静态足底压力分布特征在膝关节损伤评估中的应用

李韦豪 ，许胜强，刘奕，周云，屈磊，杨先军

1 安徽大学电子信息工程学院，合肥市，230601

2 中国科学院合肥智能机械研究所，合肥市，230031

3 安徽医科大学第二附属医院，合肥市，230601

膝关节作为人体内最大的、最复杂的屈曲关节，其关节腔容积、滑膜及软骨面积等均居各关节之首位，在竞技体育以及人口老龄化高速发展的前提下，膝关节损伤的发生率普遍提高[1-2]。膝关节损伤会影响患者的自主行动能力，严重影响患者的日常生活。然而对于膝关节损伤，目前临床上的检测与评估手段主要为仪器检查、量表评估等[3]，而在患者的日常生活中，膝关节所承受的重力及惯性作用会对其产生累积效应，仪器检查无法实现远程监测和长期性监测，容易遗漏突发的、非周期性的临床症状。

近年来，运用足底压力分析技术来对各种疾病进行量化评估以及长期跟踪检查已经成为医学领域的研究热点[4]。而且国内外已有学者研究证实[5-6]，膝关节损伤患者的足底压力分布异于常人，包括对膝关节炎[7-8]、交叉韧带损伤[9-10]、半月板损伤[11]等疾病的研究中，大量学者使用足底压力分析设备进行数据采集以及分析实验。因此膝关节损伤与足底压力分布息息相关，且足底压力分析设备作为一种先进的临床生物力学检测仪器，可以深层次地分析受试者的足底压力分布模式，进行平衡能力评估，并提供客观的数字化评估结果，代价较低，测试方便且过程无危害。因此，足底压力分析技术将有助于膝关节损伤的评估和监测。

本文将利用足底压力分析技术探讨膝关节损伤患者在静态站立时的足底压力分布模式与平衡能力。利用Zebris FDM-S设备收集样本数据，并对足底进行分区，探讨受试者每个区域的压力值以及左右脚压力值的比值；然后根据受试者整体的压力中心（COP）移动的轨迹来评估受试者的平衡能力。最终通过实验验证足底压力分析设备在膝关节损伤评估中的应用价值。

1 对象与方法

1.1 实验对象

选取膝关节损伤患者作为研究对象，患者均来自安徽医科大学第二附属医院康复科，所有患者皆经过专业医师的诊断，确诊为膝关节损伤患者（包括膝关节骨性关节炎、交叉韧带损伤患者、半月板损伤患者）。

入选标准：① 了解此次实验目的，被告知实验可能产生风险，且同意参加该实验，并签定受试者知情同意书；② 膝骨关节炎患者、半月板损伤患者、交叉韧带损伤患者皆可入选；③ 有自主行动的能力；④ 对侧肢体无损伤。

经过筛选，共有68例患者符合实验标准，其中膝骨关节炎患者32例，半月板损伤患者17例，交叉韧带损伤患者19例。由于交叉韧带损伤和半月板损伤都是在运动过程中意外造成的，所以将这两种损伤的患者归为运动损伤组（SI组），将膝骨关节炎患者归为一组（OA组）。此外，设置对照组（CG组）作对比分析，对照组为43名健康的志愿者，其年龄、身高、体重、性别与患者组相当，无神经系统疾病。受试者基本资料见表1。

表1 受试者基本资料（均值±标准差）Tab.1 Basic data of subjects (mean±SD)

1.2 实验仪器与设备

本研究采用德国Zebris公司研发的FDM-S型号足底压力分析设备（图1），设备规格为69 cm×40 cm×2.5 cm（长×宽×高），重量为6.5 kg，采样频率为120 Hz，设备内共有2 560个传感器，压力采集的有效区域为54.2×33.9 cm2（长×宽）。上位机软件对采集到的数据进行实时显示，并保存。在完成采集数据结束之后，可生成报表，并计算出该受试者的基本参数。

图1 Zebris FDM-S足底压力分析设备Fig.1 Zebris FDM-S plantar pressure analysis equipment

1.3 实验程序与数据采集

本实验在安徽医科大学第二附属医院康复科进行，受试者保持赤脚进行静态测量（如图2所示）。进行多次实验，并取其中稳定且无过多其他干扰因素的三次测试结果作为后期分析的数据。

图2 测试图Fig.2 Test chart

静态站立时的数据采集：使受试者站立在压力垫上，待其稳定之后，开始保存数据，一次测试保存10 s，并分别进行睁眼测试和闭眼测试。

1.4 测试指标

本实验主要研究的对比参数：

（1）足底压力分布特征：用足部分割算法对足底进行区域划分，共划为十个区域（如图3所示），分别为足跟内侧区（MH区）、足跟外侧区（LH区）、足弓区（MF区）、第一跖骨区（M1）、第二跖骨区（M2区）、第三跖骨区（M3区）、第四跖骨区（M4区）、第五跖骨区（M5区）、大拇趾区（H区）、第2～5脚趾区（T区）。

（2）静态站立时平衡能力评估的指标参数：根据受试者静态站立10 s的COP轨迹得出相关平衡能力指标参数，参数如下：① 10 s内COP轨迹的总长度；②包围全部COP轨迹的最小椭圆，如图4中椭圆部分，并计算出该椭圆的长轴、短轴长度和椭圆面积。

图3 足底区域划分示意图Fig.3 Schematic diagram of plantar area division

图4 平衡能力指标参数示意图Fig.4 Schematic diagram of the parameters of the balance capability index

（3）左右脚压力对比：对于患者组，该参数表示患侧肢体足底总压力值与健侧肢体足底总压力值的比值；对于对照组，表示在静态测量时的左右侧足底总压力的比值。

1.5 统计学分析

所有的统计分析都使用SPSS 19.0软件。使用独立样本t检验方法比较患者组和正常组各参数的差异性，其中显著性界限定为P ＜0.05。

2 结果

2.1 足底压力分布数据结果对比分析

表2给出了膝骨关节炎组、运动损伤组以及对照组在静态站立时的足底分区压力数据对比分析结果。

从表2可以看出，正常对照组的足底各区域压力值的大小排序为：LH区＞MH区＞M2区＞M3区＞M4区＞M1区＞M5区＞MF区＞H区＞T区。而膝骨关节炎组的排序结果为：LH区＞MH区＞MF区＞M2区＞M3区＞M4区＞M5区＞M1区＞H区＞T区，运动损伤组的排序结果为：LH区＞MH区＞MF区＞M3区＞M2区＞M5区＞M4区＞M1区＞H区＞T区。由此可以看出，OA组和SI组的排序结果都和CG组有差异性存在，其中两个患者组的排序变化有个共同点，即第五跖骨区（M5区）的压力值都大于第一跖骨区（M1区），说明OA组和SI组的外侧压力提高，从具体数据也可以看出OA组和SI组的第五跖骨区（M5区）压力值相比较于CG组有所增加。

此外，CG组在MF区的压力值显著小于OA组 （P＜0.05）和SI组（P＜0.05）。而且OA组和SI组在MH区和LH区的压力值都显著大于CG组（P ＜0.05）。虽然对于第1～5跖骨区，三组中没有发现显著性差异，但是从数据中可以看出，OA组和SI组在整个跖骨区的压力总和相比较于CG组，呈现出上升的趋势。

2.2 左右脚总压力的对比分析

两侧足部总压力值比值的对比分析结果，见图5柱状图。

图5 压力比值柱状图Fig.5 Histogram of pressure ratio

表2 静态测量的足底压力分区结果统计（均值±标准差，kPa）Tab.2 Statistical analysis of plantar pressure partition by static measurement(mean±SD, kPa)

从柱状图5可以看出，OA组和SI组的压力比值没有显著性差异，但是OA组和SI组的压力比值和正常对照组CG组的压力比值存在着明显的差异性（P ＜0.05）。其中CG组的左右脚压力比值为（1.05±0.09），其值接近于1，而OA组和SI组患侧足底总压力值与健侧足底总压力值的比值分别为（0.75±0.16）、（0.74±0.24），两者都显著小于1。

2.3 平衡能力评估

在上述章节中已经介绍过针对平衡性能的四个指标参数，包括COP轨迹的总长、椭圆长轴、椭圆短轴以及椭圆面积，所有数据包括睁眼测量数据和闭眼测量数据。具体数据以及对比分析结果如表3和表4所示。

表3 睁眼测量的平衡指标参数结果统计（均值±标准差）Tab.3 Statistical analysis of the balance index parameters measured by open eyes (mean±SD)

表4 闭眼测量的平衡指标参数结果统计（均值±标准差）Tab.4 Statistical analysis of the balance index parameters measured by closed eyes (mean±SD)

从表3可以看出，OA组COP轨迹移动的总长度略小于SI组，而正常对照组的总长远远小于OA组（P ＜0.05）和SI组（P ＜0.05）。CG组的椭圆长轴显著小于OA组（P ＜0.05）和SI组（P ＜0.05）。

同样地，对于参数椭圆短轴和椭圆面积来说，SI组和OA组也都显著大于CG组 （P ＜0.05）。表4中闭眼测量的数据显示出和睁眼测量一样的结果，对于所有的指标参数，CG组都显著小于OA组（P ＜0.05）和SI组（P ＜0.05）。下面给出四个指标参数在睁眼测量和闭眼测量时对比分析的柱状图。

从图6、图7和图8可以看出，OA组和SI组闭眼测量平衡能力指标参数都显著大于睁眼测量，可以证实膝关节损伤患者在闭眼测量时的稳定性更差。

3 讨论

一般正常人在静态站立时，重心往往处于偏后侧来更好地保持身体的稳定性，因此足跟作为主要的承重点，其承受的压力最高。然而对于膝关节损伤患者，其患侧足跟区域的压力显著降低，前足的压力有所上升，说明患者的重心相对前移，而重心前移将导致身体的不稳定性增加，从参数椭圆长轴上也可以看出，膝关节损伤患者前后方向上有着很高的不稳定性。国外也有学者研究证实[12]，膝骨关节炎患者在行走时，在其足跟区域有一个显著下降的压力，足弓区域的压力显著增高，在交叉韧带损伤的研究中，也有类似结果[13]。而且膝关节损伤患者足部的外侧压力增高，这也说明患者站立时在左右方向上可能也有着极高的不稳定性，和椭圆短轴得出的结果一致。因此从压力分布来看，膝关节损伤患者在静态站立时异常的足底压力分布模式和其膝关节的损伤有着很大的关联。

图6 COP轨迹总长柱状图Fig.6 Histogram of COP locus total length

图7 椭圆长轴和短轴柱状图Fig.7 Histogram of ellipse long axis and short axis

图8 椭圆面积柱状图Fig.8 Histogram of ellipse area

而正常对照组左右脚总压力比值接近于1，因为正常人在站立时两侧足部的压力值趋向于相等，以此来维持身体的平衡，但膝关节损伤患者组的患侧足部总压力值和健侧总压力比值却远远小于1，说明患侧肢体足部的总压力值显著小于健侧足部的总压力值，这表示膝关节损伤患者双侧足部的总压力值有着较大的不对称性。这种现象可能是由于膝关节损伤患者在站立时对患侧肢体的不自信或者疼痛作用而导致的，将更多的力放置在健侧足部上来支撑身体，这种左右脚压力值的不对称性会增强膝关节损伤患者站立时的不稳定性。

因此，不仅是从足底压力分布上来看，还是从平衡能力指标参数上来看，患者组都表现出极高的不稳定性，而且对于膝关节损伤患者，根据其闭眼测量结果可以看出，在闭眼站立时，其稳定性变得更差。

4 总结

本文主要对膝关节疾病性损伤膝骨关节炎和急性损伤进行足底压力分析以及平衡能力评估。实验结果表明：在足底压力分布方面，患者在静态站立会尽可能地避免使用患侧肢体，且通过减少患侧肢体足跟受力以及患侧足部用力来保护患侧。此外，从平衡性能的四个指标参数中可以看出，膝关节损伤患者的稳定性较差，且在闭眼站立时会变得更差。因此，膝关节损伤和平衡能力以及足底压力分布等参数息息相关，通过足底压力分析设备可以帮助评估膝关节损伤和指导康复治疗，使专业医师和患者本人更为准确地了解主要缺陷所在，以此制定康复治疗计划，实施康复治疗，并时刻观察康复的进展，及早让患者纠正异常的足底压力分布模式，改善平衡能力，进而使伤情早日康复。