三維步態(tài)分析系統(tǒng)在膝骨性關(guān)節(jié)炎患者中的臨床研究

何金龍，余 俊，楊海波，馮 育

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎(KOA)為老年患者常見病及多發(fā)病，在65歲以上的人群中，OA患者比例高達50%以上，其病變主要以關(guān)節(jié)軟骨磨損、繼發(fā)軟骨下骨硬化、關(guān)節(jié)腔骨贅形成及滑膜的增生[1-2]。以往關(guān)節(jié)受限嚴(yán)重情況多半都是通過患者主觀描述及膝關(guān)節(jié)影像學(xué)和臨床相關(guān)評分來初步評價膝關(guān)節(jié)功能[3]，通過客觀的三維步態(tài)分析在早期篩查出骨關(guān)節(jié)炎，及早采取預(yù)防措施就能大大延緩疾病的發(fā)生及進展，減少患者病痛并降低醫(yī)療支出。目前國內(nèi)外關(guān)于這一方面的研究仍然較少。本研究選取我院2018年1月-2020年1月期間因膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎住院擬行人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)前的老年患者為研究組，通過與健康組受試者術(shù)前步態(tài)相對比，以及與關(guān)節(jié)炎組術(shù)前、術(shù)后的對比，經(jīng)三維步態(tài)分析膝關(guān)節(jié)運動學(xué)及動力學(xué)相關(guān)指標(biāo)，現(xiàn)報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料：共納入40例受試者，研究組20例中男性8例，女性12例；左膝3例，右膝5例，雙膝12例；年齡最大82歲，最小58歲，平均66歲，病程平均18個月。對照組20例，其中男性9例，女性11例；既往無膝關(guān)節(jié)疼痛癥狀，年齡最大80歲，最小54歲，平均63歲。2組患者性別、年齡、體重指數(shù)等一般資料差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

1.2 納入標(biāo)準(zhǔn)[1]：①符合中華醫(yī)學(xué)會骨科學(xué)分會關(guān)節(jié)外科學(xué)組制定的《骨關(guān)節(jié)炎診療指南(2018年版)》的KOA診斷標(biāo)準(zhǔn)；②體格檢查和影像學(xué)資料均證實為KOA者，有明確人工全關(guān)節(jié)置換手術(shù)適應(yīng)證者；③意識清楚、生活自理、年齡≥55歲者；④能夠耐受手術(shù)者；⑤相關(guān)檢驗及檢查無明確手術(shù)禁忌證者。

1.3 排除標(biāo)準(zhǔn)：①既往有膝關(guān)節(jié)外傷病史者；②合有全身血管病變、神經(jīng)系統(tǒng)疾病或口服相關(guān)血管活性藥物者；③無法進行長期隨訪者。所有受試者均簽署知情同意書后參加實驗，并經(jīng)寧夏醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)并簽字。受試者均由同一組醫(yī)療團隊完成步態(tài)測試及分析，入院后對患者進行詳細的查體。術(shù)前所有患者均完善膝關(guān)節(jié)相關(guān)影像學(xué)檢查，通過評估相關(guān)檢驗檢查，排除不適宜受試的情況后，擬定詳細步態(tài)分析實驗方案。

1.4 步態(tài)儀與方法：儀器8臺T40高速紅外相機，分別裝配在離地面2.35 m高的實驗室墻面上，2塊AMTI-OR6-7型美國測力臺(987 mm×465 mm)嵌入地面，加信息轉(zhuǎn)換配件。另有計算機3臺、遠程肌電信號捕捉儀、熒光標(biāo)記球、表面肌電電極采集片等。

1.4.1 測試原理：英國VICON三維步態(tài)分析系統(tǒng)是利用紅外相機捕捉人體標(biāo)記部位的熒光棒，通過Nexus軟件將點連成線，線再連成面，根據(jù)立體三維坐標(biāo)，從而獲得步長、步速、關(guān)節(jié)活動角度等運動學(xué)指標(biāo)，并且要求受試者在步行時通過2塊測力臺獲得力矩、反作用力等動力學(xué)指標(biāo)。

1.4.2 測試方法：測試時進入步態(tài)分析專用實驗室，每次測試前必須將系統(tǒng)重新標(biāo)定，系統(tǒng)標(biāo)定后選擇16個標(biāo)定點，告知測試流程要求。讓患者先熟悉流程后試行幾次，行走時每只足分別踏上一只受力臺，行走3次以上，每人測3次。測力臺截取左右足各一個周期分析，計算3次取均值作為該組數(shù)據(jù)。

1.4.3 主要觀察指標(biāo)：時空指標(biāo)(步頻、步長、步寬、步幅、步行周期、步速等),動力學(xué)指標(biāo)(足跟觸地期屈膝角度、承重反應(yīng)期最大屈膝角度、支撐相中期最大伸膝角度、足離地期屈膝角度、擺動相最大屈膝角度)，另外重點觀察力學(xué)指標(biāo)內(nèi)翻力矩峰值和膝關(guān)節(jié)臨近肌肉肌電活動情況。

1.5 療效評價標(biāo)準(zhǔn)：對比觀察2組受試者步頻、步幅、步寬、步長、步速、步行周期、跛行指數(shù)、雙足支撐期、單足支撐期、一步時間、擺動相最大屈膝角度以及動力學(xué)指標(biāo)，尤其是觀察敏感的力學(xué)指標(biāo)內(nèi)翻力矩峰值和膝關(guān)節(jié)臨近肌肉肌電活動情況。

2 結(jié)果

2.1 2組受試者年齡、體重指數(shù)、性別的比較：2組受試者上述指標(biāo)比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，具有可比性，見表1。受試者在步態(tài)時間-空間參數(shù)指標(biāo)比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，步寬指標(biāo)2組差異無統(tǒng)計學(xué)意義；2組步態(tài)運動學(xué)指標(biāo)差異有統(tǒng)計學(xué)意義，見表2。

表1 2組患者一般資料的比較

表2 2組患者術(shù)前時間-空間參數(shù)指標(biāo)的比較

2.2 KOA組術(shù)前、術(shù)后相關(guān)指標(biāo)的比較：KOA患者術(shù)前與術(shù)后在步態(tài)時空參數(shù)、運動學(xué)參數(shù)，以及力學(xué)和肌電活動方面比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，見表3-表5。

表3 2組患者術(shù)前步態(tài)運動學(xué)指標(biāo)的比較

表4 研究組患者術(shù)前與術(shù)后6個月時間空間參數(shù)、步態(tài)運動學(xué)、膝關(guān)節(jié)力學(xué)、肌電參數(shù)的比較

3 討論

隨著我國逐漸進入人口老齡化，KOA患者呈逐年上升趨勢，臨床表現(xiàn)為膝關(guān)節(jié)疼痛腫脹、屈曲攣縮、內(nèi)翻畸形等，嚴(yán)重時關(guān)節(jié)功能喪失，這將影響患者日常生活，降低生活質(zhì)量，增加醫(yī)療支出。如何早期預(yù)防并控制這一病癥的發(fā)展是當(dāng)前醫(yī)學(xué)研究的熱點，對于KOA的相關(guān)研究仍然有很多不夠透徹，缺少客觀定量的診斷標(biāo)準(zhǔn)[4]。近年來，隨著人體生物工程學(xué)、電子信息學(xué)的發(fā)展，在步行過程中膝關(guān)節(jié)的運動學(xué)和生物力學(xué)研究日趨成熟，肌電檢測捕捉技術(shù)的發(fā)展使得三維步態(tài)分析技術(shù)成為了一種有效的生物力學(xué)評估手段，為KOA的預(yù)防、診斷、治療及后續(xù)康復(fù)拓展了新思路[5-6]。

VICON運動跟蹤系統(tǒng)是英國OML(Xford Metrics Limited)公司研發(fā)，現(xiàn)代VICON三維運動捕捉系統(tǒng)就是檢測KOA患者行走狀態(tài)時運動學(xué)、動力學(xué)和肌電指標(biāo)的綜合，分別定量評估肢體和關(guān)節(jié)的時空位置和力學(xué)指標(biāo)曲線，做到定量客觀解析生物力學(xué)變化，為KOA的預(yù)防和治療拓展了嶄新的思路[7-8]。我們的研究在排除受試者性別、年齡及體重指數(shù)干擾的情況下進行，盡可能使得檢測結(jié)果客觀、準(zhǔn)確。近年來國內(nèi)外文獻[9-11]表明，KOA不僅會導(dǎo)致各種臨床癥狀，還會在疾病的各個時期導(dǎo)致患者肉眼不可見的顯著步態(tài)異常，尤其是縱向長期隨訪研究發(fā)現(xiàn)，KOA和步態(tài)異?；橛绊懸蛩兀ハ嘧饔?，互相加重[12]。我們的研究中也發(fā)現(xiàn)，二者不僅互相影響，關(guān)系密切，步態(tài)還是KOA嚴(yán)重程度的主要正相關(guān)指標(biāo)，研究組和對照組相比除步寬外，KOA患者步頻、步幅、步寬、步長、步速及步行周期均小于對照組；此外，對于KOA患者來說，術(shù)后6個月除步寬外，其余時空指標(biāo)較術(shù)前均獲得明顯改善，基本接近于對照組。在步態(tài)時空各項指標(biāo)中，步長和步速是反映步行效率的關(guān)鍵要素，KOA患者步行效率下降主要表現(xiàn)為步長變小，步速下降。而KOA患者平衡能力的下降主要表現(xiàn)為雙足支撐期增加和跛行指數(shù)，支撐相延長就是膝關(guān)節(jié)為較少壓力和沖擊力的一種疼痛保護機制[12]。在本研究中也發(fā)現(xiàn)支撐相和步行周期的明顯延長，通過與健康人群對照，也可以看出KOA患者的步行效率與平衡能力均有不同程度的減低，為研究KOA患者提供了重要參考指標(biāo)。

時空指標(biāo)是在受試者行走時評估患者膝關(guān)節(jié)活動情況的指標(biāo)，而運動學(xué)指標(biāo)主要是患者取站立位，通過屈伸膝關(guān)節(jié)來檢測的相關(guān)指標(biāo)。本研究顯示，KOA患者足跟觸地期屈膝角度、承重反應(yīng)期最大屈膝角度、支撐相中期最大伸膝角度、足離地期屈膝角度、擺動相最大屈膝角度均差于對照組，二者相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義；此外還發(fā)現(xiàn)，對于KOA患者手術(shù)6個月后復(fù)查時再次評估上述指標(biāo)明顯好于術(shù)前，手術(shù)前后對比差異有統(tǒng)計學(xué)意義。本研究結(jié)果顯示，KOA患者膝關(guān)節(jié)伸直力矩峰值小于術(shù)后6個月，這主要取決于膝關(guān)節(jié)伸直肌肉力量和力臂，而KOA患者由于關(guān)節(jié)內(nèi)翻或者變形導(dǎo)致力臂變小或者肌肉力量減弱所致。另外，國內(nèi)外文獻均認(rèn)為[13-16]，膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形以后導(dǎo)致內(nèi)翻力矩升高與KOA嚴(yán)重程度呈正相關(guān)性。本研究也發(fā)現(xiàn)內(nèi)翻力矩峰值與病情嚴(yán)重程度呈正向相關(guān)性。我們推測，膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻以后，關(guān)節(jié)間隙變小，內(nèi)翻力矩增加，使得軟骨及其下骨的應(yīng)力異常增加，引起無菌性炎癥，也使得與內(nèi)翻拮抗的股四頭肌外側(cè)群和小腿三頭肌外側(cè)頭肌肉應(yīng)力增加，肌電活動增加。本研究結(jié)果顯示，對照組受試者與KOA患者相比、KOA患者術(shù)后半年與術(shù)前相比，上述肌肉表面肌電活動明顯下降，而內(nèi)翻力矩峰值明顯增加。

KOA患者不同疾病階段關(guān)節(jié)及周圍肌肉的生物力學(xué)環(huán)境均發(fā)生明顯的異常改變，出現(xiàn)步態(tài)異常，針對異常狀態(tài)進行分析是客觀掌握KOA病情及治療干預(yù)效果的手段，而VICON系統(tǒng)可以對步態(tài)內(nèi)容里面最重要的時空指標(biāo)和動力學(xué)指標(biāo)進行客觀定量分析，得出KOA患者一系列生物力學(xué)異常，反過來這些異常因素又是反作用于病情嚴(yán)重程度。通過VICON三維步態(tài)分析技術(shù)得到精確的理論數(shù)據(jù)，除了可以早期明確疾病發(fā)生及進展程度，盡早采取相應(yīng)的預(yù)防及治療措施(比如早期發(fā)現(xiàn)步態(tài)異常，進行運動矯正療法，改變手術(shù)干預(yù)策略，先截骨矯形保膝治療)，減緩疾病的進一步進展，提高患者生活質(zhì)量。本研究不足之處在于納入的樣本量較少，隨訪時間也只有6個月，導(dǎo)致臨床結(jié)果不夠客觀全面；另外表面肌電活動檢測因為依從性差，只定位到肌群水平，在今后臨床中還需要進一步的完善。