矯形器在內側間室膝關節骨性關節炎中的應用

馬圣楠 ，柯竟悅，董洪銘，張瑞星，李古強

膝關節骨性關節炎(knee osteoarthritis, KOA)是一種常見的退行性老年疾病[1]，主要是關節軟骨退變和繼發性骨質增生[2-3]，90%以上發生在內側間室，表現為膝內翻。近年來隨著人口老齡化的加劇[4]，導致老年疾病的發生率加速增長，60歲以上人群中約35%～50%患有膝骨關節炎[5]，因此人們對KOA的治療越來越重視。目前針對KOA的治療主要是減輕疼痛，提高關節活動度和功能[6]，包括物理治療、傳統藥物治療和手術治療。物理因子治療可以減輕疼痛但無法糾正異常的下肢力線，效果有限。傳統藥物治療包括口服或外用非甾體類消炎藥，鎮痛效果小且副作用大[7-8]。手術治療以膝關節置換為主，是目前治療重度KOA的最有效手術之一，但調查研究表明術后患者滿意度僅有81%～89%[9-10]。矯形器作為一種保守治療方式，花費低無創傷并能有效減輕疼痛，糾正異常力線，目前被廣泛應用于臨床中。本文從生物力學角度出發，綜述了與KOA相關的生物力學評估指標及現有3種矯形器(外側楔形矯形鞋墊、膝關節外翻矯形器、力學矯形鞋)對KOA的生物力學影響和臨床療效，旨在為以后的研究方向和臨床治療提供指導意義。

1 KOA相關生物力學參數

生物力學因素是KOA發生的重要因素。膝關節受力情況與關節形狀和結構、下肢力線、膝內部負荷、周圍軟組織等密切相關。

1.1 膝關節內收力矩(knee adduction moment, KAM) KAM是指在站立或行走過程中，由膝關節內側通過的地面反作用力(ground reaction force, GRF)，與作用于膝關節中心的力臂所形成的力矩。因此KAM與GRF的大小有關，而GRF的大小與膝關節中心力臂的大小、下肢質量和加速度等有關。所以，當GRF或力臂增加時，膝關節的內收力矩也會增加。此時，膝關節內側間室的負荷變大，導致內側間室的軟骨退化、軟組織受損，形成膝關節骨性關節炎。

在一個步行周期中，KAM一般有兩個峰，分別在站立相的早期和晚期。加拿大的一項研究發現，兩個峰值的大小和膝關節疼痛和嚴重程度呈正相關[11]。但也有研究表明疼痛與KAM呈負相關，疼痛是一種保護機制，導致步行中KAM的自我選擇性減少[12]。雖然KAM的研究有待探討，但KAM峰值能夠反映膝關節內側負荷的理論已被證實。

1.2 膝關節內收沖量(knee adduction moment impulse, KAMI) KAMI指KAM在站立相的時間積分值，表示站立時膝關節內側間室的負荷累積情況。KAMI與半月板和關節軟骨的變化相關，KAMI越高的KOA患者內側半月板損傷越大，股骨內側/外側軟骨厚度比值越小。近年來有學者研究證實KAMI在一定程度上比KAM更能反映KOA的病情變化，Bennell等[13]認為較高的KAMI而非KAM與脛骨內側軟骨損傷有關，并得出結論KAMI可能是脛骨內側軟骨損傷的危險因素。

2 矯形器的應用機制和臨床療效

內側間室膝關節骨性關節炎的本質是下肢力線發生了改變，常見的是脛骨相對于股骨內移，導致內側間室壓力過高，從而產生疼痛、關節變形。所以針對這一原因，臨床上經常采用矯形器糾正關節力線，緩解癥狀，防止關節畸形。其中常見的有3種：外側楔形矯形鞋墊、膝關節外翻矯形器和力學矯形鞋。

2.1 外側楔形鞋墊( Lateral wedged insoles，LWI ) LWI是一種外緣高于內緣的康復輔具，可以固定、預防和矯正踝關節的畸形，放松足底的筋膜，改善下肢的生物力學，糾正異常力線[14]。

2.1.1 LWI對KOA的生物力學影響 目前已有很多文獻報道穿戴LWI后可以降低步行過程中的膝關節力學信號。Sasaki[12]和Yasuda[15]在1987年首次提出使用LWI治療KOA，可將跟骨移至相對于脛骨的外翻位置，糾正下肢的膝內翻。后研究證實穿戴LWI后，壓力中心(center of pressure, COP)由內向外側偏移，使得GRF與膝關節中心的垂直距離減小，縮短了KAM臂長度，從而降低KAM[16]。反之可以通過逆向動力學原理測量KAM，研究LWI是否具有治療KOA的作用。因此張旻等[17]利用VICON三維步態分析系統和測力板，研究了早期KOA患者在使用LWI后的下肢生物力學參數變化，發現KAM、KAMI均減少，同時踝關節外翻力矩增加，這說明LWI在膝骨關節炎治療中是有效果的，但也會帶來踝部的不適。

Elham等[18]做了一項關于LWI在早期KOA患者的步態啟動中的作用，結果表明LWI在步態啟動的執行階段表現出良好的效果，在運動階段COP的位移更快更長，在單足站立階段GRF的沖量增加；表明LWI可以幫助無癥狀患者達到步行速度更快、動態平衡更好的穩定狀態。

目前大多數的保守治療都是為了改善步態適應性和減少KAM等，而有關步態啟動的生物力學研究卻很少。步態啟動指人體從直立姿勢到穩定步態的過渡階段，是一項需要高度協調性的任務，主要分成預期姿勢調整和執行階段。Najafi等[19]發現健康人穿戴矯形鞋墊后，縮短了步態的起始時間，更快地達到穩定步態，并且改善了內側方向上的動態平衡。因此Esfandiari等[18]測量了KOA患者穿戴LWI后步態啟動的參數，并與同齡健康人進行比較，從而更好地解釋LWI對KOA的影響機制。結果發現LWI在步態啟動中的執行階段表現出顯著的效果：COP移動更長更快，且在單足站立階段GRF的沖量增加。綜上所述，本文認為可以將LWI結合平衡訓練應用在早期的KOA康復中，以提高患者的步行能力。

2.1.2 LWI的角度與材料選擇 Dessery等[20]比較KOA患者在使用不同度數的鞋墊(正常鞋墊、6°LWI和10°LWI)后的組間疼痛、生物力學等指標時，發現并無統計學意義。但另一項研究表明[21]，膝關節在運動過程中所承受的應力大小與楔形角大小成反比，但大于6°時，應力不會隨之進一步降低，反而會因為楔形角的度數變大而導致踝關節受力增加，產生不適感甚至疼痛。所以，目前臨床上使用的LWI大多是5°。但是6°外側楔形鞋墊也是具有一定范圍的有效性，它雖然可以減少膝關節內翻力矩，但并不能將其降到正常水平。

LWI的材料選擇對治療效果也會有很大的影響，采用彈性模量低的材料制作的鞋墊舒適度較好，但是長期使用后易產生形變，導致療效降低；較高的彈性模量雖不易形變，但使用感較差，很難堅持使用。因此，Jones等[22]利用內外側鞋墊變形系數的差異來解決上述問題，LWI的外側使用較硬的材質維持矯形效果，內側采用相對較軟的材質提高舒適感，不過此鞋墊還需進一步臨床驗證。

臨床治療中使用的LWI大多帶有足弓支撐，因為研究發現[23]，與傳統LWI相比，帶有足弓支撐的矯形鞋墊更能減輕疼痛(傳統LWI，P=0.61，足弓支撐LWI，P<0.001)，并且2組KAM分別減少5.21%和6.29%，由此可以看出帶有足弓支撐的LWI更適合KOA患者。張旻等[24]對比了傳統LWI和足弓支撐LWI對KOA的影響，結果表明二者雖然在減輕關節負荷方面無差異，但是佩戴足弓支撐LWI后踝關節外翻扭矩以及地面反作用力內側方向的分力未見增加，因此不會導致踝關節不適。

2.1.3 LWI的臨床療效 目前用LWI治療KOA的療效研究已有很多，但其中存在許多爭議，部分學者認為LWI不能減少疼痛和改善膝關節功能，且還會增加踝部不適感，但也有學者通過對比穿戴LWI前后的生物力學變化并結合臨床量表評分，認為LWI在一定程度上仍有積極作用。謝汝蘭等[25]首次將國際功能、殘疾和健康分類(International Classification of Functioning, Disability and Health, ICF)系統應用于KOA對比軟LWI和硬LWI治療的臨床效果，結果發現軟LWI短期內能顯著減輕疼痛，并在爬樓梯時間、日常生活能力、運動功能等方面差異有統計學意義，同時在膝關節相關生活質量方面改善顯著。此實驗不足之處在于觀察時間較短，缺少長期隨訪并且鞋墊結構、足弓支撐高度和楔形角度數等因素會影響研究結果，將來有必要對不同類型鞋墊和鞋子進行長期追蹤研究。Felson 等[26]研究發現楔形鞋墊相比普通鞋墊可以降低2%的KAM，但在減輕疼痛方面效果較小，只在部分患者身上具有臨床意義，這可能與美國西部Ontario和Mcmaster大學骨關節炎指數(Western Ontario and Mcmaster universities osteoarthritis index, WOMAC)評分的靈敏度有關。針對膝關節功能評估，Salam等[27]對40名KOA患者隨機分2組，對照組進行理療和股四頭肌訓練，實驗組在此基礎上穿戴LWI，結果顯示實驗組膝關節功能評分(knee injury and osteoarthritis outcome score, KOOS)中的僵硬和生活質量評分均明顯優于對照組。內側半月板撕裂是半月板退變的原因之一[28]，并且內側半月板的退行性改變會導致膝骨關節炎的發生和加重，同時半月板撕裂與半月板擠壓(medial meniscus extrusion,MME)具有相關性[29]。因此Yosuke等[30]利用超聲檢查探究KOA患者穿戴LWI后內側半月板的擠壓程度，驗證LWI的有效性。結果顯示在仰臥位和站立位情況下，正常人穿戴LWI后MME沒有變化，而KOA患者使用LWI后MME數值顯著下降。這表明LWI可以有效減輕半月板擠壓程度，從而延緩膝關節退行性變。

2.2 膝關節外翻矯形器 膝關節外翻矯形器(Knee valgus orthosis, KO)主要利用三點力學原理，在膝關節近端及遠端的施加向外的力，在膝關節外側的髁狀突墊施加向內的力，兩者形成反作用力，從而增大患膝內側髁間隙，矯正膝關節在運動中產生的異常模式，降低關節內壓力負荷，從而減輕疼痛，改善關節力學問題

2.2.1 KO對KOA的生物力學影響 內側間室KOA通常與通過膝內側間隙傳遞的負荷增加有關，這也是導致步行過程中KAM增加的主要原因。臨床上用于抵消這些負荷常用的便是膝外翻矯形器，主要是通過減小膝內翻角度，糾正異常的下肢力線，使GRF向外側移動，從而減少KAM，達到降低膝關節內側負荷的目的。Petersen等[31]在2016年發表了一篇關于KO對KOA生物力學影響的綜述，其中20篇文獻表明外翻免負荷支具能顯著降低KAM，并且有7篇顯示佩戴支具的患者疼痛明顯減輕。但是仍有4篇文章沒顯示免負荷支具對KAM有影響。目前在國際上用于測量膝關節生物力學指標的設備是三維動作捕捉系統，它利用計算機輔助紅外攝像技術可以準確地記錄肢體在進行各種活動時的情況，并用特定的算法得出關節角度、關節力矩和地面反作用力等參數，被稱為“金標準”。因此張旻等[17]利用VICON三維步態分析系統以及Kilster測力臺對KOA患者佩戴KO前后的下肢生物力學參數測量，結果表明佩戴KO后KAM、KAMI明顯下降，踝關節外翻力矩增加；并且發現佩戴LWI組患者除上述參數降低外，內側方向GRF也下降，但是KO組和LWI組的治療效果無差異。許多文獻中對于膝外翻矯形器是否能減少KAM第一峰值并未達成一致，其中一些研究表明KAM第一峰值顯著降低[32-34]，而另一些文獻則沒有[35-37]，這可能也是膝外翻矯形器在臨床中應用不足的原因之一。Lamberg等[38]研究發現穿戴KO治療后的第一峰值較治療前有所降低，但是第二峰值的下降差異更顯著(減少約26%)，這與其他研究中的11%～32%是一致的[34-37]，且穿戴KO后步行速度明顯增加，同時支撐期階段膝關節伸展角峰值減小，但擺動期時最大屈曲角度卻沒有下降，這表明膝外翻矯形器并不會阻礙膝關節的運動。

2.2.2 KO的臨床療效 2019年美國手、髖和膝部骨性關節炎治療指南中強烈推薦佩戴膝關節矯形器治療KOA[39]。曹建業等[40]發現佩戴KO后的視覺模擬量表評分(visual analogue score, VAS)、日本骨科協會評估治療分數( Japanese orthopaedic association scores, JOA)和美國膝關節協會評分(Knee society score, KSS)評分均有明顯改善。Ostrander等[41]研究也表明，對KOA患者使用免負荷KO可以改善疼痛。同時，佩戴KO可以固定松弛的韌帶、關節囊和萎縮的肌肉，提高膝關節穩定性。但有研究表示，KO對KOA患者的疼痛和功能活動改善只在短期有效，當長期佩戴時效果不明顯。因此Yinuo Fan等[42]進行了一項關于KO對KOA患者疼痛和功能活動長期影響的Meta分析，結果發現隨訪時間<24周的KOA患者WOMAC疼痛評分改善明顯，但當隨訪時間>24周時，疼痛沒有減輕。同時WOMAC功能評分中，并未發現穿戴KO后有統計學差異。國內龍雄武等[43]對60例膝內側膝骨關節炎患者隨機分組，結果發現KO治療1d、1周、1個月時WOMAC評分(疼痛、功能、僵硬)明顯下降，并且在2、3個月時WOMAC評分維持在穩定狀態。但對照組在治療1個月后才開始有所改善，并且同一時間點，實驗組均較對照組評分減少明顯。目前的KO臨床驗證大部分都是短期[40-43]，在Moyer等[44]的Meta分析中，30項研究中只有3項在進行長期隨訪。Cudeiko等[45]的薈萃分析也是只關注短期隨訪。在這些短期隨訪中，KO對KOA的治療是有顯著效果的，未來我們需要繼續探討長期佩戴KO對下肢生物力學的影響和臨床療效。傳統KO治療KOA時因為髁狀突墊或帶子的刺激，可能會引起皮膚不適，導致患者不愿堅持治療。同時膝關節做屈伸運動時，由于終末旋轉功能會導致小腿自旋，從而帶來矯形器滑脫的問題。雖然LWI不會引起這些問題，但其減少KAM的生物力學效應有限[31]。因此，未來我們需要對傳統矯形器進行改良，以解決上述問題，從而達到更好的治療效果。

2.3 力學矯形鞋

2.3.1 力學矯形鞋對KOA的生物力學影響 近年越多的研究表明力學矯形鞋在治療KOA中有積極作用[46-47]。目前臨床中的矯形鞋大致分為兩類：內置型和外置型。前者主要是將矯形鞋墊與鞋子結合，作用機制與矯形鞋墊一樣。后者主要是通過半球形滾軸改變患者步行中足部與地面的接觸點，使GRF的冠狀面分力減小，并且使垂直面的分力向膝關節中心偏移，從而分解步行過程中膝關節承受的壓力，緩解疼痛。美國生產的APOS 生物力學鞋由放置在每只腳后足和前足區域下方的凸起可調節生物力學元件組成，治療師可以根據每個患者的自身情況定制生物力學元件的位置，從而改變步行過程中的足底壓力中心的軌跡，進而改變GRF，最終改變膝關節運動鏈內的力矩。同時，該力學矯形鞋引入步態干擾進行神經肌肉再教育，在一定程度上可以改善患者的步行功能。

2.3.2 力學矯形鞋的臨床療效 Stephan等[48]對220名膝骨關節炎患者隨訪24周研究發現，穿戴Apos生物力學矯形鞋組的WOMAC總體評分有顯著下降，其中疼痛、僵硬亞評分下降最大；并且Apos組的步速、步長和單腿支撐期百分比均優于對照組，但是2組在SF-36和心理方面沒有統計學差異。然而，這種力學矯形鞋不能推廣到跌倒高危人群，同時膝關節嚴重疼痛的人也不適用，所以該矯形鞋的有效性和安全性還需進一步長期試驗驗證。

3 小結

KOA是一種因下肢力線異常導致的關節疾病，內側間室的負荷增加對整個下肢都產生了影響。因此利用穿戴矯形器來改變COP的偏移、縮短GRF與膝關節中心的垂直距離、減小膝內翻角度等機制，可以降低KAM，達到減輕膝關節負荷的目的。但目前矯形器治療KOA的臨床療效的評估存在爭議，未來仍需大量的隨機對照試驗對此進行長期驗證，以便提供更多的證據指導。隨著科技的發展，矯形器將會越來越普及、便攜與適用，KOA的治療將不再局限于傳統的物理治療或藥物治療，而是從KOA的生物力學機制出發，采用輔具進行聯合干預與矯正，達到1+1>2的效果。