膝骨关节炎患者膝关节置换术后足底压力研究

黄萍钱念东齐进陈博刘志宏 郭蕾

1上海市伤骨科研究所，上海市中西医结合防治骨与关节病损重点实验室，上海交通大学医学院附属瑞金医院（上海200025）

2上海交通大学医学院附属瑞金医院骨科（上海200025）

1 引言

膝骨关节炎是多种因素共同作用导致的膝关节骨、软骨、以及周围软组织的共同病损，会引起膝、足的运动力学改变。而这种力学的异常又会反过来加重膝骨关节炎的临床表现（膝关节疼痛、畸形、以及功能障碍等）[1]。运动力学评估对于膝骨关节炎病情监测、疗效判断、功能锻炼具有指导意义。

现代足底压力分析技术能较好地完成各种足底力学参数的检测，可作为诊治膝骨关节炎的参考力学指标，越来越受到医学研究者的关注。国内外已有一些学者报道了膝骨关节炎患者行走时足底压力分布存在特征性改变[2-4]。目前人工膝关节置换已经成为治疗晚期膝骨关节炎的安全有效治疗手段[5]。手术在解除患者疼痛、矫正关节畸形、改善关节功能等主观症状方面具有显著疗效[6-7]。但对于膝骨关节炎膝关节置换后存在的足底压力改变恢复如何报道很少。本研究选取双膝骨关节炎单膝关节置换术后患者，通过对这些受试者行走时足底压力进行测试分析，了解膝关节置换后足底压力分布情况，作为临床手术和治疗的科学参考。

2 对象和方法

2.1 对象

2011年7月～2014年10月，上海市瑞金医院收治的双膝骨关节炎单侧膝关节置换术后患者33例。右膝关节置换手术后22例，左膝关节置换手术后11例；男6例，女27例；置换后随访4～84（17.88±18.48）个月；年龄53～82（69.30 ±7.02）岁；体重50～88（65.76±9.31）kg；身高1.40～1.78（1.57±0.08）m。纳入标准：①患者手术前确诊双膝关节炎，诊断标准符合美国风湿病学会2001年制定的OA诊断标准[8]；②手术前双膝关节疼痛，关节功能明显障碍伴关节畸形，严重影响工作和生活，保守治疗无效，X线显示退行性骨关节炎诊断明确，排除全身严重器质性疾病及感染灶者；③为了患者围手术期的安全，患者均先进行单膝置换；④所有手术由同一组医生完成；④手术后受试者能独立行走，对实验知情同意。排除标准：①具有骨结核、骨肿瘤、外伤、类风湿关节炎等其它下肢疼痛性疾患；②严重心脑血管疾病；③精神心理疾病。本研究得到上海市瑞金医院伦理委员会批准。在上海市伤骨科研究所完成足底压力测试。

2.2 实验程序

采用比利时RSscan International公司的Footscan足底压力测量系统，设备主要包括压力平板、3D数据采集盒、电脑。测量平板为2096 mm×472 mm×18 mm，平板内共置16384个传感器，平板由数据线与3D数据采集盒端口相连，数据采集盒利用USB接口与计算机相连，进行数据测试，测试频率设定为126 Hz。

测试前，告诉受试者检测过程，让受试者放松心情，保持平常行走步态。测试时，每个受试者脱鞋袜，在离测力板2米处开始自然直走。通过测力板后，再行走2米，测量3次以上，分析时选取3次好的双足图像数据，计算3次的平均值。根据足底不同部位触地时刻，将单足（左足或右足）支撑期的初始足着地（Initial foot contact，IFC）、初始跖骨着地（Initial metatarsal contact，IMC）、初始前足平伸着地（ Initial forefoot flat contact，IFFC）、足跟离地（heel off，HO）、足与地面的最后接触（Last foot contact，LFC）5个关键时刻点，支撑期又被分成4个阶段:开始着地阶段（Initial contact phase，ICP）、前足接触阶段（forefoot contact phase，FFCP）、整足接触阶段（foot flat phase，FFP）和前足离地阶段（forefoot push off phase，FFPOP）。

主要观察指标：受试者足底各区域压力峰值、冲量、最大压力峰值出现的时间，单足支撑期参数。

2.3 统计学分析

首先采用Footscan足底压力系统自带的配套软件对数据进行处理，得到相应的图形和原始数据。该软件默认将足底分为10个区域：第1趾骨、第2～5趾骨、第1跖骨、第2跖骨、第3跖骨、第4跖骨、第5跖骨、中足、足跟内侧、足跟外侧。然后应用SPSS13.0软件进行统计。健、患侧各均值指标使用配对t检验比较差异，结果以±s表示，P＜0.05表示差异有统计学意义。

3 结果

3.1 受试者足底各分区和全足压力峰值

从表1可知，受试者自然行走中，置换侧足底第2跖骨区、第3跖骨区、第4跖骨区、中足、足跟内侧、足跟外侧、全足底的平均压力峰值均高于未置换侧，差异有统计学意义（P＜0.05）。

表1 受试者足底各分区和全足平均压力峰值（N，n=33）

3.2 受试者足底各分区和全足冲量

从表2可知，受试者自然行走中，置换侧足底第2跖骨区、第3跖骨区、第4跖骨区、中足、足跟内侧、足跟外侧、全足底的平均冲量均高于未置换侧，差异有统计学意义（P＜0.05）。

表2 受试者足底各分区和全足平均冲量（Ns，n=33）

3.3 受试者足底各分区和全足最大压力峰值出现的时间

从表3得知，受试者自然行走中，置换侧足底第1跖骨区、第2跖骨区、第3跖骨区、第4跖骨区、第5跖骨区、中足的最大压力峰值出现时间均长于未置换侧，差异有统计学意义（P＜0.05）。

3.4 受试者单足支撑期各阶段时间和总时间

从表4可知，受试者自然行走中，膝关节置换侧开始着地阶段时间、整足接触阶段时间、单足支撑期总时间均长于未置换侧，两侧比较差异有统计学意义（P＜0.05）。

表3 受试者足底各分区和全足最大压力峰值出现的时间（ms，n=33）

表4 受试者单足支撑期各阶段时间和总时间（ms，n=33）

4 讨论

膝骨关节炎的发生除与生物因素有关外，与膝关节软骨及软骨下骨受到异常的力作用或正常的力作用于异常的软骨关节等力学因素也有密切关系[9-10]。有研究表明，膝骨关节炎进程与下肢生物力学因素紧密相关[11]。因此从生物力学角度探讨骨关节炎的发病机制、治疗效果是目前的研究方向之一。

膝关节置换术是治疗晚期膝骨关节炎的一种常用手术方式，能够缓解患者疼痛，显著改善关节功能和行走能力，临床效果优良[12-13]。有研究观察双膝骨关节炎患者单膝关节置换术后效果，采用美国HSS（hospital for special surgery）膝关节评分标准，得出膝关节置换侧的平均分91.44，手术优良率为100%，膝关节置换侧术后在疼痛、关节功能方面有明显改善；未手术侧平均分54.52。由此可见采用膝关节置换术治疗膝骨关节炎具有明显的临床疗效[14]。临床上普遍采用HSS这种主观评分标准来评价膝关节置换术的治疗效果，但HSS评分对患者的行走功能没有定量分析。另外，膝关节置换10～15年后，患者会出现膝骨关节炎复发和假体再换[14]。膝关节置换术的长期疗效与手术技术、假体材料及术后康复等有关。其中术后康复中，观察和评估膝关节置换术后的力学平衡是决定膝关节稳定、人工关节寿命、预防骨关节炎复发的重要因素[15]。因此，要获得膝关节置换术的长期疗效，从生物力学方面评估膝关节置换术显得越来越重要。

足底压力分析仪作为一种先进的临床生物力学检测仪器，在对足底压力及步态分析方面有越来越普遍的应用价值和研究空间[16]。然而目前足底压力分析主要应用在足踝部疾病方面，对膝骨关节炎患者的足底压力特点研究甚少[17]。尤其关于膝骨关节炎膝关节置换后患者的足底压力情况未见报道。另外，基于足膝偶联关系，动态足底压力测量结果能很好地反映膝关节受力和运动协调性变化[18]。这使本研究具有重要意义。作者采用足底压力分析系统对在本院行膝关节置换的患者进行了量化分析，更加准确地了解膝关节的生物力学变化，从客观上评价手术的疗效，进而探索最佳的治疗手段和手术后的康复方法。

足底压力峰值和冲量是反映足底压力分布的重要指标，能较好地反映下肢关节的受力和步态情况[19-20]。有研究报道，膝骨关节炎患者足跟部的肌肉活动和平衡能力控制较正常年轻人弱，足跟部压力峰值较正常青年人降低[1]。另有研究显示，膝骨关节炎患者患侧足跟冲量数值小于健侧[21]。本研究结果显示，双膝骨关节炎患者单膝置换后，膝关节置换侧足底第2跖骨区、第3跖骨区、第4跖骨区、中足、足跟内外侧、全足底的平均压力峰值和平均冲量均高于未置换侧，差异有统计学意义（P＜0.05）。以上结果说明膝骨关节炎患者膝关节置换后，其膝关节性能改变，疼痛、畸形明显改善，膝关节的承重能力增强，骨和软骨恢复了良性应力刺激，足部的负重能力和平衡能力控制相应增强，使得置换侧足底的压力峰值和冲量增高。这表明了该手术疗法的有效性，同时也证实足底压力分析可用于指导膝骨关节炎治疗，并能为手术长期疗效的评定提供参考依据。

本研究结果显示，受试者自然行走中，置换侧足底第1跖骨区、第2跖骨区、第3跖骨区、第4跖骨区、第5跖骨区、中足的最大压力峰值出现时间均长于未置换侧，差异有统计学意义（P＜0.05）。这说明置换侧足底的这几个区域与地面接触的时间比未置换侧足显著延长，出现上述情况，可能是由于未置换侧膝关节疼痛、畸形等原因，相应足底局部区域为减少其所受局部压力影响，而相应减少着地时间，使置换侧足底部分区域着地时间代偿性增加，以减少未置换侧足受到地面反作用力的进一步作用，减轻疼痛。同时也说明置换侧膝关节功能增强。正是人体存在这样一种保护性代偿机制，引起左右足底局部区域最大压力峰值出现的时间存在差异。

行走时一侧足跟着地至此足跟再次着地所经过的时间称为一个步态周期，一个步态周期分为支撑期和摆动期。支撑期是足与地面接触时的时间阶段，根据足底不同部位触地时刻，支撑期被分为4个阶段:开始着地阶段、前足接触阶段、整足接触阶段和前足离地阶段[22]。为减少疼痛，膝骨关节炎患者会尽量减少患侧单独支撑体重的时间，患侧足跟着地、前足着地、全足支撑期时间低于健侧，可作为诊断膝骨关节炎的参考力学指标[23]。而本次测试结果得出，受试者自然行走中，膝关节置换侧开始着地阶段时间、整足接触阶段时间、单足支撑期总时间均长于未置换侧，差异有统计学意义（P＜0.05）。这说明膝骨关节炎单膝关节置换后，置换侧膝关节的功能增强；另外，膝关节疼痛的缓解也明显改善患者足底压力，使得置换侧单足支撑期延长，相应的未置换侧足底支撑期缩短，缓解了未置换侧膝关节的疼痛。

5 总结

膝关节置换侧足底压力指标优于未置换侧，说明膝关节置换治疗膝骨关节炎从生物力学指标上使患者病情得到了明显的改善。足底压力分析可用于指导膝骨关节炎治疗，为观察手术长期疗效提供参考依据。