā)生相應(yīng)的變化，也可能會(huì)使髖關(guān)節(jié)屈伸角度、踝關(guān)節(jié)跖屈背伸甚至兩者同時(shí)發(fā)生代償性變化[37]。膝關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定也會(huì)引起身體重心的不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致足底壓力分布不均以及COP不穩(wěn)定。相反足底壓力分布不均及COP的軌跡變化也可反推測(cè)膝關(guān)節(jié)是否存在患有ACL的概率。

3.3 MCL和半月板損傷改變COP軌跡

MCL是影響膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)[38]，也是限制脛骨內(nèi)旋和膝外翻的重要結(jié)構(gòu)。MCL損傷主要是由負(fù)重后MCL長(zhǎng)期受到牽拉或長(zhǎng)期步態(tài)不穩(wěn)定引起膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)松弛所致，其可能會(huì)引起膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎或退變加速。這種現(xiàn)象又會(huì)引起COP軌跡偏移。

膝關(guān)節(jié)半月板損傷直接影響膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能。該損傷會(huì)影響關(guān)節(jié)穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性和減少震蕩的能力。Nathan等[39]研究了部分半月板切除患者步行時(shí)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)的變化。發(fā)現(xiàn)站立相時(shí)脛骨外旋角度顯著增加了3.2°，同時(shí)患側(cè)肢的最大屈伸峰值也顯著性變化。這些指標(biāo)的改變很可能會(huì)導(dǎo)致步行時(shí)脛骨與股骨摩擦，最終可能會(huì)引起關(guān)節(jié)軟骨退行性病變。研究表明：膝關(guān)節(jié)旋內(nèi)時(shí)脛骨內(nèi)側(cè)的壓力與關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力比例具有顯著性相關(guān)。由于膝內(nèi)翻迫使膝關(guān)節(jié)中心增加了地面的反作用力，因此，容易出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)損傷或損傷風(fēng)險(xiǎn)[40]。

綜上所述，膝關(guān)節(jié)慢性損傷后引起的共同癥狀主要包括膝關(guān)節(jié)疼痛或酸脹、周圍肌肉力量不均、行走步速較慢和膝關(guān)節(jié)過度拉伸等。這些癥狀均會(huì)改變行走過程中步態(tài)特征，同時(shí)也會(huì)影響COP軌跡的變化。

4 COP軌跡預(yù)警膝關(guān)節(jié)慢性損傷的可行性

作為分析和診斷人體行走的重要定量指標(biāo)，步態(tài)分析已廣泛應(yīng)用于臨床疾病診斷和分析中[41]，如糖尿病足測(cè)評(píng)和預(yù)防[42,43]、腦卒中后的偏癱患者的康復(fù)理論支撐[44]、多功能足底矯正器[45]和下肢康復(fù)機(jī)器人[46]的研制等方面。人體屬于一個(gè)鉸鏈系統(tǒng)。在行走過程中各個(gè)關(guān)節(jié)的肌肉活動(dòng)隨之變化，主要是左右腿持續(xù)交替擺動(dòng)，從足跟到腳趾過渡期，也體現(xiàn)在踝、膝和髖關(guān)節(jié)角度的變化以及身體重心的左右擺動(dòng)。研究表明：行走的功能是通過軀干和下肢各個(gè)關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)整合而成，如骨盆的旋轉(zhuǎn)、傾斜、側(cè)移，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)屈伸及足踝運(yùn)動(dòng)。由高速攝像機(jī)拍攝行走過程整個(gè)步態(tài)周期可知：處于不同分點(diǎn)階段時(shí)，下肢環(huán)節(jié)與軀干形成的剛體相互協(xié)同和修正，下肢環(huán)節(jié)剛體也發(fā)生相應(yīng)改變，并環(huán)繞不同的支點(diǎn)進(jìn)行“鐘擺”運(yùn)動(dòng)。如足跟著地時(shí)，足部以踝關(guān)節(jié)為圓心，踝關(guān)節(jié)以上部分為半徑做“鐘擺”運(yùn)動(dòng)，過渡到支撐期階段時(shí)，股骨以膝關(guān)節(jié)為圓心做“鐘擺”運(yùn)動(dòng)，此時(shí)身體重心和地面反作用力集中作用于膝關(guān)節(jié)面等，在此階段步態(tài)中COP軌跡線能呈現(xiàn)身體重心和地面反作用力的合力的變化的軌跡線。因此，利用COP軌跡線定量評(píng)估膝關(guān)節(jié)慢性損傷風(fēng)險(xiǎn)可能是一種有效的預(yù)防方法。

行走過程中，膝關(guān)節(jié)屈曲角度出現(xiàn)兩次峰值，首次峰值出現(xiàn)于預(yù)支撐期。該期的身體重心主要是從一側(cè)肢體轉(zhuǎn)移到另一側(cè)肢體。此時(shí)的膝關(guān)節(jié)屈曲主要目的是為了緩沖驟然提高的關(guān)節(jié)內(nèi)力；第二次峰值出現(xiàn)在擺動(dòng)中期。此時(shí)峰值是行走過程中膝關(guān)節(jié)屈曲角度最大值。在膝關(guān)節(jié)屈膝角度低于15°范圍時(shí)，股四頭肌對(duì)脛骨的拉力與屈膝角度呈正相關(guān)。而膝關(guān)節(jié)過度前伸會(huì)引起腘繩肌收縮，產(chǎn)生長(zhǎng)度-拉力效應(yīng)，進(jìn)而會(huì)限制脛骨旋內(nèi)。此時(shí)的步態(tài)中壓力主要集中于橫弓前端內(nèi)側(cè)，COP也會(huì)過于集中于此位置。長(zhǎng)此下去，膝關(guān)節(jié)疼痛患者為了減輕或避免疼痛，使膝關(guān)節(jié)更加前伸，最終導(dǎo)致股四頭肌等肌肉萎縮[47]。在典型的膝關(guān)節(jié)外展的步態(tài)周期中，膝外展使足橫弓外側(cè)的壓力明顯高于正常人。膝外展是決定足底壓力內(nèi)外分布的重要因素[48]。膝外展時(shí)步態(tài)中的負(fù)荷與峰值之間具有相關(guān)性，膝關(guān)節(jié)外展時(shí)的步態(tài)中的最大峰值與膝骨性關(guān)節(jié)炎具有相關(guān)性，而較高峰值與膝骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生的趨勢(shì)具有相關(guān)性[49]。一些研究表明：穿著外側(cè)楔形鞋墊使地面反作用力的力臂增加，使膝關(guān)節(jié)中心的受力增大，同時(shí)也使COP軌跡發(fā)生向內(nèi)側(cè)移[50,51]。相反，還有一些臨床上的研究發(fā)現(xiàn)，人體COP發(fā)生側(cè)移，同時(shí)也影響膝關(guān)節(jié)承受的負(fù)荷范圍。人體正常行走過程中，從全足放平、足跟離地到屈膝增加這三個(gè)分點(diǎn)階段中，地面的反作用力通過脛骨向上傳遞至膝關(guān)節(jié)，同時(shí)身體重力也向下傳遞于膝關(guān)節(jié)，使膝關(guān)節(jié)面出現(xiàn)“合力”。使膝關(guān)節(jié)旋內(nèi)，同時(shí)也會(huì)投射于足底步態(tài)中的COP軌跡線上，使COP軌跡線發(fā)生側(cè)向位移。膝關(guān)節(jié)疼痛患者的步態(tài)呈搖擺步態(tài)，也稱特倫德倫堡步態(tài)，主要是由于患者為了減輕膝關(guān)節(jié)的疼痛，使膝關(guān)節(jié)在整個(gè)支撐期中所占時(shí)間變短，同時(shí)會(huì)發(fā)生髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)周圍肌肉代償，影響整個(gè)身體的重心擺動(dòng)，進(jìn)而映射到步態(tài)中的COP上[47]。異常步行時(shí)，COP軌跡線中間段的側(cè)向位移可能使膝關(guān)節(jié)所受地面反作用力增大[52]。長(zhǎng)此下去，膝關(guān)節(jié)可能會(huì)出現(xiàn)損傷或有損傷的趨勢(shì)，膝關(guān)節(jié)周圍的骨骼、肌肉或韌帶特性能力下降，不能維持膝關(guān)節(jié)周圍的平衡狀態(tài)，損傷就容易發(fā)生。步態(tài)中COP軌跡在臨床和康復(fù)上應(yīng)用的重要性，利用COP的擺動(dòng)密度評(píng)估ACL慢性損傷患者的支撐期的持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而預(yù)測(cè)損傷的程度大小[53]。因此，COP軌跡分析法是一種客觀評(píng)估膝關(guān)節(jié)是否存在慢性損傷風(fēng)險(xiǎn)的有效方法。

5 展望

5.1 COP軌跡可預(yù)警人體膝關(guān)節(jié)慢性損傷風(fēng)險(xiǎn)

前期研究常用體位、力量和柔韌等結(jié)合患者自我感覺評(píng)價(jià)表評(píng)估膝關(guān)節(jié)是否有損傷，這種評(píng)估方法會(huì)受一些主觀因素的影響；作為步態(tài)分析中的一個(gè)重要指標(biāo)，COP軌跡變化是由三維動(dòng)力學(xué)中身體質(zhì)量中心變化決定的，因此評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀、準(zhǔn)確。

5.2 應(yīng)用COP軌跡劃分人體膝關(guān)節(jié)慢性損傷風(fēng)險(xiǎn)程度

在應(yīng)用COP軌跡預(yù)警人體膝關(guān)節(jié)慢性損傷風(fēng)險(xiǎn)的研究中，還要更進(jìn)一步與臨床應(yīng)用結(jié)合，評(píng)估膝關(guān)節(jié)慢性損傷的風(fēng)險(xiǎn)程度，并制定風(fēng)險(xiǎn)程度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)不同的等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)程度，制定與之相匹配的運(yùn)動(dòng)處方，預(yù)防膝關(guān)節(jié)慢性損傷或降低其發(fā)生的幾率。

5.3 預(yù)防膝關(guān)節(jié)慢性損傷運(yùn)動(dòng)處方或矯形裝置的改進(jìn)

膝關(guān)節(jié)慢性損傷除了藥物或物理治療之外，運(yùn)動(dòng)療法應(yīng)該得到重視。大量的研究已證明適宜的運(yùn)動(dòng)能改善和增強(qiáng)膝關(guān)節(jié)周圍肌肉、韌帶以及關(guān)節(jié)液的分泌等，如負(fù)重半蹲或箭步蹲等力量訓(xùn)練。另外，一些足底矯正裝置和膝關(guān)節(jié)的防護(hù)裝置也應(yīng)與行走過程中的COP軌跡結(jié)合，研制適合自身的防護(hù)裝置。因此，在膝關(guān)節(jié)存在慢性損傷風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)行走過程中COP軌跡研究一套訓(xùn)練方法和有效的防護(hù)裝置，以免發(fā)生損傷。