外側楔形鞋墊對內側膝骨關節炎下肢關節力學影響的研究進展

邱榮美 綜述；王德強 審校

（1.濱州醫學院康復醫學院，山東 煙臺 264003；2.濱州醫學院附屬醫院 疼痛科，山東 濱州 256600）

膝關節骨性關節炎（knee osteoarthritis,KOA）是導致老年人關節疼痛和慢性殘疾的主要原因，嚴重影響患者的生活質量，給家庭和社會造成較大的經濟困擾。據統計，我國40歲以上中老年人KOA總體患病率為36.4%，男性為27.3%，女性為42.7%[1]。膝關節內側室的壓力負載是外側的10倍，在支撐相早期，關節反應力是身體重量的215%，支撐相后期，關節反應力是身體重量的266%，而膝關節內側室的負載占總負載的6%～80%，而在膝關節內翻畸形的人中4%～6%的內翻畸形程度會使膝關節內側室負載增加20%，因此膝關節的不同力線也會影響膝關節內側的負載，內側負載的增加會影響膝關節骨性關節炎的發生，發展。

目前治療KOA的手術方式主要有全膝關節置換術、脛骨高位截骨術、腓骨高位截骨術及單髁置換[2-3]等都可以通過改變下肢的生物力學關系達到改變膝關節壓力負荷分布和改善疼痛的效果。以上手術治療方法主要適用于晚期的膝骨關節炎患者，而早期和中期一般選用非手術治療。非手術治療主要有口服非甾體藥物、神經肌肉訓練、透明質酸鈉關節腔注射及物理因子治療等都能明顯改善膝關節的臨床癥狀和運動功能。其中，外側楔形腳墊（外緣高于內緣）作為一種非入侵性、經濟的輔助治療方法在臨床上取得了良好的效果，主要通過改變膝關節的外部內收力矩（external knee adduction moment,EKAM）達到減輕膝關節內側室負載的效果[4]。在行走時，地面的反作用力在膝關節內側通過，與膝關節中心的距離形成一個膝關節外部的內收力矩，使脛骨相對于股骨內收，增加對膝關節內側負載的影響。因此膝關節內收力矩是內側脛骨軟骨量損失的一個危險因素。本文主要綜述外側楔形鞋墊對內側膝骨關節炎下肢關節的生物力學影響。

1 外側楔形鞋墊

1987年Sasaki和Yasuda是第一次提出用外側楔形鞋墊治療內側膝骨關節炎，他們證實了鞋內墊使跟骨相對于脛骨的外翻，通過減小地面反作用到膝關節壓力中心的力臂從而減小膝關節的外部內收力矩，從而應用于內側膝關節的治療。楔形鞋墊放置于鞋內底上的一種外緣高于內緣的足部輔具，用以支持、排列、固定、預防或矯正畸形踝關節，使足底筋膜松弛，恢復足部的生物力學和改善下肢功能，是一種可靠且廉價的治療方案，由于其易于穿戴而具有較高的依從性，在內側膝骨關節炎臨床治療指導方針中是經常被推薦的治療方法，通過改變下肢的力線，減少膝關節內側室負荷，幫助患者減少疼痛，改善身體機能，減緩疾病惡化。并且楔形鞋墊的效應在短期內不會發生退化，并不會發生生物力學適應，因此外側楔形腳墊減小EKAM在短期內并不會有明顯改變。

1.1 外側楔形鞋墊對膝關節的影響

1.1.1 EKAM是反應外側楔形腳墊改變內側室負荷的重要參數 在對9名進行全膝關節置換術的患者膝關節內植入遙感勘測系統記錄關節內部接觸力的數據發現，根據EKAM的變化估計內側脛股之間的接觸力存在良好的相關性[5]，EKAM最能間接反應膝關節內側脛股之間的接觸力的變化趨勢，Richards等[6]的研究也發現膝關節內側接觸力第一峰值與EKAM存在明顯聯系（相關系數為0.73），因此EKAM是膝關節最重要的監測異常的關節負載模式與骨性關節炎進展相關的參數。三維步態分析是一種最常用的可以無創分析各個下肢和上肢關節各種運動學和動力學參數，可以利用反向動力學計算得到外側楔形腳墊條件下的EKAM等參數。EKAM的降低代表膝關節內側負荷和外側負荷的分布的變化和內側室負荷的相對降低，將EKAM的減小作為膝關節內側負載減小的參數是可靠的方式。

1.1.2 利用EKAM和KAAI預測膝骨關節炎疾病的進展 EKAM整體增加20%，膝骨關節炎的疾病進程會增加6.46倍，具有膝關節內翻畸形的患者的EKAM比沒有內翻畸形的患者要高，膝關節內側室的負荷越大，越高的EKAM預示著骨關節炎的結構破壞的危險性越大[7-9]，在對關節鏡半月板手術切除術后觀察發現，越高的EKAM與內側軟骨缺損的開始或惡化有關[10]，因此EKAM和膝關節內收角沖量（knee adduction angular impulse,KAAI）初始值越高，則預示著在疾病發展進程中，脛骨、髕骨、股骨的磨損和體積丟失越嚴重，影響疾病的預后，在以后的研究中可以使用EKAM和KAAI的初始值預測膝骨關節炎的疾病進展。

1.1.3 外側楔形腳墊對膝骨關節炎患者EKAM和KAAI的影響 外側楔形腳墊通過減少膝關節內側室的壓力和接觸力來重新分配膝關節的內部負荷[11]。外側楔形腳墊雖然會增加地面反作用力，但使地面反作用到膝關節中心的力臂減小的影響更大，從而減小EKAM[12]。外側楔形腳墊作為一種輔助治療方式的治療效果受到骨關節炎患者的疾病進程、膝關節力線、年齡、體重及疼痛程度等的影響，對于早期和中期的患者能達到減緩疾病進程的效果，對晚期伴有疼痛的患者則需要采用手術和非甾體藥物治療。

多項研究表明[13-15]使用外側楔形腳墊對EKAM的第一峰值（承重反應期：從初始接觸到50%的支撐相）和第二峰值（擺動前期：從50%的支撐相到腳趾離地）和基線值相比都有明顯的有統計學意義的減小但數值較小，EKAM的第一峰值減少相當于最少的減少量0.15%體重×身高（歸一化身高體重），這就可以解釋在隨機試驗中，側楔鞋墊在12個月內軟骨損傷速度或2年的關節空間縮小率的速度并沒有減小的原因[16]。外側楔形腳墊作為一種保守治療方式，雖然每一步減少的EKAM和KAAI都很小，由于其良好的依從性和短期內并不會改變其減小EKAM的作用，即使EKAM降低5%～10%可能在臨床上也很重要并且有助于維持軟骨的完整性，在每天幾千步中會達到巨大的累積效應，從而延緩膝骨關節炎患者的病程，所以在以后關于膝骨關節炎負載研究和臨床使用過程中應該考慮到楔形腳墊的累積影響，這些潛在的生物力學優勢需要在未來的長期臨床研究中證明有益于疾病的進程。

KAAI代表EKAM曲線下面積，代表了在整個的步態周期中內收力矩的累積效應，在使用外側楔形腳墊時顯示了KAAI有統計學意義的減小。KAAI是一個更有用的方法計算在膝骨關節炎的患者膝關節載荷的持續時間和大小，與12個月或者2年之后脛股關節之間的內側軟骨損傷有關，基線時KAAI越大，12個月后脛骨軟骨體積損失越大，2年后的內側軟骨厚度損失越大[17-18]。

多項研究發現有13%～18%的膝骨關節炎患者在穿戴鞋墊之后呈現了相反的生物力學反應，即EKAM、KAAI的升高[19-20]，研究發現在正常體重的沒有膝骨關節炎的個體，外側楔形腳墊并不能減輕膝關節脛股關節的負載，甚至會增加關節的負載，在穿上鞋墊1周后，KAAI、EKAM出現了增加的情況[21]，出現該狀況的原因有很多，如步行的速度、足前進角、使用者自身下肢生物力學的影響。實驗發現具有更大的踝關節外翻度數和膝關節力線正常的患者在使用外側楔形腳墊時會減小更多的EKAM[22]，因此提出[23-24]了對外側楔形腳墊的生物力學反應者（在使用外側楔形腳墊之后，EKAM減小），如有一個更大踝關節外翻度數或者更高的踝關節度數，和非生物力學反應者的理念（在使用外側楔形腳墊之后，KAM增加）如膝關節外翻、踝關節內翻等，可能是由于患者自身的特征導致這種相反的生物力學效應，如膝關節畸形的程度、疼痛、患者的身體機能和步態模式等[25]。旋前足或者膝、踝關節力線正常的人群會比旋后足和膝、踝關節力線異常的人群EKAM減小得更多，因此在以后外側楔形腳墊的臨床運用當中，應該考慮不同下肢關節力線對使用效果的影響，提高診治效率。

1.2 外側楔形鞋墊對足踝關節的影響

1.2.1 足踝關節對膝關節骨性關節炎疾病進展的影響 膝關節以外的關節的變化，如踝關節/距下關節，可能與膝關節負重的變化有關，在其他關節處有潛在的負面后果。在日常生活中，不正確的穿鞋方式、走路習慣都會導致足部生物力學環境的改變，使骨小梁發生改變，導致負載在關節分布的不均，使膝關節內側室負荷增大。在出現足/踝的癥狀（疼痛、酸痛及僵硬等）之后，患者會改變自己的行走方式導致下肢關節生物力學的改變，從而可能會使患膝骨關節炎的風險增加[26]，會從疼痛腳轉移體重，增加對側膝的負重，因此根據足踝的癥狀可以預測患膝骨關節炎的趨勢，足部或雙足部的足/踝關節癥狀顯著增加了出現膝關節癥狀和膝骨關節炎發展的幾率。

1.2.2 外側楔形腳墊對足踝關節生物力學的影響楔形鞋墊在減小EKAM的過程中，也影響著足踝生物力學。外側楔形鞋墊通過增加腳的外翻角度，使脛骨相對于股骨向膝關節內側移動，減短膝關節—地面反作用力的力臂[27]，從而使EKAM減小。在使用外側楔形鞋墊之后，距下關節的外翻力矩明顯增大，比正常老年人增大27.7%，比骨關節炎患者增大23.5%，在峰值KAM下，踝關節外翻力矩和最大踝關節外翻力矩變得更大，因此更大的踝關節外翻度數在峰值EKAM下就更加可能對外側楔形鞋墊產生生物力學應答，不論在步態訓練還是輔助器具的使用方面可以將提高踝關節外翻度數作為一種治療手段。

在對比有內側支撐的楔形鞋墊和經典的鞋內墊發現，兩種鞋墊都可以降低膝關節的EKAM和KAAI，有內側支撐的鞋墊的患者的疼痛明顯改善[28]，有內側支撐的楔形鞋墊會使足的外翻最小化，從而導致膝關節的EKAM的程度降低，外側楔形鞋墊會增加更多的足外翻在整個步態周期中，在鞋墊的內側加入拱形支撐可能會降低外側楔形鞋墊增加踝關節外翻的效果，所以在實驗或者臨床應用過程中一般選擇標準化（沒有內側支撐）的外側楔形鞋墊。

1.2.3 足踝生物力學對外側楔形腳墊作用的影響 楔形鞋墊雖然可以明顯地降低膝關節的EKAM，但仍有30%的群體KAM不但沒有降低反而呈現了升高的結果[19]。影響其結果的原因是多樣的，其中對外側楔形腳墊缺乏理想的生物力學反應的一種解釋則是足踝生物力學的變化。在Sawada等[22]的實驗中利用腳的姿勢指數將受試者分為3組（正常足踝排列組、旋前組、旋后組）發現雖然鞋墊作用總體的受試者外部內收力矩沒有明顯變化，但只有正常足踝排列組峰值KAM減小4%，比赤足時明顯降低（P＜0.05）。另外一項研究[27]利用不同足踝排列對外側楔形腳墊效果的影響也發現，在正常足踝關節排列組EKAM減少的人數為90%，而非正常足踝排列組只有36%的人顯示了EKAM第一峰值的減小。足踝關節的力線影響著外側楔形鞋墊的效果，因為下肢肌肉骨骼狀況的變化可以改變下肢的力線和動態功能。

保持正常的足踝生物力學可能有利于防止足踝部的不良反應，在使用楔形鞋墊時，應該識別那些可以從外側楔形鞋墊中獲益更多的人，進一步研究有針對性地在生物力學表現型的群體中使用側楔鞋墊的研究，以充分了解其限制疾病進展的潛力。

1.3 外側楔形鞋墊對髖關節的影響

目前的研究主要針對膝關節和足踝關節的數據，少有的關于髖關節的數據也顯示外側楔形鞋墊會增加髖關節的第一個內收力矩峰值3.7%[16-29]或者關于髖關節峰值的內收、內收偏移、峰值的內收力矩在外側楔形鞋墊的條件下沒有被明顯的改變，在3年內髖關節沒有明顯的不良影響。

2 外側楔形鞋墊結合膝關節外翻矯形器對EKAM的影響

外側楔形鞋墊和外翻矯形器通常運用于膝骨關節炎早期，膝關節外翻矯形器通過采用三點彎曲機制[30]，增加膝關節的外翻角度從而增大膝關節的關節間隙達到減小膝關節內側間室負荷，最后起到減輕疼痛的作用。膝關節外翻矯形器和外側楔形鞋墊會增加步行的速度，降低EKAM和KAAI，但由于楔形鞋墊相比于外翻矯形器更舒適，具有更好的依從性，能更明顯的減小EKAM。外側楔形鞋墊結合外翻矯形器會出現協同作用使EKAM明顯降低，從而緩解膝關節疾病的臨床癥狀。

但外側楔形鞋墊降低疼痛的效果卻沒有外翻矯形器明顯。因為動態松弛和本體感覺缺陷是一個降低膝關節疼痛的關鍵因素，而外翻矯形器可以限制動態松弛和提高本體感覺，而外側楔形鞋墊不能，可能就是因為鞋內墊需要增大踝關節外翻度數，減少更多的內側負載，導致踝關節的本體感覺下降。

3 外側楔形鞋墊結合足前進角對EKAM的影響

足前進角（foot progression angle,FPA）指貫穿足底的中心線與前進方向所形成的夾角。足前進角結合外側楔形鞋墊可以改變異常的下肢力線。研究表明通過改變內側膝骨關節炎患者的步態模式，包括減慢步行速度[31]、傾斜軀干及改變足前進角等，能夠改變該狀態下下肢關節的力線，以改變膝關節的負重，緩解疼痛，防止進一步的膝骨關節炎的發展。足外偏步態通過減小整個步態周期地面反作用力的內收力臂從而減小整個步態周期的KAM[32]，研究發現足外偏角度每增加5°，膝骨關節炎疾病發展的概率下降 0.6。在早期的步態階段，足內偏使步態周期早期階段減小EKAM，在后期階段的情況顯著增加，因為足內偏會使膝關節內翻，增大膝關節伸展力矩和內側室的負載，對膝骨關節炎的進展產生不良影響。但Fong等[33]指出，通過改變足前進角并不能減小跑步過程中膝關節的EKAM，可能的解釋則是在跑步過程中速度對EKAM的影響遠遠大于改變足前角產生的影響，改變足前進角和使用外側楔形腳墊會出現協同作用，使膝關節的內收力矩明顯降低，但仍需要以后更多的實驗探究，探究不同足部力線在使用外側楔形鞋墊時，不同足前進角的影響。

4 小結

目前的證據表明，外側楔形鞋墊出現在降低內側膝關節結構變化方面效果不佳，并且可能更適合于生物力學反應型的群體-能減少更多的內側膝關節負荷。目前的研究通過靜態足姿勢將患者分類，足部排列正常的穿楔形鞋墊的人群可以取得更大的外部內收力矩的減小。三維步態分析是科學研究常用的方式，但對于臨床醫生而言，作為診斷方式去區分需穿戴楔形鞋墊的人群是否可以獲得更大的生物力學效益的操作方式過于繁瑣，尋找可以替代三維步態分析的方式，如靜態足姿勢等去簡便地區分受益更多的人群，以充分了解楔形鞋墊限制疾病發展的潛力。

在對于外側楔形鞋墊由生物反應的使用人群聯合其他輔助方式，如結合膝關節外翻矯形器和不同的步進角也會起到提高外側楔形鞋墊減少EKAM的協同作用，楔形鞋墊聯合鹽酸氨基葡萄糖膠囊療法，可以減輕軟骨細胞的破壞同時加快軟骨細胞修復[34]，從而緩解膝關節的疼痛，改善身體功能。也可以考慮外側楔形鞋墊在偏癱后期步態訓練中的應用，現有的低溫熱塑板不僅不舒適，價格高昂，也會降低足踝部本體感覺的獲得，探究外側楔形鞋墊對于偏癱后期足下垂患者的使用是一個具有經濟效益的研究方向。探究不同下肢生物力學患者不同的輔助治療方案，為患者設計獨立的治療計劃，提高其運動功能。