创伤性伸直型膝关节挛缩患者动态足底压力分布规律研究

熊斌 ，周云 *，王华 ，张全兵 ，刘奕 ，李凯，郑浩然，王婧，王取南

关节挛缩是临床上极其常见的疾病，通常并发于关节创伤、关节炎及中枢神经系统损伤等疾病［1-2］。以膝关节挛缩最为常见，多由膝关节创伤及其周围组织损伤所致［3-4］。膝关节创伤后的变化主要包括两个方面，一是膝关节本身及其周围组织的破坏，二是损伤后的固定导致关节的挛缩［5］。对于膝关节创伤患者，这两种因素常同时存在，且创伤的程度、固定的方式和时间均是挛缩程度的重要影响因素［6］。膝关节挛缩根据关节活动受限的方向分为伸直型挛缩和屈曲型挛缩，因膝关节创伤后固定于完全伸直位，常并发膝关节屈曲活动受限导致伸直型挛缩。膝关节伸直型挛缩被定义为膝关节最大屈曲角度小于正常活动范围［7-8］。膝关节一旦发生伸直型挛缩，将会严重影响患者的负重及步行能力。临床上，创伤性伸直型膝关节挛缩的功能评估主要依赖体格检查和膝关节相关的评估量表，但这些评估常仅局限于膝关节本身。足底压力分析作为步态分析的重要方法，能简便、快捷、客观地量化步行过程中下肢生物力学负荷的特征，为步行训练提供一定的指导［9-10］。有文献报道，随着膝关节运动学和力学指标的变化，踝关节也将产生相应的参数改变，从而影响足底压力参数［11］。本研究通过分析创伤性伸直型膝关节挛缩患者动态足底压力的分布规律，在与正常步态的健康成年人进行比较的基础上，探讨创伤性伸直型膝关节挛缩对步行时足底动态压力参数的影响，并简要阐述其变化机制，为临床该类患者的康复评估与治疗提供借鉴。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择2020年12月至2021年12月在安徽医科大学第二附属医院康复医学科接受治疗的创伤性伸直型膝关节挛缩患者35例为研究组，选取同时期志愿参与本研究的步态正常的健康者30例作为对照组。本研究经过安徽医科大学第二附属医院医学研究伦理管理委员会审批（编号：YX2020-072）。

研究组入选标准：（1）符合创伤性伸直型膝关节挛缩的诊断标准［12］；（2）初次损伤且均为单侧损伤；（3）能够充分理解治疗师的要求并遵照执行，无认知障碍；（4）黄种人；（5）签署康复治疗知情同意书。排除标准：（1）既往由于非创伤后关节制动因素造成的关节挛缩；（2）屈曲型膝关节挛缩；（3）合并其他影响步态疾病；（4）不能独立步行；（5）无法配合治疗。

研究组膝关节Judet评级标准［13-14］：以膝关节完全伸直位为0°起始位，优：屈膝＞100°；良：屈膝80°～100°；可：屈膝50°～79°；差：屈膝＜50°。其中优8例，良10例，可10例，差7例。两组患者性别、年龄、身高、体质量比较，差异均无统计学意义（P＞0.05），见表1。

表1 两组患者一般资料比较Table 1 Comparison of general data between the two groups

1.2 方法

1.2.1 测试仪器与设备 足底压力测试采用中国科学院合肥物质科学研究院运动与健康信息技术研究室研发的ByGait-G6060-5步态分析系统，其单块测量有效区域600 mm×600 mm，点阵密度为2.25点/cm2，采样频率为100 Hz，总长3 000 mm。

1.2.2 测试程序 动态测试时，嘱测试者双足脱鞋袜，裸足站立于离测试板起始端2 m处位置，调整呼吸并放松1 min，待适应地板温度和硬度后，以平常步态走向测试板，直至双足完全通过测试板全长，为一次测试结束。重复测试3次，取平均值纳入结果分析。要求测试者在整个测试过程中不使用任何辅助器具并独立步行，两眼平视前方，双上肢自然摆臂，不得刻意在测试板上跺脚和停留。测试结果见图1。

图1 动态足底压力测试足印Figure 1 Dynamic plantar pressure test footprints

静态测试时，嘱测试者双足脱鞋袜，裸足站立于压力板静态模块上，双足自然分开，双手自然下垂，双眼平视前方，调整呼吸并放松1 min，待适应温度和硬度后，安静站立10 s，测试完成。要求测试者稳定站立，测试期间双足不得离开压力板，待站立稳定后开始计时。测试结果见图2。

图2 静态足底压力中心轨迹Figure 2 Static plantar pressure center trajectory

1.2.3 采集参数 （1）步长：指不同足的足跟相继触地之间的距离。（2）步宽：指两次连续的足触地时双侧足弓之间的距离。（3）步速：单位时间内所行走的距离。（4）足角：身体前进方向与足的长轴之间的夹角，本研究取两侧足角绝对值相加值作为足角测量值纳入数据分析。（5）触地时长：一侧足跟首次着地至同侧足尖离地的时间，本研究取两侧触地时长相加值作为总触地时长测量值纳入数据分析。（6）足底各分区压力占比和双侧足底压力Ad值：足底压力分区基于解剖学将足底划分为10个区域：踇趾区（T1区），第二至第五脚趾区（T2区），第一跖骨区（M1区），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），足底中部区（MF区），足后跟内侧区（MH区），足后跟外侧区（LH区），见图3。系统测定各区的压力占比和双侧足底压力Ad值，占比或数值越大，表示压力越大，负重越多。研究组取患侧下肢各分区的占比纳入数据分析，对照组取左侧下肢各分区的占比纳入数据分析。Ad值占比为一侧足底压力Ad值与双侧足底压力Ad值之和的比值。（7）足底压力中心（COP）轨迹：足底压力中心是足底垂直地面反作用力瞬时合力的作用力点，压力中心轨迹是由压力中心的一系列坐标组成的轨迹。系统分析计算出COP在纵向（身体前后方向）的最大偏移距离并以COP-Y表示，COP在横向（身体左右方向）的最大偏移距离以COP-X表示，偏移越大，表示身体晃动越大，稳定性越差。

图3 足底分区Figure 3 Plantar division

1.3 统计学方法 使用SPSS 17.0统计软件进行数据分析。符合正态分布的连续型变量以（±s）表示，两组间比较采用独立样本t检验；计数资料的分析采用χ2检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组步长、步宽、步速、足角、触地时长比较 研究组步长短于对照组，步宽、触地时长长于对照组，步速慢于对照组，足角大于对照组，差异均有统计学意义（P＜0.05），见表2。

表2 两组步长、步宽、步速、足角、触地时长比较（±s）Table 2 Comparison of step length，step width，step speed，foot angle and touching time between the two groups

表2 两组步长、步宽、步速、足角、触地时长比较（±s）Table 2 Comparison of step length，step width，step speed，foot angle and touching time between the two groups

组别 例数 步长（m）步宽（m）步速（m/s） 足角 触地时长（s）对照组 30 0.83±0.17 0.14±0.04 0.81±0.20 14.37°±6.08° 1.09±0.26研究组 35 0.59±0.23 0.17±0.04 0.62±0.29 20.10°±10.60° 1.31±0.41 t值 -4.840 2.340 -2.900 2.620 2.550 P值 ＜0.001 0.023 0.005 0.011 0.013

2.2 两组足底各区域压力占比比较 两组T1区、M1区、M2区、M3区、MF区足底压力占比比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）；研究组T2区、M4区、M5区足底压力占比高于对照组，MH区、LH区足底压力占比低于对照组，差异均有统计学意义（P＜0.05），见表3。

表3 两组足底各区域压力占比比较（±s，%）Table 3 Comparison of the proportion of pressure distribution in each plantar area between the two groups

表3 两组足底各区域压力占比比较（±s，%）Table 3 Comparison of the proportion of pressure distribution in each plantar area between the two groups

注：T1表示踇趾区，T2区表示第二至第五脚趾区，M1区表示第一跖骨区，M2区表示第二跖骨区，M3区表示第三跖骨区，M4区表示第四跖骨区，M5区表示第五跖骨区，MF区表示足底中部区，MH区表示足后跟内侧区，LH区表示足后跟外侧区

组别 例数 T1区 T2区 M1区 M2区 M3区 M4区 M5区 MH区 LH区 MF区对照组 30 5.30±1.99 5.96±1.87 11.58±2.36 9.18±1.78 8.63±2.10 6.39±1.00 3.34±0.86 21.13±2.86 18.40±2.30 10.07±2.85研究组 35 5.69±2.27 7.27±2.19 10.69±2.86 8.80±2.02 8.93±1.70 7.81±2.00 4.31±1.45 18.55±4.14 16.31±3.78 11.61±4.81 t值 0.732 2.572 -1.348 -0.794 0.654 3.566 3.211 -2.874 -2.644 1.537 P值 0.467 0.012 0.183 0.430 0.515 0.001 0.002 0.006 0.010 0.129

2.3 两组足底压力Ad值占比比较 研究组患侧压力Ad值占比为（45.73±2.68）%，健侧压力Ad值占比为（54.27±2.68）%，研究组患侧压力Ad值占比低于健侧，差异有统计学意义（t=-13.357，P＜0.01）。对照组左侧压力Ad值占比为（50.04±1.50）%，右侧压力Ad值占比为（49.96±1.50）%，对照组左侧与右侧压力Ad值占比比较，差异无统计学意义（t=0.204，P=0.839）。

2.4 两组足底压力中心轨迹偏移值比较 研究组在COP-X方向、COP-Y方向的偏移值均高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表4。

表4 两组足底压力中心轨迹偏移值比较（±s，mm）Table 4 Comparison of center trajectory deviation values of plantar pressure between the two groups

表4 两组足底压力中心轨迹偏移值比较（±s，mm）Table 4 Comparison of center trajectory deviation values of plantar pressure between the two groups

注：COP=足底压力中心；COP-X表示COP在横向（身体左右方向）的最大偏移距离，COP-Y表示COP在纵向（身体前后方向）的最大偏移距离

组别 例数 COP-X COP-Y对照组 30 6.60±2.22 9.97±3.85研究组 35 8.37±2.41 12.97±3.82 t值 3.069 3.150 P值 0.003 0.002

3 讨论

膝关节创伤是导致膝关节挛缩的主要原因之一［15］。当膝关节受到创伤后，关节面的破坏、周围组织的损伤、创伤后的血肿机化、关节囊及周围组织的粘连等均会导致关节挛缩的发生［6］。HAGIWARA等［16］认为关节囊的形态改变是导致关节挛缩的关键因素。近年来的研究者多认为膝关节创伤后，关节滑膜的纤维化是造成关节挛缩发生的主要原因［17-19］。周云等［20］在动物实验中的研究也表明膝关节创伤后，随着固定时间的延长，关节液转化生长因子β1（TGF-β1）含量呈上升趋势，关节囊纤维化的程度逐渐增加，最终导致关节挛缩的发生。在临床病例中，膝关节的创伤和固定常先后发生，一方面，创伤后膝关节周围组织的直接损伤和关节腔内的出血会造成周围组织的粘连，另一方面，创伤后的固定使得关节腔内血液循环和滑液流动减慢，发生粘连。除此之外，创伤后的膝关节其周围肌群主动收缩减少，肌肉萎缩，延展性降低，也会引起肌性挛缩［21］。膝关节作为下肢的重要关节，一旦出现关节挛缩，将会导致整个患侧下肢生物力学的改变。传统的膝关节功能评估主要包括膝关节的活动度、膝关节周围肌群的肌力与肌张力、下肢的平衡与负重以及本体感觉方面。在步态方面的评估也多局限于患侧下肢各个时相的支撑和迈步是否正常。对于行走而言，静态的评估常难以对动态的迈步做出客观的评判。有研究表明，下肢疾病导致的行走动态失衡，可引起足底压力分布的变化［22-23］，动态足底压力测试仪能够很好地捕捉到步行过程中足底压力的改变，从而对下肢的负重及行走能力进行客观的评估。

本研究中，笔者对比了创伤性伸直型膝关节挛缩患者和正常人之间足底压力的差异，从步态分析的一般数据来看，创伤性伸直型膝关节挛缩患者的步长和步速均较正常人降低，这与创伤后的疼痛、膝关节挛缩导致膝关节的主动屈曲角度减小有关［24］，另一方面，患侧股四头肌肌力的下降也会降低迈步过程中膝关节伸直的速度［25］。夏清等［26］研究表明，膝关节功能障碍患者患肢足蹬伸时段高于健侧对应时段。前期有学者在膝关节骨性关节炎患者的研究中发现在蹬离前期膝关节由屈曲到伸直的过程延长，甚至不能完全伸直膝关节［27-28］。对于膝关节功能障碍的患者，上述因素均会导致步速的降低。另外，研究组的步宽、足角较对照组增大，这与步行时的稳定性有关，增大步宽和足角能增强下肢负重及行走时的稳定性，这与李秀珍等［29］研究一致。需要指出的是，在既往研究中，膝关节损伤的患者患侧下肢的触地时长较对侧下降［12］。本研究中，研究组触地总时长较对照组升高，考虑是由于患侧下肢负重能力较差，在步行的支撑相过程中健侧下肢的触地时长升高所致。

足底各区域压力方面，研究组在T2区、M4区、M5区足底压力较对照组升高，在LH区、MH区足底压力较对照组降低。从足底分区压力的变化可以看出，创伤性膝关节挛缩患者前外侧足的压力占比相对于正常人有所升高，后内侧足的压力占比相比正常人有所下降，整体来说，在步行期间，主要是足的前外侧负重较多。笔者分析可能是为了减轻步行时膝关节内侧平台负重导致的疼痛，从而代偿性以足外侧缘负重所致。另外，大部分创伤后膝关节挛缩的患者由于制动或者患侧下肢负重较少，患侧小腿三头肌和跟腱存在一定程度的挛缩，从而导致步行时患侧足跟不能充分负重，使得患侧前足的负重增加，这与王欢等［30］、张永祥等［31］研究结果一致。本研究中，观察组患侧压力Ad值占比低于健侧，而对照组两侧力Ad值占比差异无统计学意义，表明创伤性伸直型膝关节挛缩患者两侧足底总压力不对称，且患侧压力占比较低。下肢力线是通过股骨头中心、膝关节中心和踝关节中心三点之间的连线，正常步态时，两侧下肢的力线基本一致，所产生的足底压力相差无几［32］。创伤性伸直型膝关节挛缩患者由于患侧膝关节的疼痛导致患肢负重能力下降，在步行时，为了减轻膝关节负荷，身体重心向健侧偏移，使得健侧负重高于患侧。

COP轨迹可用来衡量人在站立时双足压力中心在左右方向和前后方向的偏移，可以根据该轨迹来评估足部运动的稳定性，常用于步态的分析和平衡能力的评估［33-35］。正常情况下，在保持静止站立时，COP轨迹的偏移较小，且两侧的轨迹基本相似［36］。创伤性伸直型膝关节挛缩的患者存在膝关节周围肌群肌力的下降、关节活动度的减小以及本体感觉的障碍，会导致站立时患侧下肢力线的改变［3］，而且膝关节的不稳定也会导致站立时身体重心的晃动，这些变化会影响COP轨迹。另外，由于患侧足主要以前外侧足负重居多，使得踝关节处于一定程度的内翻，同样会导致COP轨迹的偏移，这与侯宗辰等［37］研究结果一致。本研究中，观察组在Y轴方向和X轴方向上的轨迹偏移幅度均增大，说明静止站立时，创伤性伸直型膝关节挛缩患者重心偏移的幅度增大，意味着站立时的稳定性较正常人差。

综上所述，创伤性伸直型膝关节挛缩患者与正常人相比，足底压力在静态与动态方面均存在差异。主要表现为：创伤性伸直型膝关节挛缩患者步长短、步宽大、步速慢、足角大、双足总触地时长长，步行时患侧下肢负重较少，且主要以前足和足外侧缘负重，双足压力中心轨迹在横向和纵向的偏移均增大，步行时晃动大，稳定性差。通过足底压力测试的方法可以客观、科学、有效地检测到创伤性伸直型膝关节挛缩患者下肢负重和站立时的步态特征，在对该类患者进行下肢功能评估和康复训练时，本研究结果可为临床医生提供一定的参考。本研究的不足之处主要是样本量较小，且未对研究对象进行长期随访和二次评估。

作者贡献：熊斌提出研究思路，设计研究步骤，撰写论文；周云进行论文的修订；王华进行文章的质量控制；熊斌、张全兵、刘奕进行病例的入选筛查；熊斌、李凯进行数据的统计与分析；熊斌、郑浩然、王婧收集数据；王取南进行论文的审校；熊斌负责最终版本修订，对论文负责。

本文无利益冲突。