步態分析對膝關節骨關節炎的臨床診療意義

王瑞，劉儀，袁鵬，周一逸，徐朱杰，陳沙陽，王奇奇

(南京醫科大學附屬無錫市人民醫院骨科，江蘇 無錫 214000)

骨關節炎(osteoarthritis，OA)作為臨床常見的慢性磨損性疾病，常累及髖、膝關節，尤其以膝關節為主[1]。近年來，隨著人口老齡化發展，膝關節骨關節炎(knee osteoarthritis，KOA)患者數量逐漸增多。2007年的一項調查結果顯示，調查范圍中的六個城市(廣州、上海、成都、西安、石家莊、哈爾濱)KOA患病率(40歲以上中老年人群)高達15.6%[2]。目前OA的臨床診斷主要依靠患者病史、癥狀及關節影像學改變。常見癥狀為疼痛、腫脹、僵硬、畸形及關節功能障礙，其中疼痛常為主要表現，尤其以上下樓梯、蹲起立行為甚，部分患者會有關節畸形。影像學表現主要是關節周圍骨贅增多和囊性變、關節間隙狹窄以及軟骨下骨硬化。傳統診斷受主觀影響過大，缺少精確的診斷標準，且難以嚴格區分病情的嚴重程度。隨著便攜式三維步態分析技術的發展，對于OA引起的下肢疼痛、畸形、異常關節角度、異常負重、肌肉力量不均等癥狀，現有的三維步態分析手段都可方便快捷且特異性地通過步態參數的變化顯示出來，這無疑為OA患者的診斷及治療效果評估提供了新手段。

1 步態分析概述

1.1 現代步態分析的分類 目測法即為觀察法，屬于原始步態分析方法，沿用時間長久，屬于定性分析。臨床醫生分別從不同角度分別觀察患者行走速度、姿態、協調性以及關節肌肉的運動情況，再通過豐富的臨床經驗得出結論。這種方法容易受到患者步速、心理以及醫務人員的主觀性因素影響，難以得出客觀評價，但目前仍是臨床常用的方法。

儀器分析屬定量分析，通過儀器監測各關節運動情況，并以數據的形式反映出來。早期二維步態分析假定運動中的髖、膝、踝關節處于同一平面，獲得數據較少且較局限。隨著步態分析的發展，三維步態分析已經取代早期的二維步態分析，主要針對下肢運動過程中各關節角度、力矩、負重情況及關節周圍肌電活性進行評判，采集的數據較二維分析多得多，但技術問世早期因價格較昂貴且使用復雜導致應用范圍較局限。隨著三維步態分析儀的簡化，使用方便程度與價格都有明顯改善，有望推廣使用。

1.2 步態分析常用參數 步態分析包括了下肢關節肌肉的運動學、動力學及表面肌電活動的改變。運動學參數包括時空參數和關節角度參數，主要有：步長、跨步長、步速、步頻、步寬、足偏角、步行周期時間以及步行周期各時項時間(包括支撐相前、中、末期；擺動前期；擺動項前、中、末期)、髖膝踝關節的運動規律(不同平面關節角度、關節負重及位置、速度等)。動力學參數主要指地面反作用力在各方向的分力，還包括剪力、力矩等。表面肌電則反映肌肉收縮活性。

2 三維步態分析對KOA的診斷意義

2.1 KOA整體步態參數變化 步態分析可以提供臨床檢查或靜態X線測量無法檢測的步態特征和動態關節負荷情況，在這一方面，步態分析有其獨特的優勢。KOA患者整體步態參數改變包括：運動過程中步長縮短，步頻減小，步速減慢，患肢關節活動度減少，行走時足跟受力減小；患側足跟著地期最大屈膝曲角度減小，支撐期最大屈、伸膝曲角度均減少，伸直力矩減小，膝關節內收力矩(knee adduction moment，KAM)增加，腘繩肌活躍性增加；雙下肢支撐期延長、支撐期百分比增加，支撐期肌肉協同收縮增加且活躍時間延長[3-5]。這些改變有規律可循，對于KOA的診斷及篩查有重要意義，具體診斷標準有待進一步研究制定。

2.2 步態參數的變化可以監測疼痛 疼痛往往是KOA的首發及主要癥狀，疾病后期疼痛程度也是手術與否的重要參考指標，常由患者主訴獲知，受主觀因素影響較大。Peixoto等[6]發現對于老年女性OA患者，雙側膝關節骨關節炎疼痛患者較無癥狀患者的步行速度、步頻和步長均較低，但下肢的步長和支撐相無明顯差異。Na等[7]研究了自訴有痛感和無痛感的膝關節OA患者，發現二者膝關節偏移角無明顯區別，膝關節外側力矩有明顯區別，然而無痛感的OA患者與對照組正常人無明顯區別。這提示機體可能存在某種保護機制緩解疼痛，對于有痛感的OA患者，步態分析顯示出較高的敏感性，可以數據化地反應出患者的疼痛。

2.3 KAM對于KOA的診斷意義 臨床工作中KOA以膝關節內側平臺較嚴重者占大部分，且大部分患者疼痛及骨質破壞均以內側為主。大量研究表明，KAM與KOA發病及病情嚴重情況關系最為密切，對于晚期KOA患者尤為敏感。Ro等[8]對23例晚期單側OA患者膝關節步態分析顯示：全膝關節置換術(total knee arthroplasty，TKA)術后患者站立相延長，未手術的OA患者KAM增加(P=0.010)；基線機械軸內翻4°或以上，平均KAM增加64%(P=0.015)；內翻4°以下KAM無明顯差異。膝內翻患者整體Kellgren-Lawrence等級提高(P=0.020)；非內翻組無變化，膝內翻組的疼痛平均數字評定量表得分也更高(P=0.044)。這提示KAM增加、膝關節基線內翻畸形患者，進行性疼痛、關節炎和膝關節負荷增加的可能性更高，KAM可以作為預測膝關節骨關節炎發生、發展及評定病情嚴重程度的一個指標。

2.4 KOA患者足底壓力的變化 KOA患者雙足底壓力分布會顯著改變，這種病態改變不僅累及患側，而且波及到健側。趙強[9]研究單、雙側KOA患者與健康人群足底壓力的差異發現，單側KOA患者患側負重減少而健側負重增加，患側足底壓力分布較正常對照組有顯著差異。雙側KOA患者病情嚴重側負重減少而對側負重增加，雙足底壓力分布均與正常對照組有顯著差異。這提示一側較嚴重的KOA不僅影響患側，而且會影響對側下肢正常負重，增加患側病程進展及對側的患病風險。

2.5 不同類型KOA的步態參數差異 由于多種病因的存在，KOA患者的癥狀具有很大的異質性。有學者提出將KOA患者按照病因及癥狀分類，以便特異性實施治療。Dell’Isola等[10]總結資料將KOA患者分為6種不同表型，并確定了分類的可行性。對于不同的KOA表型，膝關節生物力學變化不一，膝關節結構改變及后期治療亦存在不同。Roberts等[11]通過對終末期膝關節OA患者術前步態分析及對術后脛骨平臺四個不同區域骨小梁微觀結構比較發現：不同患者脛骨平臺軟骨下骨小梁三維微觀結構的不同與膝關節步態參數的差異密切相關，前內側骨體積分數與外部轉動力矩聯系最為密切，內側到外側的骨體積分數與內側到外側負重最為相關(機械軸偏差、膝內收力矩)。這表明步態參數不同意味著損傷部位不同。不同步態參數變化對應于何種病因及后續的特異性治療有待進一步研究。

2.6 步態分析與MRI協同診斷 臨床工作中兩種及以上的診療手法相互協作，不僅可以相互佐證增加可信度，而且對于發展創新診療思維有積極意義。Williams等[12]研究前交叉韌帶重建術對于膝關節骨質變化的影響，研究包括36例患者，發現膝關節骨質MRI影像信號的減弱與步態分析中患者膝關節內收力矩增大、脛骨外旋角度增加有相關性，證實了前交叉韌帶重建術術后患者有較高的膝關節OA風險，同時驗證了MRI T2加權像對于軟骨深部組織基質變化的診斷意義。

3 步態分析對手術治療效果的評價意義

晚期KOA患者常選用手術治療，TKA因發展較成熟、療效確切，常為首選術式。疾病早中期KOA患者可采用脛骨高位截骨及腓骨截骨術、單髁置換、關節鏡下膝關節清理等手術方式治療。患者對于手術療效最主要的主觀感受即是疼痛緩解及功能改善，醫務人員常用膝關節功能評定量表、傳統步態的改善及疼痛的減輕程度進行術后評估。相對于TKA術后癥狀改善較不明顯，術后評估相對較困難，尤其對于痛覺敏感的患者，術后滿意度較低。步態分析作為一個可以量化的評估方式，對于術后評估及醫患溝通有重要意義。

3.1 步態分析的可信度及優勢 傳統方法評估術后患肢功能具有主觀性，說服力較弱，而作為新興手段的步態分析，可信度需要驗證。Singh等[13]通過步態分析對于膝關節周圍大范圍截骨安置假體的療效進行評估，并對比傳統評估方式，以驗證傳統評估方式的可信度和精確性。傳統方法使用肌肉骨骼腫瘤學會(musculoskeletal tumor society，MSTS)功能評估和多倫多下肢評分系統等主觀評分方式，該治療方法顯示出良好的功能恢復結果。步態分析結果顯示，患者平均自由行走速度較正常步態低68%。受累肢體的步幅和站立期較正常組短，但步態是對稱的。在步幅、速度、膝關節屈曲、膝關節伸展之間的影響和不受影響的肢體沒有差異。步態分析結果與整體MSTS評分有顯著相關性。趙強[9]指出TKA患者雙足底壓力分布不均，且單足足底壓力分布與正常對照組有顯著差異，并指出TKA術后患肢足底壓力分布差異減少，趨向于正常對照組，且雙足壓力分布差異減少，雙足承受壓力相近似。步態分析結果與傳統方法評估結果有良好的一致性，且可以實現數據化分析，結果更具說服力。

3.2 全膝關節置換術 TKA作為發展長久、應用廣泛的手術方式，常常為晚期KOA的首選治療手段，對于患者癥狀及功能的改善有顯著作用。郭林[14]指出，TKA術后患者各步態參數較術前均有明顯改變，提示手術效果良好，這與臨床工作經驗相一致。有學者指出，TKA術后相比手術側，其健側表現出了較高的力矩[15]。術者需重視術后對側肢體的變化，提供相應預防建議。

3.3 脛骨高位截骨術及腓骨截骨術 脛骨高位截骨常用于關節損傷程度較輕且存在關節對線不良的患者，腓骨截骨術則是以膝關節沉降理論為指導，通過腓骨截骨使膝關節力線外移從而達到治療目的，部分疼痛敏感患者對于手術療效滿意度較低，一個有效術后評估顯得至關重要。da Silva[16]通過術后6個月的步態變化評估內側開放楔形高位脛骨截骨術對OA患者的治療效果，結果顯示：術后6個月患者膝關節冠狀面內翻角度和內收肌力矩顯著降低，膝關節伸直位縮短，矢狀面伸肌力矩增加，軸面外旋角增加，術后擺動期的屈峰、內收肌和屈肌力矩的步態參數接近正常人群。Nie Yong[17]通過步態分析評價上部分腓骨截骨對于膝關節內側OA患者的治療作用，結果顯示：額狀面髖、膝、踝關節內翻角度在術后立刻改善，并在3個月內保持穩定。術后6個月患者KAM降低(降低11.1%)，下肢關節角度向中立位進一步增加1.8°。患側股二頭肌長頭活動度術后立刻增加，6個月時相當于健康對照組水平。步態分析數據結果顯示，脛骨高位截骨術及腓骨截骨術對膝關節內側OA患者有顯著治療作用，確切驗證了手術療效，且對于醫患溝通有重要意義。

3.4 單髁置換術 臨床工作中，膝關節OA單髁置換(Unicondylar knee arthroplasty，UKA)患者顯示出較高的術后翻修率，傳統方法給出的解釋缺乏數據的佐證。Miller[15]對比了TKA和UKA術后患者的步態，發現UKA相比較于TKA患者在矢狀面和冠狀面力矩均較大，且TKA與UKA患者健側相比手術側均有較高的力矩。Kim等[18]通過meta分析對UKA患者術后步態研究發現：雖然UKA術后患者于正常人在水平行走時垂直地面反作用力和整體運動無顯著差異，但在步頻、步幅、步長方面卻顯著低于正常對照組，結果顯示UKA不能完全恢復膝關節OA患者的步態。以上結果可以解釋UKA術后較高的翻修率，并提示膝關節置換術后健側承受了更大的壓力，有更高的患病風險，需警惕健側KOA的發病。

3.5 韌帶修補術 膝關節韌帶結構復雜，關節韌帶間協同作用保持膝關節穩定性與正常功能，關節穩定性對于維持關節正常步態有重要影響。Argenson等[19]針對UKA合并微創修復前交叉韌帶患者的步態分析研究指出，前交叉韌帶不穩行修補后的患者術后步態較未修補患者有顯著改善，更接近正常對照組。這表明膝關節不穩可能導致某些病理步態，對KOA的發病及進展有一定影響，對臨床醫生治療方式的選擇起指導作用。

3.6 其他影響因素 膝關節術后部分患者存在不明原因的長期疼痛，導致異常步態。Planckaert等[20]研究TKA術后不明原因疼痛患者的運動學特征指出，疼痛組中觀察到動態屈曲攣縮；站立期間表現出外翻(-1.5°)，Q角增加、髕骨側向化；CT顯示膝關節輕微內旋。總結疼痛的TKA患者表現出三種特征：僵硬的膝關節步態、行走時的外翻對齊以及膝關節輕微地內部旋轉。總體表現為髕股關節受力增加，這表明原因不明的疼痛與術后異常步態相互影響，相輔相成。

除外手術方式及術后疼痛的影響，患者性別、體重亦對術后關節步態情況有影響。Paterson等[21]研究性別和體重對于TKA術后步態的影響發現，相比于正常人，TKA術后6個月男性患者KAM、膝關節活動范圍以及屈曲力矩峰值均降低，且這種異常步態在術后6個月仍未糾正，而女性和肥胖患者并未表現出明顯異常。這表明性別可能會影響TKA術后步態，而對于KOA發病影響較大的體重在術后步態異常中則未見明顯相關性。

4 下肢大關節間的步態參數變化

下肢主要依靠髖、膝、踝關節共同承受全身重量，協同運動維持正常步行步態，一個關節病變勢必影響其他關節的正常承重，從而導致異常步態。

4.1 髖關節病變對膝關節步態的影響 髖關節通過骨盆及周圍的韌帶肌肉連接人體軀干與下肢，雙髖關節不僅在解剖關系上緊密相連，在功能上更是協同運動相互影響，并向下直接影響膝踝關節的功能。Sultan等[22]通過對50例髖關節OA患者與正常對照組步態參數比較發現，髖關節骨關節炎患者從站立到行走時骨盆傾斜、傾角和旋轉均有明顯變化，非關節炎患者在所有3個參數中表現出不太明顯的變化。比較兩組患者資料發現，髖關節OA組的動態變化與非關節炎組在骨盆傾斜、傾角、旋轉數據相比有3～4倍的增加(骨盆傾斜39.5°對比9.3°、傾角23.6°對比7.24°、旋轉39.5°對比11.4°)。骨盆傾斜角度的變化不僅影響對側髖關節，而且影響膝關節及踝關節正常力線，增加了膝踝關節的不正常負重。

髖關節置換作為髖關節病變晚期的首選治療手段，對于恢復關節解剖及正常生理功能有明顯的治療效果，但髖關節置換術能否完全恢復下肢正常的步態參數仍需進一步研究。Stief等[23]研究發現全髖置換術后2年下肢的不正常負重仍然存在，髖關節置換術后膝關節站立相第二內收力矩較低，具體為：患側-34%、健側-25%，負重內向外偏移。其中46%是因為臀部活動范圍減小所致，51%是由于髖關節內收角增大導致。這表明全髖置換術后，患者可能出現異常關節負荷的風險較高，因此在下肢其他關節發生骨關節炎的風險較高。然而Wesseling等[24]對單側THA術后3個時間點步態數據分析指出：雖然THA 12個月后關節負荷未正常化，但與對照組相比，患者的髖關節和膝關節負荷均下降，且未發現術側或對側髖關節和膝關節超負荷。研究結果提示THA術后患者下肢正常負重雖未完全恢復但亦未超負荷，THA不僅影響雙側髖關節，亦會對雙膝關節產生影響。

4.2 膝踝關節步態參數相互影響 膝、踝關節運動相互影響。Lee等[25]研究膝關節活動度對踝關節影響，通過對腦癱患者膝關節周圍肌腱手術發現，膝關節活動度每增加1°，踝關節初始觸地背屈角度增加0.4°(P=0.016)，站立時踝關節背屈角度峰值增加0.6°(P<0.001)，擺動過程中踝關節背屈角度峰值增加0.2°(P=0.038)，踝關節運動時活動范圍增加0.5°(P=0.006)。馬陽等[26]通過研究指出，慢性踝關節不穩患者中樞神經系統運動模式的重組更加困難，對環境的適應能力降低，進而影響到整體步態平衡能力。膝踝關節的運動的交聯性提示外科醫生在手術治療時應綜合考慮多關節，從而有意識地減少手術對踝關節的不利影響。

踝關節步態對于膝關節的影響為矯正膝關節病例步態提供了理論基礎。Sliepen等[27]的研究顯示，KOA患者佩戴踝足矯形器后，從一開始即有效減少了膝關節內收力矩并增加了膝關節屈曲力矩。但這種情況趨勢在6周后減弱，且這種改善在臨床上顯得較微弱，甚至無關緊要。雖然結果無明顯治療意義，但為治療手段的創新提供了思路。

下肢各關節及雙下肢間相互影響客觀存在且密切相關，上文亦多次提到一側關節病變或接受手術治療后，對側關節正常負重會受影響，進而承受較高的患病風險。臨床醫生在診療時需要綜合考慮這些聯系，才能制定出最合適的診療計劃。

5 康復治療

早期KOA常用的康復治療手段有兩大類：一類是運動療法，另一類是理療[28]。運動療法應用廣泛，主要包括肌肉訓練、有氧運動和水中運動療法等，主要原理是通過增加肌肉強度來增加關節穩定性并減輕關節負重壓力。Lai等[29]研究指出，運動訓練可有效改善患者屈伸運動感覺。理療主要使用物理刺激，手法多樣，常用手段包括冷、熱、聲、光、水、電、磁等，主要以減輕疼痛及緩解關節僵硬為目的，常輔以肌肉訓練增加療效。另外，以步態分析為監測手段的新的治療方法仍在研究并不斷改進，如Khan等[30]發現聯合應用膝關節支具和橫向楔形鞋墊可以有效減少膝關節內翻力矩。以往康復手段的有效性常需要觀察患者長期病情變化來決定，三維步態分析在監測康復手段對下肢步態改善方面具有敏感、有效、即時等特點，不僅對于傳統康復療效評估有積極意義，而且對新康復手段的制定、實驗及實施有極大的推進作用。在三維步態分析的協助下，早期KOA患者的預防及減輕病情的手段將變得多元化、個體化，這將為KOA患者的早期診療提供新思路。

6 展 望

骨關節炎被認為是一種軟骨疾病，晚期的骨關節炎可以采用外科手術治療。OA在10～15年內緩慢發展形成，并逐漸影響日常生活和工作能力，許多患者忍受疼痛被動等待疾病發展到后期實行外科手術治療，許多衛生保健提供者亦將疼痛和功能障礙認定為OA和老齡化的必然結果。如今，OA更應該被視為一種慢性病。關節損傷、肥胖和肌肉功能受損是適應初級和次級預防策略的可改變的危險因素。預防和早期護理可以顯著延緩OA發展速度。早期、合理的干預措施對于降低手術率、提高患者生活質量至關重要。

三維步態分析技術的發展成熟不僅從下肢疾病高危人群的普查、疾病早期診斷、手術療效監測及術后危險因素的評估等方面提供了技術支持，而且對于下肢勞損性病變的早期預防、中期康復治療以及晚期術后肢體功能恢復訓練手段的發展至關重要。臨床工作中，骨外科以及康復醫學科等多學科應重視新技術引進，積極創新，為已有治療手段的改進以及新興治療手段的研發做貢獻。綜上所述，三維步態分析在下肢慢性疾病診療的臨床工作中具有良好的應用前景，有望作為常規診療手段投入大規模使用，膝關節個性治療時代即將到來[31]。