三维步态分析系统在膝骨性关节炎患者中的临床研究

何金龙，余 俊，杨海波，冯 育

膝关节骨性关节炎(KOA)为老年患者常见病及多发病，在65岁以上的人群中，OA患者比例高达50%以上，其病变主要以关节软骨磨损、继发软骨下骨硬化、关节腔骨赘形成及滑膜的增生[1-2]。以往关节受限严重情况多半都是通过患者主观描述及膝关节影像学和临床相关评分来初步评价膝关节功能[3]，通过客观的三维步态分析在早期筛查出骨关节炎，及早采取预防措施就能大大延缓疾病的发生及进展，减少患者病痛并降低医疗支出。目前国内外关于这一方面的研究仍然较少。本研究选取我院2018年1月-2020年1月期间因膝关节骨性关节炎住院拟行人工全膝关节置换术前的老年患者为研究组，通过与健康组受试者术前步态相对比，以及与关节炎组术前、术后的对比，经三维步态分析膝关节运动学及动力学相关指标，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料：共纳入40例受试者，研究组20例中男性8例，女性12例；左膝3例，右膝5例，双膝12例；年龄最大82岁，最小58岁，平均66岁，病程平均18个月。对照组20例，其中男性9例，女性11例；既往无膝关节疼痛症状，年龄最大80岁，最小54岁，平均63岁。2组患者性别、年龄、体重指数等一般资料差异无统计学意义。

1.2 纳入标准[1]：①符合中华医学会骨科学分会关节外科学组制定的《骨关节炎诊疗指南(2018年版)》的KOA诊断标准；②体格检查和影像学资料均证实为KOA者，有明确人工全关节置换手术适应证者；③意识清楚、生活自理、年龄≥55岁者；④能够耐受手术者；⑤相关检验及检查无明确手术禁忌证者。

1.3 排除标准：①既往有膝关节外伤病史者；②合有全身血管病变、神经系统疾病或口服相关血管活性药物者；③无法进行长期随访者。所有受试者均签署知情同意书后参加实验，并经宁夏医科大学总医院伦理委员会批准并签字。受试者均由同一组医疗团队完成步态测试及分析，入院后对患者进行详细的查体。术前所有患者均完善膝关节相关影像学检查，通过评估相关检验检查，排除不适宜受试的情况后，拟定详细步态分析实验方案。

1.4 步态仪与方法：仪器8台T40高速红外相机，分别装配在离地面2.35 m高的实验室墙面上，2块AMTI-OR6-7型美国测力台(987 mm×465 mm)嵌入地面，加信息转换配件。另有计算机3台、远程肌电信号捕捉仪、荧光标记球、表面肌电电极采集片等。

1.4.1 测试原理：英国VICON三维步态分析系统是利用红外相机捕捉人体标记部位的荧光棒，通过Nexus软件将点连成线，线再连成面，根据立体三维坐标，从而获得步长、步速、关节活动角度等运动学指标，并且要求受试者在步行时通过2块测力台获得力矩、反作用力等动力学指标。

1.4.2 测试方法：测试时进入步态分析专用实验室，每次测试前必须将系统重新标定，系统标定后选择16个标定点，告知测试流程要求。让患者先熟悉流程后试行几次，行走时每只足分别踏上一只受力台，行走3次以上，每人测3次。测力台截取左右足各一个周期分析，计算3次取均值作为该组数据。

1.4.3 主要观察指标：时空指标(步频、步长、步宽、步幅、步行周期、步速等),动力学指标(足跟触地期屈膝角度、承重反应期最大屈膝角度、支撑相中期最大伸膝角度、足离地期屈膝角度、摆动相最大屈膝角度)，另外重点观察力学指标内翻力矩峰值和膝关节临近肌肉肌电活动情况。

1.5 疗效评价标准：对比观察2组受试者步频、步幅、步宽、步长、步速、步行周期、跛行指数、双足支撑期、单足支撑期、一步时间、摆动相最大屈膝角度以及动力学指标，尤其是观察敏感的力学指标内翻力矩峰值和膝关节临近肌肉肌电活动情况。

2 结果

2.1 2组受试者年龄、体重指数、性别的比较：2组受试者上述指标比较差异均无统计学意义(P>0.05)，具有可比性，见表1。受试者在步态时间-空间参数指标比较差异有统计学意义(P<0.05)，步宽指标2组差异无统计学意义；2组步态运动学指标差异有统计学意义，见表2。

表1 2组患者一般资料的比较

表2 2组患者术前时间-空间参数指标的比较

2.2 KOA组术前、术后相关指标的比较：KOA患者术前与术后在步态时空参数、运动学参数，以及力学和肌电活动方面比较差异有统计学意义(P<0.05)，见表3-表5。

表3 2组患者术前步态运动学指标的比较

表4 研究组患者术前与术后6个月时间空间参数、步态运动学、膝关节力学、肌电参数的比较

3 讨论

随着我国逐渐进入人口老龄化，KOA患者呈逐年上升趋势，临床表现为膝关节疼痛肿胀、屈曲挛缩、内翻畸形等，严重时关节功能丧失，这将影响患者日常生活，降低生活质量，增加医疗支出。如何早期预防并控制这一病症的发展是当前医学研究的热点，对于KOA的相关研究仍然有很多不够透彻，缺少客观定量的诊断标准[4]。近年来，随着人体生物工程学、电子信息学的发展，在步行过程中膝关节的运动学和生物力学研究日趋成熟，肌电检测捕捉技术的发展使得三维步态分析技术成为了一种有效的生物力学评估手段，为KOA的预防、诊断、治疗及后续康复拓展了新思路[5-6]。

VICON运动跟踪系统是英国OML(Xford Metrics Limited)公司研发，现代VICON三维运动捕捉系统就是检测KOA患者行走状态时运动学、动力学和肌电指标的综合，分别定量评估肢体和关节的时空位置和力学指标曲线，做到定量客观解析生物力学变化，为KOA的预防和治疗拓展了崭新的思路[7-8]。我们的研究在排除受试者性别、年龄及体重指数干扰的情况下进行，尽可能使得检测结果客观、准确。近年来国内外文献[9-11]表明，KOA不仅会导致各种临床症状，还会在疾病的各个时期导致患者肉眼不可见的显著步态异常，尤其是纵向长期随访研究发现，KOA和步态异常互为影响因素，互相作用，互相加重[12]。我们的研究中也发现，二者不仅互相影响，关系密切，步态还是KOA严重程度的主要正相关指标，研究组和对照组相比除步宽外，KOA患者步频、步幅、步宽、步长、步速及步行周期均小于对照组；此外，对于KOA患者来说，术后6个月除步宽外，其余时空指标较术前均获得明显改善，基本接近于对照组。在步态时空各项指标中，步长和步速是反映步行效率的关键要素，KOA患者步行效率下降主要表现为步长变小，步速下降。而KOA患者平衡能力的下降主要表现为双足支撑期增加和跛行指数，支撑相延长就是膝关节为较少压力和冲击力的一种疼痛保护机制[12]。在本研究中也发现支撑相和步行周期的明显延长，通过与健康人群对照，也可以看出KOA患者的步行效率与平衡能力均有不同程度的减低，为研究KOA患者提供了重要参考指标。

时空指标是在受试者行走时评估患者膝关节活动情况的指标，而运动学指标主要是患者取站立位，通过屈伸膝关节来检测的相关指标。本研究显示，KOA患者足跟触地期屈膝角度、承重反应期最大屈膝角度、支撑相中期最大伸膝角度、足离地期屈膝角度、摆动相最大屈膝角度均差于对照组，二者相比差异有统计学意义；此外还发现，对于KOA患者手术6个月后复查时再次评估上述指标明显好于术前，手术前后对比差异有统计学意义。本研究结果显示，KOA患者膝关节伸直力矩峰值小于术后6个月，这主要取决于膝关节伸直肌肉力量和力臂，而KOA患者由于关节内翻或者变形导致力臂变小或者肌肉力量减弱所致。另外，国内外文献均认为[13-16]，膝关节内翻畸形以后导致内翻力矩升高与KOA严重程度呈正相关性。本研究也发现内翻力矩峰值与病情严重程度呈正向相关性。我们推测，膝关节内翻以后，关节间隙变小，内翻力矩增加，使得软骨及其下骨的应力异常增加，引起无菌性炎症，也使得与内翻拮抗的股四头肌外侧群和小腿三头肌外侧头肌肉应力增加，肌电活动增加。本研究结果显示，对照组受试者与KOA患者相比、KOA患者术后半年与术前相比，上述肌肉表面肌电活动明显下降，而内翻力矩峰值明显增加。

KOA患者不同疾病阶段关节及周围肌肉的生物力学环境均发生明显的异常改变，出现步态异常，针对异常状态进行分析是客观掌握KOA病情及治疗干预效果的手段，而VICON系统可以对步态内容里面最重要的时空指标和动力学指标进行客观定量分析，得出KOA患者一系列生物力学异常，反过来这些异常因素又是反作用于病情严重程度。通过VICON三维步态分析技术得到精确的理论数据，除了可以早期明确疾病发生及进展程度，尽早采取相应的预防及治疗措施(比如早期发现步态异常，进行运动矫正疗法，改变手术干预策略，先截骨矫形保膝治疗)，减缓疾病的进一步进展，提高患者生活质量。本研究不足之处在于纳入的样本量较少，随访时间也只有6个月，导致临床结果不够客观全面；另外表面肌电活动检测因为依从性差，只定位到肌群水平，在今后临床中还需要进一步的完善。