三维步态分析技术在膝骨性关节炎中的应用

冯 育，杨海波

膝骨性关节炎(KOA)是一种以膝关节疼痛、关节软骨丧失、关节僵硬、硬化和骨赘形成为特征的退行性疾病。KOA可导致功能障碍和畸形[1]。在美国，60岁以上的人群中，10%以上的男性和13%的女性会受KOA的影响[2]。在中国，该病在中老年人群中的患病率为7.2%(女性和男性分别为9.8%和3.7%)[3-4]。

KOA是一种受多种因素影响的复杂疾病，包括负荷环境。因此，分析膝关节在步行时的生物力学(主要的循环负重活动)尤其重要。在过去的十年中，用于评估KOA的成像技术通常为X线片、计算机断层扫描、磁共振成像和超声检查等[5-8]。然而，这些成像技术在静态条件下评估KOA，因此不评估疾病的功能改变。近年来，三维步态分析(3DGA)被广泛使用，用来探索KOA的动力学和运动学特征并成为当前相关研究的热门[9-10]。本文就3DGA技术在KOA中的应用进行相应的综述。

1 三维步态分析

1.1 步态及步态周期：步态是用步幅来描述的。步幅定义为同一只脚的一次脚后跟撞击和下一次脚后跟撞击之间的距离。步态周期包括站姿阶段和摆动阶段。站姿可分为5个阶段，从脚跟着地时的初始接触、负载响应、中间站姿、终端站姿和预摆开始。摆动阶段通常分为初始摆动、中间摆动和末端摆动[11]。

1.2 三维步态分析：临床3DGA是运用解剖学、生理学及力学知识对人类行走状态的研究，包括测量运动质量和识别步态异常的潜在原因，以帮助临床医生制订治疗方案。运动分析首先要进行全面的身体检查，包括对关节活动范围的评估运动、肌肉挛缩、肌力/张力、骨畸形和神经感觉系统检查。在3DGA过程中，一个人被指示在一条约10米长的既定路径上来回行走，同时使用3D摄像机和力板获得运动学和关节反应动力学的测量值。运动学描述了行走过程中的运动范围和运动模式。动力学是研究作用在人体上的肉眼看不见的引力。这些力是通过使用力板获得的。力通常被标准化为重量，以便比较不同重量的数据，并被描述为内部(作用于关节的肌肉、韧带和肌腱的力)或外部(作用于身体的重力)。计算关节力矩和节段角速度以提取能量，分为吸收功率(偏心收缩)和发电功率(同心收缩)。同时，还可以获得步行速度、时间和距离参数的信息，如步行速度、步幅、步长和肢体支撑时间[12-13]。

2 三维步态分析在膝骨性关节炎中的应用

2.1 KOA 步态相关参数的改变:KOA最常见的部位是内侧间室，导致内翻畸形和内收力矩增加[14-15]。为了减轻内侧间室的负荷，患者在步态时倾向于向外旋转腿部，降低步行速度。大量研究显示，KOA患者的步态参数都有明显改变[15-16]。Michael等研究发现和正常人相比，KOA患者的步态参数发生明显改变，比如步幅变短、步速减慢及跨步时间延长[17]。Eva等研究也发现与健康受试者相比，KOA患者的步行速度与步幅降低，运动和力矩减少[11]。Farrokhi等也报道到与对照组相比，KOA患者的足跟着地时，其膝关节屈曲角度小于对照组，且在支撑期时，其踝关节最大跖屈与背屈角度均比正常对照组小[18]。Chen CPC等研究发现，老年KOA患者的步态参数以步行速度慢、步频低、步幅短、双支撑时间长为特征[19]。

2.2 3DGA在KOA中的应用：3DGA可以为临床步态分析的评估提供详细、精确的数据，不但可以使KOA 诊断的数据化和规范化，有助于我们评估KOA的病变程度，更重要的是通过了解步态参数变化背后的关节载荷变化，有利于更清楚地了解整体运动模式。这使得康复团队能够专注于有效解决步态障碍的干预措施。

2.2.1 3DGA与KOA诊断及评估：Chen等的研究不但发现KOA患者的步态参数发生改变，其步态参数改变的幅度更可以帮助我们诊断和评估KOA的严重程度[19]。Sang等通过对10例KOA患者和10名年龄和性别匹配健康受试者在踏上定制椭圆训练器时膝关节动力学变量(外膝内收、屈曲、内旋转力矩和脉冲)进行分析，结果表明膝骨性关节炎变量在椭圆训练器上的应用可以定量地补充KOA的诊断，并可为我们提供潜在的实时KOA步态再训练策略或指南[20]。Rita等通过对3组不同程度KOA患者进行步态分析发现，步态参数的变化幅度与KOA 的严重程度相关。此外，与KOA相关的步态变异是性别依赖的。因而提示在康复过程中，必须特别注意改善步态稳定性和本体感觉，并且要考虑性别差异[21]。Kendal等人对步行后肢体疼痛不一致的279例KOA患者进行双侧3DGA发现，膝关节疼痛与多个膝关节外力矩(大小和方向不同)之间有很强的独立关联。在控制其他膝关节力矩的同时，更大的内收冲动和较低的屈伸力矩与疼痛增加的概率独立相关[22]。

2.2.2 3DGA与KOA治疗评估 :3DGA还可应用于KOA患者治疗效果的评估。Hideo等人通过对3例KOA患者胫骨高位截骨术(HTO)后步态分析发现，膝关节动力性负荷轴线轨迹从膝关节内侧边缘的内侧和后部转移到膝关节表面的中心区域，而HTO术后1年内，动态负荷轴在步态早期阶段的侧向运动减少[23]。孙茂淋等人通过对20例KOA患者3D 打印导板辅助人工全膝关节置换术(TKA)后患者步态分析显示，与健康人群相比，3D打印导板辅助TKA术后早期患者步态主要表现为步速、步频及步长减小，膝关节屈曲范围减小，代偿性髋关节及踝关节旋转范围增大[24]。HE等通过对10例正常对照组和8例单侧双室膝关节置换术患者步态分析后发现，后者在行走过程中表现出一定的代偿模式，但其步态和膝关节力学大致正常，且表现出良好的前平面膝关节力学，并且在步行过程中产生与正常对照组相同水平的膝关节伸肌力矩[25]。王芗斌等人利用3DGA技术评估电针治疗对KOA患者登梯活动时不同平面关节负荷的影响，有助于研究针灸康复疗法的生物力学机制[26]。

2.2.3 3DGA与可穿戴设备:近年来，可穿戴设备的出现使得用于分析3DGA的数据收集设备变得更小，更实惠，更便携。Zhu等人设计了一种可穿戴设备——膝辅助仪，用于改善TKA患者术后康复效果。该设备由非圆凸轮齿轮、带有角度传感器的髋关节支承机构及带有足底压力传感器的康复鞋组成。其研究结果表明，该装置可有效改善病人术后步行康复，继而缩短患者的住院时间[27]。Chen等开发了一套可穿戴设备，即在胸前、大腿以及小腿胫骨处安装3个运动传感器，内置三维加速度计，通过3DGA分析评估KOA患者术后康复训练效果[28]。

3DGA作为一种新兴的生物力学分析技术，已经大量应用于诸多疾病的研究中。然而，这项技术虽然可以提供很多有关关节力矩和运动的详细信息，但这些信息真正应用在标准临床方法中还有一段距离。除了一些例外，许多研究的动力不足，而且在方法上存在很大的差异，因此无论是对于KOA的诊断及其严重程度的量化，还是不同治疗方案的效果评估都缺乏一个可信的、公认的量化指标[8]。这也要求我们在之后的研究中，不但要扩大样本量，更要在研究方法上达成共识，以确定核心结果指标和标准化分析方法，从而为临床工作提供更多的帮助。