步态分析对膝关节骨关节炎的临床诊疗意义

王瑞，刘仪，袁鹏，周一逸，徐朱杰，陈沙阳，王奇奇

(南京医科大学附属无锡市人民医院骨科，江苏 无锡 214000)

骨关节炎(osteoarthritis，OA)作为临床常见的慢性磨损性疾病，常累及髋、膝关节，尤其以膝关节为主[1]。近年来，随着人口老龄化发展，膝关节骨关节炎(knee osteoarthritis，KOA)患者数量逐渐增多。2007年的一项调查结果显示，调查范围中的六个城市(广州、上海、成都、西安、石家庄、哈尔滨)KOA患病率(40岁以上中老年人群)高达15.6%[2]。目前OA的临床诊断主要依靠患者病史、症状及关节影像学改变。常见症状为疼痛、肿胀、僵硬、畸形及关节功能障碍，其中疼痛常为主要表现，尤其以上下楼梯、蹲起立行为甚，部分患者会有关节畸形。影像学表现主要是关节周围骨赘增多和囊性变、关节间隙狭窄以及软骨下骨硬化。传统诊断受主观影响过大，缺少精确的诊断标准，且难以严格区分病情的严重程度。随着便携式三维步态分析技术的发展，对于OA引起的下肢疼痛、畸形、异常关节角度、异常负重、肌肉力量不均等症状，现有的三维步态分析手段都可方便快捷且特异性地通过步态参数的变化显示出来，这无疑为OA患者的诊断及治疗效果评估提供了新手段。

1 步态分析概述

1.1 现代步态分析的分类 目测法即为观察法，属于原始步态分析方法，沿用时间长久，属于定性分析。临床医生分别从不同角度分别观察患者行走速度、姿态、协调性以及关节肌肉的运动情况，再通过丰富的临床经验得出结论。这种方法容易受到患者步速、心理以及医务人员的主观性因素影响，难以得出客观评价，但目前仍是临床常用的方法。

仪器分析属定量分析，通过仪器监测各关节运动情况，并以数据的形式反映出来。早期二维步态分析假定运动中的髋、膝、踝关节处于同一平面，获得数据较少且较局限。随着步态分析的发展，三维步态分析已经取代早期的二维步态分析，主要针对下肢运动过程中各关节角度、力矩、负重情况及关节周围肌电活性进行评判，采集的数据较二维分析多得多，但技术问世早期因价格较昂贵且使用复杂导致应用范围较局限。随着三维步态分析仪的简化，使用方便程度与价格都有明显改善，有望推广使用。

1.2 步态分析常用参数 步态分析包括了下肢关节肌肉的运动学、动力学及表面肌电活动的改变。运动学参数包括时空参数和关节角度参数，主要有：步长、跨步长、步速、步频、步宽、足偏角、步行周期时间以及步行周期各时项时间(包括支撑相前、中、末期；摆动前期；摆动项前、中、末期)、髋膝踝关节的运动规律(不同平面关节角度、关节负重及位置、速度等)。动力学参数主要指地面反作用力在各方向的分力，还包括剪力、力矩等。表面肌电则反映肌肉收缩活性。

2 三维步态分析对KOA的诊断意义

2.1 KOA整体步态参数变化 步态分析可以提供临床检查或静态X线测量无法检测的步态特征和动态关节负荷情况，在这一方面，步态分析有其独特的优势。KOA患者整体步态参数改变包括：运动过程中步长缩短，步频减小，步速减慢，患肢关节活动度减少，行走时足跟受力减小；患侧足跟着地期最大屈膝曲角度减小，支撑期最大屈、伸膝曲角度均减少，伸直力矩减小，膝关节内收力矩(knee adduction moment，KAM)增加，腘绳肌活跃性增加；双下肢支撑期延长、支撑期百分比增加，支撑期肌肉协同收缩增加且活跃时间延长[3-5]。这些改变有规律可循，对于KOA的诊断及筛查有重要意义，具体诊断标准有待进一步研究制定。

2.2 步态参数的变化可以监测疼痛 疼痛往往是KOA的首发及主要症状，疾病后期疼痛程度也是手术与否的重要参考指标，常由患者主诉获知，受主观因素影响较大。Peixoto等[6]发现对于老年女性OA患者，双侧膝关节骨关节炎疼痛患者较无症状患者的步行速度、步频和步长均较低，但下肢的步长和支撑相无明显差异。Na等[7]研究了自诉有痛感和无痛感的膝关节OA患者，发现二者膝关节偏移角无明显区别，膝关节外侧力矩有明显区别，然而无痛感的OA患者与对照组正常人无明显区别。这提示机体可能存在某种保护机制缓解疼痛，对于有痛感的OA患者，步态分析显示出较高的敏感性，可以数据化地反应出患者的疼痛。

2.3 KAM对于KOA的诊断意义 临床工作中KOA以膝关节内侧平台较严重者占大部分，且大部分患者疼痛及骨质破坏均以内侧为主。大量研究表明，KAM与KOA发病及病情严重情况关系最为密切，对于晚期KOA患者尤为敏感。Ro等[8]对23例晚期单侧OA患者膝关节步态分析显示：全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)术后患者站立相延长，未手术的OA患者KAM增加(P=0.010)；基线机械轴内翻4°或以上，平均KAM增加64%(P=0.015)；内翻4°以下KAM无明显差异。膝内翻患者整体Kellgren-Lawrence等级提高(P=0.020)；非内翻组无变化，膝内翻组的疼痛平均数字评定量表得分也更高(P=0.044)。这提示KAM增加、膝关节基线内翻畸形患者，进行性疼痛、关节炎和膝关节负荷增加的可能性更高，KAM可以作为预测膝关节骨关节炎发生、发展及评定病情严重程度的一个指标。

2.4 KOA患者足底压力的变化 KOA患者双足底压力分布会显著改变，这种病态改变不仅累及患侧，而且波及到健侧。赵强[9]研究单、双侧KOA患者与健康人群足底压力的差异发现，单侧KOA患者患侧负重减少而健侧负重增加，患侧足底压力分布较正常对照组有显著差异。双侧KOA患者病情严重侧负重减少而对侧负重增加，双足底压力分布均与正常对照组有显著差异。这提示一侧较严重的KOA不仅影响患侧，而且会影响对侧下肢正常负重，增加患侧病程进展及对侧的患病风险。

2.5 不同类型KOA的步态参数差异 由于多种病因的存在，KOA患者的症状具有很大的异质性。有学者提出将KOA患者按照病因及症状分类，以便特异性实施治疗。Dell’Isola等[10]总结资料将KOA患者分为6种不同表型，并确定了分类的可行性。对于不同的KOA表型，膝关节生物力学变化不一，膝关节结构改变及后期治疗亦存在不同。Roberts等[11]通过对终末期膝关节OA患者术前步态分析及对术后胫骨平台四个不同区域骨小梁微观结构比较发现：不同患者胫骨平台软骨下骨小梁三维微观结构的不同与膝关节步态参数的差异密切相关，前内侧骨体积分数与外部转动力矩联系最为密切，内侧到外侧的骨体积分数与内侧到外侧负重最为相关(机械轴偏差、膝内收力矩)。这表明步态参数不同意味着损伤部位不同。不同步态参数变化对应于何种病因及后续的特异性治疗有待进一步研究。

2.6 步态分析与MRI协同诊断 临床工作中两种及以上的诊疗手法相互协作，不仅可以相互佐证增加可信度，而且对于发展创新诊疗思维有积极意义。Williams等[12]研究前交叉韧带重建术对于膝关节骨质变化的影响，研究包括36例患者，发现膝关节骨质MRI影像信号的减弱与步态分析中患者膝关节内收力矩增大、胫骨外旋角度增加有相关性，证实了前交叉韧带重建术术后患者有较高的膝关节OA风险，同时验证了MRI T2加权像对于软骨深部组织基质变化的诊断意义。

3 步态分析对手术治疗效果的评价意义

晚期KOA患者常选用手术治疗，TKA因发展较成熟、疗效确切，常为首选术式。疾病早中期KOA患者可采用胫骨高位截骨及腓骨截骨术、单髁置换、关节镜下膝关节清理等手术方式治疗。患者对于手术疗效最主要的主观感受即是疼痛缓解及功能改善，医务人员常用膝关节功能评定量表、传统步态的改善及疼痛的减轻程度进行术后评估。相对于TKA术后症状改善较不明显，术后评估相对较困难，尤其对于痛觉敏感的患者，术后满意度较低。步态分析作为一个可以量化的评估方式，对于术后评估及医患沟通有重要意义。

3.1 步态分析的可信度及优势 传统方法评估术后患肢功能具有主观性，说服力较弱，而作为新兴手段的步态分析，可信度需要验证。Singh等[13]通过步态分析对于膝关节周围大范围截骨安置假体的疗效进行评估，并对比传统评估方式，以验证传统评估方式的可信度和精确性。传统方法使用肌肉骨骼肿瘤学会(musculoskeletal tumor society，MSTS)功能评估和多伦多下肢评分系统等主观评分方式，该治疗方法显示出良好的功能恢复结果。步态分析结果显示，患者平均自由行走速度较正常步态低68%。受累肢体的步幅和站立期较正常组短，但步态是对称的。在步幅、速度、膝关节屈曲、膝关节伸展之间的影响和不受影响的肢体没有差异。步态分析结果与整体MSTS评分有显著相关性。赵强[9]指出TKA患者双足底压力分布不均，且单足足底压力分布与正常对照组有显著差异，并指出TKA术后患肢足底压力分布差异减少，趋向于正常对照组，且双足压力分布差异减少，双足承受压力相近似。步态分析结果与传统方法评估结果有良好的一致性，且可以实现数据化分析，结果更具说服力。

3.2 全膝关节置换术 TKA作为发展长久、应用广泛的手术方式，常常为晚期KOA的首选治疗手段，对于患者症状及功能的改善有显著作用。郭林[14]指出，TKA术后患者各步态参数较术前均有明显改变，提示手术效果良好，这与临床工作经验相一致。有学者指出，TKA术后相比手术侧，其健侧表现出了较高的力矩[15]。术者需重视术后对侧肢体的变化，提供相应预防建议。

3.3 胫骨高位截骨术及腓骨截骨术 胫骨高位截骨常用于关节损伤程度较轻且存在关节对线不良的患者，腓骨截骨术则是以膝关节沉降理论为指导，通过腓骨截骨使膝关节力线外移从而达到治疗目的，部分疼痛敏感患者对于手术疗效满意度较低，一个有效术后评估显得至关重要。da Silva[16]通过术后6个月的步态变化评估内侧开放楔形高位胫骨截骨术对OA患者的治疗效果，结果显示：术后6个月患者膝关节冠状面内翻角度和内收肌力矩显著降低，膝关节伸直位缩短，矢状面伸肌力矩增加，轴面外旋角增加，术后摆动期的屈峰、内收肌和屈肌力矩的步态参数接近正常人群。Nie Yong[17]通过步态分析评价上部分腓骨截骨对于膝关节内侧OA患者的治疗作用，结果显示：额状面髋、膝、踝关节内翻角度在术后立刻改善，并在3个月内保持稳定。术后6个月患者KAM降低(降低11.1%)，下肢关节角度向中立位进一步增加1.8°。患侧股二头肌长头活动度术后立刻增加，6个月时相当于健康对照组水平。步态分析数据结果显示，胫骨高位截骨术及腓骨截骨术对膝关节内侧OA患者有显著治疗作用，确切验证了手术疗效，且对于医患沟通有重要意义。

3.4 单髁置换术 临床工作中，膝关节OA单髁置换(Unicondylar knee arthroplasty，UKA)患者显示出较高的术后翻修率，传统方法给出的解释缺乏数据的佐证。Miller[15]对比了TKA和UKA术后患者的步态，发现UKA相比较于TKA患者在矢状面和冠状面力矩均较大，且TKA与UKA患者健侧相比手术侧均有较高的力矩。Kim等[18]通过meta分析对UKA患者术后步态研究发现：虽然UKA术后患者于正常人在水平行走时垂直地面反作用力和整体运动无显著差异，但在步频、步幅、步长方面却显著低于正常对照组，结果显示UKA不能完全恢复膝关节OA患者的步态。以上结果可以解释UKA术后较高的翻修率，并提示膝关节置换术后健侧承受了更大的压力，有更高的患病风险，需警惕健侧KOA的发病。

3.5 韧带修补术 膝关节韧带结构复杂，关节韧带间协同作用保持膝关节稳定性与正常功能，关节稳定性对于维持关节正常步态有重要影响。Argenson等[19]针对UKA合并微创修复前交叉韧带患者的步态分析研究指出，前交叉韧带不稳行修补后的患者术后步态较未修补患者有显著改善，更接近正常对照组。这表明膝关节不稳可能导致某些病理步态，对KOA的发病及进展有一定影响，对临床医生治疗方式的选择起指导作用。

3.6 其他影响因素 膝关节术后部分患者存在不明原因的长期疼痛，导致异常步态。Planckaert等[20]研究TKA术后不明原因疼痛患者的运动学特征指出，疼痛组中观察到动态屈曲挛缩；站立期间表现出外翻(-1.5°)，Q角增加、髌骨侧向化；CT显示膝关节轻微内旋。总结疼痛的TKA患者表现出三种特征：僵硬的膝关节步态、行走时的外翻对齐以及膝关节轻微地内部旋转。总体表现为髌股关节受力增加，这表明原因不明的疼痛与术后异常步态相互影响，相辅相成。

除外手术方式及术后疼痛的影响，患者性别、体重亦对术后关节步态情况有影响。Paterson等[21]研究性别和体重对于TKA术后步态的影响发现，相比于正常人，TKA术后6个月男性患者KAM、膝关节活动范围以及屈曲力矩峰值均降低，且这种异常步态在术后6个月仍未纠正，而女性和肥胖患者并未表现出明显异常。这表明性别可能会影响TKA术后步态，而对于KOA发病影响较大的体重在术后步态异常中则未见明显相关性。

4 下肢大关节间的步态参数变化

下肢主要依靠髋、膝、踝关节共同承受全身重量，协同运动维持正常步行步态，一个关节病变势必影响其他关节的正常承重，从而导致异常步态。

4.1 髋关节病变对膝关节步态的影响 髋关节通过骨盆及周围的韧带肌肉连接人体躯干与下肢，双髋关节不仅在解剖关系上紧密相连，在功能上更是协同运动相互影响，并向下直接影响膝踝关节的功能。Sultan等[22]通过对50例髋关节OA患者与正常对照组步态参数比较发现，髋关节骨关节炎患者从站立到行走时骨盆倾斜、倾角和旋转均有明显变化，非关节炎患者在所有3个参数中表现出不太明显的变化。比较两组患者资料发现，髋关节OA组的动态变化与非关节炎组在骨盆倾斜、倾角、旋转数据相比有3～4倍的增加(骨盆倾斜39.5°对比9.3°、倾角23.6°对比7.24°、旋转39.5°对比11.4°)。骨盆倾斜角度的变化不仅影响对侧髋关节，而且影响膝关节及踝关节正常力线，增加了膝踝关节的不正常负重。

髋关节置换作为髋关节病变晚期的首选治疗手段，对于恢复关节解剖及正常生理功能有明显的治疗效果，但髋关节置换术能否完全恢复下肢正常的步态参数仍需进一步研究。Stief等[23]研究发现全髋置换术后2年下肢的不正常负重仍然存在，髋关节置换术后膝关节站立相第二内收力矩较低，具体为：患侧-34%、健侧-25%，负重内向外偏移。其中46%是因为臀部活动范围减小所致，51%是由于髋关节内收角增大导致。这表明全髋置换术后，患者可能出现异常关节负荷的风险较高，因此在下肢其他关节发生骨关节炎的风险较高。然而Wesseling等[24]对单侧THA术后3个时间点步态数据分析指出：虽然THA 12个月后关节负荷未正常化，但与对照组相比，患者的髋关节和膝关节负荷均下降，且未发现术侧或对侧髋关节和膝关节超负荷。研究结果提示THA术后患者下肢正常负重虽未完全恢复但亦未超负荷，THA不仅影响双侧髋关节，亦会对双膝关节产生影响。

4.2 膝踝关节步态参数相互影响 膝、踝关节运动相互影响。Lee等[25]研究膝关节活动度对踝关节影响，通过对脑瘫患者膝关节周围肌腱手术发现，膝关节活动度每增加1°，踝关节初始触地背屈角度增加0.4°(P=0.016)，站立时踝关节背屈角度峰值增加0.6°(P<0.001)，摆动过程中踝关节背屈角度峰值增加0.2°(P=0.038)，踝关节运动时活动范围增加0.5°(P=0.006)。马阳等[26]通过研究指出，慢性踝关节不稳患者中枢神经系统运动模式的重组更加困难，对环境的适应能力降低，进而影响到整体步态平衡能力。膝踝关节的运动的交联性提示外科医生在手术治疗时应综合考虑多关节，从而有意识地减少手术对踝关节的不利影响。

踝关节步态对于膝关节的影响为矫正膝关节病例步态提供了理论基础。Sliepen等[27]的研究显示，KOA患者佩戴踝足矫形器后，从一开始即有效减少了膝关节内收力矩并增加了膝关节屈曲力矩。但这种情况趋势在6周后减弱，且这种改善在临床上显得较微弱，甚至无关紧要。虽然结果无明显治疗意义，但为治疗手段的创新提供了思路。

下肢各关节及双下肢间相互影响客观存在且密切相关，上文亦多次提到一侧关节病变或接受手术治疗后，对侧关节正常负重会受影响，进而承受较高的患病风险。临床医生在诊疗时需要综合考虑这些联系，才能制定出最合适的诊疗计划。

5 康复治疗

早期KOA常用的康复治疗手段有两大类：一类是运动疗法，另一类是理疗[28]。运动疗法应用广泛，主要包括肌肉训练、有氧运动和水中运动疗法等，主要原理是通过增加肌肉强度来增加关节稳定性并减轻关节负重压力。Lai等[29]研究指出，运动训练可有效改善患者屈伸运动感觉。理疗主要使用物理刺激，手法多样，常用手段包括冷、热、声、光、水、电、磁等，主要以减轻疼痛及缓解关节僵硬为目的，常辅以肌肉训练增加疗效。另外，以步态分析为监测手段的新的治疗方法仍在研究并不断改进，如Khan等[30]发现联合应用膝关节支具和横向楔形鞋垫可以有效减少膝关节内翻力矩。以往康复手段的有效性常需要观察患者长期病情变化来决定，三维步态分析在监测康复手段对下肢步态改善方面具有敏感、有效、即时等特点，不仅对于传统康复疗效评估有积极意义，而且对新康复手段的制定、实验及实施有极大的推进作用。在三维步态分析的协助下，早期KOA患者的预防及减轻病情的手段将变得多元化、个体化，这将为KOA患者的早期诊疗提供新思路。

6 展 望

骨关节炎被认为是一种软骨疾病，晚期的骨关节炎可以采用外科手术治疗。OA在10～15年内缓慢发展形成，并逐渐影响日常生活和工作能力，许多患者忍受疼痛被动等待疾病发展到后期实行外科手术治疗，许多卫生保健提供者亦将疼痛和功能障碍认定为OA和老龄化的必然结果。如今，OA更应该被视为一种慢性病。关节损伤、肥胖和肌肉功能受损是适应初级和次级预防策略的可改变的危险因素。预防和早期护理可以显著延缓OA发展速度。早期、合理的干预措施对于降低手术率、提高患者生活质量至关重要。

三维步态分析技术的发展成熟不仅从下肢疾病高危人群的普查、疾病早期诊断、手术疗效监测及术后危险因素的评估等方面提供了技术支持，而且对于下肢劳损性病变的早期预防、中期康复治疗以及晚期术后肢体功能恢复训练手段的发展至关重要。临床工作中，骨外科以及康复医学科等多学科应重视新技术引进，积极创新，为已有治疗手段的改进以及新兴治疗手段的研发做贡献。综上所述，三维步态分析在下肢慢性疾病诊疗的临床工作中具有良好的应用前景，有望作为常规诊疗手段投入大规模使用，膝关节个性治疗时代即将到来[31]。