膝骨關節炎患者步態中膝關節三維運動特征

流行病學研究表明，隨著年齡的增長，骨關節炎的發病率也將隨之有所提高，40歲以后患病風險增加，在65歲以上人群中約有50%的中老年人受到膝關節骨性關節炎的困擾

。

在澆注溫度為680 ℃、壓射速率為3.5 m/s 條件下，研究模具溫度對外殼的顯微組織及力學性能的影響．圖4為不同模具溫度下雷達外殼試樣的顯微組織．從圖4可見，當模具溫度較低時，由于冷速過快，使壓鑄件表面快速凝固而形成激冷層，出現表面細晶區；溫度達到200 ℃時，晶粒變得均勻細小、圓整；當模具溫度達到220 ℃時，液態金屬冷卻變慢，使溫度梯度變平緩而形成粗晶區[5]．

膝骨關節炎嚴重影響了中老年患者的生活質量和運動功能

，造成了一定的社會負擔，也成為臨床工作者的重點研究課題。膝骨關節炎患者存在膝關節疼痛、腫脹、僵硬等癥狀，下肢肌力、柔韌性、關節活動度、生物力線出現異常

，進一步導致患者步行能力下降，步行能力下降嚴重影響了患者生活質量。步行能夠在一定程度上反映下肢功能狀態，對于客觀評估下肢力線及各軟組織工作狀態具有重要作用

。現代步態分析技術已充分運用到膝骨關節炎(knee osteoarthritis，KOA)患者的康復評估中，其中評估參數主要有運動學和動力學以及步行過程中各肌肉肌電活動等

。我國目前關于中老年KOA患者的研究主要集中在膝關節步態分析中生物力學參數變化方向

。其中已有大量研究闡明KOA患者膝關節矢狀面的運動特征

，但是在水平面及額狀面的運動特征并不明確且存在一定局限性。因此利用膝關節實時三維步態評估系統了解中老年膝骨關節炎患者步行中膝關節三維運動特征是必要的。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2017年3月～2017年9月在杭州市江干區彭埠街道社區衛生服務中心確診為膝骨關節炎的患者35例及無膝骨關節炎者23例。參照中華醫學會骨科分會膝關節OA診斷標準及影像學標準

，即膝關節X線Kellgren&Lawrence分級標準

；由于目標人群是中老年人因此參考聯合國世界衛生組織提出的國際年齡劃分標準，定義45～59為中年人，60～74為年輕老年人，本研究選取年齡在45～70的中老年人為研究對象；介于以上幾點并根據臨床指標制定納入標準如下描述：根據膝關節臨床診斷標準及影像學標準判斷是否有膝關節骨性關節炎癥狀；年齡在45～70之間的中老年人；未服用止痛藥物。排除標準：膝關節韌帶或半月板急性損傷；膝關節伸直位或屈曲攣縮畸形，無法進行下肢屈伸動作者；足踝部有損傷或畸形，無法進行運動者；身體質量指數(Body Mass Index，BMI)>27的肥胖者；有嚴重心血管疾病、不適合大強度運動者；下肢有皮膚病變、脈管炎、糖尿病足或其他血管病變患者。受試者在研究前均經過研究人員詳細說明研究內容后，均以自愿形式簽署知情同意書。根據上述標準篩選，實際收集收取患者44例，其中觀察組29例，對照組15例。2組受試者一般資料無統計學差異。見表1。

1.2 方法 2組受試者均接受來自加拿大Emovi公司的膝關節功能評估系統KneeKG分析膝關節三維運動特征

。見圖1。該系統的精確度、可重復性良好

，對于膝關節屈伸范圍在65°內的運動，該系統的平均精確度在膝關節的內收外展方向為0.4°，在旋轉方向為2.3°，在前后方向的偏移為2.4mm,在軸向的偏移為1.1mm。雖然本研究中膝關節的旋轉角度和偏移數據范圍較小，但是根據國外使用KneeKG進行的相關研究，該系統已經成為國際上公認的可信度高的工具

。2組受試者均各自在反饋調節跑臺(UKK,h/p/cosmos,德國)上，以日常步行速度進行15～25min的步行

，通過KneeKG收集膝關節三維運動特征后自動生成步態周期曲線。

2）在含水土體中進行隧洞施工前，地質勘探尤為重要。土質、含水（尤其是水量、水壓力）狀況等應作為重點指標進行勘察。對水量豐富、滲流穩定的地下水處理往往選用洞內排水措施是不明智的。

2.1 KOA患者膝關節矢狀面運動特征 2組受試者膝關節在矢狀面運動結果比較，觀察組膝關節在支撐相時最大伸膝不足，膝關節屈曲角度大于對照組 (

<0.05)，而擺動相最大屈曲角度顯示觀察組明顯小于對照組 (

<0.05)，2組在足跟著地時的膝關節屈曲角度無統計學差異。在整個步態周期中，觀察組步行速度和膝關節屈伸運動范圍均明顯小于對照組 (

<0.05)。見表2。

項目5：探索科研人員和財務人員的財務管理的合作方式，按照國家、省的推動科技創新發展的新政策、新要求，強化財務服務意識，啟動科研財務助理的遴選、培訓和聘用工作，使科研人員能夠從復雜的財務業務中解脫出來，潛心科學研究。

1.3 評價標準 KneeKG系統可直接佩戴于膝關節上

，雖然信號發射器是放置在皮膚上但系統設計已排除了皮膚運動造成的誤差，同時可以準確量化膝關節運動學特征

。在三維坐標中，在前后軸上以向前移動及前屈為正方向，沿縱軸外旋為正方向，左右軸中向左內收為正方向。根據受試者步行中所收集的三維運動數據，系統自動進行統計整合生成步態周期曲線，同時系統報告顯示步態周期中三維平面上的評定指標有：①矢狀面膝關節運動指標

：足跟著地時屈曲角度(0～15°)、支撐相時最大伸展角度(5～35°)、擺動相時最大屈曲角度(35～60°)和屈伸運動范圍。數值越大表示膝關節趨于屈曲。研究顯示在矢狀面上，KOA患者膝關節在以上指標中常表現出較為明顯的異常活動，觀察上述指標有利于分析膝關節在矢狀面上的運動學變化

。②額狀面膝關節運動指標：足跟著地時內收角度及內收外展運動范圍。膝骨關節炎常發生在內側關節面繼而發展惡化至髕股骨關節炎和外側骨關節炎

，針對患者較明顯的膝內翻癥狀，觀察患者額狀面上的運動變化也是分析KOA患者膝關節穩定性的重要指標

。②水平面膝關節運動指標：足跟著地時脛骨相對股骨的外旋角度、前后移動距離以及步態周期中脛骨相對股骨旋轉范圍和前后移動距離。膝關節屈伸過程中股骨和脛骨之間伴隨著相對滑動及旋轉，兩者之間異常活動會影響到股四頭肌力臂大小從而改變膝關節鎖扣機制

。為避免因臨床因素和主觀因素造成的誤差，所有的評估診斷均由同一名醫師完成，而設備的佩戴及系統操作均由同一名經專業培訓的研究人員完成。

2 結果

1.2.2 膝關節三維評估 首先讓受試者以日常步行速度在跑臺上行走以適應佩戴膝關節信號發射器的狀態，同時保證儀器不會因為步行而掉落，記錄下受試者對應的步行速度(km/h)。適應過程后，受試者繼續步行約10min

，由KneeKG系統記錄步行過程中受試者膝關節運動的三維變化。

1.2.1 確定關節中心及建立膝關節三維坐標 研究人員根據股骨內外髁的位置幫助受試者佩戴膝關節信號發射器。然后將其余的固定綁帶固定在受試者小腿上后，在受試者適應后用電磁定位器定位解剖標志，包括股骨內外髁和踝關節內外踝等。接著可以開始確定髖、膝、踝關節中心及膝關節三維平面，從而建立三維坐標。①髖關節中心：保證髖部不動，保持膝關節伸直做順時針或逆時針畫圈，即患肢為左側時做逆時針畫圈，患肢為右側時做順時針畫圈；②膝關節中點：保證骨盆位置不變無上下移動，來回反復做屈膝動作。③踝關節中心：內外踝信號發射器中間。④建立三維坐標：股骨縱軸由髖關節中點與膝關節中點確定；脛骨縱軸由膝關節中點和踝關節中點確定；額狀面由股骨內外上髁及踝關節內外踝形成，額狀面上垂直于縱軸的即為左右軸；前后軸及矢狀面由患者在保證足不離地的情況下確定，先經過來回幾次屈曲及伸直膝關節確定矢狀面，矢狀面上垂直與縱軸的即為前后軸。

2.3 KOA患者膝關節水平面運動特征 2組受試者膝關節旋轉角度結果比較，雖然在足跟著地時，2組間脛骨相對股骨外旋角度無統計學差異，但在整個步態周期中，觀察組旋轉范圍明顯小于對照組(

<0.05)。見表4。2組受試者脛骨在水平面上相對股骨產生的前移距離結果比較。在足跟著地時期，觀察組比對照組脛骨明顯向后移動(

<0.05)。但在整個步態周期中，2組受試者脛骨相對股骨的移動范圍無統計學差異。見表5。

KOA患者主要癥狀是膝關節疼痛，由于受到疼痛的影響，患者在足跟著地時屈膝角度減小

，此次研究中雖未表明兩組存在顯著差異，但觀察組也表現出較小的屈膝角度。有學者觀察到KOA患者髖關節的活動角度明顯小于正常人

，而在本次研究中觀察組在支撐相最大伸膝角度顯示伸膝明顯不足，較對照組趨于屈曲狀態，此現象可能與患者股四頭肌肌力減弱、股后肌群長期攣縮狀態有關

。當屈髖肌力量不足時，擺動相中屈膝角度也隨之減少，從而無法滿足正常邁步所需角度，同時步態周期中膝關節屈伸運動范圍也相應降低，在本次研究中也顯示出這一現象，由此可以解釋為何KOA患者表現出較為緩慢的步行速度。

2.2 KOA患者膝關節額狀面運動特征 2組受試者膝關節在額狀面上的運動結果比較，雖然在足跟著地時期，觀察組內收角度明顯大于對照組(

<0.05)，但在整個步態周期中，2組受試者膝關節在額狀面上的運動范圍并無統計學差異。見表3。

3 討論

對于第69條(一)適用的范圍如何，在我國有著不同的聲音。在理論界和實務界存在著這樣的理論，即要區分不同的情況，來決定是否適用這一條。換句話說，根據這些理論，經專利權人同意而銷售出的涉及其專利的產品后，買方使用或轉售該產品的行為，并非都根據第69條(一)而視為不侵權。在有的情況下，其上涉及的專利發生權利用盡，有的情況下不發生用盡而可能是發生了默示許可的情況(即屬于專利法第12條的情形)。

許多針對KOA患者膝關節在額狀面上的研究顯示

，患者膝關節表現出較明顯的不穩定活動。梁雷超等人

也表示老年女性患者的膝關節在內外側方向上動態穩定性較差。此次研究中顯示兩組患者在足跟著地時呈現出明顯差異，雖然未在運動范圍上顯示明顯差異，但觀察組膝關節在額狀面上運動范圍有所增加，出現這一結果的原因可能是由于未對患者患病部位進行詳細的區分，病灶在內側的患者多表現出內收的增加，而外側病灶的患者更多的表現出外展的傾向

。結合本次結果，在控制KOA病情上，為了避免加劇病情的發展，提高膝關節額狀面的穩定性，增加在內收-外展方向上的針對性康復訓練是有必要的。

而在水平面上，觀察組脛骨旋轉活動范圍明顯要小于對照組，略顯僵硬的旋轉運動也在其他學者的研究中觀察到

。在步態周期中，脛骨旋轉與膝關節的鎖扣機制(screw-home mechanism)有很大聯系，在膝關節伸直的最后20°內，前交叉韌帶防止脛骨過度前移的同時還可以外旋脛骨讓膝關節完成伸直并鎖死。結合在矢狀面觀察到觀察組伸膝不足的現象，KOA患者膝關節表現出較弱的鎖扣機制。

脛骨在水平面上還存在前后方面上的移動。KOA患者膝關節在前后方向上的運動特征一直以來沒有統一的說法。Siston等

沒有觀察到KOA患者脛骨前后移動存在明顯異常，但是其研究結果是在尸體上測量得出。此次研究中觀察組在足跟著地時出現明顯地向后偏移，結果與Hamai 等

觀察到的現象基本一致，但在脛骨移動范圍上兩組并未有明顯差異。值得注意的是，脛骨前后移動趨勢也與交叉韌帶有關，未來需要結合交叉韌帶的特性對KOA患者膝關節運動軌跡進行深入研究，從而對臨床治療提供指導依據。

為滿足數據采集系統多節點、傳輸速率高、組網范圍大等需求[6],采用RS-485總線進行數據傳輸,其邏輯電平的高低通過差分線之間的壓差表示,總線接口由平衡驅動器和差分接收器兩部分組成,提高總線驅動能力的同時提高了總線抗共模干擾的能力,保證了數據傳輸的可靠性。

綜上所述，中老年KOA患者膝關節在矢狀面上活動較為僵硬，在額狀面上的穩定性不足。對于中老年KOA患者的康復訓練除了增加股四頭肌肌力，改善股后肌群的柔韌性以外，還需要進行針對性的內收-外展肌力訓練，以提高關節穩定性。而在水平面上，中老年KOA患者的脛骨相對于股骨旋轉活動降低并伴有向后偏移的趨勢，提示中老年KOA患者膝關節存在異常的鎖扣機制。

[1] Coleman S，Briffa NK，Carroll G，et al. A randomised controlled trial of a self-management education program for osteoarthritis of the knee delivered by health care professionals[J]. Arthritis Research & Therapy,2012,14(1):21-32.

[2] 蔣黎明，陶瑩，于小明，等.髕骨運動軌跡異常導致膝骨關節炎的病因機制及治療研究進展[J].中國康復,2020,35(11):605-608.

[3] 杜建平，任薇，夏能能，等.等速肌力訓練對改善膝骨關節炎肌肉功能的Meta分析[J].中國康復,2020,35(11):594-599.

[4] 王寧華，傅龍，Uyal,A.膝骨關節炎的體外沖擊波療法[J].中國康復,2020,35(10):556.-558.

[5] 李勇，龔利，朱清廣．步態分析在膝骨性關節炎中的應用[J]. 中醫學報,2013,28(4):598-600.

[6] Jamtvedt G, Dahm KT, Christie A，et al. Physical therapy interventions for patients with osteoarthritis of the knee: an overview of systematic reviews[J]. Physical Therapy,2008,88(1):123-135.

[7] 劉宇恒，唐占英，錢雪華，等．步態分析在膝關節骨性關節炎康復評估中的應用[J]. 中國中醫骨傷科雜志,2012,20(1):62-64.

[8] Astephen J，Deluzio K，Caldwell G，et al. Biomechanical changes at the hip, knee, and ankle joints during gait are associated with knee osteoarthritis severity[J].Journal of Orthopaedic Research Official Publication of the Orthopaedic Research Society,2008,26(3):332-341.

[9] A Mündermann, Dyrby C O , Andriacchi T P . Secondary gait changes in patients with medial compartment knee osteoarthritis: increased load at the ankle, knee, and hip during walking.[J]. Arthritis Rheum, 2010, 52(9):2835-2844.

[10]黃萍，王怡，陳博，等.膝骨關節炎患者的三維運動解析[J].中國全科醫學,2020,23(17):2169-2176.

[11]尹夢虹，李慶，王文君，等.不同時期膝骨關節炎的膝關節6自由度步態變化[J].中國康復醫學雜志,2018,33(11):1341-1343.

[12]Joyce A. C. van Tunen,Andrea Dell’Isola,Carsten Juhl,Joost Dekker,Martijn Steultjens,Jonas B. Thorlund,Hans Lund. Association of malalignment, muscular dysfunction, proprioception, laxity and abnormal joint loading with tibiofemoral knee osteoarthritis - a systematic review and meta-analysis[J]. BioMed Central,2018,19(1):273-286.

[13]中華醫學會骨科學分會關節外科學組.骨關節炎診治指南(2018年版)[J]. 中華骨科雜.2018;28(12)：1-11.

[14]Kellgren JH，Lawrence JS. Radiological assessment of osteo-arthrosis[J]. Annals of the Rheumatic Diseases,1957,16(4):494-501.

[15]Lustig S, Magnussen RA, Cheze L，et al.The KneeKG system: a review of the literature[J]. Knee Surgery Sports Traumatology Arthroscopy Official Journal of the Esska. 2012,20(4):633-639.

[16]Mezghani N, Ouakrim Y, Fuentes A，et al. Knee osteoarthritis severity assessment using knee kinematic data classification[J]. Osteoarthritis & Cartilage. 2012,20(4):S97-905.

[17]Shabani B，Bytyqi D，Lustig S，et al.Gait changes of the ACL-deficient knee 3D kinematic assessment. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 2015;23(11):3259-3265.

[18]Bytyqi D，Shabani B，Cheze L，et al. Does a third condyle TKA restore normal gait kinematics in varus knees? In vivo knee kinematic analysis[J]. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery, 2017, 137(3):409-416.

[19]Labbe DR, Hagemeister N, Tremblay M，et al.Reliability of a method for analyzing three-dimensional knee kinematics during gait[J]. Gait & Posture. 2008,28(1):170-174.

[20]惲曉平. 康復療法評定學[M]. 華夏出版社, 2005:268-271.

[21]朱清廣，房敏，龔利．步態分析中運動學及動力學參數在膝骨性關節炎中的應用[J]. 北京中醫藥，2011，30(10)：755-767.

[22]樂意, 金榮疆, 陽楊，等. 從下肢生物力學來解析膝骨關節炎 [J]. 中國康復理論與實踐, 2013, 6): 505-509.

[23]Nagano Y，Naito K，Saho Y，et al.Association between in vivo knee kinematics during gait and the severity of knee osteoarthritis[J]. Knee，2012，19(5)：628-632.

[24]Chang AH，Chmiel JS，Moisio KC，et al. Varus thrust and knee frontal plane dynamic motion in persons with knee osteoarthritis[J]. Osteoarthritis & Cartilage，2013，21(11)：1668-1673.

[25]唐納德·a·諾伊曼原. 骨骼肌肉功能解剖學 [M]. 人民軍醫出版社, 2014:537-545.

[26]趙恒，徐飛，壽在勇，等．膝關節骨性關節炎患者步態和下肢主要關節的運動學分析[J]. 北京體育大學學報，2011，34(4)：71-74.

[27]Jr JAZ，Higginson JS.Differences in gait parameters between healthy subjects and persons with moderate and severe knee osteoarthritis: A result of altered walking speed[J]. Clinical Biomechanics，2009，24(4)：372-381.

[28]Baert IA，Jonkers I，Staes F，et al.Gait characteristics and lower limb muscle strength in women with early and established knee osteoarthritis[J]. Clinical Biomechanics.，2012，28(1)：40-47.

[29]梁雷超，黃靈燕，伍勰，等.膝骨關節炎對女性老年人步行動態穩定性的影響[J].體育科學,2016,36(03):61-66.

[30]Farrokhi S，Tashman S，Gil AB，et al. Are the kinematics of the knee joint altered during the loading response phase of gait in individuals with concurrent knee osteoarthritis and complaints of joint instability? A dynamic stereo X-ray study[J]. Clinical Biomechanics，2012，27(4)：384-589.

[31]Nagao N，Tachibana T， Mizuno K. The rotational angle in osteoarthritic knees[J]. International Orthopaedics，1998，22(5)：282-287.

[32]Siston RA，Giori NJ，Goodman SB，et al.Intraoperative passive kinematics of osteoarthritic knees before and after total knee arthroplasty[J]. Journal of Orthopaedic Research Official Publication of the Orthopaedic Research Society，2006，24(8)：1607-1614.

[33]Hamai S，Morooka TA，Miura H，et al.Knee kinematics in medial osteoarthritis during in vivo weight-bearing activities[J]. Journal of Orthopaedic Research Official Publication of the Orthopaedic Research Society， 2009，27(12)：1555-1560.