膝骨关节炎患者步态动力学相关参数分析

李伟 周敬滨 陶增羽 李国平

1上海体育学院（上海 200438） 2国家体育总局运动医学研究所

骨性关节炎（OA）是中老年人群的多发病和高发病，其中又以膝关节OA（KOA）的发病率最高，严重影响患者的生活质量。目前对其发病机理的相关生物力学临床研究较广泛，已成为国内外运动医学界的研究热点之一。现代三维步态分析系统使精确测量下肢动态生物力学指标成为现实，并且具有操作简便、无创伤性和数据详实的特点，为骨科生物力学研究和客观评价治疗效果提供了可靠依据和工具。利用其对代偿步态的分析来揭示KOA患者的发病机制的研究也越来越多。但由于KOA的力学发病机制复杂，不区分患者类型的步态分析不能准确反映膝关节步行时各关节面的力学改变。如有的研究对象样本量较少［1-3］，有研究KOA患者类型和病情不同，忽视了患者膝关节不同部位病变产生的相应力学改变的差异而采用统一的测试标准［4-7］，以及研究设备各异与研究方法简单等，导致有价值的研究成果不多，且争议较多。

因此本实验利用现代步态分析手段，测试了不同病情的胫股关节KOA患者膝关节内侧面负荷的差异，观察其下肢各关节的动力学变化，并分析患者代偿性步态变化的生物力学机制，为相关康复治疗及其疗效评价提供客观依据。

1 对象与方法

1.1 对象

双膝胫股关节内侧面OA患者60名。纳入标准：符合美国类风湿学会KOA诊断标准，内侧关节间隙相比外侧狭窄；具备反馈术后感受能力，包括原有膝关节创伤的患者。排除标准：先前有其他感染性关节疾病者及伴有髌股关节OA者，以及OA以外病症和诊断模糊者。

根据K/L分级，将60名OA患者分成轻型患病组（less severe KOA，LKOA）和重型患病组（more severe KOA，MKOA）两组，每组30名。另外选择年龄、性别、体重、身高与患病组相当的30名正常人作为正常对照组（control subjects，CON）。受试者一般资料见表1。

表1 实验对象一般资料

1.2 实验步骤

本实验在国家体育总局运动医学研究所三维动作分析实验室完成。实验设备包括三维运动动作分析系统和测力台。动作分析系统（VICON MX13 motion analysis system，OxfordMetricsLTD，Oxford，UK） 包括 VICON MX13主机、MX net集成器和6架高速三维摄像机。

实验对象在长约12米的木质地板步态分析区域进行自由、自主、无暗示行走测试。测量前校正系统、采集静态数据并贴记标记点等。选取符合要求的3次稳定的测试结果。运用Polygon2.4软件和Bodybuilder3.6分析软件处理相关数据。选取步态周期中有代表性的特征点，观察步态周期中各指标的变化曲线并进行分析。所测动力学参数包括矢状位和冠状位的关节相对力矩（以下统称为力矩）以及膝关节受力。

1.3 统计学分析

2 结果

2.1 动力学参数（表2）

2.1.1 矢状位力矩

LKOA组与MKOA组支撑末期最大屈髋力矩均显著大于对照组（两组均为P<0.05）。其余矢状位力矩指标均无显著性差异。

2.2.2 冠状位力矩

支撑早期，LKOA组与MKOA组膝关节最大外展力矩比CON组显著增加（P<0.001），且LKOA组显著大于MKOA 组（P<0.05）。

支撑中期，MKOA组膝关节内收力矩第1峰值（最大内收力矩）显著大于 LKOA组（P<0.05）和 CON组（P<0.001）；支撑末期，LKOA组膝关节内收力矩第 2峰值（0.34±0.6）显著低于 CON 组（0.41±0.5）（P<0.05）。

MKOA组髋关节内收力矩第1峰值（0.68±0.6）显著低于 CON 组（0.74±0.5）（P<0.05），MKOA 组髋关节内收力矩第 2峰值（0.85±0.5）显著低于 CON组（0.93±0.5）（P<0.001）。

支撑末期，LKOA组与MKOA组踝关节最大内翻力矩均显著小于CON组（P<0.05）。

表2 支撑期下肢关节冠状位与矢状位力矩及关节应力

2.2 膝关节受力情况（表2）

MKOA组支撑期最大地面反作用力显著大于CON组（P<0.001）和 LKOA 组（P<0.05），而 LKOA 组与 CON组间也存在显著差异（P<0.01）。

3 讨论

胫股关节解剖特点不同于其它滑膜关节，如髋关节和踝关节。因为半月板增加了胫骨和股骨的内外侧软骨的接触面积，其间韧带主要起引导关节活动的作用，而周围肌肉则稳定关节的静态和动态姿势。这种双髁结构使膝关节对更年期相关的急性和慢性机械环境的改变尤其敏感。对此双髁关节施加一内收或外展力矩，会把实际关节接触点转移至一面，而增加单侧关节面的负荷。故对于合并髌股关节OA者，其步态机制涉及多维度动力学的交互作用，不能准确表现各关节面的力学改变。同时，为避免单侧和双侧患者的代偿步态差异，我们选取双膝胫股关节OA患者为实验对象。

3.1 胫股关节OA患者代偿步态的可能机制

Radin等［3］1991年研究报道，有 KOA前期改变的患者由于轻度的、间歇性和运动相关性膝痛而产生的垂直负荷率增加。他将此病人与对照组不同的步态称为“微拙”（microklutziness），并比较了连续此模式步行和重复性冲力负荷。开始涉及KOA代偿步态的生物力学研究。

本研究结果显示，矢状面中，LKOA组与MKOA组支撑末期最大屈髋力矩均显著大于对照组，而二者间无显著差异，而膝关节与踝关节矢状面力矩各组间无显著变化，提示患者的代偿性屈髋步态。这与相关研究相符［1，8，9］。本研究结果显示：所有患者膝关节的最大地面反作用力增加，提示关节面垂直负荷增加；MKOA组和LKOA组膝关节最大内收力矩较对照组大，以前者为著，提示病情越重，膝关节内侧面负荷越大。相关研究证实，KOA患者步态周期的支撑期百分比增加［10，11］，提示患者为减轻关节面负荷增加导致的疼痛而加快对侧肢体向支撑肢体的体重转换。这种代偿性步态可以通过减少重心与膝关节中心间的内外向距离而减少地面反作用力的力臂，相应地，可能减少了支撑期膝关节外侧某一点的内收力矩，从而减少膝关节内侧的应力。另外，患病组紧随支撑早期较CON组增大的膝关节和髋关节外展力矩显著增加，这与其它研究结果一致［12］。同时，为完成更加向外侧的躯干移动，足会在地板上施一向内的力，表现为所有病人踝关节的地面反作用力更大。

3.2 步态改变与KOA病情的关系

减慢内侧面膝关节OA进展速度的最有效方法是病人自身的自然代偿。而一项随访5～11年的纵向研究［13］认为，长期异常步态会加重病情。还有人认为［14］，步态和神经肌肉控制方式与KOA的发病程度有关。

本实验中，LKOA组与CON组在支撑期的髋关节最大内收力矩相同。髋关节内收外力矩与髋肌肉外翻力矩相平衡，提示LKOA组患者的髋关节外展肌群可以维持躯干的正常姿势，与CON组相比就产生了相同的膝关节内收力矩第一峰值和减小的膝关节内收力矩第二峰值。

有研究［8］发现，相同外展肌群力量情况下，OA程度和力线内收越严重，髋关节内收肌就越强壮。MKOA组与CON组相比，其支撑期的髋关节最大内收力矩明显变小。这样，MKOA组就可能因髋关节外展缺乏而不能保持躯干的姿势不变。故此组病人于整个摆动期可能会出现支撑腿对侧肢体下垂的现象，以便使躯干外侧移动离开支撑腿，这被称为特伦德伦堡步态（Trendelenburg gait，臀肌麻痹时所见的摇摆步态）。患者的身体重心与膝关节中心的内外向距离增大，同时有更大的下肢内翻力线，因此可能导致患者产生更高的膝关节内收力矩第一峰值。

目前，对内侧面膝关节OA的治疗目的在于减少膝关节内翻力矩第一峰值，以减少负荷向关节内侧面传递。这些纠正关节面负荷异常分配的措施包括支具［15］、足部矫形器［16-18］、步态训练［16］和加强股四头肌力量［19，20］等。迄今为止，核心肌肉和髋关节肌肉力量在膝关节OA的治疗和预防上的原则还未引起注意。关于重型膝关节OA患者有较小髋关节内翻力矩和较大膝关节内翻力矩的发现提示，加强髋关节外翻肌群力量对于膝关节内侧面OA，尤其是MKOA组可能有帮助。

3.3 研究展望

膝关节OA的致病因素诸多，发病机制复杂，治疗也很困难。本研究仅针对内侧胫股关节KOA患者的动力学参数，采用三维步态分析系统采集自主步态下数据进行分析。因而未讨论不同步速和步行方式时，患者躯干前倾［21］（蹬阶时）和外向摆动［1，12］代偿方式对下肢动力学改变的影响。进一步研究应引入肌电图（EMG）测量技术［11，22］，以量化关节周围肌肉活动情况，并可用于疗效评价。另外，还应对膝关节OA患者进行长期随访和跟踪测量的纵向研究，以通过对病情进展情况更为客观的了解，进一步阐明其发病机制。

4 总结

胫股关节KOA病情越重，膝关节内侧面负荷越大。相比健康人，患者髋关节外展力矩较大，重型患者髋关节内收力矩较小，患者踝关节的地面反作用力更大。

［1］Briem K，Snyder-Mackler L.Proximal gait adaptations in medial knee OA.J Orthop Res，2009，27（1）：78-83.

［2］Gok H，Ergin S，Yavuzer G..Kinetic and kinematic characteristics of gait in patients with medial knee arthrosis.Acta Orthop Scand，2002，73（6）：647-652.

［3］Radin EL，Yang KH，Riegger C，et al.Relationship between lower limb and knee joint pain.J Orthop Res，1991，9（3）：398-405.

［4］Childs JD，Sparto PJ，Fitzgerald GK，et al.Alterations in lower extremity movement and muscle activation patterns in individuals with knee osteoarthritis.Clin Biomech（Bristol，Avon），2004，19（1）：44-49.

［5］Kaufman KR，Hughes C，Morrey BF，et al.Gait characteristics of patients with knee osteoarthritis.J Biomech，2001，34（7）：907-915.

［6］Chen CP，Chen MJ，Pei YC，et al.Sagittal plane loading response during gait in different age groups and in people with knee osteoarthritis.Am J Phys Med Rehabil，2003，82（4）：307-312.

［7］McGibbon CA，Krebs DE.Compensatory gait mechanics in patients with unilateral knee arthritis.J Rheumatol，2002，29（11）：2410-2419.

［8］Miyazaki T，Wada M，Kawahara H，et al.Dynamic load at baseline can predict radiographic disease progressin in medial compartment knee osteoarthritis.Ann Rheum Dis，2002，61（7）：617-622.

［9］Lynn SK，Reid SM，Costigan PA.The influence of gait pattern on signs of knee osteoarthritis in older adults over a 5-11 year follow-up period：a case study analysis.Knee，2007，14（1）：22-8.

［10］Astephen JL，Deluzio KJ.Changes in frontal plane dynamics and the loading response phase of the gait cycle are characteristic of severe knee osteoarthritis application of a multidimensionalanalysis technique.Clin Biomech（Bristol，Avon），2005，20（2）：209-17.

［11］Lewek MD，Scholz J，Rudolph KS，et al.Stride-to-stride variability of knee motion in patients with knee osteoarthritis.Gait Posture，2006，23（4）：505-11.

［12］Hunt MA，Birmingham TB，Bryant D，et al.Lateral trunk lean explains variation in dynamic knee joint load in patients with medial compartment knee osteoarthritis.Osteoarthritis Cartilage，2008，16（5）：591-9.

［13］Thorstensson CA，Henriksson M，von Porat A，et al.The effect of eight weeks of exercise on knee adduction moment in early knee osteoarthritis--a pilot study.Osteoarthritis Cartilage，2007，15（10）：1163-70.

［14］Astephen JL，Deluzio KJ，Caldwell GE，et al.Gait and neuromuscular pattern changes are associated with differences in knee osteoarthritis severity levels.J Biomech，2008，41（4）：868-76.

［15］Brouwer RW，van Raaij TM，Verhaar JA，et al.Brace treatment for osteoarthritis of the knee：a prospective randomized multi-centre trial.OsteoarthritisCartilage，2006，14（8）：777-783.

［16］Shakoor N，Block JA.Walking barefoot decreases loading on the lower extremity joints in knee osteoarthritis.Arthritis Rheum，2006，54（9）：2923-2927.

［17］Schmalz T，Blumentritt S，Drewitz H，et al.The influence of sole wedges on frontal plane knee kinetics，in isolation and in combination with representative rigid and semi-rigid ankle-foot-orthoses.Clin Biomech （Bristol，Avon），2006，21（6）：631-639.

［18］Pandya NK，Piotrowski GA，Pottenger L，et al.Pain relief in knee osteoarthritis reduces the propensity to trip on an obstacle.Gait Posture，2007，25（1）：106-111.

［19］Mundermann A，Dyrby CO，Hurwitz DE，et al.Potential strategies to reduce medial compartment loading in patients with knee osteoarthritis of varying severity：reduced walking speed.Arthritis Rheum，2004，50（4）：1172-1178.

［20］Lim BW，Hinman RS，Wrigley TV，et al.Does knee malalignmentmediate the effects of quadriceps strengthening on knee adduction moment，pain，and function in medial knee osteoarthritis? A randomized controlled trial.Arthritis Rheum，2008，59（7）：943-51.

［21］Asay JL，Mundermann A，Andriacchi TP.Adaptive patterns of movement during stair climbing in patients with knee osteoarthritis.J Orthop Res，2009，27（3）：325-29.

［22］Ramsey DK，Snyder-Mackler L，Lewek M，et al.Effect of anatomic realignment on muscle function during gait in patients with medial compartment knee osteoarthritis.Arthritis Rheum，2007，57（3）：389-97.