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膝关节骨性关节炎的步态特征研究 摘要 内容摘要：目前关于膝关节骨性关节炎( k o a ) 发病机制的研究，研究对象通常 样本量较少并且涉及膝关节o a 病情分级的各个阶段( 由早期表现至重度o a 不 等) 。另外，多数研究不分病变位于膝关节的内外侧均采用普遍的标准。本研究 旨在观察不同程度膝关节内侧o a 患者步行时下肢各主要关节的生物力学改变。 我们假设与k o a 相关的步态改变与踝、髋、膝关节增加的负荷有关，并且多数力 学改变发生于冠状面。实验对象选取轻度和重度k o a 患者( l k o a 组和m i ( o a 组) 各煦名，正常对照组( c o g 组) 3 0 名。利用三维动作分析系统分别对各组下肢 关节的运动学和运动力学变化特点进行分析研究。结果显示：l k o a 组、m k o a 组 分别和对照组相比，时间距离指标的支撑期百分比指标有显著性差异：足跟着地 时膝关节角度各组间不同；支撑末期屈髋力矩和足跟着地后膝、髋关节最大外翻 力矩，l k o a 组和m k o a 组比c o n 组大，足跟着地后膝关节最大外翻力矩l k o a 组 大于m k o a 组：支撑中期和末期膝关节内翻力矩第l 峰值，m k o a 组显著大于l k o a 组和c o n 组；膝关节内翻力矩第2 峰值，l k o a 组明显低于c o n 组；髋关节内翻 力矩第1 、2 峰值，m k o a 组低于c o n 组；支撑末期，踝关节最大内翻力矩l k o a 组和涨o a 组小于c o n 组；下肢各关节的支撑期最大地板应力和支撑期最大做功 功率比较，三组存在显著性差异。本研究结果支持研究假设。说明下肢各关节的 负荷变化方式可能是患者减少重心和膝关节间内外向距离的步态代偿策略，从而 在支撑期减少地板应力的力臂，并可能减少随后的膝关节内收力矩。而这种策略 显然只对轻型患者有效。步态改变开始于足跟着地前，这不仅影响膝关节内外侧 面的负荷分配而且也导致下肢各关节的轴向负荷增加。较快的关节应力的增加可 能导致更快的现有病情的发展并引发相邻关节o a 的发病。阐明了k o a 患者代偿 性步态变化的力学机制，同时为相关康复治疗提供了有力的依据和佐证。 关键词：膝关节骨性关节炎步态 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 a b s t r a c t c o n t e n t ：i nc u r r e n tr e s e a r c ha b o u tm e c h a n i s mo fk n e eo s t e o a r t h r i t i s ( k o a ) ，s t u d y p o p u l a t i o n sh a v et y p i c a l l yb e e ns m a l la n d i n v o l v ear a n g eo fo as t a g e s ，f r o me a r l y o at os e v e r eo a i na d d i t i o n k n e eo ah a sb e e nu s e da sag e n e r i ci n c l u s i o nc r i t e r i o n ； t h a ti s ，n od i s t i n c t i o nw a sm a d eb e t w e e np a t i e n t s w i t ho a a f f e c t i n gt h em e d i a lk n e e c o m p a r t m e n ta n dt h o s ei nt h el a t e r a lc o m p a r t m e n t n ep u r p r o ft h i ss t u d yw a st o i n v e s t i g a t et h eb i o m e e h a n i c sc h a n g e so ft h em a j o rj o i n t so ft h el o w e re x t r e m i t y d u r i n gw a l k i n gi np a t i e n t sw i t hm e d i a lc o m p a r t m e n tk o ao fv a r i e ds e v e r i t y w e h y p o t h e s i z e dt h a tg a i tc h a n g e sr e l a t e dt ok o a o fv a r i e ds e v e r i t ya r ea s s o c i a t e dw i t h i n c r e a s e dl o a d sa tt h ea n k l e ，k n e e ，a n dh i p ，a n dt h a tm o s tc h a n g e sw i l lo c c u ri nt h e f r o n t a lp l a n e 1 n h es u b j e c t sw c r cd i v i d e di n t ot h r e eg r o u p s ：3 0l e s ss e v e r ek o a p a f i e n t s ( l k o a ) , 3 0 m o r es e v e r ek o ap a t i e n t s ( m k o a ) , a n d3 0m a t c h e d c o n t r o l s ( c o n ) at h r e e - d i m e n s i o n a lv i c o nm o t i o na n a l y s i sa n dk i s t l e rf o r c e p l a t es y s t e mw a su s e dt od e t e r m i n ek i n e m a t i c sa n dk i n e t i c sd a t ao ft h el o w e rl i m b d u r i n gs i m i l a r - s p e e dw a l k i n g 1 1 l er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h eg e n e r a lg a i tp a t t e r na n d t h ea n g l eo fk n e ef l e x i o na th e e ls t r i k ed i f f e r e db e t w e e np a t i e n t sw i t hk o aa n d m a t c h e dc o n t r o ls u b j e c t s ，a n da l lp a t i e n t sw a l k e dw i t hg r e a t e rh i pf l e x i o nm o m e n t s d u r i n gt e r m i n a ls t a n c ea n dg r e a t e rm a x i m u ma b d u c t i o nm o m e n t sa tt h ek n e ea n da t t h eh i pf o l l o w i n gh e e ls t r i k e ，a n dm a x i m u ma b d u c t i o nm o m e n t so fk n e ew a sg r e a t e r i np a t i e n t sw i t hl k o at h a nt h o s ew i t h m k o a , p a t i e n t s w i t hm k o ah a d s i g n i f i c a n t l yg r e a t e rf i r s tp c a l 【a d d u c t i o nm o m e n t sa tt h ek n e et h a nl k o aa n dc o n ， a n dl k o ah a dl o w e rs e c o n dp e a ka d d u c t i o nm o m e n t sa tt h ek n e et h a nc o n ，p a t i e n t s w i t hm k o ah a ds i g n i f i c a n t l yl o w e rf i r s ta n ds e c o n dp e a ka d d u c t i o nm o m e n ma tt h e h i pt h a nc o n a n da up a t i e n t sw i t hk o ah a ds m a l l e rm a x i m u mi n v e r s i o nm o m e n m a tt h ea n k l ei nt e r m i n a l - s t a n c ep h a s e s ，a n dt h e r ew e r es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n c e si n m a x i m u mg r o u n dr e a c t i o nf o r c ea n dm a x i m u m p o w e ro fa l lj o i n t so fl o w e re x t r e m i t y d u r i n gs t a n c ep h a s e sa m o n ga l l 3g r o u p s 1 1 l er e s u l t so ft h i ss t u d ys u p p o r to u r h y p o t h e s i s a l lc h a n g e si nl o a d i n gp a t t e r no fe a c hj o i n to fl o w e re x t r e m i t yi sa p o s s i b l es t r a t e g yo fg a i tc o m p e n s a t i o nu s e db yp a t i e n t sw i t hk o at or e d u c e dt h e m e d i o l a t e r a ld i s t a n c eb e t w e e nt h ec e n t e ro fm a s sa n dt h ek n e e ，t h e r e b yr e d u c i n gt h e m o m e n ta e i no ft h eg r o u n dr e a c t i o nf o r c ea n ds u p p o s e d l yr e d u c i n gt h ek n e ea d d u c t i o n m o m e n ta tas u b s e q u e n tp o i n td u r i n gs t a n c e t h i ss t r a t e g ya p p e a r st ob es u c c e s s f u l o n l yi np a t i e n t sw i t hl k o a g a i tc h a n g e sa p p e a rt ob ei n i t i a t e db e f o r eh e e ls t r i k ea n d t h i sn o to n l ya f f e c t st h el o a dd i s t r i b u t i o nb e t w e e nt h em e d i a la n dl a t e r a lc o m p a r t m e n t s o ft h ek n e e ，b u ta l s ol e a d st ol e a d st oi n c r e a s e da x i a ll o a d i n gr a t e sa ta l lj o i n t so ft h e 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 l o w e re x t r e m i t y m o r er a p i d l yi n c r e a s i n gj o m tf o r c e sm a yl e a dt oam o r er a p i d p r o g r e s s i o no fe x i s t i n go a a n dt oi n i t i a t i o no fo aa tj o i n t sa d j a c e n tt ot h ek n e e t h e s t u d yd e m o n s t r a t e dt h eb i o m e c h a n i c sm e c h a n i s mi nc h a n g e so fg a i tc o m p e n s a t i o n , a n dp r o v i d e dap o w e r f u le v i d e n c e sf o rr e l a t e dt r e a t m e n t so fr e h a b i l i t a t i o n 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文 中除特别加以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的 研究成果，其他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做 了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名：j 季伟 日期：柳f 妒 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本文授权辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 并进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密 的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名：否1 弗 4 】 指导教师签名 日 智 期力哆& x z 乙 荔 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 1 前言 1 1 研究背景 骨性关节炎( o a ) 是中老年人群的多发病和高发病，其中又以膝关节o a 发病 率最高“。1 。其发病机理目前尚无定论，一般认为是复合因素共同发挥作用，国 内外研究的重点多放在分子生物学和细胞生物学领域。而生物力学机制是不可忽 略的因素之一，在这方面的任何研究成果更能迅速用于临床，可以短时间内产生 社会效益。现代三维步态分析系统结合红外线高速摄影机、测力板和计算机分析 使精确测量下肢动态生物力学指标成为现实，并且具备操作简便、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。 英文中“g a i t ”一词起源于十四世纪前斯堪的那维亚北部地区的德语，类似 于德语中的g a s s e ，有胡同、车道的意思。十四世纪后英语引入该词，转意为足 部运动的姿态，走或跑的方式，现在一般多指“步态”。 公元前4 0 0 - 3 0 0 年，亚里士多德就开始注意到步态运动嘲。人类最初对步态 有资料的研究，大约从十五世纪开始。意大利著名科学家达芬奇曾解剖了至少三 十具尸体，详细研究人体各部解剖结构，并首次提出了人体运动服从于力学的观 点。十七世纪意大利医生g i o v a n n ib o r e l l i 在d em o t ua n i m a l i u m ( t h e m o v e m e n t so fa n i m a l s ) 一书中，首度以力学与几何方法探讨了骨骼肌肉系统的 运动力学表现，并提出许多假说与推论。他启发了人们对人体姿势与动作的力学 研究，被尊称为“生物力学之父”。将动作分析从一个观察性的科学提升为定量 的科学则归功于十九世纪末期的e t i e n n ej u l e sm a r e y 。他自行设计了一些仪器 以量测步态中各类资料。然而，能真正提供直接证据的是e d w e a r dm u y b r i d g e ( 1 8 3 0 1 9 0 4 ) 。他受聘s t a n f o r d ，接续m a r e y 的工作，利用自己发明的快速摄 影技术来记录马匹的运动。他的发明是现代电影拍摄方法的启蒙，因而被称为电 影之父。他带领动作分析进入摄影测量的阶段，对动作分析的贡献卓著。此后， 电影机的出现不仅能使研究的连续动作重复出现，还可以通过电影图片计算出入 体重心、速度和加速度。 7 0 年代以红外线高速摄影机为主的立体三维( t h r e e d i m e n s i o n a l ) 动作 分析系统，配合计算机高速运算能力，不仅能定性描述人体三维运动及其变化过 程，而且还能从运动力学以及生物运动学方面定量分析其运动状态，从而大大提 升了步态分析的精度与效率，也使步态分析在临床的应用得以实现及推广。目前 步态分析软件大致仍采用类似方法。 随着计算机和成像技术的发展，出现了精确度极高的全数字式运动捕捉系 统，并具有准确性高、抗干扰能力强、捕捉空间大的特点，能实现系统操作工程 师与动作分析系统人机高度互动交流。在欧美和日本等发达国家的运动医学研究 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 中心或骨科医院，大多建立了配备有综合的步态分析系统的实验室。可同时提供 行走时人体及重心的空间位置、位移、速度、加速度；地板反作用力，肌肉及关 节的活动情况；关节内力力矩的变化等多种人体运动的信息。随着科学技术的发 展和进步，通过监测人体的步态，可以从多角度全方面了解人体运动的功能特征。 1 2 研究目的 目前，关于膝关节o a 发病机制的研究，多数关注的是膝关节的动力学与运 动学【州改变、地板应力变化“4 ”和膝关节矢状面力学表现峨“”。然而，研究 对象通常样本量较少“埘并且涉及膝关节0 a 病情分级的各个阶段( 由早期表现“” 至重度o a 0 2 1 不等) 。另外，多数研究不分病变位于膝关节的内外侧均采用普遍的 标准州。本研究旨在观察不同程度膝关节内侧o a 患者步行时下肢各主要关节的 生物力学改变。我们假设与k o a 相关的步态改变与踝、髋、膝关节增加的负荷有 关，并且多数力学改变发生于冠状面。 2 文献综述 2 1 步态分析系统的原理构成与操作程序 从运动学的观点来看，人体是由多种物态组成的各个节段，其间通过关节链 接而成一个完成的体系。为便于对人体运动姿态进行定量分析，而把它抽象化为 一个多链节刚体系统( s y s t e mo fr i g i dm u l t i s e g m e n t s ) 。根据这一模型理论， 只要测出各关节角度，节段尺寸及重心随运动过程在空间的变化，就能用参数、 曲线大致确定人体空间运动的姿态。步态分析就是根据这一原理设计的。在进行 适当空间校正后，摄取贴于受试者动作过程中身上特定位置的反光标记点 ( r e f l e c t i v em a r k e r ) ，并建立三维空间位置坐标，再配合测力板测得的地面反 作用力，计算出各关节的运动和受力情况。德国科学家w i l h e l mb r a u n e 及o t t o f i s c h e r 发展了这种方法，他们将皮肤标记坐标微分两次得到某肢段的加速度， 再配合肢段的质量、惯性矩等资料以及由测力板所测得地面反力，利用牛顿力学 计算得各关节之合力与合力矩，这种方法称为逆向动力分析方法。 当前步态分析系统有以下几部分构成：一、分布在不同位置的红外高速摄像 机和受试者关节部位的反光标记点，此部分用以测量人体运动时的空间位置变 化。二、测力台测出行走时地面反作用力的变化。三、其他外接设备如肌电图仪 等。四、调控以上三组装置同步运行并对其进行分析处理的工作站、集成设备、 计算机和相关软件系统。( 见图2 1 ) 步态分析实验室需要一定的空问，步行距离大约在6 1 5 米。测量要求至少 有三个步长长度，步速恒定并包含三个以上相对稳定的步态周期。关节中心的定 位对于力臂的测量非常重要。膝关节中心在屈曲过程中向后移位，因此很难准确 2 膘关节骨性关节炎的步态特征研究 定位膝关节中心，通常将胫骨股骨结合处作为关节中心。为排除体重和身高对力 矩的影响，有时将力矩标准化。行走速度的变化也会对力矩的大小有一定影响“， 因此测量时，尽量使患者步速保持匀速状态。但是，若行走速度为非自然速度时， 其步幅、步频、力矩就会有所改变，不能反映正常行走的功能学改变情况，因此， 一般测量受试者的自主步态。 图2 - 1 步态分析系统 2 2步态分析的研究内容 2 2 1 步态周期 美国加利福尼亚州r a n c h ol o sa m i g o s 步态分析研究室提出了r l a 划分方法 “，在一个步态周期中找出八个典型动作姿势位点，将一个完整步态周期七个时 段。在对步态力学分析时，本文重点分析在支撑期关节的受力状况。 在r l a 步态周期划分方法中，支撑期阶段包括四个时期i 预承重期( l o a d i n g c o n t a c t ) ，支撑中期( m i d s t a n c e ) ，支撑末期( t e r m i n a ls t a n c e ) ，摆动前期 ( p r e s w i n g ) 。( 图2 2 ) 预承重期：有一侧开始着地，到对侧下肢离开地面。相当于双支撑期。 支撑中期：由对侧离地，到身体重心正好在支持面上。 支撑末期：随支撑中期之后，到对侧下肢开始着地，或支撑腿足跟离地。 摆动前期：包括从支撑腿足跟离地到足尖离地阶段。 2 2 2 距离时间指数特点 在步态分析应用中常见的时间距离指标有步长、步幅、步速、步频等，步长 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 是一侧肢体足跟( 足尖) 到另一侧足跟( 足尖) 的距离，步幅是一侧足跟着地到 再次着地时的距离，是连续两个步长的总合。人体按自主步速行走时，下肢所能 达到的前向后向的距离取决于受试者的身高，即步长或步幅主要取决于身高。但 步长还取决于髋膝关节开始承重时角度和对侧膝关节在支撑末期的瞬时角度，这 是因为髋关节的旋转可以决定下肢在空中的位置，膝关节在矢状面上的旋转( 即 屈伸运动) 可以调节长度一定的肢体所能前后向到达的位置。 步幅、步频和步速作为时间一距离指标受肌肉力矩、肢体受力和关节运动综 合因素的影响，是人体运动能力评价的重要指标。在这些指标中，速度是最能反 映行走能力的指标。在人体进行自主自由行走时，行走是最有效、最节能的行为 方式3 1 。 2 2 3 关节活动角度特点 运动学数据的基本特征有三点：变化大小、变化形式和变化的周期性。本文 主要研究下肢关节角度的变化情况。在评价时，目的就是让步态病态特点定量化， 步态缺陷原因明确化。所谓步态病态程度定量化，是根据某些和临床标准相关的 指标进行评价。因而，像体温和脉搏一样，提取的特征量，表示综合状态，而且 各特征量又能够具有独立的尺度，像这种评价，可以注意角度变化的大小，整体 变化模型的类似性，或者是运动的对称性和重复性等周期特征。 关节的运动方式对关节的内外力矩均有影响，因此关节力矩会因为个体行走 方式的不同而存在个体差异。但对于个体而言，由于中枢神经能够对肌肉进行控 制，使得各关节都能够保持一种连续和相对稳定的运动方式。在人体行走时，各 关节会受到关节韧带和关节囊的限制，因此关节活动度范围不会达到关节被动活 动的范围。 三维运动学分析描述三个空间方向上的关节运动：矢状面、水平面和冠状面。 一般情况下，以对关节矢状面活动度的研究多见。人体主要是靠髋、膝、踝关节 角度的不断变化，使左右腿持续交替摆动而实现行走的。在三维步态分析系统中， 计算机可以通过摄取贴记于人体的标志点轨迹来计算出下肢各关节的角度变化 情况。同时，在明确关节障碍的原因过程中，重视每一个关节的运动和代偿性的 运动，进行局部而具体的评价是很有必要的。因此要对步态周期中的特定时间和 角度变化的峰值进行分析和比较。为更能反映肢体障碍造成的功能交化情况，需 要选择能代表疾病状态的特征值进行分析。 4 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 灸良良灭炱 足聃对膏童舯点，t 嘲足尖直足聃 5 0 1 0 0 震支震支 搠 单支艄摆动期 撑期 吏撵期 摆动期 刀泽 支撑中期 支撵末期 摆动 摆动 舞动中期 摆动 重期 菌期匆棚末期 步态周期t 图2 - 2 步态周期时段划分法 2 2 4 生物力学特点 运动分析方法是基于经典牛顿运动三大定律形成的。如图2 - 3 所示，一般运 动生物力学包括静力学和动力学分析，静力学包括可用力的大小、方向等反映的 力的平衡；动力学则包括运动学和运动力学，运动学可用位移、速度、加速度、 即时的关节角度来表示，运动力学则包含力、力矩、功率等指标。在步态分析中， 下肢损伤后最敏感的变化在于关节力矩的变化。进行数据处理时采用多链节刚体 模型，利用运动学数据和地板反力等力学数据可计算出下肢关节力矩。关节受力 力矩一般包括外力矩和内力矩，外力矩主要是由重力和地板反作用力作用于关节 产生，内力矩主要是关节周围肌肉和其它结构作用于关节产生。关节力矩的大 小同关节受力大小、关节轴的确定、关节角度、关节角速度和患者自身的生物学 变化有关。 双足的运动是通过下肢中的骸关节、膝关节、踝关节和足底关节三维方向的 旋转力矩产生。这些力矩通过两种作用力产生，分别为肌肉的相互作用和关节所 受的重力。下肢3 9 块以上的肌肉通过较短的力臂在行走中对抗重力，并使关节 产生旋转力矩“。在步态周期中的特定时间内，有不同的功能肌群进行活动并产 生相应的力矩。在支撑期，肌肉作用产生的 5 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 生曲力聋 l i l o m t c h 岫1 i ：- 竺一力的千暂 方向s t 埘a方口 = 。电萋曲率 图2 3 生物力学研究内容结构图 力矩协同韧带和关节囊，共同拮抗重力和身体运动产生的外力矩。在摆动期，关 节周围的肌肉还会产生旋转力矩用以克服肢体重量和惯性。无论是重力和地板反 作用力产生的外力矩还是关节周围肌肉产生的内力矩都能在关节旋转的轴和方 向来表达。矢状面、冠状面和水平面都有相应的指标对作用于关节的力矩进行表 达。对于膝关节，可以分为内在和外在的膝关节屈一伸力矩，内翻一外翻力矩，内 旋一外旋力矩。下面将下肢主要关节周围肌肉在步态周期中的收缩情况以及产生 的内力矩作详细的描述。( 图2 4 ) 摆动末期足跟着地时，地面反作用力方向对于人体向上向后，会对踝关节产 生跖屈外力矩，对髋关节产生屈曲外力矩。为维持平衡，肌肉便会产生拮抗踝跖 屈和髋屈曲的内在力矩。此时踝关节背伸肌群和髋关节伸肌群( 臀大肌和胭绳肌) 进行离心收缩，以吸收作用于关节的功。 足跟着地时，地板反作用力矢量方向靠近于膝关节中心，膝关节外来力矩的 大小主要取决于小腿接近地面的角度和膝关节的屈伸角度。大部分正常人群外来 起始力矩在伸膝过程中出现，并伴有股四头肌和胭绳肌的收缩用以保证膝关节的 稳定。足跟着地前膝关节在伸直过程中，胭绳肌和伸膝肌群开始收缩，使肌肉力 量足以承重和稳定膝关节。之后，下肢肌肉对施加于关节上的重力进行调节收缩， 并伴有膝关节的伸屈角度的适应性变化，此时膝关节屈曲，屈膝外力矩出现，同 时膝关节周围肌群通过增加股四头肌的牵拉力、增强肌肉活动和力量对抗屈膝。 膝关节屈膝着地，股四头肌的通过收缩作用可将地板反作用力对膝关节的震荡进 行能量的吸收，有学者称之为“震荡吸收机制”( s h o c k - a b s o r b i n gm e c h a n i s m ) 。 着地后，股四头肌伸膝内力矩会随膝关节的屈曲逐渐增加，直到下肢完全承重和 对侧足尖离地时，这时膝关节屈曲停止，准备伸直。膝关节由于处在屈曲状态下， 因此膝关节仍处于不稳定的状态中，若要保持相对稳定，则最大限度的动员屈膝 肌群和伸膝肌群进行收缩。 之后进入单支撑期，在此期间，下肢在矢状面上以踝关节为中心旋转前向移 动时，躁关节背伸外来力矩逐渐增加。小腿腓肠肌根据这种背伸的外来力矩控制 踝关节背伸的角度，这时腓肠肌离心收缩并受到牵拉。小腿腓肠肌通过这种作用 6 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 将作用于踝上能量吸收。对于髋关节而言，单支撑期身体到达中立位时刻，外来 力矩由外来屈内力矩转化为伸髋内力矩，该力矩使支撑后期逐渐伸髋。对于膝关 节，屈膝外力矩逐渐降低，膝关节角度也有屈膝逐渐转变为伸膝，并在此时替代 以伸膝外力矩。此时矢状面腓肠肌、后侧韧带和关节囊进行收缩或机 足艰着地 预承重期，睡关节屈曲，出 现屈膝外力矩 支肄中期，由屈t 屈膝外力托变支撑未期。鼍膏仲外力矩加大 兔傅l 每脚 t 舟矗艳 7 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 档动前期出现出现第= 次礓蓐摆动期 外力矩，茸关节杖动拓屈 图2 4 步态周期各时段关节受力情况 械限制用以拮抗伸膝外力矩。膝关节在支撑后期屈膝蹬地时，伸膝外力矩又 转化成支撑期第二阶段的屈膝外力矩。 在支撑末期( 摆动前期) ，随着重心转移和足跟离地，踝关节后群肌肉向心 性收缩使踝关节被动跖屈并做功。在支撑末期这种功的产生仅仅表现为抬腿。但 这种功主要是在摆动期使髋关节向心收缩而抬高下肢，在摆动早期踝关节还会通 过背伸来加强下肢的摆动。 在行走过程中，关节屈曲角度同关节的外力共同影响着关节外力矩，为保持 平衡，关节周围肌群又会产生与之拮抗的关节内力矩，外力矩和内力矩彼此对应， 共同对关节产生作用。如屈膝着地过程中，重力和地板反作用力会对关节产生屈 膝外力矩，而此时为保持平衡和保证行走，关节周围肌肉收缩产生伸膝内力矩拈 抗外力矩。 在正常速度行走时，膝关节所承受的轴向负荷是体重的3 倍到7 倍。受力峰 值出现于单支撑期的初期，伴有股四头肌的最大收缩。还有两次受力峰值分别在 足跟着地期和对侧足着地前期。分别对应胭绳肌和腓肠肌的收缩。关节受力会随 行走速度的增加而增加，复杂的关节活动也会使关节受力增大。如髌股关节面在 日常生活中所承受的负荷大约是体重的2 3 倍。跑步等剧烈运动髌股关节面承受 负荷约为体重的1 1 倍”，。 关节力矩同身高和体重均有关。身材高大体重较重的人，关节所受的重力和 力对关节的力臂也就越长，关节所受力矩也就越大。为消除身高与体重等因素对 力矩的影响，常常将关节力矩进行体重身高的标准化。可以用力矩体重身高 对力矩进行标准化。在两组身高无差别的情况下，有时也用力矩体重围单位对 力矩进行标准化。除了身高体重，步速也会影响关节力矩。步速提高，关节动量 ( 质量速度) 随之增加，根据上述在步态周期中关节及其周围肌群受力情况， 为适应在不同的动量对躯干的重心进行转换，地板对关节的反作用力、关节周围 肌肉活动也会出现相应的改变，从而使关节所受的力矩也有所改变。 8 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 在直立行走过程中，支撑期体重重心位于下肢的内侧。一般来说，冠状面上 支撑期多出现髋内翻、膝内翻和踝外翻外力矩，这些力矩在预承重期通过机体调 整下肢关节角度而产生，而在支撑期这些力矩是通过个体下肢解剖力线对躯干 重心的调整而产生。膝关节冠状面上，内翻力矩出现两次峰值，第一次是在肢体 承重期，另一次是在支撑末期，即体重重力作用关节瞬间增加或减少的时刻。内 翻力矩的增加使膝关节冠状面上内外受力不均。膝内侧承受重 力占7 0 ，膝关节外侧韧带和肌肉受到牵拉“t 4 1oa n d r e w s 等“”通过站立位x 线对 膝关节内翻力矩进行动态分析。在预承重期，膝内翻力矩的大小同内翻角度的增 加有关，膝关节内翻角度加大，内翻力矩会相应增加，内翻角度减小，内翻力矩 也会相应减小。行走过程中，膝关节冠状面上力矩的变化也常常做为研究的重要 内容，尤其是对于解剖力线的改变而产生受力改变的关节等，如在膝关节骨性关 节炎晚期时，容易出现冠状面上膝关节受力的不平衡。 有学者做过研究，正常青壮年人群最大屈膝力矩在自主步速下为2 9 2 5 体重身高( b w h t ) ，慢跑为1 3 1 5 3 b w x 眦，上楼梯为4 3 - - + 2 8 b w x h t ， 下楼梯为7 5 2 6 b w x h t 。在自主速度时，7 0 岁以上人群踩关节跖屈峰力矩和 支撑末期做功功率比青壮年明显降低。老年人适当增加步幅后，髋关节最大屈髋 功率比年轻人高1 6 。j u d g e 等发现，在步速增加时，青壮年人群下肢各关节峰 力矩和峰功率都会显著增加。而老年人在提高步速时仅仅增加了髋关节的功率。 老年人步速达到最大时，屈踝峰力矩和屈踩功率未见增加，屈髋力矩增加 7 2 1 “。 关节外力矩的加大会引起关节接触力的增大。目前的技术水平还不能对每块 肌肉产生的力矩和每个关节上受到的合力进行直接测量。 2 3 膝关节骨性关节炎的三维步态分析研究现状与进展 2 3 1 骨性关节炎的概述 骨性关节炎( o s t e o a r t h r i t i s ，0 a ) 是一种以关节软骨变性、破坏及骨质增 生为特征的慢性关节病。本病多发于中老年，是世界上最常见的关节病。世界卫 生组织( 1 1 h o ) 统计，骨性关节炎在女性患病率中占第四位，在男性患病率中占 第八位。在我国，老年人口约在1 亿以上，约有8 0 0 0 万人口会有骨性关节炎的 x 线表现，约有4 0 0 0 万人有症状。国内的初 步调查显示，骨性关节炎的总患病率约为1 5 ，4 0 岁人群的患病率为1 0 - 1 7 ， 6 0 岁以上则达5 0 。而在7 5 岁以上人群中，8 0 患有骨性关节炎。该病的最终致 残率为5 3 。 骨性关节炎的发病无地域及种族差异，而以膝关节病变发病率最高，其中膝关节 内侧面o a 最常见“6 2 2 + 2 。84 ”1 。年龄、肥胖、炎症、创伤及遗传因素可能与本病 的发生有关，其发病机制至今仍不明确。临床上以关节肿痛、骨质增生及活动受 9 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 限最为常见。目前，对于膝关节o a 的诊断，国内多采用美国风湿病学会1 9 9 5 年的诊断标准“”。由于本病为退行性病变，随年龄增长发病率及严重程度逐渐增 加，因此不能预防。治疗的目的在于缓解疼痛、阻止和延缓疾病的发展及保护关 节功能。治疗方法分为非手术和手术疗法。 2 3 2 膝关节骨性关节炎的步态变化机制 许多对膝关节o a 的步态分析研究证明呻一：步行速度、步频、单肢站立时 间和地面垂直反作用力都与膝关节疼痛程度有关。对于疼痛的影响，减少关节负 荷比改变关节活动度更有必要。改变与膝关节轴线相关的体重将会改变膝关节外 力矩。为了适应这些力矩的减少或改变的力矩就要减少肌肉内部的力矩，以保持 平衡和关节稳定性，从而减少了关节上的压力和张力。通过减少摆动末期摆动腿 的前伸和或增加躯干的前倾，在随后的负重相可以减少负重和单肢站立时期的 关节近端矢状面外力矩。改变几乎存在于整个站立相的膝关节近端冠状面的内收 和外展力矩的主要机制就是在内外方向移动躯干，这种适应可能比矢状面的改变 更显著，因为这些力矩更大并且与负荷曲线图的偏心距产生更有关。为了减少所 有平面的力矩，受试者可能会减少节奏，这样就能在特定的时期降低膝关节力矩 并减少其加速或减速的数量。 疼痛使特定关节产生外力矩减少的特征性步态。矢状面被动力矩的限制或者 冠状面的内外翻力矩的不足也可以使力矩和关节负荷的减少。当关节丧失伸展能 力时，步态就会出现屈曲挛缩。这种活动度的丧失也会造成患者步长的减少。 为减少疼痛的过度的步态适应会导致肌肉的废用性萎缩。有研究表明o “：关节 疼痛、炎症和渗出可抑制运动单位，这种抑制又进一步加重肌肉力量和速度的丧 失并增加疲劳。这些因素的结合导致关节制动，进一步加剧功能的缺失。伴疼痛 和功能的下降，患者大腿前后肌群的力量、耐力和收缩速度也下降了。因此，股 四头肌无力和疲劳是膝关节o a 患者的常见早期并发症。 2 3 3 关于发病机制的研究进展 美国整形外科部生物力学实验室学者k a u f m a nk r 口1 等在对1 3 9 名膝关节o a 患者步态特点的研究中，将实验对象分为正常组和患病组，运用三维步态分析技 术对水平及上下台阶时步速、步态周期变化、膝关节屈伸度和关节力矩变化的研 究发现：患病组中体重超标者膝关节负荷明显高于正常组，患者通过改变步态以 减小外力矩，从而减少患肢负荷：同时指出通过分析步态变化可制定o a 造成运 动障碍的量化标准，并可以此评价非手术治疗计划的疗效。c h e nc p 嘲等学者在 不同年龄膝关节骨性关节炎步行中的矢状面负荷反应的研究中，对比老年组、 患病组和对照组的各种步念指标时发现：前两组步速较馒、节奏低、步长短、摆 动时间长和双肢支撑时日j 长，同时中立位时足中部承受了更多的负荷。美国德拉 1 0 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 瓦大学学者m i c h a e ld “”等在膝关节内侧面骨性关节炎患者膝关节前面松弛 的步态控制一文中，利用步态分析结合表面肌电( e m g ) 对比患病组和对照组 水平步行时的膝关节运动学和动力学变化，结果显示：膝关节内侧松弛是延缓膝 关节内侧面骨性关节炎患者病情发展的重要手段。美国r u s h 大学医学院学者 d e h u r w i t z “”等在膝关节骨性关节炎患者步态的膝内收力矩与静态立线比影 象学分级、摆动期膝关节屈曲角度、疼痛更相关一文中指出，通过机械轴评价 的静态力矩表明了通过膝关节内收力矩评价的关节内面的动力性负荷，说明膝关 节动态负荷与0 a 的临床措施和病情进展更相关。美国w a k ef o r e s t 大学的 s t e p h e np m e s s i e r “”等对老年膝关节o a 患者步行时膝关节是否承受更大负荷 进行了初步研究，综合分析了下肢髋、膝、踝关节的步态周期中的生物力学情况， 研究了膝关节病变时髋踝关节的代偿机制数据表明患病组与对照组无显著性差 异，但却表明有进一步对0 a 的生物力学机制进行研究的必要。m u n d e r m a n na 脚1 在膝关节内侧面骨性关节炎的继发性改变的研究中，将实验对象分为正常组 和患病组，通过三维步态分析技术分别测量其日常步速下的下肢各关节的运动学 和动力学指标，得出结论：下肢负荷增加率可能导致膝关节o a 的病情进展和膝 关节相邻关节的发病，治疗膝关节0 a 应考虑下肢所有关节的影响。 2 3 4 关于治疗措施的研究进展 日本大阪大学的学者h i d e ok a w a k a m i 。”等在胫骨近端截骨术( h t o ) 后膝 关节动力性负荷轴线轨迹的变化的研究中，对3 位膝关节内侧面0 a 患者h t o 术后进行三维步态分析，结果表明：h t o 术后膝关节动力性负荷轴线轨迹由关节 后内面向关节面中间移动，术后一年内早期站立相负荷轴线的外向移位减少。瑞 典学者b o r j e s s o nm 0 2 1 等在膝关节骨性关节炎术后的步态和l 临床测量研究 中，对比了h t o 和u k a 两种手术术后的步速、步频、步长和各下肢的单肢与双肢 站立相的步态指标，对两种手术的疗效做了客观比较，并指出日常步行速度应推 荐用于o a 术后评价。 s h r a d e r 胂等在膝关节骨性关节炎止痛疗法对步态和蹬阶的影响一 文中，对比止痛治疗后膝关节0 a 组和对照组的步速、步行节奏、最大膝关节内 收外力矩和最大髋关节内收外力矩与踝关节外展力矩，结果表明，局部注射止痛 剂可显著增强步行能力，而对蹬阶能力影响不大。 p o l l of e 。”等在外翻支具减少膝关节骨性关节炎内侧面负荷的研究中， 利用三维步态分析方法对l l 位使用治疗性支具的o a 病人进行评价表明，可调外 翻支具可有效减少关节内侧面压力，从而减轻疼痛并提高膝关节功能。h e w e t t ”1 曾对1 8 位膝关节内侧面骨性关节炎患者使用外翻支具，平均每天7 小时，每周 5 天，共9 周，进行步态分析后显示步行能力明显提高，但使用支具时髋关节内 收力矩、膝关节屈伸力矩和踝关节内外旋力矩无明显变化，因此没有足够数据推 荐此保守疗法。支具在步行中可以提高髋关节的力矩，但会降低膝关节的力矩。 膝关节骨性关节炎的步态特征研究 在前向跑动时，支具可减少膝关节屈曲角度和胫骨的旋转角度，但在跑步支撑期 时不会对影响胫骨内旋。许多学者观察到在负重增加时，支具几乎未起到控制胫 骨前移的作用。b r a n c h “1 发现活动中股四头肌的活动下降1 8 ，峰值下降1 4 ， 伴随有胭绳肌活动下降1 8 。他认为，支具不会影响本体感觉，但会减少肌肉做 功的速度和强度，并起到机械性的保护作用。 2 3 5 膝关节骨性关节炎的三维步态分析的研究展望 目前国内对膝关节0 a 产生机制的研究集中在分子生物学和细胞生物学领 域，而生物力学方面的研究较少，国外利用三维步态分析已对膝关节0 a 的生物 力学机制进行了各种尝试性研究，发现了一些规律，初步形成了一定理论基础， 但普遍存在缺乏大量正常人群和患病人群的膝关节生物力学数据的问题 油“4 “删，尤其是不同条件下( 如：年龄、性别、体重、b m i 等) 0 a 的步态分析 数据( 包括髋、膝、踝关节的全部数据) ，缺乏参照意义，建立一定规模的步态 分析系统化的数据库，提供生物力学量化指标，对步态分析系统本身的完善和发 展以及相关科研的可靠性和可行性的提高都有相当价值。 在膝关节0 a 的治疗方面，国际上研究的主流是外科手术，并已形成较为成 熟的治疗方案( 如：b t o 、u k a 、t k a 等) 。尤其对于中晚期患者，临床观察显示 手术效果显著，但存在创伤大、造价高、并发症多和康复时问长等不足慨4 川。 因此为达到延缓疾病的发展及保护关节功能的治疗目的，发展非手术治疗方法很 有必要，尤其是对于中度患者。其中治疗性支具的使用切实可行，通过运用步态 分析技术观察使用治疗性支具后步态改变，分析膝关节受力变化，可为支具研制 提供量化标准，为治疗效果提供客观评价，从而为非手术疗法的发展提供新颖的 思路和客观的量化数据。但国外对支具的研究缺乏使用后患者下肢