膝骨关节炎患者步态中膝关节三维运动特征

流行病学研究表明，随着年龄的增长，骨关节炎的发病率也将随之有所提高，40岁以后患病风险增加，在65岁以上人群中约有50%的中老年人受到膝关节骨性关节炎的困扰

。

在浇注温度为680 ℃、压射速率为3.5 m/s 条件下，研究模具温度对外壳的显微组织及力学性能的影响．图4为不同模具温度下雷达外壳试样的显微组织．从图4可见，当模具温度较低时，由于冷速过快，使压铸件表面快速凝固而形成激冷层，出现表面细晶区；温度达到200 ℃时，晶粒变得均匀细小、圆整；当模具温度达到220 ℃时，液态金属冷却变慢，使温度梯度变平缓而形成粗晶区[5]．

膝骨关节炎严重影响了中老年患者的生活质量和运动功能

，造成了一定的社会负担，也成为临床工作者的重点研究课题。膝骨关节炎患者存在膝关节疼痛、肿胀、僵硬等症状，下肢肌力、柔韧性、关节活动度、生物力线出现异常

，进一步导致患者步行能力下降，步行能力下降严重影响了患者生活质量。步行能够在一定程度上反映下肢功能状态，对于客观评估下肢力线及各软组织工作状态具有重要作用

。现代步态分析技术已充分运用到膝骨关节炎(knee osteoarthritis，KOA)患者的康复评估中，其中评估参数主要有运动学和动力学以及步行过程中各肌肉肌电活动等

。我国目前关于中老年KOA患者的研究主要集中在膝关节步态分析中生物力学参数变化方向

。其中已有大量研究阐明KOA患者膝关节矢状面的运动特征

，但是在水平面及额状面的运动特征并不明确且存在一定局限性。因此利用膝关节实时三维步态评估系统了解中老年膝骨关节炎患者步行中膝关节三维运动特征是必要的。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2017年3月～2017年9月在杭州市江干区彭埠街道社区卫生服务中心确诊为膝骨关节炎的患者35例及无膝骨关节炎者23例。参照中华医学会骨科分会膝关节OA诊断标准及影像学标准

，即膝关节X线Kellgren&Lawrence分级标准

；由于目标人群是中老年人因此参考联合国世界卫生组织提出的国际年龄划分标准，定义45～59为中年人，60～74为年轻老年人，本研究选取年龄在45～70的中老年人为研究对象；介于以上几点并根据临床指标制定纳入标准如下描述：根据膝关节临床诊断标准及影像学标准判断是否有膝关节骨性关节炎症状；年龄在45～70之间的中老年人；未服用止痛药物。排除标准：膝关节韧带或半月板急性损伤；膝关节伸直位或屈曲挛缩畸形，无法进行下肢屈伸动作者；足踝部有损伤或畸形，无法进行运动者；身体质量指数(Body Mass Index，BMI)>27的肥胖者；有严重心血管疾病、不适合大强度运动者；下肢有皮肤病变、脉管炎、糖尿病足或其他血管病变患者。受试者在研究前均经过研究人员详细说明研究内容后，均以自愿形式签署知情同意书。根据上述标准筛选，实际收集收取患者44例，其中观察组29例，对照组15例。2组受试者一般资料无统计学差异。见表1。

1.2 方法 2组受试者均接受来自加拿大Emovi公司的膝关节功能评估系统KneeKG分析膝关节三维运动特征

。见图1。该系统的精确度、可重复性良好

，对于膝关节屈伸范围在65°内的运动，该系统的平均精确度在膝关节的内收外展方向为0.4°，在旋转方向为2.3°，在前后方向的偏移为2.4mm,在轴向的偏移为1.1mm。虽然本研究中膝关节的旋转角度和偏移数据范围较小，但是根据国外使用KneeKG进行的相关研究，该系统已经成为国际上公认的可信度高的工具

。2组受试者均各自在反馈调节跑台(UKK,h/p/cosmos,德国)上，以日常步行速度进行15～25min的步行

，通过KneeKG收集膝关节三维运动特征后自动生成步态周期曲线。

2）在含水土体中进行隧洞施工前，地质勘探尤为重要。土质、含水（尤其是水量、水压力）状况等应作为重点指标进行勘察。对水量丰富、渗流稳定的地下水处理往往选用洞内排水措施是不明智的。

2.1 KOA患者膝关节矢状面运动特征 2组受试者膝关节在矢状面运动结果比较，观察组膝关节在支撑相时最大伸膝不足，膝关节屈曲角度大于对照组 (

<0.05)，而摆动相最大屈曲角度显示观察组明显小于对照组 (

<0.05)，2组在足跟着地时的膝关节屈曲角度无统计学差异。在整个步态周期中，观察组步行速度和膝关节屈伸运动范围均明显小于对照组 (

<0.05)。见表2。

项目5：探索科研人员和财务人员的财务管理的合作方式，按照国家、省的推动科技创新发展的新政策、新要求，强化财务服务意识，启动科研财务助理的遴选、培训和聘用工作，使科研人员能够从复杂的财务业务中解脱出来，潜心科学研究。

1.3 评价标准 KneeKG系统可直接佩戴于膝关节上

，虽然信号发射器是放置在皮肤上但系统设计已排除了皮肤运动造成的误差，同时可以准确量化膝关节运动学特征

。在三维坐标中，在前后轴上以向前移动及前屈为正方向，沿纵轴外旋为正方向，左右轴中向左内收为正方向。根据受试者步行中所收集的三维运动数据，系统自动进行统计整合生成步态周期曲线，同时系统报告显示步态周期中三维平面上的评定指标有：①矢状面膝关节运动指标

：足跟着地时屈曲角度(0～15°)、支撑相时最大伸展角度(5～35°)、摆动相时最大屈曲角度(35～60°)和屈伸运动范围。数值越大表示膝关节趋于屈曲。研究显示在矢状面上，KOA患者膝关节在以上指标中常表现出较为明显的异常活动，观察上述指标有利于分析膝关节在矢状面上的运动学变化

。②额状面膝关节运动指标：足跟着地时内收角度及内收外展运动范围。膝骨关节炎常发生在内侧关节面继而发展恶化至髌股骨关节炎和外侧骨关节炎

，针对患者较明显的膝内翻症状，观察患者额状面上的运动变化也是分析KOA患者膝关节稳定性的重要指标

。②水平面膝关节运动指标：足跟着地时胫骨相对股骨的外旋角度、前后移动距离以及步态周期中胫骨相对股骨旋转范围和前后移动距离。膝关节屈伸过程中股骨和胫骨之间伴随着相对滑动及旋转，两者之间异常活动会影响到股四头肌力臂大小从而改变膝关节锁扣机制

。为避免因临床因素和主观因素造成的误差，所有的评估诊断均由同一名医师完成，而设备的佩戴及系统操作均由同一名经专业培训的研究人员完成。

2 结果

1.2.2 膝关节三维评估 首先让受试者以日常步行速度在跑台上行走以适应佩戴膝关节信号发射器的状态，同时保证仪器不会因为步行而掉落，记录下受试者对应的步行速度(km/h)。适应过程后，受试者继续步行约10min

，由KneeKG系统记录步行过程中受试者膝关节运动的三维变化。

1.2.1 确定关节中心及建立膝关节三维坐标 研究人员根据股骨内外髁的位置帮助受试者佩戴膝关节信号发射器。然后将其余的固定绑带固定在受试者小腿上后，在受试者适应后用电磁定位器定位解剖标志，包括股骨内外髁和踝关节内外踝等。接着可以开始确定髋、膝、踝关节中心及膝关节三维平面，从而建立三维坐标。①髋关节中心：保证髋部不动，保持膝关节伸直做顺时针或逆时针画圈，即患肢为左侧时做逆时针画圈，患肢为右侧时做顺时针画圈；②膝关节中点：保证骨盆位置不变无上下移动，来回反复做屈膝动作。③踝关节中心：内外踝信号发射器中间。④建立三维坐标：股骨纵轴由髋关节中点与膝关节中点确定；胫骨纵轴由膝关节中点和踝关节中点确定；额状面由股骨内外上髁及踝关节内外踝形成，额状面上垂直于纵轴的即为左右轴；前后轴及矢状面由患者在保证足不离地的情况下确定，先经过来回几次屈曲及伸直膝关节确定矢状面，矢状面上垂直与纵轴的即为前后轴。

2.3 KOA患者膝关节水平面运动特征 2组受试者膝关节旋转角度结果比较，虽然在足跟着地时，2组间胫骨相对股骨外旋角度无统计学差异，但在整个步态周期中，观察组旋转范围明显小于对照组(

<0.05)。见表4。2组受试者胫骨在水平面上相对股骨产生的前移距离结果比较。在足跟着地时期，观察组比对照组胫骨明显向后移动(

<0.05)。但在整个步态周期中，2组受试者胫骨相对股骨的移动范围无统计学差异。见表5。

KOA患者主要症状是膝关节疼痛，由于受到疼痛的影响，患者在足跟着地时屈膝角度减小

，此次研究中虽未表明两组存在显著差异，但观察组也表现出较小的屈膝角度。有学者观察到KOA患者髋关节的活动角度明显小于正常人

，而在本次研究中观察组在支撑相最大伸膝角度显示伸膝明显不足，较对照组趋于屈曲状态，此现象可能与患者股四头肌肌力减弱、股后肌群长期挛缩状态有关

。当屈髋肌力量不足时，摆动相中屈膝角度也随之减少，从而无法满足正常迈步所需角度，同时步态周期中膝关节屈伸运动范围也相应降低，在本次研究中也显示出这一现象，由此可以解释为何KOA患者表现出较为缓慢的步行速度。

2.2 KOA患者膝关节额状面运动特征 2组受试者膝关节在额状面上的运动结果比较，虽然在足跟着地时期，观察组内收角度明显大于对照组(

<0.05)，但在整个步态周期中，2组受试者膝关节在额状面上的运动范围并无统计学差异。见表3。

3 讨论

对于第69条(一)适用的范围如何，在我国有着不同的声音。在理论界和实务界存在着这样的理论，即要区分不同的情况，来决定是否适用这一条。换句话说，根据这些理论，经专利权人同意而销售出的涉及其专利的产品后，买方使用或转售该产品的行为，并非都根据第69条(一)而视为不侵权。在有的情况下，其上涉及的专利发生权利用尽，有的情况下不发生用尽而可能是发生了默示许可的情况(即属于专利法第12条的情形)。

许多针对KOA患者膝关节在额状面上的研究显示

，患者膝关节表现出较明显的不稳定活动。梁雷超等人

也表示老年女性患者的膝关节在内外侧方向上动态稳定性较差。此次研究中显示两组患者在足跟着地时呈现出明显差异，虽然未在运动范围上显示明显差异，但观察组膝关节在额状面上运动范围有所增加，出现这一结果的原因可能是由于未对患者患病部位进行详细的区分，病灶在内侧的患者多表现出内收的增加，而外侧病灶的患者更多的表现出外展的倾向

。结合本次结果，在控制KOA病情上，为了避免加剧病情的发展，提高膝关节额状面的稳定性，增加在内收-外展方向上的针对性康复训练是有必要的。

而在水平面上，观察组胫骨旋转活动范围明显要小于对照组，略显僵硬的旋转运动也在其他学者的研究中观察到

。在步态周期中，胫骨旋转与膝关节的锁扣机制(screw-home mechanism)有很大联系，在膝关节伸直的最后20°内，前交叉韧带防止胫骨过度前移的同时还可以外旋胫骨让膝关节完成伸直并锁死。结合在矢状面观察到观察组伸膝不足的现象，KOA患者膝关节表现出较弱的锁扣机制。

胫骨在水平面上还存在前后方面上的移动。KOA患者膝关节在前后方向上的运动特征一直以来没有统一的说法。Siston等

没有观察到KOA患者胫骨前后移动存在明显异常，但是其研究结果是在尸体上测量得出。此次研究中观察组在足跟着地时出现明显地向后偏移，结果与Hamai 等

观察到的现象基本一致，但在胫骨移动范围上两组并未有明显差异。值得注意的是，胫骨前后移动趋势也与交叉韧带有关，未来需要结合交叉韧带的特性对KOA患者膝关节运动轨迹进行深入研究，从而对临床治疗提供指导依据。

为满足数据采集系统多节点、传输速率高、组网范围大等需求[6],采用RS-485总线进行数据传输,其逻辑电平的高低通过差分线之间的压差表示,总线接口由平衡驱动器和差分接收器两部分组成,提高总线驱动能力的同时提高了总线抗共模干扰的能力,保证了数据传输的可靠性。

综上所述，中老年KOA患者膝关节在矢状面上活动较为僵硬，在额状面上的稳定性不足。对于中老年KOA患者的康复训练除了增加股四头肌肌力，改善股后肌群的柔韧性以外，还需要进行针对性的内收-外展肌力训练，以提高关节稳定性。而在水平面上，中老年KOA患者的胫骨相对于股骨旋转活动降低并伴有向后偏移的趋势，提示中老年KOA患者膝关节存在异常的锁扣机制。

[1] Coleman S，Briffa NK，Carroll G，et al. A randomised controlled trial of a self-management education program for osteoarthritis of the knee delivered by health care professionals[J]. Arthritis Research & Therapy,2012,14(1):21-32.

[2] 蒋黎明，陶莹，于小明，等.髌骨运动轨迹异常导致膝骨关节炎的病因机制及治疗研究进展[J].中国康复,2020,35(11):605-608.

[3] 杜建平，任薇，夏能能，等.等速肌力训练对改善膝骨关节炎肌肉功能的Meta分析[J].中国康复,2020,35(11):594-599.

[4] 王宁华，傅龙，Uyal,A.膝骨关节炎的体外冲击波疗法[J].中国康复,2020,35(10):556.-558.

[5] 李勇，龚利，朱清广．步态分析在膝骨性关节炎中的应用[J]. 中医学报,2013,28(4):598-600.

[6] Jamtvedt G, Dahm KT, Christie A，et al. Physical therapy interventions for patients with osteoarthritis of the knee: an overview of systematic reviews[J]. Physical Therapy,2008,88(1):123-135.

[7] 刘宇恒，唐占英，钱雪华，等．步态分析在膝关节骨性关节炎康复评估中的应用[J]. 中国中医骨伤科杂志,2012,20(1):62-64.

[8] Astephen J，Deluzio K，Caldwell G，et al. Biomechanical changes at the hip, knee, and ankle joints during gait are associated with knee osteoarthritis severity[J].Journal of Orthopaedic Research Official Publication of the Orthopaedic Research Society,2008,26(3):332-341.

[9] A Mündermann, Dyrby C O , Andriacchi T P . Secondary gait changes in patients with medial compartment knee osteoarthritis: increased load at the ankle, knee, and hip during walking.[J]. Arthritis Rheum, 2010, 52(9):2835-2844.

[10]黄萍，王怡，陈博，等.膝骨关节炎患者的三维运动解析[J].中国全科医学,2020,23(17):2169-2176.

[11]尹梦虹，李庆，王文君，等.不同时期膝骨关节炎的膝关节6自由度步态变化[J].中国康复医学杂志,2018,33(11):1341-1343.

[12]Joyce A. C. van Tunen,Andrea Dell’Isola,Carsten Juhl,Joost Dekker,Martijn Steultjens,Jonas B. Thorlund,Hans Lund. Association of malalignment, muscular dysfunction, proprioception, laxity and abnormal joint loading with tibiofemoral knee osteoarthritis - a systematic review and meta-analysis[J]. BioMed Central,2018,19(1):273-286.

[13]中华医学会骨科学分会关节外科学组.骨关节炎诊治指南(2018年版)[J]. 中华骨科杂.2018;28(12)：1-11.

[14]Kellgren JH，Lawrence JS. Radiological assessment of osteo-arthrosis[J]. Annals of the Rheumatic Diseases,1957,16(4):494-501.

[15]Lustig S, Magnussen RA, Cheze L，et al.The KneeKG system: a review of the literature[J]. Knee Surgery Sports Traumatology Arthroscopy Official Journal of the Esska. 2012,20(4):633-639.

[16]Mezghani N, Ouakrim Y, Fuentes A，et al. Knee osteoarthritis severity assessment using knee kinematic data classification[J]. Osteoarthritis & Cartilage. 2012,20(4):S97-905.

[17]Shabani B，Bytyqi D，Lustig S，et al.Gait changes of the ACL-deficient knee 3D kinematic assessment. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 2015;23(11):3259-3265.

[18]Bytyqi D，Shabani B，Cheze L，et al. Does a third condyle TKA restore normal gait kinematics in varus knees? In vivo knee kinematic analysis[J]. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery, 2017, 137(3):409-416.

[19]Labbe DR, Hagemeister N, Tremblay M，et al.Reliability of a method for analyzing three-dimensional knee kinematics during gait[J]. Gait & Posture. 2008,28(1):170-174.

[20]恽晓平. 康复疗法评定学[M]. 华夏出版社, 2005:268-271.

[21]朱清广，房敏，龚利．步态分析中运动学及动力学参数在膝骨性关节炎中的应用[J]. 北京中医药，2011，30(10)：755-767.

[22]乐意, 金荣疆, 阳杨，等. 从下肢生物力学来解析膝骨关节炎 [J]. 中国康复理论与实践, 2013, 6): 505-509.

[23]Nagano Y，Naito K，Saho Y，et al.Association between in vivo knee kinematics during gait and the severity of knee osteoarthritis[J]. Knee，2012，19(5)：628-632.

[24]Chang AH，Chmiel JS，Moisio KC，et al. Varus thrust and knee frontal plane dynamic motion in persons with knee osteoarthritis[J]. Osteoarthritis & Cartilage，2013，21(11)：1668-1673.

[25]唐纳德·a·诺伊曼原. 骨骼肌肉功能解剖学 [M]. 人民军医出版社, 2014:537-545.

[26]赵恒，徐飞，寿在勇，等．膝关节骨性关节炎患者步态和下肢主要关节的运动学分析[J]. 北京体育大学学报，2011，34(4)：71-74.

[27]Jr JAZ，Higginson JS.Differences in gait parameters between healthy subjects and persons with moderate and severe knee osteoarthritis: A result of altered walking speed[J]. Clinical Biomechanics，2009，24(4)：372-381.

[28]Baert IA，Jonkers I，Staes F，et al.Gait characteristics and lower limb muscle strength in women with early and established knee osteoarthritis[J]. Clinical Biomechanics.，2012，28(1)：40-47.

[29]梁雷超，黄灵燕，伍勰，等.膝骨关节炎对女性老年人步行动态稳定性的影响[J].体育科学,2016,36(03):61-66.

[30]Farrokhi S，Tashman S，Gil AB，et al. Are the kinematics of the knee joint altered during the loading response phase of gait in individuals with concurrent knee osteoarthritis and complaints of joint instability? A dynamic stereo X-ray study[J]. Clinical Biomechanics，2012，27(4)：384-589.

[31]Nagao N，Tachibana T， Mizuno K. The rotational angle in osteoarthritic knees[J]. International Orthopaedics，1998，22(5)：282-287.

[32]Siston RA，Giori NJ，Goodman SB，et al.Intraoperative passive kinematics of osteoarthritic knees before and after total knee arthroplasty[J]. Journal of Orthopaedic Research Official Publication of the Orthopaedic Research Society，2006，24(8)：1607-1614.

[33]Hamai S，Morooka TA，Miura H，et al.Knee kinematics in medial osteoarthritis during in vivo weight-bearing activities[J]. Journal of Orthopaedic Research Official Publication of the Orthopaedic Research Society， 2009，27(12)：1555-1560.