外侧楔形鞋垫对内侧膝骨关节炎下肢关节力学影响的研究进展

邱荣美 综述；王德强 审校

（1.滨州医学院康复医学院，山东 烟台 264003；2.滨州医学院附属医院 疼痛科，山东 滨州 256600）

膝关节骨性关节炎（knee osteoarthritis,KOA）是导致老年人关节疼痛和慢性残疾的主要原因，严重影响患者的生活质量，给家庭和社会造成较大的经济困扰。据统计，我国40岁以上中老年人KOA总体患病率为36.4%，男性为27.3%，女性为42.7%[1]。膝关节内侧室的压力负载是外侧的10倍，在支撑相早期，关节反应力是身体重量的215%，支撑相后期，关节反应力是身体重量的266%，而膝关节内侧室的负载占总负载的6%～80%，而在膝关节内翻畸形的人中4%～6%的内翻畸形程度会使膝关节内侧室负载增加20%，因此膝关节的不同力线也会影响膝关节内侧的负载，内侧负载的增加会影响膝关节骨性关节炎的发生，发展。

目前治疗KOA的手术方式主要有全膝关节置换术、胫骨高位截骨术、腓骨高位截骨术及单髁置换[2-3]等都可以通过改变下肢的生物力学关系达到改变膝关节压力负荷分布和改善疼痛的效果。以上手术治疗方法主要适用于晚期的膝骨关节炎患者，而早期和中期一般选用非手术治疗。非手术治疗主要有口服非甾体药物、神经肌肉训练、透明质酸钠关节腔注射及物理因子治疗等都能明显改善膝关节的临床症状和运动功能。其中，外侧楔形脚垫（外缘高于内缘）作为一种非入侵性、经济的辅助治疗方法在临床上取得了良好的效果，主要通过改变膝关节的外部内收力矩（external knee adduction moment,EKAM）达到减轻膝关节内侧室负载的效果[4]。在行走时，地面的反作用力在膝关节内侧通过，与膝关节中心的距离形成一个膝关节外部的内收力矩，使胫骨相对于股骨内收，增加对膝关节内侧负载的影响。因此膝关节内收力矩是内侧胫骨软骨量损失的一个危险因素。本文主要综述外侧楔形鞋垫对内侧膝骨关节炎下肢关节的生物力学影响。

1 外侧楔形鞋垫

1987年Sasaki和Yasuda是第一次提出用外侧楔形鞋垫治疗内侧膝骨关节炎，他们证实了鞋内垫使跟骨相对于胫骨的外翻，通过减小地面反作用到膝关节压力中心的力臂从而减小膝关节的外部内收力矩，从而应用于内侧膝关节的治疗。楔形鞋垫放置于鞋内底上的一种外缘高于内缘的足部辅具，用以支持、排列、固定、预防或矫正畸形踝关节，使足底筋膜松弛，恢复足部的生物力学和改善下肢功能，是一种可靠且廉价的治疗方案，由于其易于穿戴而具有较高的依从性，在内侧膝骨关节炎临床治疗指导方针中是经常被推荐的治疗方法，通过改变下肢的力线，减少膝关节内侧室负荷，帮助患者减少疼痛，改善身体机能，减缓疾病恶化。并且楔形鞋垫的效应在短期内不会发生退化，并不会发生生物力学适应，因此外侧楔形脚垫减小EKAM在短期内并不会有明显改变。

1.1 外侧楔形鞋垫对膝关节的影响

1.1.1 EKAM是反应外侧楔形脚垫改变内侧室负荷的重要参数 在对9名进行全膝关节置换术的患者膝关节内植入遥感勘测系统记录关节内部接触力的数据发现，根据EKAM的变化估计内侧胫股之间的接触力存在良好的相关性[5]，EKAM最能间接反应膝关节内侧胫股之间的接触力的变化趋势，Richards等[6]的研究也发现膝关节内侧接触力第一峰值与EKAM存在明显联系（相关系数为0.73），因此EKAM是膝关节最重要的监测异常的关节负载模式与骨性关节炎进展相关的参数。三维步态分析是一种最常用的可以无创分析各个下肢和上肢关节各种运动学和动力学参数，可以利用反向动力学计算得到外侧楔形脚垫条件下的EKAM等参数。EKAM的降低代表膝关节内侧负荷和外侧负荷的分布的变化和内侧室负荷的相对降低，将EKAM的减小作为膝关节内侧负载减小的参数是可靠的方式。

1.1.2 利用EKAM和KAAI预测膝骨关节炎疾病的进展 EKAM整体增加20%，膝骨关节炎的疾病进程会增加6.46倍，具有膝关节内翻畸形的患者的EKAM比没有内翻畸形的患者要高，膝关节内侧室的负荷越大，越高的EKAM预示着骨关节炎的结构破坏的危险性越大[7-9]，在对关节镜半月板手术切除术后观察发现，越高的EKAM与内侧软骨缺损的开始或恶化有关[10]，因此EKAM和膝关节内收角冲量（knee adduction angular impulse,KAAI）初始值越高，则预示着在疾病发展进程中，胫骨、髌骨、股骨的磨损和体积丢失越严重，影响疾病的预后，在以后的研究中可以使用EKAM和KAAI的初始值预测膝骨关节炎的疾病进展。

1.1.3 外侧楔形脚垫对膝骨关节炎患者EKAM和KAAI的影响 外侧楔形脚垫通过减少膝关节内侧室的压力和接触力来重新分配膝关节的内部负荷[11]。外侧楔形脚垫虽然会增加地面反作用力，但使地面反作用到膝关节中心的力臂减小的影响更大，从而减小EKAM[12]。外侧楔形脚垫作为一种辅助治疗方式的治疗效果受到骨关节炎患者的疾病进程、膝关节力线、年龄、体重及疼痛程度等的影响，对于早期和中期的患者能达到减缓疾病进程的效果，对晚期伴有疼痛的患者则需要采用手术和非甾体药物治疗。

多项研究表明[13-15]使用外侧楔形脚垫对EKAM的第一峰值（承重反应期：从初始接触到50%的支撑相）和第二峰值（摆动前期：从50%的支撑相到脚趾离地）和基线值相比都有明显的有统计学意义的减小但数值较小，EKAM的第一峰值减少相当于最少的减少量0.15%体重×身高（归一化身高体重），这就可以解释在随机试验中，侧楔鞋垫在12个月内软骨损伤速度或2年的关节空间缩小率的速度并没有减小的原因[16]。外侧楔形脚垫作为一种保守治疗方式，虽然每一步减少的EKAM和KAAI都很小，由于其良好的依从性和短期内并不会改变其减小EKAM的作用，即使EKAM降低5%～10%可能在临床上也很重要并且有助于维持软骨的完整性，在每天几千步中会达到巨大的累积效应，从而延缓膝骨关节炎患者的病程，所以在以后关于膝骨关节炎负载研究和临床使用过程中应该考虑到楔形脚垫的累积影响，这些潜在的生物力学优势需要在未来的长期临床研究中证明有益于疾病的进程。

KAAI代表EKAM曲线下面积，代表了在整个的步态周期中内收力矩的累积效应，在使用外侧楔形脚垫时显示了KAAI有统计学意义的减小。KAAI是一个更有用的方法计算在膝骨关节炎的患者膝关节载荷的持续时间和大小，与12个月或者2年之后胫股关节之间的内侧软骨损伤有关，基线时KAAI越大，12个月后胫骨软骨体积损失越大，2年后的内侧软骨厚度损失越大[17-18]。

多项研究发现有13%～18%的膝骨关节炎患者在穿戴鞋垫之后呈现了相反的生物力学反应，即EKAM、KAAI的升高[19-20]，研究发现在正常体重的没有膝骨关节炎的个体，外侧楔形脚垫并不能减轻膝关节胫股关节的负载，甚至会增加关节的负载，在穿上鞋垫1周后，KAAI、EKAM出现了增加的情况[21]，出现该状况的原因有很多，如步行的速度、足前进角、使用者自身下肢生物力学的影响。实验发现具有更大的踝关节外翻度数和膝关节力线正常的患者在使用外侧楔形脚垫时会减小更多的EKAM[22]，因此提出[23-24]了对外侧楔形脚垫的生物力学反应者（在使用外侧楔形脚垫之后，EKAM减小），如有一个更大踝关节外翻度数或者更高的踝关节度数，和非生物力学反应者的理念（在使用外侧楔形脚垫之后，KAM增加）如膝关节外翻、踝关节内翻等，可能是由于患者自身的特征导致这种相反的生物力学效应，如膝关节畸形的程度、疼痛、患者的身体机能和步态模式等[25]。旋前足或者膝、踝关节力线正常的人群会比旋后足和膝、踝关节力线异常的人群EKAM减小得更多，因此在以后外侧楔形脚垫的临床运用当中，应该考虑不同下肢关节力线对使用效果的影响，提高诊治效率。

1.2 外侧楔形鞋垫对足踝关节的影响

1.2.1 足踝关节对膝关节骨性关节炎疾病进展的影响 膝关节以外的关节的变化，如踝关节/距下关节，可能与膝关节负重的变化有关，在其他关节处有潜在的负面后果。在日常生活中，不正确的穿鞋方式、走路习惯都会导致足部生物力学环境的改变，使骨小梁发生改变，导致负载在关节分布的不均，使膝关节内侧室负荷增大。在出现足/踝的症状（疼痛、酸痛及僵硬等）之后，患者会改变自己的行走方式导致下肢关节生物力学的改变，从而可能会使患膝骨关节炎的风险增加[26]，会从疼痛脚转移体重，增加对侧膝的负重，因此根据足踝的症状可以预测患膝骨关节炎的趋势，足部或双足部的足/踝关节症状显著增加了出现膝关节症状和膝骨关节炎发展的几率。

1.2.2 外侧楔形脚垫对足踝关节生物力学的影响楔形鞋垫在减小EKAM的过程中，也影响着足踝生物力学。外侧楔形鞋垫通过增加脚的外翻角度，使胫骨相对于股骨向膝关节内侧移动，减短膝关节—地面反作用力的力臂[27]，从而使EKAM减小。在使用外侧楔形鞋垫之后，距下关节的外翻力矩明显增大，比正常老年人增大27.7%，比骨关节炎患者增大23.5%，在峰值KAM下，踝关节外翻力矩和最大踝关节外翻力矩变得更大，因此更大的踝关节外翻度数在峰值EKAM下就更加可能对外侧楔形鞋垫产生生物力学应答，不论在步态训练还是辅助器具的使用方面可以将提高踝关节外翻度数作为一种治疗手段。

在对比有内侧支撑的楔形鞋垫和经典的鞋内垫发现，两种鞋垫都可以降低膝关节的EKAM和KAAI，有内侧支撑的鞋垫的患者的疼痛明显改善[28]，有内侧支撑的楔形鞋垫会使足的外翻最小化，从而导致膝关节的EKAM的程度降低，外侧楔形鞋垫会增加更多的足外翻在整个步态周期中，在鞋垫的内侧加入拱形支撑可能会降低外侧楔形鞋垫增加踝关节外翻的效果，所以在实验或者临床应用过程中一般选择标准化（没有内侧支撑）的外侧楔形鞋垫。

1.2.3 足踝生物力学对外侧楔形脚垫作用的影响 楔形鞋垫虽然可以明显地降低膝关节的EKAM，但仍有30%的群体KAM不但没有降低反而呈现了升高的结果[19]。影响其结果的原因是多样的，其中对外侧楔形脚垫缺乏理想的生物力学反应的一种解释则是足踝生物力学的变化。在Sawada等[22]的实验中利用脚的姿势指数将受试者分为3组（正常足踝排列组、旋前组、旋后组）发现虽然鞋垫作用总体的受试者外部内收力矩没有明显变化，但只有正常足踝排列组峰值KAM减小4%，比赤足时明显降低（P＜0.05）。另外一项研究[27]利用不同足踝排列对外侧楔形脚垫效果的影响也发现，在正常足踝关节排列组EKAM减少的人数为90%，而非正常足踝排列组只有36%的人显示了EKAM第一峰值的减小。足踝关节的力线影响着外侧楔形鞋垫的效果，因为下肢肌肉骨骼状况的变化可以改变下肢的力线和动态功能。

保持正常的足踝生物力学可能有利于防止足踝部的不良反应，在使用楔形鞋垫时，应该识别那些可以从外侧楔形鞋垫中获益更多的人，进一步研究有针对性地在生物力学表现型的群体中使用侧楔鞋垫的研究，以充分了解其限制疾病进展的潜力。

1.3 外侧楔形鞋垫对髋关节的影响

目前的研究主要针对膝关节和足踝关节的数据，少有的关于髋关节的数据也显示外侧楔形鞋垫会增加髋关节的第一个内收力矩峰值3.7%[16-29]或者关于髋关节峰值的内收、内收偏移、峰值的内收力矩在外侧楔形鞋垫的条件下没有被明显的改变，在3年内髋关节没有明显的不良影响。

2 外侧楔形鞋垫结合膝关节外翻矫形器对EKAM的影响

外侧楔形鞋垫和外翻矫形器通常运用于膝骨关节炎早期，膝关节外翻矫形器通过采用三点弯曲机制[30]，增加膝关节的外翻角度从而增大膝关节的关节间隙达到减小膝关节内侧间室负荷，最后起到减轻疼痛的作用。膝关节外翻矫形器和外侧楔形鞋垫会增加步行的速度，降低EKAM和KAAI，但由于楔形鞋垫相比于外翻矫形器更舒适，具有更好的依从性，能更明显的减小EKAM。外侧楔形鞋垫结合外翻矫形器会出现协同作用使EKAM明显降低，从而缓解膝关节疾病的临床症状。

但外侧楔形鞋垫降低疼痛的效果却没有外翻矫形器明显。因为动态松弛和本体感觉缺陷是一个降低膝关节疼痛的关键因素，而外翻矫形器可以限制动态松弛和提高本体感觉，而外侧楔形鞋垫不能，可能就是因为鞋内垫需要增大踝关节外翻度数，减少更多的内侧负载，导致踝关节的本体感觉下降。

3 外侧楔形鞋垫结合足前进角对EKAM的影响

足前进角（foot progression angle,FPA）指贯穿足底的中心线与前进方向所形成的夹角。足前进角结合外侧楔形鞋垫可以改变异常的下肢力线。研究表明通过改变内侧膝骨关节炎患者的步态模式，包括减慢步行速度[31]、倾斜躯干及改变足前进角等，能够改变该状态下下肢关节的力线，以改变膝关节的负重，缓解疼痛，防止进一步的膝骨关节炎的发展。足外偏步态通过减小整个步态周期地面反作用力的内收力臂从而减小整个步态周期的KAM[32]，研究发现足外偏角度每增加5°，膝骨关节炎疾病发展的概率下降 0.6。在早期的步态阶段，足内偏使步态周期早期阶段减小EKAM，在后期阶段的情况显著增加，因为足内偏会使膝关节内翻，增大膝关节伸展力矩和内侧室的负载，对膝骨关节炎的进展产生不良影响。但Fong等[33]指出，通过改变足前进角并不能减小跑步过程中膝关节的EKAM，可能的解释则是在跑步过程中速度对EKAM的影响远远大于改变足前角产生的影响，改变足前进角和使用外侧楔形脚垫会出现协同作用，使膝关节的内收力矩明显降低，但仍需要以后更多的实验探究，探究不同足部力线在使用外侧楔形鞋垫时，不同足前进角的影响。

4 小结

目前的证据表明，外侧楔形鞋垫出现在降低内侧膝关节结构变化方面效果不佳，并且可能更适合于生物力学反应型的群体-能减少更多的内侧膝关节负荷。目前的研究通过静态足姿势将患者分类，足部排列正常的穿楔形鞋垫的人群可以取得更大的外部内收力矩的减小。三维步态分析是科学研究常用的方式，但对于临床医生而言，作为诊断方式去区分需穿戴楔形鞋垫的人群是否可以获得更大的生物力学效益的操作方式过于繁琐，寻找可以替代三维步态分析的方式，如静态足姿势等去简便地区分受益更多的人群，以充分了解楔形鞋垫限制疾病发展的潜力。

在对于外侧楔形鞋垫由生物反应的使用人群联合其他辅助方式，如结合膝关节外翻矫形器和不同的步进角也会起到提高外侧楔形鞋垫减少EKAM的协同作用，楔形鞋垫联合盐酸氨基葡萄糖胶囊疗法，可以减轻软骨细胞的破坏同时加快软骨细胞修复[34]，从而缓解膝关节的疼痛，改善身体功能。也可以考虑外侧楔形鞋垫在偏瘫后期步态训练中的应用，现有的低温热塑板不仅不舒适，价格高昂，也会降低足踝部本体感觉的获得，探究外侧楔形鞋垫对于偏瘫后期足下垂患者的使用是一个具有经济效益的研究方向。探究不同下肢生物力学患者不同的辅助治疗方案，为患者设计独立的治疗计划，提高其运动功能。