步態分析技術在膝骨關節炎應用研究進展

劉 丹 唐占英 楊強玲 林 婕 胡志俊

(上海中醫藥大學附屬龍華醫院康復醫學科，上海，200030)

綜 述

步態分析技術在膝骨關節炎應用研究進展

劉 丹 唐占英 楊強玲 林 婕 胡志俊

(上海中醫藥大學附屬龍華醫院康復醫學科，上海，200030)

國際上，針對膝骨關節炎(Knee Osteoarthritis,KOA)患者進行步態分析并沒有形成共識的最佳方法。盡管缺乏這些方面的標準化,這始終表明，根據疾病的不同階段，骨關節炎患者可能表現出不同的步態參數。本文通過文獻檢索的方式匯總了相關文獻，總結并回顧了近幾年來關于衡量骨關節炎特征的研究,以及步態參數的變異性對于發病率的高低的影響。文獻檢索結果包含七項關于對照運動學參數研究,九項針對動力學參數以及四項針對EMG分析方面的研究、六項針對步態分析治療效果的研究。

步態分析；膝關節骨性關節炎；表面肌電圖

Gait analysis Osteoarthritis of Knee; Dynamic electromyography

膝關節骨性關節炎(Knee Osteoarthritis，KOA)是膝關節的一種慢性退行性疾病，是以關節軟骨細胞、細胞外基質、軟骨下骨等合成與分解代謝失衡，關節軟骨損壞為特征的一個復雜的、多元化疾病。目前，在流行病學研究中沒有普遍共識的“黃金標準”來識別典型骨關節炎。盡管缺乏標準化，但是KOA的患病率伴隨年齡增長呈正相關，并且疾病主要累及髖關節和膝關節這兩個點已經在基于人群的實驗中被廣泛的顯示。骨關節炎的病因學是一個復雜的過程，針對其病因的臨床和基礎研究是國際上研究的熱點。研究認為廣泛系統性因素，遺傳因素，生物力學因素和環境因素都對其發展有一定的影響[1]。其中影響KOA進展的生物力學因素包括肌肉力量變化、下肢力線異常、體重增加等。KOA發病后，關節內及其周圍生物力學環境即發生明顯改變，同時下肢運動出現異常。針對異常的運動狀態尤其是步態進行分析是在宏觀上把握KOA病情以及治療情況的重要手段，并成為當前相關研究的熱門。步態分析(Gait Analysis,GA)主要針對下肢的運動和受力情況進行動態的量化分析。在下肢運動障礙的分析領域，GA的重要性正在不斷增加。作為臨床評估的補充以及有助于提高治療效果的工具，GA有益于做出有效的臨床決策[2]。本文就GA技術在KOA臨床與基礎中的應用進行綜述。

1 步態分析

步態分析是對于人類的行走狀態運用力學原理、解剖學原理、生理學知識進行對比分析的一種研究方法。對于步態定量的分析是通過專門設計的機械獲得客觀的數據，并對其進行分析[3]。三維運動學參數測量現已常用于臨床步態分析并為測量步態研究和臨床實踐提供關鍵的指標。三維運動學參數測量系統主要由四部分組成：運動捕捉系統、測力臺、肌電遙測系統以及計算機處理系統[4]。三維運動學參數測量系統代替傳統足印分析法成為GA的主流趨勢。

1.1 運動學分析主要研究肢體行走過程中時間空間的變化規律以及關節角度參數 測量時在肢體關節處固定感光標記。以攝像機獲取行走時標志運動軌跡得到關節運動角度。利用內在軸線和歐拉旋轉角度來描述行走過程中關節三維運動[5]。其運動學參數通常包括人體重心分析、廓清機制、步行時間-空間以及肢體的階段性運動。Michael D進行了一項有關KOA患者步態的研究。實驗中使用了步態分析方法分析KOA患者與正常對照組，發現KOA患者的步態參數相比正常人有明顯改變，包括、步速減慢、步幅變短、跨步時間延長[6]。一項Maezawa Y等人做進行的研究針對24個頸部受壓頸椎病體現痙攣步態的患者進行三維步態分析。在跖屈腳踝擺動期之外患者表現出站立位相膝關節伸展過度，并表現出行走速度和步長顯著降低,站立相持續時間延長和單一的擺動相持續時間減少以及步長增加[7]。三維步態分析可以提供詳細的,定量的數據以評估障礙步態。在Patrick JH的一項研究中針對脊髓不完全損傷運用三維步態分析。三維步態分析通過對于關節運動角度的測量和關節受壓,力矩和力量的計算指導我們針對步態差異做有加明顯的認識。實驗證明步態分析通過指導外科手術和其他治療方法已經徹底改變了針對腦癱兒童痙攣狀態的觀測[8]。Farrokhi等[9]在一項實驗中針對膝骨關節炎患者與正常人進行對照研究，患病組14例以及對照組12例，通過步態分析手段進行檢查，其結果顯示足跟著地時KOA患者的膝關節屈曲角度相對于常人要小。患病組踝關節在支撐期最大跖屈與背屈角度均明顯小于正常對照組。

1.2 動力學分析包括運動過程壓力分析和負荷分析 其研究對象主要是作用力—反作用力強度、方向以及時間等因素。步行動力學的特征有地面反作用力、剪力、力矩。此外Mercurio設計了利用鞋內置感受器檢測足底不同部位壓力的方法[10]。一些生物力學變量與KOA有高度聯系，尤其是膝關節內收力矩。有關膝關節內收力矩的測量，Heather S.Linley在實驗中用一條線連接骨盆兩個參考點的中點和肩峰中點，這條線被投射到實驗室額狀面和骨盆額狀面。骨盆傾斜作為盆腔和實驗室協調系統之間的夾角也進同樣在額狀面被測量。研究結果針對關節彎曲運動提供定量數據來指導臨床評估[11]。Mündermann在研究中強調，行走過程中通過膝關節內收力矩可以估計負載力轉移至內側和外側隔間的分布。外部膝關節內收力矩的增大可以顯示內側間隔相對外側而言承受了更大的負載。Golightly認為生物力學變量一定程度上受先天性發育異常影響[12]。此外Thorstensson認為肌肉力量的減少也是重要的生物力學誘因[13]。還有另一個有關骨關節炎的生物力學因素是膝關節的頻繁重復使用。Felson在弗雷明漢骨關節炎實驗中從事需要反復膝蓋彎曲職業的人相比不從事相關職業的人來說患有KOA的風險高兩倍[14]。Englund在研究中認為生活早期關節損傷是骨關節炎發生的一個重要誘因，曾患有前交叉韌帶或膝蓋軟骨半月板撕裂的人群經步態分析生物力學變量改變明顯。研究證明其KOA風險明顯增高[15]。

1.3 動態肌電圖的研究 動態肌電圖的研究是在步行的同時檢測肌肉活動，可以是表面肌電圖分析也可以是深部肌電圖分析。用于檢測步行時肌肉活動與步態的關系。表淺肌肉一般采用表面電極，置放于與相鄰肌肉距離最遠并且接近肌腹的部位，可以采用植入式線電極。Agostini在其研究中提出表面肌電圖可以做到無創傷性研究肌肉活動并在肌肉運動的同時評價肌肉活動的時間和強度[16]。由于表面肌電圖主要根據肌肉生物電活動獲得，是時間序列信號。多個運動單位活動時產生的電變化在時間和空間上相互疊加，經過處理后方可用于評價分析。表面肌電圖分析分為線性分析和非線性分析。線性分析主要針對時間維度和頻率維度兩方面分析。在時間維度上反映肌電曲線變化特征的評價指標主要有積分肌電(IEMG)、均方根振幅(RMS)、平均振幅(MA)等。頻率分析指標主要有平均功率分析(MPF)、中值頻率(MF)。小步變換分析法作為表面肌電信號分析的有力工具是一種把時間和頻率結合起來的非線性分析方法。

2 KOA步態參數的變化

關于KOA不同程度的患者，GA提供了重要的信息。Kiss，R.M的研究顯示步態參數的變化受KOA嚴重性的影響[17]。這就使得GA在KOA的嚴重程度上有十分明顯的界定作用。眾多研究表明KOA在運動學和動力學參數上都有明顯改變[18-20]。說明運動力學指標在KOA的損傷后有明確的改變，這有利于KOA診斷的數據化和規范化。

2.1 運動學參數的改變 臨床上KOA患者其外觀步態有明顯改變：Chen，C.P在一項針對不同年齡KOA患者步態參數改變的研究中指出：患者的步速、步長以及步頻均有減小，患側膝關節關節活動度明顯減小、其減小的幅度與KOA的嚴重程度有關[21]。關節所承受的機械負荷對關節軟骨的性能有顯著的影響。姿勢與可視化步態的變化例如膝關節屈曲幅度減小和步行速度減慢在KOA中度嚴重模型中表現明顯。Arokoski的研究認為這里改變同時也關系到其他一些與疾病晚期相關的伴隨性變化，比如年齡、疼痛、肥胖和關節僵硬[22]。Astephen，J.L.的一項研究中指出步態措施之間的相互關系和步態周期支撐相所占時間可以為洞察骨關節炎的病理的機械機制提供依據。同時，實驗結果還顯示額平面負荷與對線的改變以及步態周期中負重相增加是膝骨關節炎的特征步態模式[23]。Tanaka,K所進行的一項研究評估了三組不同人群行走過程中軀干傾斜角度。這三組分別為：單側膝關節OA,雙邊膝關節OA以及健康受試者。這項研究表明,雙邊膝關節OA患者相對于正常健康組和單側膝OA患者表現出不同的特征[24]。

2.2 動力學參數的改變 Mündermann的研究認為基于以往一直以來的實驗結果，膝關節內收力矩在KOA患者與健康對照組之間有明顯變化，但在對于不同嚴重程度的KOA之間沒有明確的區別[25]。Hurwitz在一項研究中表明髖內收力矩的減小與KOA疾病進展有密切聯系[26]。更有研究者針對膝關節橫向平面動力學進行量化研究。Andriacchi以及Landry的研究認為膝關節橫向平面力學變化使我們能初步了解不同級別的負荷加載于關節軟骨受力區域造成退行性病變[27-28]。

2.3 肌電圖的變化 Hubley-Kozey CL針對嚴重KOA患者表面肌電圖數據進行研究。五十一名受試者為全膝關節置換手術后一周。受試者沿著一條6米人行道在自然步速下行走。同時對其七塊肌肉進行表面肌電數據記錄。捕獲的肌電數據包括振幅和肌電圖波形突變的形態特征。研究結果指出在步行過程的站立相和擺動相，腓腸肌內外側頭協同激活，股四頭肌維持激活以減少膝內側負荷，同時增強站立相膝關節穩定[29]。McCarthy，C.J等在一項研究中利用等速測試儀和肌電圖針對KOA患者進行步態分析。研究認為KOA患者股四頭肌肌力下降，同時肌耐力也有所下降[30]。Fransen，M.通過步態分析針對KOA進行一項大型研究(該實驗選取113例KOA患者以及131例對照組)。實驗發現KOA患者股四頭肌肌力下降的同時腘繩肌肌力也有所下降[31]。

3 步態分析在KOA中的應用

3.1 輕中度KOA的步態分析 Lim在一項研究專門針對KOA患者經過物理療法后的步態參數[32]。所研究KOA患者一般經歷12周的理療治療項目。研究中針對患者在治療后股四頭肌和肌腱力量增加的觀察可以解釋對于治療后患者臨床狀態明顯改善的臨床評價。在針對增強力量的鍛煉后KOA患者步態生物力學參數的研究上Lim，B.W運用膝關節內收肌力矩峰值作為生物力學結果來衡量物理療法的效果[33]。研究者認為股四頭肌力量加強鍛煉項目之后，膝內收肌力矩峰值沒有顯著變化。雖然膝內收肌力矩在KOA進展過程中作為一個生物力學指標被廣泛接受，但這并不一定意味著加強力量練習是無效的。Turcot在有關于力量鍛煉作用于其他的步態參數方面進行了研究[34]。

3.2 步態分析在重度KOA康復評估中的應用 國際上針對嚴重KOA一般采取關節置換手術的方法治療。利用三維步態參數分析系統針對手術后情況進行步態分析越來越多的被人們應用。Sagawa Jr,Y的一項研究旨在進一步識別臨床和步態生物力學參數的關聯，研究針對九十例嚴重KOA患者，以及26例健康個體組成的對照組。實驗通過髖關節膝關節踝關節成角在全肢射線照相法對膝關節畸形進行評估。同時還運用力矩分析系統和踏力板進行了全身步態分析。在這項研究中顯示胸腔傾斜與膝內收肌力矩與有關。針對嚴重的膝OA患者實驗觀察到胸腔傾斜高與膝內收肌力矩高有緊密聯系。研究還指出除胸腔傾斜之外其他因素在減少膝關節內收力矩方面也有影響[35]。N.Logoluso的一項研究評估并比較了攜帶鉸接膝蓋墊片的患者與正常對照人群以及對照肢體的步態參數。運動學數據顯示相比對照組而言攜帶鉸接膝蓋墊片的患者平均步態速度降低70%，術后膝蓋力矩減少的范圍是59%，但是地面反應力僅略有降低，膝蓋正面和側面力矩的影響接近零或等于零[36]。Eric Dugan進行了研究關于雙室膝關節置換后水平行走時膝關節的力量和力學指標[37]。研究對最大等速離心膝蓋擴展強度進行了評價。水平行走時進行了萬維運動學和動力學分析。相比非手術肢體和對照組肢體而言手術膝蓋表現出更少的峰值扭矩和初始外展力矩，未累及的肢體在推進力上相對于手術肢體和對照組肢體而言，膝關節的活動度更小而膝關節伸肌力矩更大，行走過程中對于手術組未累及組和對照組而言，其他典型的膝關節力學指標沒有明顯不同。雙側膝關節置換術后患者表現出良好的正面膝關節平臺力學參數并且能夠產生相同級別的膝關節伸肌力矩。

3.3 步態分析在傳統中醫治療方面的應用 姜淑云等[38]對17例(32膝)膝骨關節炎患者用理筋手法結合股四頭肌、脛前肌等膝關節周圍肌群的功能鍛煉，以4周為1個療程。觀察KOA患者治療前后按WOMAC評分量表積分值、步態參數值的變化。結果發現治療后WOMAC評分量表3項積分均有改善的明顯，患者的步長、步速、步幅水平均有所提高，且Q角的改變比較差異也有統計學意義(P<0.05)。說明推拿理筋手法結合功能鍛煉對于膝骨關節炎患者臨床癥狀及步態參數有顯著的改善。查建林等[39]應用三維紅外步態分析儀器，分析了81例KOA患者在理筋手法以及功能鍛煉干預前后的平衡功能與步態效率變化情況，(其中男性36例，女性45例)。研究結果顯示理筋手法功能訓練組患者在步長、步速、雙支撐相等指標治療后均得到明顯改善。

4 討論

三維步態分析作為一種新興的生物力學分析手段已經在針對諸多疾病的研究上被廣泛應用。現代步態分析系統利用生物力學的原理、通過己掌握的人體解剖學及生理學結構和功能等方面的知識，對人體步行時的步態參數(運動學參數、動力學參數、肌電參數、能量參數等)進行比較分析[40]?；贙OA致病機理的不確定性，他的診斷和治療都缺乏一個絕對權威的量化標準。GA應用于KOA的研究在當前醫學與生物力學研究方面是一個熱點。但是對于KOA的發生以及不同程度損傷的界定上都沒有一個統一的可遵循的生物力學參數改變指標。這將不利于對KOA診斷的系統化以及對其嚴重程度的量化界定。KOA的治療方案有很多種。針對不同嚴重程度的治療方案以及治療效果有諸多研究。眾多的研究結果缺乏一個統一的量化指標來客觀的評價不同方案治療效果的差異。這些都是有待于我們在將后研究過程中加以完善的工作。

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(2014-08-08收稿 責任編輯：張文婷)

Objective:Internationally, there was no consensus on the best approach for gait analysis in patients with osteoarthritis (OA) of the knee. Although there is lack of standardization, it is consistently demonstrated that osteoarthritis patients may exhibit different gait parameters according to the disease stage. Methods:This summary reviews recent studies that have been undertaken to explore the manner for measure the characteristic on osteoarthritis, and clarify how the variability of gait parameters is influenced by the morbidity of KOA.Results:Twenty two studies were included, among which six were contrapose kinematics parameter, six were contrapose kinetic parameter, four were EMG analysis, and six were about the gait analysis in treatment effect.Conclusion:3DGA as a new biological mechanics analysis method has widely used in the study of many diseases. Based on the uncertainty of the pathogenic mechanism of KOA, diagnosis and treatment are lack of a quantitative criteria of absolute authority. This will not benefit the systematic KOA diagnosis as well as the quantity of severity of its definition.

R684.3

A

10.3969/j.issn.1673-7202.2015.06.036

上海市衛生系統先進適宜技術推廣項目(編號：2013SY014)

劉丹(1988—)，女，碩士，研究方向：中西醫結合康復，E-mail：qlbridge@126.com

Study Progress on Gait Analysis Technology in the Application on Knee Osteoarthritis

Liu Dan, Tang Zhanying，Yang Qiangling, Lin Jie, Hu Zhijun

(InstituteofSpine,LonghuaHospitalaffiliatedtoShanghaiUniversityofTraditionalChineseMedicine,Shanghai200030,China)