Vicon运动捕捉系统对单侧膝关节置换术后双侧膝关节生物力学的评价

钟慧敏 李斌 陈博 刘志宏 郭蕾 黄萍

膝关节置换术是膝关节退变性骨关节炎、创伤性骨关节炎、骨软骨坏死性疾病、骨肿瘤等发展到终末期最有效的治疗方法[1-2]。膝关节置换术前患者均存在膝关节疼痛、变形、活动受限及步态异常，甚至不能行走等症状。有研究报道，这些患者的步速、步幅、步频均有下降，跨步时间延长，患膝关节活动度减小，且减小幅度与疾病严重程度呈正相关[3]。有研究认为，这类疾病发生发展及严重程度除了与患者年龄、职业、性别、体质量等有关外，还与膝关节在运动过程中所承受的应力及关节轴向对线正常与否等生物力学因素密切相关[4-6]。另有研究也证实，膝关节置换术前患者准备手术侧与非手术侧矢状面及冠状面膝关节转角曲线、关节力矩曲线总体相似，关节转角幅值和关节力矩峰值均无显著性差异[7]。但研究未涉及膝关节置换术后患者手术侧与非手术侧生物力学比较。对于术后患者双侧膝关节运动学、动力学的变化，仍需要进一步研究。

Vicon运动捕捉系统是目前公认的能够完整而准确测量人体运动时关节运动学、动力学等参数的测试分析系统，开始主要应用于动画制作、体育训练、人体工程学研究等方面，目前医学界也将Vicon运动捕捉系统应用于临床医疗和基础研究。

本研究应用英国Vicon运动捕捉系统采集双侧膝关节骨关节炎患者单侧膝关节置换术后行走数据，分析手术侧与非手术侧膝关节运动学和动力学参数改变，从而客观地反映手术后患者双侧膝关节生物力学情况，准确评估膝关节置换术效果和非手术侧膝关节置换时机。

1 方法

1.1 研究对象

本研究受试对象为2011年7月至2019年4月上海交通大学医学院附属瑞金医院门诊就诊的双侧膝关节骨关节炎单侧膝关节置换患者，共30例。其中男5例，女25例；年龄53～82岁，平均(69.40±6.90)岁；体质量50～88 kg，平均(65.27±9.20) kg；身高1.4～1.8 m，平均(1.56±0.08) m；术后随访时间4～108个月，平均(23.50±25.36)个月；左侧膝关节置换8例，右侧膝关节置换22例。本组病例均为本院手术患者，所有受试者均能不借助辅助工具行走，测试前向患者解释实验目的、步骤和方法。

1.2 纳入标准与排除标准

纳入标准：①双侧膝关节骨关节炎患者单侧膝关节置换术后患者；②术后至少3个月，无术后并发症发生，能独立行走；③所有膝关节置换术均由同一科室经验熟练的高年资医生完成；④术前两侧膝关节症状及影像学严重程度相当；⑤测试前所有受试对象知晓测试相关流程并签署知情同意书。

排除标准：①非单纯的骨关节炎(如伴有痛风、类风湿等)；②曾有下肢外伤或手术史；③有心肺、神经等系统严重基础疾病；④听力、视力及理解功能存在异常。

1.3 测量仪器

采用英国Vicon 公司生产的三维运动捕捉系统，该系统由10个高速红外摄像头、2块AMTI三维测力板(每块测力板长508 mm,宽464 mm)、1台电脑、1个摄像机、1个数据转换盒、反光球、T形校准架、配套软件等组成。系统测试频率设置为100 Hz，使用软件有Vicon Nexus和Vicon Polygon，其中测试场地空间长约10 m，宽约5 m，高约3 m。

1.4 方法

开始前，清除实验室所有反光物品，关门窗，调整室内温度为28℃,校正Vicon Nexus系统，受试者更换实验专用紧身衣短裤。测试时先对受试者身高、体质量、下肢长度(髂前上棘到内踝的长度)、膝宽(膝内外侧的宽度)、踝宽(内外踝之间的距离)进行测量，然后使用直径为14 mm的标记球16颗进行体表标记，标记点位置为左右(髂前上棘、髂后上棘、大腿外侧、膝外上髁、小腿外侧、外踝尖、第二跖骨、足后跟)。然后嘱咐受试者在其中1块测力板上保持静止站立姿势，建立静态模型，随后让受试者以平常行走速度在测试区域来回自然直走，在行走过程中每只脚分别踏在1块测力板上，先试走几次，适应实验环境并达到实验要求后开始正式测试，Vicon运动捕捉系统记录所有标记球在行走时的运动轨迹。数据采集后，通过Vicon Nexus软件处理原始数据并进行计算导出，再用Vicon Polygon软件显示所得的数据，选取经过2个测力板的1个步态周期膝关节三维运动学与动力学数据进行分析。

1.5 观测指标

观测指标有矢状面、冠状面、水平面膝关节角度和活动范围、运动角速度和角加速度、力矩及受力。为便于比对，所有极值均取绝对值。

1.6 统计学分析

采用SPSS 13.0统计软件进行统计学分析，手术侧与非手术侧数据进行两样本均数配对t检验分析。以均数±标准差表示，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

患者手术侧与非手术侧矢状面膝关节角度峰值和最大活动范围见图1，手术侧矢状面膝关节最大屈曲角度、伸展角度及活动范围均较未手术侧增大(P<0.05)。患者手术侧与非手术侧冠状面膝关节角度峰值和最大活动范围见图2，手术侧冠状面膝关节最大内翻角度较未手术侧减小(P<0.05)，手术侧冠状面膝关节最大外翻角度较未手术侧增大(P<0.05)。患者手术侧与非手术侧水平面膝关节角度峰值和最大活动范围见图3，手术侧与未手术侧无明显差异(P>0.05)。患者手术侧与非手术侧膝关节运动角速度和角加速度见图4，手术侧膝关节最大角速度、平均角速度、最大角加速度、平均角加速度均较未手术侧增快(P<0.05)。患者手术侧与非手术侧膝关节力矩见图5，手术侧膝关节屈曲力矩峰值较未手术侧增大(P<0.05)，手术侧膝关节伸展力矩峰值较未手术侧减小(P<0.05)。患者手术侧与非手术侧膝关节受力见图6，手术侧膝关节前后方向最大和平均受力较未手术侧增大(P<0.05)，手术侧膝关节左右方向最大和平均受力较未手术侧减小(P<0.05)，手术侧膝关节垂直方向平均受力较未手术侧增大(P<0.05) 。

图1患者矢状面膝关节角度峰值和活动范围，*表示与未手术侧相比，P<0.05

图2患者冠状面膝关节角度峰值和最大活动范围，*表示与未手术侧相比，P<0.05

图3 患者水平面膝关节角度峰值和最大活动范围

图4患者膝关节运动角速度和角加速度，*表示与未手术侧相比，P<0.05

图5 患者膝关节力矩，*表示与未手术侧相比，P<0.05

图6 患者膝关节受力，*表示与未手术侧相比，P<0.05

3 讨论

膝关节骨关节炎是与生物力学相关的一类疾病，多表现为膝关节疼痛和畸形[8-9]。膝关节置换术是膝关节骨关节炎终末期最有效的治疗手段之一。膝关节置换术能矫正膝关节畸形，缓解疼痛，恢复膝关节活动和功能，术后患者生活质量得到明显提高[10]。但是由于膝关节置换术创伤大、手术麻醉时间长、失血量多及此类患者年龄大且常伴有慢性疾病(如糖尿病、冠心病、肺气肿、高血压)等，膝关节置换术风险相应增加[11]。为了安全，一般双侧膝关节骨关节炎患者先进行单侧置换，再根据治疗效果和康复情况决定未手术侧置换时机。因此，双侧膝关节骨关节炎单侧膝关节置换术后有效评估双侧膝关节功能非常重要。

Vicon运动捕捉系统是三维分析人体运动状态下生物力学变化最客观、有效的新手段。它根据生物力学原理，应用计算机辅助及红外摄像技术，在人体步行过程中检测、记录特定时相躯干和关节运动、地面作用力、关节力矩等数据。该系统的优点是数据准确、客观，能从运动学、动力学对患者进行全面评估，从而更好地发现问题，制订新的手术措施[12]。目前欧美及大洋洲等许多国家将运动捕捉分析技术广泛应用于医学领域，并取得良好成效。例如，利用Vicon运动捕捉系统定制新型膝关节矫形器，此矫形器可有效减少步行过程中膝关节内侧受力，增加摆动相膝关节最大屈曲角度，有助于提高步行效率[13-14]。研究发现，运动捕捉分析技术对假肢制作有重要指导意义,假肢安装后步态功能评估结果对假肢佩戴后生物力线排列对齐、运动功能改善、代偿性异常活动发生及根据功能变化对支具进行完善和修正等具有重要作用[15]。我国引进运动捕捉分析技术的时间较短，对其应用研究也较少。然而，随着生活水平的提高以及科技的进步，运动捕捉分析技术在临床实践与科学研究中的应用越来越广泛，是患者步行功能最好的评价工具，具有不可替代的作用。本研究采用先进的英国Vicon运动捕捉系统三维采集双侧膝关节骨关节炎患者单侧膝关节置换术后行走数据，分析手术侧与非手术侧膝关节运动学和动力学参数改变，从而客观地反映膝关节置换术患者双侧膝关节生物力学改变，对于进一步评估膝关节置换术效果，预测非手术侧膝关节置换时机，指导膝关节置换术很有必要。

人体行走过程中，矢状面、冠状面、水平面膝关节角度变化能在一定程度上反映步态正常与否。本研究选取1个步态周期内患者手术侧与非手术侧矢状面、冠状面、水平面膝关节角度变化并进行对比。如图1、2所示，本组患者手术侧与未手术侧矢状面、冠状面膝关节角度存在较大差异。步态周期中手术侧矢状面膝关节最大屈曲角为53.19°，最大伸展角为5.28°，最大活动范围为47.91°，冠状面膝关节最大外翻角为9.38°，均较未手术侧(分别为38.86°、2.44°、36.42°、3.15°)增大(P<0.05)。这是因为患者未手术侧存在膝关节疼痛、变形，患者常不敢或难以屈伸膝关节，而手术侧膝关节疼痛缓解，膝关节形态接近正常，膝关节能较好地进行屈伸运动。以上提示膝关节置换术能显著提高膝关节活动度，从而使下肢具有较强的廓清能力。手术侧冠状面膝关节最大内翻角为8.28°，较未手术侧(14.52°)减小(P<0.05)。膝关节骨关节炎多发生于内侧间室，随着病程进展，胫骨平台内侧间室压力增大，关节内侧平台塌陷，膝关节内翻角逐渐增大，此角内翻程度反映膝关节功能损伤严重程度，临床上可据此为参照[16-17]。由于膝关节假体植入矫正了胫骨平台内倾，术后膝关节内翻角也随之较术前减小。

人体运动过程中的关节角速度和角加速度能够反映关节运动能力[17]。图4可见，患者手术侧与非手术侧膝关节运动角速度和角加速度均存在较大差异。患者手术侧膝关节最大角速度为305.53 rad/s，平均角速度为97.73 rad/s，最大角加速度为4 206.33 rad/s2，平均角加速度为1 394.47 rad/s2，均较未手术侧(分别为250.62 rad/s、80.90 rad/s、3 563.97 rad/s2、1 153.23 rad/s2)增快(P<0.05)，说明膝关节置换术后患者步行流畅，膝关节运动能力增强。

除了膝关节角度和角速度等运动学数据外，步行过程中膝关节动力学数据也反映膝关节的不同特征。图5为1个步态周期内手术侧与未手术侧膝关节力矩的对比情况，手术侧膝关节屈曲力矩峰值(353.64 N·mm)较未手术侧(241.17 N·mm)增大(P<0.05)，而手术侧膝关节伸展力矩峰值(261.67 N·mm)较未手术侧(366.57 N·mm)减小(P<0.05)。术后膝关节疼痛缓解，畸形矫正，屈曲度增加，使体质量在膝关节内外侧应力重新分布，因此膝关节屈曲力矩较术前增加，膝关节伸展力矩较术前减小。人体在步行运动过程中,髋、踝、膝关节通过协同作用共同驱动下肢向前方摆动,膝关节屈曲力矩增加,则增加了相应关节驱动下肢的能力，从而使术后膝关节运动能力增加[18]。

膝关节受力指行走过程中作用于膝关节所受到的合力，包括上身重力和下肢传递回来的反作用力[19]。膝关节受力分析主要检测3个方向的作用力参数，包括垂直方向受力、前后方向受力和左右方向受力，分别反映行走过程中膝关节负重、驱动、制动能力与稳定性等[20]。本研究手术侧前后方向最大膝关节受力(3.03 N)和平均膝关节受力(0.92 N)均大于非手术侧(分别为2.62 N、0.67 N)(P<0.05)，说明术后膝关节推动力增强，步行能力增快；手术侧垂直方向平均膝关节受力(4.27 N)大于非手术侧(3.99 N)(P<0.05)，说明术后膝关节承重能力增强；手术侧左右方向最大膝关节受力(1.48 N)和平均膝关节受力(0.53 N)均小于非手术侧(分别为1.90 N、0.73 N)(P<0.05)，说明手术侧与非手术侧膝关节作用力大小及对称性存在差异，患者行走时步态不稳定。

综上所述，采用Vicon运动捕捉系统可以三维分析患者膝关节生物力学情况，提供了客观、量化的运动学及动力学数据，科学地评价膝关节活动和功能。双侧膝关节骨关节炎患者单侧膝关节置换术后手术侧膝关节活动和承受重量能力得到明显提高，手术能有效改善患者步态及行走能力。但是双侧膝关节骨关节炎患者单侧膝关节置换术后，未手术侧膝关节疼痛、内外翻及屈曲挛缩畸形往往会对手术侧产生一定的影响，从而影响膝关节置换术整体效果。因此，根据膝关节置换术后膝关节运动学和动力学参数改变完善手术方式和康复锻炼，结合患者身体状况，尽可能缩短双侧膝关节骨关节炎分期置换相隔时间，可尽快达到双腿行走对称和平衡。