三維步態分析技術在膝骨性關節炎中的應用

馮 育，楊海波

膝骨性關節炎(KOA)是一種以膝關節疼痛、關節軟骨喪失、關節僵硬、硬化和骨贅形成為特征的退行性疾病。KOA可導致功能障礙和畸形[1]。在美國，60歲以上的人群中，10%以上的男性和13%的女性會受KOA的影響[2]。在中國，該病在中老年人群中的患病率為7.2%(女性和男性分別為9.8%和3.7%)[3-4]。

KOA是一種受多種因素影響的復雜疾病，包括負荷環境。因此，分析膝關節在步行時的生物力學(主要的循環負重活動)尤其重要。在過去的十年中，用于評估KOA的成像技術通常為X線片、計算機斷層掃描、磁共振成像和超聲檢查等[5-8]。然而，這些成像技術在靜態條件下評估KOA，因此不評估疾病的功能改變。近年來，三維步態分析(3DGA)被廣泛使用，用來探索KOA的動力學和運動學特征并成為當前相關研究的熱門[9-10]。本文就3DGA技術在KOA中的應用進行相應的綜述。

1 三維步態分析

1.1 步態及步態周期：步態是用步幅來描述的。步幅定義為同一只腳的一次腳后跟撞擊和下一次腳后跟撞擊之間的距離。步態周期包括站姿階段和擺動階段。站姿可分為5個階段，從腳跟著地時的初始接觸、負載響應、中間站姿、終端站姿和預擺開始。擺動階段通常分為初始擺動、中間擺動和末端擺動[11]。

1.2 三維步態分析：臨床3DGA是運用解剖學、生理學及力學知識對人類行走狀態的研究，包括測量運動質量和識別步態異常的潛在原因，以幫助臨床醫生制訂治療方案。運動分析首先要進行全面的身體檢查，包括對關節活動范圍的評估運動、肌肉攣縮、肌力/張力、骨畸形和神經感覺系統檢查。在3DGA過程中，一個人被指示在一條約10米長的既定路徑上來回行走，同時使用3D攝像機和力板獲得運動學和關節反應動力學的測量值。運動學描述了行走過程中的運動范圍和運動模式。動力學是研究作用在人體上的肉眼看不見的引力。這些力是通過使用力板獲得的。力通常被標準化為重量，以便比較不同重量的數據，并被描述為內部(作用于關節的肌肉、韌帶和肌腱的力)或外部(作用于身體的重力)。計算關節力矩和節段角速度以提取能量，分為吸收功率(偏心收縮)和發電功率(同心收縮)。同時，還可以獲得步行速度、時間和距離參數的信息，如步行速度、步幅、步長和肢體支撐時間[12-13]。

2 三維步態分析在膝骨性關節炎中的應用

2.1 KOA 步態相關參數的改變:KOA最常見的部位是內側間室，導致內翻畸形和內收力矩增加[14-15]。為了減輕內側間室的負荷，患者在步態時傾向于向外旋轉腿部，降低步行速度。大量研究顯示，KOA患者的步態參數都有明顯改變[15-16]。Michael等研究發現和正常人相比，KOA患者的步態參數發生明顯改變，比如步幅變短、步速減慢及跨步時間延長[17]。Eva等研究也發現與健康受試者相比，KOA患者的步行速度與步幅降低，運動和力矩減少[11]。Farrokhi等也報道到與對照組相比，KOA患者的足跟著地時，其膝關節屈曲角度小于對照組，且在支撐期時，其踝關節最大跖屈與背屈角度均比正常對照組小[18]。Chen CPC等研究發現，老年KOA患者的步態參數以步行速度慢、步頻低、步幅短、雙支撐時間長為特征[19]。

2.2 3DGA在KOA中的應用：3DGA可以為臨床步態分析的評估提供詳細、精確的數據，不但可以使KOA 診斷的數據化和規范化，有助于我們評估KOA的病變程度，更重要的是通過了解步態參數變化背后的關節載荷變化，有利于更清楚地了解整體運動模式。這使得康復團隊能夠專注于有效解決步態障礙的干預措施。

2.2.1 3DGA與KOA診斷及評估：Chen等的研究不但發現KOA患者的步態參數發生改變，其步態參數改變的幅度更可以幫助我們診斷和評估KOA的嚴重程度[19]。Sang等通過對10例KOA患者和10名年齡和性別匹配健康受試者在踏上定制橢圓訓練器時膝關節動力學變量(外膝內收、屈曲、內旋轉力矩和脈沖)進行分析，結果表明膝骨性關節炎變量在橢圓訓練器上的應用可以定量地補充KOA的診斷，并可為我們提供潛在的實時KOA步態再訓練策略或指南[20]。Rita等通過對3組不同程度KOA患者進行步態分析發現，步態參數的變化幅度與KOA 的嚴重程度相關。此外，與KOA相關的步態變異是性別依賴的。因而提示在康復過程中，必須特別注意改善步態穩定性和本體感覺，并且要考慮性別差異[21]。Kendal等人對步行后肢體疼痛不一致的279例KOA患者進行雙側3DGA發現，膝關節疼痛與多個膝關節外力矩(大小和方向不同)之間有很強的獨立關聯。在控制其他膝關節力矩的同時，更大的內收沖動和較低的屈伸力矩與疼痛增加的概率獨立相關[22]。

2.2.2 3DGA與KOA治療評估 :3DGA還可應用于KOA患者治療效果的評估。Hideo等人通過對3例KOA患者脛骨高位截骨術(HTO)后步態分析發現，膝關節動力性負荷軸線軌跡從膝關節內側邊緣的內側和后部轉移到膝關節表面的中心區域，而HTO術后1年內，動態負荷軸在步態早期階段的側向運動減少[23]。孫茂淋等人通過對20例KOA患者3D 打印導板輔助人工全膝關節置換術(TKA)后患者步態分析顯示，與健康人群相比，3D打印導板輔助TKA術后早期患者步態主要表現為步速、步頻及步長減小，膝關節屈曲范圍減小，代償性髖關節及踝關節旋轉范圍增大[24]。HE等通過對10例正常對照組和8例單側雙室膝關節置換術患者步態分析后發現，后者在行走過程中表現出一定的代償模式，但其步態和膝關節力學大致正常，且表現出良好的前平面膝關節力學，并且在步行過程中產生與正常對照組相同水平的膝關節伸肌力矩[25]。王薌斌等人利用3DGA技術評估電針治療對KOA患者登梯活動時不同平面關節負荷的影響，有助于研究針灸康復療法的生物力學機制[26]。

2.2.3 3DGA與可穿戴設備:近年來，可穿戴設備的出現使得用于分析3DGA的數據收集設備變得更小，更實惠，更便攜。Zhu等人設計了一種可穿戴設備——膝輔助儀，用于改善TKA患者術后康復效果。該設備由非圓凸輪齒輪、帶有角度傳感器的髖關節支承機構及帶有足底壓力傳感器的康復鞋組成。其研究結果表明，該裝置可有效改善病人術后步行康復，繼而縮短患者的住院時間[27]。Chen等開發了一套可穿戴設備，即在胸前、大腿以及小腿脛骨處安裝3個運動傳感器，內置三維加速度計，通過3DGA分析評估KOA患者術后康復訓練效果[28]。

3DGA作為一種新興的生物力學分析技術，已經大量應用于諸多疾病的研究中。然而，這項技術雖然可以提供很多有關關節力矩和運動的詳細信息，但這些信息真正應用在標準臨床方法中還有一段距離。除了一些例外，許多研究的動力不足，而且在方法上存在很大的差異，因此無論是對于KOA的診斷及其嚴重程度的量化，還是不同治療方案的效果評估都缺乏一個可信的、公認的量化指標[8]。這也要求我們在之后的研究中，不但要擴大樣本量，更要在研究方法上達成共識，以確定核心結果指標和標準化分析方法，從而為臨床工作提供更多的幫助。