足底压力中心轨迹预警人体膝关节慢性损伤研究进展

毋江波，王 静，金宗学

膝关节慢性损伤是人体长时间受运动过程中地面对身体的反作用力与身体重力合力作用的结果，同时也是引起损伤的重要因素[1]。膝关节慢性损伤一旦发生，治疗难度极大，因此，预防膝关节慢性损伤比治疗更有意义。在临床治疗和康复方面，评估膝关节慢性损伤的方法有很多种，体位、力量和柔韧，同时需要与患者自我感觉评价表(如疼痛、关节或肌肉过于紧张等)配合应用，但它们受主观因素影响较大，可能对已患损伤的评估并不是有效的方法。

1 COP轨迹

1.1 COP轨迹概述

足底压力中心(Center of pressure, COP)轨迹是人体行走过程中足-地接触作用力位置、大小、分布及力度顺序的综合结果，能反映足与地面接触全过程的作用方式，也是人体行走运动姿态的间接反映，是一种重要的步态支撑期足底压力特征[2～4]。它是步态分析中至关重要的指标之一[5]，是分析和衡量异常行走姿势和步态的基础[6]。Maki等[7]认为，维持身体姿势稳定性主要有两种方式：支撑面(Base of support, BOS)不变，改变身体环节使身体质心(Center of mass, COM)处于平衡范围内，或者改变BOS。虽然COM-BOS是评估身体姿势平衡的重要参数，但是运动学数据不足造成了COM相对于BOS的位置无法计算。实验和临床数据表明，COP的移动轨迹能反映身体姿势的变化，同时COP的变化与下肢关节周围肌肉的变化及整个身体重心运动相关联。它对运动系统疾病的病因分析、诊断、功能及疗效评定具有重要意义[8]。

1.2 COP轨迹在临床和康复上的应用

目前，COP轨迹分析法可用来评估人体步行稳定性和身体姿势控制情况等。在下肢关节协同作用下，为了维持身体直立，身体重心不断摇摆，映射到步态中的COP的轨迹线也发生相应的变化[9]。各个运动单元的协调是由人的神经系统控制的。神经系统调控身体姿势平衡时，下肢肌肉-骨关节系统对神经系统的负反馈的互动模式[10,11]，会引起行走过程中重力与地面的反作用力在下肢关节处发生相互的扭曲力，使相应的关节代偿增加，长期积累，会导致相应关节出现磨损或产生形变[12～14]。临床研究表明：膝关节不适或有炎症的患者步行中的COP轨迹变化也会发生相应改变或有改变的趋势[15]。

在前人步态周期中COP轨迹线的成果基础上，我们认为COP轨迹分析法是评估人体步态和平衡的一种有效方法。目前COP轨迹反映下肢关节是否存在慢性损伤的研究相对较少。主要原因是人体建模较难和纵向追踪测试不易以及下肢关节受多种因素影响。它不仅仅受重力和地面反作用力，同时还受环节两端的扭转力等影响，利用步态周期中COP轨迹反映下肢关节的慢性损伤风险程度具有很强的实用价值。综述行走过程中支撑期中COP轨迹分析预警人体膝关节慢性损伤风险的效果，以期为后续的研究提供参考。

2 正常步态中COP轨迹变化

人体步态COP的运动轨迹变化对于分析人体的步态和评估平衡能力等方面具有非常重要的意义[16]。此外，COP的轨迹也可以评估视觉刺激对人体平衡的能力的影响[17]。有研究发现，行走过程中COP控制着人体质心的变化，同时人体的重心也会影响COP轨迹[18]。临床研究中，一个步态周期分为足跟着地、全足放平、足跟离地、屈膝增加、足趾离地、膝最大屈曲、髋最大屈曲及足跟再次着地8个分点[19]。在每个分点阶段中，COP所呈现的轨迹图与该阶段行走特征具有相关性。人体行走需要神经系统、各环节肌肉和韧带相互协调，不断控制和修正内力和外力的平衡，以保持行走稳定[9]。另外，由于人体的解剖结构特性，各个环节的重心不可能维持在一条直线之上，需要下肢关节周围水平方向的剪切力来维持这些环节的稳定性。但由于肌肉收缩的特性，并不能一直保持恒力以保持环节的稳定性，因此在步态周期中每一个分点阶段中，人体都会自我控制和修正，在此过程中人体重心变化均会投射在步态中。力学模型研究发现：人体利用小腿肌肉收缩力维持站立平衡，并且人体的重心投影在脚踝的前8cm处[20,21]。行走过程中，人体躯干和下肢环节肌肉、韧带相互调整，致使人体质心速度在不同方向上变化，造成了人体重心呈“摇摆”的效果，同时人体的COP在步态周期中投射为“摇摆”的曲线。因此人体COP可作为评估步行稳定性至关重要的变量。在每个步态周期中每个分点阶段的COP均能反映身体躯干和下肢环节的变化情况。

3 膝关节慢性损伤改变COP轨迹

膝关节是人体最大且构造最复杂，损伤概率较高的关节。膝关节疼痛或不适可由很多因素引起，具体因素尚不明确，但与行走步态情况和承重的身体活动的相关性很高[22]。膝关节疼痛或不适主要包括骨性关节炎(Osteoarthritis, OA)、前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament, ACL)、内侧副韧带(Medial Collateral Ligament, MCL)和半月板等膝关节慢性损伤。

3.1 OA改变COP轨迹

OA是一种比较常见的慢性、进行性的活动关节疾病[23]。据统计可知，美国60岁的人患OA的风险和已有症状的占37.4%和12.1%[24]。已有很多研究应用步态分析研究膝关节OA发病的机理[25,26]。OA患者在行走过程中所受到地板的反作用力是关节面垂直重力的反映[27]。OA患者主要表现关节囊疼痛和炎症、肌肉力量不稳定、活动范围受限，同时，OA也会影响行走过程中的步态特征(如步长和步速等)[28]。国际骨关节炎研究学会证实锻炼可以缓解疼痛和改善身体功能，但关于改善步态的锻炼仍缺乏一致性[29]。已证实OA患者可通过改善行走过程中的步态特征，降低体重来减少膝关节承受压力[30,31]。由于OA的发生机制十分复杂，治愈非常困难，因此预防比治疗更加重要。可应用人体COP轨迹分析法预测是否存在发生OA的风险。OA步态周期中地面反作用力是关节面垂直负荷率的反映[32]，患者为了减轻或避免关节面负荷增加导致的疼痛，会采取加快摆动对侧肢体向支撑腿的重心转换的代偿策略。这一过程可能减少了支撑期外侧某一点的膝关节内翻力矩的变化[33]。

3.2 ACL损伤改变COP轨迹

ACL损伤是膝伤中最普遍的损伤之一，约占20%[34]。ACL患者存在膝关节周围的韧带松弛和肌肉力量变弱等情况，会使行走过程中步速变慢、步长变短、膝关节不能完全伸直、小腿的胫骨旋内增大等[35,36]。这些运动学参数的变化均能改变足底的COP轨迹线，进而引起胫骨和股骨相对于膝关节过度旋内或旋外。长此以往，可能会影响膝关节面的稳定和关节面之间的摩擦，引发关节软骨磨损。根据逆向动力学原理可知足底COP的轨迹线的变化也可反映人体行走过程的运动学参数，尤其是膝关节的慢性损伤。ACL损伤患者膝关节疼痛或肿胀等症状缓解后，患者在行走过程中全足放平期间，膝关节仍然是最不稳定的部位，可能导致对应髋关节和踝关节发生相应的变化，也可能会使髋关节屈伸角度、踝关节跖屈背伸甚至两者同时发生代偿性变化[37]。膝关节的不稳定也会引起身体重心的不稳定，进而导致足底压力分布不均以及COP不稳定。相反足底压力分布不均及COP的轨迹变化也可反推测膝关节是否存在患有ACL的概率。

3.3 MCL和半月板损伤改变COP轨迹

MCL是影响膝关节内侧稳定性的重要结构[38]，也是限制胫骨内旋和膝外翻的重要结构。MCL损伤主要是由负重后MCL长期受到牵拉或长期步态不稳定引起膝关节内侧结构松弛所致，其可能会引起膝关节创伤性关节炎或退变加速。这种现象又会引起COP轨迹偏移。

膝关节半月板损伤直接影响膝关节运动功能。该损伤会影响关节稳定性、协调性和减少震荡的能力。Nathan等[39]研究了部分半月板切除患者步行时膝关节运动学的变化。发现站立相时胫骨外旋角度显著增加了3.2°，同时患侧肢的最大屈伸峰值也显著性变化。这些指标的改变很可能会导致步行时胫骨与股骨摩擦，最终可能会引起关节软骨退行性病变。研究表明：膝关节旋内时胫骨内侧的压力与关节内外侧的应力比例具有显著性相关。由于膝内翻迫使膝关节中心增加了地面的反作用力，因此，容易出现膝关节损伤或损伤风险[40]。

综上所述，膝关节慢性损伤后引起的共同症状主要包括膝关节疼痛或酸胀、周围肌肉力量不均、行走步速较慢和膝关节过度拉伸等。这些症状均会改变行走过程中步态特征，同时也会影响COP轨迹的变化。

4 COP轨迹预警膝关节慢性损伤的可行性

作为分析和诊断人体行走的重要定量指标，步态分析已广泛应用于临床疾病诊断和分析中[41]，如糖尿病足测评和预防[42,43]、脑卒中后的偏瘫患者的康复理论支撑[44]、多功能足底矫正器[45]和下肢康复机器人[46]的研制等方面。人体属于一个铰链系统。在行走过程中各个关节的肌肉活动随之变化，主要是左右腿持续交替摆动，从足跟到脚趾过渡期，也体现在踝、膝和髋关节角度的变化以及身体重心的左右摆动。研究表明：行走的功能是通过躯干和下肢各个关节复合运动整合而成，如骨盆的旋转、倾斜、侧移，髋关节和膝关节的旋转屈伸及足踝运动。由高速摄像机拍摄行走过程整个步态周期可知：处于不同分点阶段时，下肢环节与躯干形成的刚体相互协同和修正，下肢环节刚体也发生相应改变，并环绕不同的支点进行“钟摆”运动。如足跟着地时，足部以踝关节为圆心，踝关节以上部分为半径做“钟摆”运动，过渡到支撑期阶段时，股骨以膝关节为圆心做“钟摆”运动，此时身体重心和地面反作用力集中作用于膝关节面等，在此阶段步态中COP轨迹线能呈现身体重心和地面反作用力的合力的变化的轨迹线。因此，利用COP轨迹线定量评估膝关节慢性损伤风险可能是一种有效的预防方法。

行走过程中，膝关节屈曲角度出现两次峰值，首次峰值出现于预支撑期。该期的身体重心主要是从一侧肢体转移到另一侧肢体。此时的膝关节屈曲主要目的是为了缓冲骤然提高的关节内力；第二次峰值出现在摆动中期。此时峰值是行走过程中膝关节屈曲角度最大值。在膝关节屈膝角度低于15°范围时，股四头肌对胫骨的拉力与屈膝角度呈正相关。而膝关节过度前伸会引起腘绳肌收缩，产生长度-拉力效应，进而会限制胫骨旋内。此时的步态中压力主要集中于横弓前端内侧，COP也会过于集中于此位置。长此下去，膝关节疼痛患者为了减轻或避免疼痛，使膝关节更加前伸，最终导致股四头肌等肌肉萎缩[47]。在典型的膝关节外展的步态周期中，膝外展使足横弓外侧的压力明显高于正常人。膝外展是决定足底压力内外分布的重要因素[48]。膝外展时步态中的负荷与峰值之间具有相关性，膝关节外展时的步态中的最大峰值与膝骨性关节炎具有相关性，而较高峰值与膝骨性关节炎发生的趋势具有相关性[49]。一些研究表明：穿着外侧楔形鞋垫使地面反作用力的力臂增加，使膝关节中心的受力增大，同时也使COP轨迹发生向内侧移[50,51]。相反，还有一些临床上的研究发现，人体COP发生侧移，同时也影响膝关节承受的负荷范围。人体正常行走过程中，从全足放平、足跟离地到屈膝增加这三个分点阶段中，地面的反作用力通过胫骨向上传递至膝关节，同时身体重力也向下传递于膝关节，使膝关节面出现“合力”。使膝关节旋内，同时也会投射于足底步态中的COP轨迹线上，使COP轨迹线发生侧向位移。膝关节疼痛患者的步态呈摇摆步态，也称特伦德伦堡步态，主要是由于患者为了减轻膝关节的疼痛，使膝关节在整个支撑期中所占时间变短，同时会发生髋关节和踝关节周围肌肉代偿，影响整个身体的重心摆动，进而映射到步态中的COP上[47]。异常步行时，COP轨迹线中间段的侧向位移可能使膝关节所受地面反作用力增大[52]。长此下去，膝关节可能会出现损伤或有损伤的趋势，膝关节周围的骨骼、肌肉或韧带特性能力下降，不能维持膝关节周围的平衡状态，损伤就容易发生。步态中COP轨迹在临床和康复上应用的重要性，利用COP的摆动密度评估ACL慢性损伤患者的支撑期的持续时间，进而预测损伤的程度大小[53]。因此，COP轨迹分析法是一种客观评估膝关节是否存在慢性损伤风险的有效方法。

5 展望

5.1 COP轨迹可预警人体膝关节慢性损伤风险

前期研究常用体位、力量和柔韧等结合患者自我感觉评价表评估膝关节是否有损伤，这种评估方法会受一些主观因素的影响；作为步态分析中的一个重要指标，COP轨迹变化是由三维动力学中身体质量中心变化决定的，因此评价结果更客观、准确。

5.2 应用COP轨迹划分人体膝关节慢性损伤风险程度

在应用COP轨迹预警人体膝关节慢性损伤风险的研究中，还要更进一步与临床应用结合，评估膝关节慢性损伤的风险程度，并制定风险程度等级标准。根据不同的等级风险程度，制定与之相匹配的运动处方，预防膝关节慢性损伤或降低其发生的几率。

5.3 预防膝关节慢性损伤运动处方或矫形装置的改进

膝关节慢性损伤除了药物或物理治疗之外，运动疗法应该得到重视。大量的研究已证明适宜的运动能改善和增强膝关节周围肌肉、韧带以及关节液的分泌等，如负重半蹲或箭步蹲等力量训练。另外，一些足底矫正装置和膝关节的防护装置也应与行走过程中的COP轨迹结合，研制适合自身的防护装置。因此，在膝关节存在慢性损伤风险时，应根据行走过程中COP轨迹研究一套训练方法和有效的防护装置，以免发生损伤。