三維步態(tài)分析技術(shù)在膝骨性關(guān)節(jié)炎中的應(yīng)用

馮 育，楊海波

膝骨性關(guān)節(jié)炎(KOA)是一種以膝關(guān)節(jié)疼痛、關(guān)節(jié)軟骨喪失、關(guān)節(jié)僵硬、硬化和骨贅形成為特征的退行性疾病。KOA可導(dǎo)致功能障礙和畸形[1]。在美國，60歲以上的人群中，10%以上的男性和13%的女性會受KOA的影響[2]。在中國，該病在中老年人群中的患病率為7.2%(女性和男性分別為9.8%和3.7%)[3-4]。

KOA是一種受多種因素影響的復(fù)雜疾病，包括負(fù)荷環(huán)境。因此，分析膝關(guān)節(jié)在步行時的生物力學(xué)(主要的循環(huán)負(fù)重活動)尤其重要。在過去的十年中，用于評估KOA的成像技術(shù)通常為X線片、計算機(jī)斷層掃描、磁共振成像和超聲檢查等[5-8]。然而，這些成像技術(shù)在靜態(tài)條件下評估KOA，因此不評估疾病的功能改變。近年來，三維步態(tài)分析(3DGA)被廣泛使用，用來探索KOA的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征并成為當(dāng)前相關(guān)研究的熱門[9-10]。本文就3DGA技術(shù)在KOA中的應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)的綜述。

1 三維步態(tài)分析

1.1 步態(tài)及步態(tài)周期：步態(tài)是用步幅來描述的。步幅定義為同一只腳的一次腳后跟撞擊和下一次腳后跟撞擊之間的距離。步態(tài)周期包括站姿階段和擺動階段。站姿可分為5個階段，從腳跟著地時的初始接觸、負(fù)載響應(yīng)、中間站姿、終端站姿和預(yù)擺開始。擺動階段通常分為初始擺動、中間擺動和末端擺動[11]。

1.2 三維步態(tài)分析：臨床3DGA是運(yùn)用解剖學(xué)、生理學(xué)及力學(xué)知識對人類行走狀態(tài)的研究，包括測量運(yùn)動質(zhì)量和識別步態(tài)異常的潛在原因，以幫助臨床醫(yī)生制訂治療方案。運(yùn)動分析首先要進(jìn)行全面的身體檢查，包括對關(guān)節(jié)活動范圍的評估運(yùn)動、肌肉攣縮、肌力/張力、骨畸形和神經(jīng)感覺系統(tǒng)檢查。在3DGA過程中，一個人被指示在一條約10米長的既定路徑上來回行走，同時使用3D攝像機(jī)和力板獲得運(yùn)動學(xué)和關(guān)節(jié)反應(yīng)動力學(xué)的測量值。運(yùn)動學(xué)描述了行走過程中的運(yùn)動范圍和運(yùn)動模式。動力學(xué)是研究作用在人體上的肉眼看不見的引力。這些力是通過使用力板獲得的。力通常被標(biāo)準(zhǔn)化為重量，以便比較不同重量的數(shù)據(jù)，并被描述為內(nèi)部(作用于關(guān)節(jié)的肌肉、韌帶和肌腱的力)或外部(作用于身體的重力)。計算關(guān)節(jié)力矩和節(jié)段角速度以提取能量，分為吸收功率(偏心收縮)和發(fā)電功率(同心收縮)。同時，還可以獲得步行速度、時間和距離參數(shù)的信息，如步行速度、步幅、步長和肢體支撐時間[12-13]。

2 三維步態(tài)分析在膝骨性關(guān)節(jié)炎中的應(yīng)用

2.1 KOA 步態(tài)相關(guān)參數(shù)的改變:KOA最常見的部位是內(nèi)側(cè)間室，導(dǎo)致內(nèi)翻畸形和內(nèi)收力矩增加[14-15]。為了減輕內(nèi)側(cè)間室的負(fù)荷，患者在步態(tài)時傾向于向外旋轉(zhuǎn)腿部，降低步行速度。大量研究顯示，KOA患者的步態(tài)參數(shù)都有明顯改變[15-16]。Michael等研究發(fā)現(xiàn)和正常人相比，KOA患者的步態(tài)參數(shù)發(fā)生明顯改變，比如步幅變短、步速減慢及跨步時間延長[17]。Eva等研究也發(fā)現(xiàn)與健康受試者相比，KOA患者的步行速度與步幅降低，運(yùn)動和力矩減少[11]。Farrokhi等也報道到與對照組相比，KOA患者的足跟著地時，其膝關(guān)節(jié)屈曲角度小于對照組，且在支撐期時，其踝關(guān)節(jié)最大跖屈與背屈角度均比正常對照組小[18]。Chen CPC等研究發(fā)現(xiàn)，老年KOA患者的步態(tài)參數(shù)以步行速度慢、步頻低、步幅短、雙支撐時間長為特征[19]。

2.2 3DGA在KOA中的應(yīng)用：3DGA可以為臨床步態(tài)分析的評估提供詳細(xì)、精確的數(shù)據(jù)，不但可以使KOA 診斷的數(shù)據(jù)化和規(guī)范化，有助于我們評估KOA的病變程度，更重要的是通過了解步態(tài)參數(shù)變化背后的關(guān)節(jié)載荷變化，有利于更清楚地了解整體運(yùn)動模式。這使得康復(fù)團(tuán)隊能夠?qū)Ｗ⒂谟行Ы鉀Q步態(tài)障礙的干預(yù)措施。

2.2.1 3DGA與KOA診斷及評估：Chen等的研究不但發(fā)現(xiàn)KOA患者的步態(tài)參數(shù)發(fā)生改變，其步態(tài)參數(shù)改變的幅度更可以幫助我們診斷和評估KOA的嚴(yán)重程度[19]。Sang等通過對10例KOA患者和10名年齡和性別匹配健康受試者在踏上定制橢圓訓(xùn)練器時膝關(guān)節(jié)動力學(xué)變量(外膝內(nèi)收、屈曲、內(nèi)旋轉(zhuǎn)力矩和脈沖)進(jìn)行分析，結(jié)果表明膝骨性關(guān)節(jié)炎變量在橢圓訓(xùn)練器上的應(yīng)用可以定量地補(bǔ)充KOA的診斷，并可為我們提供潛在的實時KOA步態(tài)再訓(xùn)練策略或指南[20]。Rita等通過對3組不同程度KOA患者進(jìn)行步態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，步態(tài)參數(shù)的變化幅度與KOA 的嚴(yán)重程度相關(guān)。此外，與KOA相關(guān)的步態(tài)變異是性別依賴的。因而提示在康復(fù)過程中，必須特別注意改善步態(tài)穩(wěn)定性和本體感覺，并且要考慮性別差異[21]。Kendal等人對步行后肢體疼痛不一致的279例KOA患者進(jìn)行雙側(cè)3DGA發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)疼痛與多個膝關(guān)節(jié)外力矩(大小和方向不同)之間有很強(qiáng)的獨(dú)立關(guān)聯(lián)。在控制其他膝關(guān)節(jié)力矩的同時，更大的內(nèi)收沖動和較低的屈伸力矩與疼痛增加的概率獨(dú)立相關(guān)[22]。

2.2.2 3DGA與KOA治療評估 :3DGA還可應(yīng)用于KOA患者治療效果的評估。Hideo等人通過對3例KOA患者脛骨高位截骨術(shù)(HTO)后步態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)動力性負(fù)荷軸線軌跡從膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)邊緣的內(nèi)側(cè)和后部轉(zhuǎn)移到膝關(guān)節(jié)表面的中心區(qū)域，而HTO術(shù)后1年內(nèi)，動態(tài)負(fù)荷軸在步態(tài)早期階段的側(cè)向運(yùn)動減少[23]。孫茂淋等人通過對20例KOA患者3D 打印導(dǎo)板輔助人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)后患者步態(tài)分析顯示，與健康人群相比，3D打印導(dǎo)板輔助TKA術(shù)后早期患者步態(tài)主要表現(xiàn)為步速、步頻及步長減小，膝關(guān)節(jié)屈曲范圍減小，代償性髖關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)范圍增大[24]。HE等通過對10例正常對照組和8例單側(cè)雙室膝關(guān)節(jié)置換術(shù)患者步態(tài)分析后發(fā)現(xiàn)，后者在行走過程中表現(xiàn)出一定的代償模式，但其步態(tài)和膝關(guān)節(jié)力學(xué)大致正常，且表現(xiàn)出良好的前平面膝關(guān)節(jié)力學(xué)，并且在步行過程中產(chǎn)生與正常對照組相同水平的膝關(guān)節(jié)伸肌力矩[25]。王薌斌等人利用3DGA技術(shù)評估電針治療對KOA患者登梯活動時不同平面關(guān)節(jié)負(fù)荷的影響，有助于研究針灸康復(fù)療法的生物力學(xué)機(jī)制[26]。

2.2.3 3DGA與可穿戴設(shè)備:近年來，可穿戴設(shè)備的出現(xiàn)使得用于分析3DGA的數(shù)據(jù)收集設(shè)備變得更小，更實惠，更便攜。Zhu等人設(shè)計了一種可穿戴設(shè)備——膝輔助儀，用于改善TKA患者術(shù)后康復(fù)效果。該設(shè)備由非圓凸輪齒輪、帶有角度傳感器的髖關(guān)節(jié)支承機(jī)構(gòu)及帶有足底壓力傳感器的康復(fù)鞋組成。其研究結(jié)果表明，該裝置可有效改善病人術(shù)后步行康復(fù)，繼而縮短患者的住院時間[27]。Chen等開發(fā)了一套可穿戴設(shè)備，即在胸前、大腿以及小腿脛骨處安裝3個運(yùn)動傳感器，內(nèi)置三維加速度計，通過3DGA分析評估KOA患者術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練效果[28]。

3DGA作為一種新興的生物力學(xué)分析技術(shù)，已經(jīng)大量應(yīng)用于諸多疾病的研究中。然而，這項技術(shù)雖然可以提供很多有關(guān)關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動的詳細(xì)信息，但這些信息真正應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)臨床方法中還有一段距離。除了一些例外，許多研究的動力不足，而且在方法上存在很大的差異，因此無論是對于KOA的診斷及其嚴(yán)重程度的量化，還是不同治療方案的效果評估都缺乏一個可信的、公認(rèn)的量化指標(biāo)[8]。這也要求我們在之后的研究中，不但要擴(kuò)大樣本量，更要在研究方法上達(dá)成共識，以確定核心結(jié)果指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)化分析方法，從而為臨床工作提供更多的幫助。