基于步態分析對膝反張和無反張受試者DR影像的研究

【摘要】 目的：探究步態分析早期識別膝反張異常活動度對膝關節DR影像學及生物力學的影響。方法：選擇2023年3月—2024年9月河北醫科大學第一醫院的50例受試者進行觀察，通過步態分析測定膝關節屈伸角度，根據膝關節是否反張，分為反張觀察組和無反張對照組，各25例。觀察比較兩組股脛角、脛骨角、股骨角、間隙夾角及膝反張角度（無反張對照組為支撐相膝關節伸展位的角度）參數，并進行相關性分析。結果：反張觀察組膝反張角度、股脛角、股骨角、間隙夾角均高于無反張對照組，差異均有統計學意義（Plt;0.05）；兩組脛骨角比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05）。相關性分析顯示，膝反張角度與股骨角、股脛角存在顯著負相關（r=-0.428、-0.419，P=0.002、0.002）；間隙夾角與股脛角、股骨角存在正相關（rs=0.296、0.352，P=0.037、0.012），與脛骨角存在負相關（rs=-0.343，P=0.015）。結論：膝關節反張程度越大，股脛角越大，膝關節間隙夾角越大；膝反張患者股骨角、股脛角、間隙夾角大于正常人群；間隙夾角與股脛角、股骨角存在相關性。

【關鍵詞】 步態分析 膝反張 膝關節退變 異常活動度 生物力線

Research on DR Images of Subjects with and without Knee Recurvatum Based on Gait Analysis/XING Jun， ZHAO Fengxiang， ZHOU Xiaowei， WANG Yahui， ZHAO Yuxin， ZHAO Zhi， SUN Jianfang， LI Jie， XU Yicun， LIU Chuanxin， LIU Xiaodong， FENG Yamei. //Medical Innovation of China， 2025， 22（08）： -160

[Abstract] Objective： To explore the influence of early recognition of abnormal knee motion in gait analysis on DR imaging and biomechanics of knee joint. Method： A total of 50 subjects in the First Hospital of Hebei Medical University from March 2023 to September 2024 were selected for observation. The knee flexion and extension angle were measured by gait analysis. According to whether the knee joint was inverted， the subjects were divided into the observation group with recurvatum and the control group without recurvatum， with 25 cases in each group. The parameters of femoro-tibial angle， tibial angle， femur angle， interstitial angle and knee extension angle （the angle of knee extension in support phase was observed in control group without recurvatum） were observed and compared between the two groups. The correlation analysis was conducted. Result： The angle of knee inversion， femoro-tibial angle， femur angle and interstitial clamp in the observation group with recurvatum were higher than those in the control group without recurvatum， the differences were statistically significant （Plt;0.05）. There was no significant difference in tibial angle between the two groups （Pgt;0.05）. Correlation analysis showed that there was a significant negative correlation between knee inversion angle and femoral angle and femoral tibial angle （r=-0.428， -0.419， P=0.002， 0.002）. The interstitial angle was positively correlated with femoral and tibial angles （rs=0.296， 0.352， P=0.037， 0.012）， and negatively correlated with tibial angles （rs=-0.343， P=0.015）. Conclusion： The greater the degree of knee recurvatum， the greater the femoral tibial angle and the greater the angle of knee joint space. Femoral angle， femoral tibial angle and interstitial angle in patients with knee recurvatum are larger than those in normal population. The interstitial angle was correlated with femoro-tibial angle and femur angle.

[Key words] Gait analysis Knee recurvatum Knee degeneration Abnormal range of activity Biological force line

First-author's address： Department of Rehabilitation Medicine， the First Hospital of Hebei Medical University， Shijiazhuang 050031， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2025.08.035

膝關節的穩定是下肢運動功能的基礎，評估膝關節穩定性是人體運動功能狀態的重要部分[1]。膝關節穩定功能減退首先引起膝反張現象，膝反張是指人體在步行周期中一側下肢支撐相時，股脛關節出現矢狀面過度伸展即膝伸展角度gt;5°。本研究應用步態分析儀采集支撐相膝關節角度，并以解剖位為0°位，屈曲角度為正值，伸展角度超過0°為負值的方法記錄，角度gt;-5°為膝反張。膝反張屬于超出人體正常生理活動范圍的異常活動度，影響下肢和膝關節生物力學改變，同時會伴有關節疼痛等癥狀[2-3]。長期膝反張異常活動可導致股脛關節發生反復異常受力而磨損，加重膝關節軟骨、軟骨下骨的退變[4]，進而發展為膝骨關節炎（knee osteoarthritis，KOA）等疾病，表現為疼痛、腫脹和膝關節不穩等。通過步態分析早期發現和識別膝反張異常活動度，區別輕度KOA和中重度KOA膝關節應力分布的不同[5]，探究膝反張的異常活動度對膝關節生物力學的影響，揭示生物力學行為和解剖結構改變的關系，從而早期防治和延緩KOA和膝關節內翻畸形的病理改變，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2023年3月—2024年9月河北醫科大學第一醫院的50例受試者進行觀察。納入標準：（1）能夠獨立完成步態評估；（2）采用RealGait 2.0德長全身三維步態與運動分析系統，測試行走步態中支撐相膝關節屈伸角度，并分別記錄。排除標準：（1）患有嚴重心、腦、肝、腎和造血系統疾病及精神方面的疾病；（2）有膝關節感染、開放性傷口、腫瘤、結核及相關風濕免疫系統疾病；（3）膝關節做過手術或有內置物。將膝關節反張gt;-5°的受試者納入反張觀察組，未出現反張和反張≤-5°的受試者納入無反張對照組，各25例。本研究經河北醫科大學第一醫院醫學倫理委員會批準，患者或者患者家屬知情同意本研究。

1.2 方法

兩組均拍攝膝關節X射線（DR）影像片，在影像片上測量和記錄兩組膝關節相關解剖學參數角度，股脛角：股骨段軸線與脛骨上段軸線形成的外側夾角；脛骨角：脛骨干軸線與脛骨髁關節面切線的外側夾角；股骨角：股骨解剖軸與股骨髁關節面切線或膝關節屈伸軸的外側夾角[6]；膝關節間隙夾角：股骨內、外側髁最低點之切線與脛骨平臺最低點之切線的夾角，以及膝伸展位或反張位角度[7]。

1.3 觀察指標

觀察兩組膝關節DR影像片的股脛角、脛骨角、股骨角、間隙夾角及膝反張角度（對照組為支撐相膝關節伸展位的角度）參數。由2名經驗豐富的康復科醫師使用PACS程序分別進行相關參數的角度測量，評價膝關節穩定性的影像學標準參考已發表的研究中使用的相同經典標準[6， 8-10]，測量觀察側膝關節的股脛角、脛骨角、股骨角、間隙夾角，見圖1。

1.4 統計學處理

采用SPSS 26.0統計軟件進行統計學分析。計量資料符合正態分布以（x±s）表示，采用獨立樣本t檢驗，不符合正態分布采用四分位數間距，采用非參數檢驗；計數資料以率（%）表示，采用字2檢驗；符合線性關系的進行Pearson相關性分析，不符合線性關系的進行Spearman相關性分析；以Plt;0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組基線資料比較

兩組基線資料比較，差異均無統計學意義（Pgt;0.05），有可比性，見表1。

2.2 兩組解剖參數差異性比較

反張觀察組膝反張角度、股脛角、股骨角、間隙夾角均高于無反張對照組（Plt;0.05）；兩組脛骨角比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05）。見表2。

2.3 不同膝關節解剖參數與支撐相膝伸展角度的相關性分析

相關系數顯示，膝反張角度和股骨角、股脛角存在顯著負相關（r=-0.428、-0.419，P=0.002、0.002），見圖2、圖3。

2.4 膝關節不同解剖參數與間隙夾角的相關性分析

Spearman相關系數顯示，間隙夾角與股脛角、股骨角之間存在正相關（rs=0.296、0.352，P=0.037、0.012），與脛骨角存在負相關（rs=-0.343，P=0.015），見圖4、圖5、圖6。

3 討論

膝關節由股骨遠端、脛骨近端和髕骨組成，因活動范圍較大，穩定性常受到影響，并反復磨損。影響膝關節穩定性的因素包括膝關節周圍肌肉、韌帶及骨性結構[11]。有學者通過研究單腳落地時膝關節運動學和動力學數據顯示膝關節周圍肌肉力量對于預防落地時膝關節的損傷具有一定作用[12]，膝關節伸屈肌群均與膝關節骨性關節炎相關[13]。從運動學角度而言，生理狀態下，支撐相膝關節的伸展活動包括了股骨相對于脛骨向前滾動和向后滑動。而膝反張的情況下，原本正常的滾動和滑動運動變為異常的股骨向前傾斜，股脛關節面前部的壓力增加，導致伸膝末期股骨相對脛骨的內旋，造成前叉韌帶更大的負荷。致使維持膝關節后側穩定的膝后側軟組織更大的張力，導致膝關節后側軟組織炎性滲出、腫脹甚至攣縮等。膝反張異常活動度初期會影響膝關節周圍軟組織，如關節囊、韌帶、半月板、軟骨等。當膝關節軟組織受損功能減退，膝關節穩定性進一步下降，機體負荷會直接由股骨傳向脛骨，股脛關節內側也會承受較大壓力，導致脛骨關節面內側磨損，嚴重者產生膝關節疼痛和腫脹等癥狀，并影響膝關節功能及下肢生物力線和步態行走能力[14]。此外，隨著年齡增長，股骨頸干角降低，髖關節外展力矩增大，使內外側肌力失去平衡，甚至加重內翻，并增加股骨頸受到的壓應力和股骨干受到的內翻拉應力，最終長期的膝反張造成KOA及內翻畸形。

KOA是骨科臨床常見病、多發病，主要癥狀為膝關節疼痛、僵硬、活動受限，嚴重者膝關節畸形，降低了患者的生活質量[7]。KOA病變嚴重程度與下肢生物力線的改變具有相關性，膝關節重要的生物力學評價指標是膝關節面夾角和股脛角，并可能與KOA的發生密切相關[7，15-16]。本研究確定關節間隙指標為膝反張角度、股脛角、脛骨角、股骨角、間隙夾角。研究發現反張觀察組的股骨角、股脛角、間隙夾角度數均高于無反張對照組（Plt;0.05）。

間隙夾角體現膝關節水平面內外側軟組織平衡與否及內側關節間隙狹窄程度[17]，間隙夾角角度的增加表明下肢負重線逐漸偏向膝關節內側間室[18]，長期此種狀態說明可能會導致膝關節發生膝內翻，或具有膝內翻的趨勢，加重膝關節損傷，因此成為KOA的危險因素。其損傷機制可能是下肢力線內移后，膝關節外側副韌帶受牽拉緊張、內側副韌帶變得松弛，膝關節水平面內外側失去平衡，隨著反復受損，軟組織失衡越嚴重，膝關節內翻角度越大，進而加重水平面磨損程度，發展為KOA[19-20]。已有研究表明間隙夾角與膝股脛關節軟骨損傷程度呈顯著正相關[21]。本研究反張觀察組間隙夾角大于無反張對照組（Plt;0.05），表明膝關節屈伸角度的膝反張異常活動度會影響間隙夾角的改變，而造成膝關節軟骨磨損。

股脛角是股骨段軸線與脛骨上段軸線形成的外側夾角[22]，該角度可能的影響因素包括股骨髁外翻角、脛骨平臺內翻角、內外側副韌帶平衡、內外側關節間隙大小等因素[10]，因此股脛角的改變能夠反映股骨在脛骨平臺的應力分布情況。而冠狀面的角度改變同時伴隨著股骨和脛骨的相對旋轉，過度的脛骨內旋或外旋會致內、外側髕股關節面負荷過大，造成髕股關節軟骨和軟骨下組織的一系列的損傷，加速髕股關節的退行性改變[23]。在本研究中股脛角的改變與間隙夾角存在正相關（rs=0.296，P=0.037），一方面體現了膝關節水平面受力的改變，說明在膝關節中間隙夾角的增大，股脛角也會發生角度的增加。另一方面角度的變化表明股骨相對脛骨的力線改變，包括水平面與旋轉的發生，這種力線的改變不僅影響了脛股關節，同時造成髕骨關節的失穩[24]。同時股脛角的改變可能與外擺步態有關系，膝外擺步態是指下肢承重時膝關節自內側向外側的擺動。王飛等[25]發現股骨角改變，尤其是在單支撐相，膝內收力矩及內側間室負荷增加會導致膝關節慢性損傷及退變，這一不良影響在動態步行過程中所產生的后果更為嚴重。

股骨角是膝關節股骨下端連線與股骨下段軸線所成的外側夾角，其角度表明膝關節的內外翻情況，有研究表明，膝外翻、膝內翻是KOA發生和加重的一個重要的危險因素，特別是在體重較大的患者中[26]。但是蔡余力等[8]研究發現正常人群與膝骨性關節炎組相比，股骨角差異無統計學意義，無明確相關性，而夏亞一等[27]通過研究得出：股骨角在膝骨性關節炎早期改變不明顯，而在中后期改變明顯，且有減小趨勢。而本研究的數據顯示不同的結果，股骨角在膝反張觀察組和無反張對照組中存在差異性（Plt;0.05），并且股骨角與膝反張呈顯著負相關（r=-0.428，P=0.002），即膝反張的負值角度越大，股骨角變化越大，表明膝反張影響了股骨甚至髖關節力線正常向下傳導，導致股骨角變化，繼之損傷膝關節。尤其在早期，股骨角的增大，可能是膝關節不穩，以及內外翻發生的早期因素之一。

就脛骨角而言，蘆丹等[28]研究發現脛骨角與膝骨性關節炎臨床分期呈正相關，而王清玉等[29]研究認為在KOA臨床中后期脛骨角增大顯著。本文研究發現脛骨角在反張觀察組與無反張對照組中不存在差異（Z=-0.437，Pgt;0.05），且與膝反張角度也不存在相關性，一方面可能是因為研究納入受試者多為早期膝反張患者，生物力線向下的傳遞尚未影響到膝關節以下的結構改變；另一方面原因或為脛骨角本身是冠狀面的相關檢測參數，而膝關節反張為矢狀面的問題，在早期相關傳遞影響不充分。

本研究通過反張觀察組與無反張對照組均表現的膝關節疼痛或腫脹及有僵硬和無力或活動受限等相關臨床癥狀，發現兩組臨床癥狀的發病機制不盡相同，因此，臨床干預措施也有相應差異。反張觀察組有骨性結構變化，股骨角、股脛角、間隙夾角度數變大，甚至出現早期畸形改變，應從改變骨性結構和生物力線角度等方面治療如功能鍛煉康復如保護并增強雙側膝關節肌肉對下肢膝、踝關節康復的積極作用和矯形輔助具等維持療效[30]。而無反張對照組無骨性結構改變，股骨角、股脛角、間隙夾角度數無變化，基本在正常范圍，臨床治療應以改善膝關節周圍軟組織炎癥、肌肉力量康復等為主，更好取得臨床效果，這也體現了膝關節步態分析的臨床意義，早期發現和區別膝關節軟組織與骨性結構改變的差異，而更好指導臨床康復，為膝骨關節炎患者的防治提供優化的臨床思路。

綜上所述，膝關節反張角度越大，股脛角越大，膝關節間隙夾角越大。同時膝反張患者股骨角、股脛角、間隙夾角均大于正常人群。間隙夾角與股脛角、股骨角存在相關關系。局限的是本研究收集的DR影像數據屬靜態特性，當步行相關肌肉收縮和膝關節屈曲角度發生改變時，股脛角、股骨角、間隙夾角的動態評估結果可能會有所不同，值得再深入研究。本研究以期通過上述結論為臨床能夠早期了解KOA潛在風險提供依據，對相應角度明顯增大的人群，康復及臨床治療可通過采用功能康復鍛煉、矯正姿勢力線或佩戴相應矯形支具等干預措施，達到減緩甚至預防膝關節反張及KOA發生的目的。

參考文獻

[1] ZHANG Y，HUANG W H，YAO Z L，et al.Anterior cruciate ligament injuries alter the kinematics of knees with or without meniscal deficiency[J].Am J Sports Med，2016，44（12）：3132-3139.

[2]何雯雯，傅建明，李巖，等.全身振動訓練對腦卒中患者膝過伸的療效分析[J].中國康復醫學雜志，2019，34（2）：207-209.

[3]邱繼宏，于濤，劉卉.腦卒中患者膝過伸原因和康復治療方法研究進展[J].中國康復醫學雜志，2019，34（6）：746-751.

[4]張春秋，高麗蘭.關節軟骨生物力學與力學生物學2022年研究進展[J].醫用生物力學，2023，38（1）：4-13.

[5]徐祥鈞，王超，張吉超，等.輕度與重度骨關節炎膝關節的生物力學行為比較[J].醫用生物力學，2023，38（4）：749-755.

[6]唐承杰，賈軍鋒，張揮武.基于CT數據的三維重建技術測量膝骨關節炎患者下肢力線及3D打印導板技術在膝關節置換中的應用研究[J].中華骨與關節外科雜志，2022，15（12）：932-938.

[7]金建偉，王金杰，朱磊，等.膝關節面夾角和股脛角對膝骨關節炎患者步態的影響[J].中醫正骨，2018，30（11）：17-20.

[8]蔡余力，王少山.膝關節骨性關節炎的X線測量與分析[J].中國中西醫結合影像學雜志，2006，4（5）：358-361.

[9]張雪，陳偉偉，李翠花，等.基于力學理念的康復訓練聯合Ilizarov技術矯形對老年膝骨關節炎患者膝關節穩定性和下肢負重的影響[J].昆明醫科大學學報，2023，44（3）：172-178.

[10]陳堅鋒，馮宗權，王全兵.骨關節炎患者股骨后髁角與股骨髁外翻角、脛骨平臺內翻角、股脛角的相關關系[J].中國矯形外科雜志，2010，18（5）：416-420.

[11]張金聲，田園，李和興，等.腦卒中后膝過伸的康復研究[J].中國民康醫學，2009，21（4）：357-358.

[12]徐盛嘉，趙寒治.士兵負重單腳落地時膝關節生物力學特征以及與等速肌力的關系[J].醫用生物力學，2022，37（4）：754-758.

[13]安丙辰，鄭潔皎，沈利巖.膝骨關節炎與膝關節伸、屈肌群肌力的相關性研究[J].醫用生物力學，2015，30（2）：174-178.

[14]俞陳雨，胡恕香，于麗莉.本體感覺與神經肌肉訓練對腦癱患兒膝過伸的療效研究[J].中國衛生標準管理，2023，14（1）：54-57.

[15]魏剛.膝關節骨關節炎與關節內壓、脛股角相關性分析[D].重慶：重慶醫科大學，2009.

[16]殷夢媛，石瑛，張昱，等.生物力學療法治療膝骨關節炎的研究進展[J].中醫正骨，2016，28（12）：33-37.

[17]馬玉峰，王慶甫，陳兆軍，等.膝關節骨性關節炎X線測量與WOMAC評分的多重線性回歸分析[J].中國骨傷，2012，25（5）：373-376.

[18] SCARVELL J M，GALVIN C R，PERRIMAN D M，et al.

Kinematics of knees with osteoarthritis show reduced lateral femoral roll-back and maintain an adducted position. A systematic review of research using medical imaging[J].Journal of Biomechanics，2018，75：108-122.

[19]張禮平，程飛，劉德玉，等.生物力學在膝骨性關節炎中的應用進展[J].中華中醫藥學刊，2016，34（7）：1644-1647.

[20] VAN TUNEN J A，DELL'ISOLA A，JUHL C，et al.Biomechanical factors associated with the development of tibiofemoral knee osteoarthritis： protocol for a systematic review and meta-analysis[J/OL]BMJ Open，2016，6（6）：e011066（2016-06-16）[2024-12-26].https：//pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27311908/.DOI：10.1136/bmjopen-2016-011066.

[21]焦嫣，張丹，李高陽，等.膝脛股關節軟骨損傷與關節軸線角相關性研究？[J].CT理論與應用研究，2019，28（1）：53-60.

[22]謝平金，柴生颋.膝骨性關節炎X線片觀測指標及其應用進展[J].中國中醫骨傷科雜志，2017，25（3）：72-76.

[23] SNOW M.Tibial Torsion and patellofemoral pain and instability in the adult population： current concept review[J].Curr Rev Musculoskelet Med，2021，14（1）：67-75.

[24]郭宗磊，王業華，劉廣鑾.膝關節旋轉與髕骨不穩[J].中國組織工程研究，2023，27（13）：2099-2103.

[25]王飛，陳百成，高石軍.膝外擺步態對膝內翻患者股骨-脛骨角及脛股關節外側間隙的影響[J].中華骨科雜志，2005，25（9）：517-519.

[26]王濤，王坤正，王磊，等.膝內翻外翻與膝骨性關節炎發生和發展的關系[J].廣東醫學，2010，31（8）：1038-1040.

[27]夏亞一，孫正義，王天民，等.下肢力學軸線改變與膝關節骨性關節炎的關系（英文）[J].中國臨床康復，2003，7（20）：2832-2833.

[28]蘆丹，汪亞群，俞杭平，等.膝骨性關節炎臨床分期與膝關節角的關系研究[J].中華全科醫學，2017，15（10）：1818-1820.

[29]王清玉，王佳佳，李良華，等.膝關節骨關節炎不同分期與膝關節軸線角的相關性分析[J].中國中醫骨傷科雜志，2016，24（11）：24-29.

[30]黃留旖，閆兆奇，王星月，等.慢性踝關節不穩對膝關節肌群的影響[J].醫用生物力學，2023，38（5）：996-1002.

（收稿日期：2024-12-27） （本文編輯：馬嬌）