創傷性伸直型膝關節攣縮患者動態足底壓力分布規律研究

熊斌 ，周云 *，王華 ，張全兵 ，劉奕 ，李凱，鄭浩然，王婧，王取南

關節攣縮是臨床上極其常見的疾病，通常并發于關節創傷、關節炎及中樞神經系統損傷等疾病［1-2］。以膝關節攣縮最為常見，多由膝關節創傷及其周圍組織損傷所致［3-4］。膝關節創傷后的變化主要包括兩個方面，一是膝關節本身及其周圍組織的破壞，二是損傷后的固定導致關節的攣縮［5］。對于膝關節創傷患者，這兩種因素常同時存在，且創傷的程度、固定的方式和時間均是攣縮程度的重要影響因素［6］。膝關節攣縮根據關節活動受限的方向分為伸直型攣縮和屈曲型攣縮，因膝關節創傷后固定于完全伸直位，常并發膝關節屈曲活動受限導致伸直型攣縮。膝關節伸直型攣縮被定義為膝關節最大屈曲角度小于正常活動范圍［7-8］。膝關節一旦發生伸直型攣縮，將會嚴重影響患者的負重及步行能力。臨床上，創傷性伸直型膝關節攣縮的功能評估主要依賴體格檢查和膝關節相關的評估量表，但這些評估常僅局限于膝關節本身。足底壓力分析作為步態分析的重要方法，能簡便、快捷、客觀地量化步行過程中下肢生物力學負荷的特征，為步行訓練提供一定的指導［9-10］。有文獻報道，隨著膝關節運動學和力學指標的變化，踝關節也將產生相應的參數改變，從而影響足底壓力參數［11］。本研究通過分析創傷性伸直型膝關節攣縮患者動態足底壓力的分布規律，在與正常步態的健康成年人進行比較的基礎上，探討創傷性伸直型膝關節攣縮對步行時足底動態壓力參數的影響，并簡要闡述其變化機制，為臨床該類患者的康復評估與治療提供借鑒。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2020年12月至2021年12月在安徽醫科大學第二附屬醫院康復醫學科接受治療的創傷性伸直型膝關節攣縮患者35例為研究組，選取同時期志愿參與本研究的步態正常的健康者30例作為對照組。本研究經過安徽醫科大學第二附屬醫院醫學研究倫理管理委員會審批（編號：YX2020-072）。

研究組入選標準：（1）符合創傷性伸直型膝關節攣縮的診斷標準［12］；（2）初次損傷且均為單側損傷；（3）能夠充分理解治療師的要求并遵照執行，無認知障礙；（4）黃種人；（5）簽署康復治療知情同意書。排除標準：（1）既往由于非創傷后關節制動因素造成的關節攣縮；（2）屈曲型膝關節攣縮；（3）合并其他影響步態疾病；（4）不能獨立步行；（5）無法配合治療。

研究組膝關節Judet評級標準［13-14］：以膝關節完全伸直位為0°起始位，優：屈膝＞100°；良：屈膝80°～100°；可：屈膝50°～79°；差：屈膝＜50°。其中優8例，良10例，可10例，差7例。兩組患者性別、年齡、身高、體質量比較，差異均無統計學意義（P＞0.05），見表1。

表1 兩組患者一般資料比較Table 1 Comparison of general data between the two groups

1.2 方法

1.2.1 測試儀器與設備 足底壓力測試采用中國科學院合肥物質科學研究院運動與健康信息技術研究室研發的ByGait-G6060-5步態分析系統，其單塊測量有效區域600 mm×600 mm，點陣密度為2.25點/cm2，采樣頻率為100 Hz，總長3 000 mm。

1.2.2 測試程序 動態測試時，囑測試者雙足脫鞋襪，裸足站立于離測試板起始端2 m處位置，調整呼吸并放松1 min，待適應地板溫度和硬度后，以平常步態走向測試板，直至雙足完全通過測試板全長，為一次測試結束。重復測試3次，取平均值納入結果分析。要求測試者在整個測試過程中不使用任何輔助器具并獨立步行，兩眼平視前方，雙上肢自然擺臂，不得刻意在測試板上跺腳和停留。測試結果見圖1。

圖1 動態足底壓力測試足印Figure 1 Dynamic plantar pressure test footprints

靜態測試時，囑測試者雙足脫鞋襪，裸足站立于壓力板靜態模塊上，雙足自然分開，雙手自然下垂，雙眼平視前方，調整呼吸并放松1 min，待適應溫度和硬度后，安靜站立10 s，測試完成。要求測試者穩定站立，測試期間雙足不得離開壓力板，待站立穩定后開始計時。測試結果見圖2。

圖2 靜態足底壓力中心軌跡Figure 2 Static plantar pressure center trajectory

1.2.3 采集參數 （1）步長：指不同足的足跟相繼觸地之間的距離。（2）步寬：指兩次連續的足觸地時雙側足弓之間的距離。（3）步速：單位時間內所行走的距離。（4）足角：身體前進方向與足的長軸之間的夾角，本研究取兩側足角絕對值相加值作為足角測量值納入數據分析。（5）觸地時長：一側足跟首次著地至同側足尖離地的時間，本研究取兩側觸地時長相加值作為總觸地時長測量值納入數據分析。（6）足底各分區壓力占比和雙側足底壓力Ad值：足底壓力分區基于解剖學將足底劃分為10個區域：踇趾區（T1區），第二至第五腳趾區（T2區），第一跖骨區（M1區），第二跖骨區（M2區），第三跖骨區（M3區），第四跖骨區（M4區），第五跖骨區（M5區），足底中部區（MF區），足后跟內側區（MH區），足后跟外側區（LH區），見圖3。系統測定各區的壓力占比和雙側足底壓力Ad值，占比或數值越大，表示壓力越大，負重越多。研究組取患側下肢各分區的占比納入數據分析，對照組取左側下肢各分區的占比納入數據分析。Ad值占比為一側足底壓力Ad值與雙側足底壓力Ad值之和的比值。（7）足底壓力中心（COP）軌跡：足底壓力中心是足底垂直地面反作用力瞬時合力的作用力點，壓力中心軌跡是由壓力中心的一系列坐標組成的軌跡。系統分析計算出COP在縱向（身體前后方向）的最大偏移距離并以COP-Y表示，COP在橫向（身體左右方向）的最大偏移距離以COP-X表示，偏移越大，表示身體晃動越大，穩定性越差。

圖3 足底分區Figure 3 Plantar division

1.3 統計學方法 使用SPSS 17.0統計軟件進行數據分析。符合正態分布的連續型變量以（±s）表示，兩組間比較采用獨立樣本t檢驗；計數資料的分析采用χ2檢驗。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組步長、步寬、步速、足角、觸地時長比較 研究組步長短于對照組，步寬、觸地時長長于對照組，步速慢于對照組，足角大于對照組，差異均有統計學意義（P＜0.05），見表2。

表2 兩組步長、步寬、步速、足角、觸地時長比較（±s）Table 2 Comparison of step length，step width，step speed，foot angle and touching time between the two groups

表2 兩組步長、步寬、步速、足角、觸地時長比較（±s）Table 2 Comparison of step length，step width，step speed，foot angle and touching time between the two groups

組別 例數 步長（m）步寬（m）步速（m/s） 足角 觸地時長（s）對照組 30 0.83±0.17 0.14±0.04 0.81±0.20 14.37°±6.08° 1.09±0.26研究組 35 0.59±0.23 0.17±0.04 0.62±0.29 20.10°±10.60° 1.31±0.41 t值 -4.840 2.340 -2.900 2.620 2.550 P值 ＜0.001 0.023 0.005 0.011 0.013

2.2 兩組足底各區域壓力占比比較 兩組T1區、M1區、M2區、M3區、MF區足底壓力占比比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）；研究組T2區、M4區、M5區足底壓力占比高于對照組，MH區、LH區足底壓力占比低于對照組，差異均有統計學意義（P＜0.05），見表3。

表3 兩組足底各區域壓力占比比較（±s，%）Table 3 Comparison of the proportion of pressure distribution in each plantar area between the two groups

表3 兩組足底各區域壓力占比比較（±s，%）Table 3 Comparison of the proportion of pressure distribution in each plantar area between the two groups

注：T1表示踇趾區，T2區表示第二至第五腳趾區，M1區表示第一跖骨區，M2區表示第二跖骨區，M3區表示第三跖骨區，M4區表示第四跖骨區，M5區表示第五跖骨區，MF區表示足底中部區，MH區表示足后跟內側區，LH區表示足后跟外側區

組別 例數 T1區 T2區 M1區 M2區 M3區 M4區 M5區 MH區 LH區 MF區對照組 30 5.30±1.99 5.96±1.87 11.58±2.36 9.18±1.78 8.63±2.10 6.39±1.00 3.34±0.86 21.13±2.86 18.40±2.30 10.07±2.85研究組 35 5.69±2.27 7.27±2.19 10.69±2.86 8.80±2.02 8.93±1.70 7.81±2.00 4.31±1.45 18.55±4.14 16.31±3.78 11.61±4.81 t值 0.732 2.572 -1.348 -0.794 0.654 3.566 3.211 -2.874 -2.644 1.537 P值 0.467 0.012 0.183 0.430 0.515 0.001 0.002 0.006 0.010 0.129

2.3 兩組足底壓力Ad值占比比較 研究組患側壓力Ad值占比為（45.73±2.68）%，健側壓力Ad值占比為（54.27±2.68）%，研究組患側壓力Ad值占比低于健側，差異有統計學意義（t=-13.357，P＜0.01）。對照組左側壓力Ad值占比為（50.04±1.50）%，右側壓力Ad值占比為（49.96±1.50）%，對照組左側與右側壓力Ad值占比比較，差異無統計學意義（t=0.204，P=0.839）。

2.4 兩組足底壓力中心軌跡偏移值比較 研究組在COP-X方向、COP-Y方向的偏移值均高于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05），見表4。

表4 兩組足底壓力中心軌跡偏移值比較（±s，mm）Table 4 Comparison of center trajectory deviation values of plantar pressure between the two groups

表4 兩組足底壓力中心軌跡偏移值比較（±s，mm）Table 4 Comparison of center trajectory deviation values of plantar pressure between the two groups

注：COP=足底壓力中心；COP-X表示COP在橫向（身體左右方向）的最大偏移距離，COP-Y表示COP在縱向（身體前后方向）的最大偏移距離

組別 例數 COP-X COP-Y對照組 30 6.60±2.22 9.97±3.85研究組 35 8.37±2.41 12.97±3.82 t值 3.069 3.150 P值 0.003 0.002

3 討論

膝關節創傷是導致膝關節攣縮的主要原因之一［15］。當膝關節受到創傷后，關節面的破壞、周圍組織的損傷、創傷后的血腫機化、關節囊及周圍組織的粘連等均會導致關節攣縮的發生［6］。HAGIWARA等［16］認為關節囊的形態改變是導致關節攣縮的關鍵因素。近年來的研究者多認為膝關節創傷后，關節滑膜的纖維化是造成關節攣縮發生的主要原因［17-19］。周云等［20］在動物實驗中的研究也表明膝關節創傷后，隨著固定時間的延長，關節液轉化生長因子β1（TGF-β1）含量呈上升趨勢，關節囊纖維化的程度逐漸增加，最終導致關節攣縮的發生。在臨床病例中，膝關節的創傷和固定常先后發生，一方面，創傷后膝關節周圍組織的直接損傷和關節腔內的出血會造成周圍組織的粘連，另一方面，創傷后的固定使得關節腔內血液循環和滑液流動減慢，發生粘連。除此之外，創傷后的膝關節其周圍肌群主動收縮減少，肌肉萎縮，延展性降低，也會引起肌性攣縮［21］。膝關節作為下肢的重要關節，一旦出現關節攣縮，將會導致整個患側下肢生物力學的改變。傳統的膝關節功能評估主要包括膝關節的活動度、膝關節周圍肌群的肌力與肌張力、下肢的平衡與負重以及本體感覺方面。在步態方面的評估也多局限于患側下肢各個時相的支撐和邁步是否正常。對于行走而言，靜態的評估常難以對動態的邁步做出客觀的評判。有研究表明，下肢疾病導致的行走動態失衡，可引起足底壓力分布的變化［22-23］，動態足底壓力測試儀能夠很好地捕捉到步行過程中足底壓力的改變，從而對下肢的負重及行走能力進行客觀的評估。

本研究中，筆者對比了創傷性伸直型膝關節攣縮患者和正常人之間足底壓力的差異，從步態分析的一般數據來看，創傷性伸直型膝關節攣縮患者的步長和步速均較正常人降低，這與創傷后的疼痛、膝關節攣縮導致膝關節的主動屈曲角度減小有關［24］，另一方面，患側股四頭肌肌力的下降也會降低邁步過程中膝關節伸直的速度［25］。夏清等［26］研究表明，膝關節功能障礙患者患肢足蹬伸時段高于健側對應時段。前期有學者在膝關節骨性關節炎患者的研究中發現在蹬離前期膝關節由屈曲到伸直的過程延長，甚至不能完全伸直膝關節［27-28］。對于膝關節功能障礙的患者，上述因素均會導致步速的降低。另外，研究組的步寬、足角較對照組增大，這與步行時的穩定性有關，增大步寬和足角能增強下肢負重及行走時的穩定性，這與李秀珍等［29］研究一致。需要指出的是，在既往研究中，膝關節損傷的患者患側下肢的觸地時長較對側下降［12］。本研究中，研究組觸地總時長較對照組升高，考慮是由于患側下肢負重能力較差，在步行的支撐相過程中健側下肢的觸地時長升高所致。

足底各區域壓力方面，研究組在T2區、M4區、M5區足底壓力較對照組升高，在LH區、MH區足底壓力較對照組降低。從足底分區壓力的變化可以看出，創傷性膝關節攣縮患者前外側足的壓力占比相對于正常人有所升高，后內側足的壓力占比相比正常人有所下降，整體來說，在步行期間，主要是足的前外側負重較多。筆者分析可能是為了減輕步行時膝關節內側平臺負重導致的疼痛，從而代償性以足外側緣負重所致。另外，大部分創傷后膝關節攣縮的患者由于制動或者患側下肢負重較少，患側小腿三頭肌和跟腱存在一定程度的攣縮，從而導致步行時患側足跟不能充分負重，使得患側前足的負重增加，這與王歡等［30］、張永祥等［31］研究結果一致。本研究中，觀察組患側壓力Ad值占比低于健側，而對照組兩側力Ad值占比差異無統計學意義，表明創傷性伸直型膝關節攣縮患者兩側足底總壓力不對稱，且患側壓力占比較低。下肢力線是通過股骨頭中心、膝關節中心和踝關節中心三點之間的連線，正常步態時，兩側下肢的力線基本一致，所產生的足底壓力相差無幾［32］。創傷性伸直型膝關節攣縮患者由于患側膝關節的疼痛導致患肢負重能力下降，在步行時，為了減輕膝關節負荷，身體重心向健側偏移，使得健側負重高于患側。

COP軌跡可用來衡量人在站立時雙足壓力中心在左右方向和前后方向的偏移，可以根據該軌跡來評估足部運動的穩定性，常用于步態的分析和平衡能力的評估［33-35］。正常情況下，在保持靜止站立時，COP軌跡的偏移較小，且兩側的軌跡基本相似［36］。創傷性伸直型膝關節攣縮的患者存在膝關節周圍肌群肌力的下降、關節活動度的減小以及本體感覺的障礙，會導致站立時患側下肢力線的改變［3］，而且膝關節的不穩定也會導致站立時身體重心的晃動，這些變化會影響COP軌跡。另外，由于患側足主要以前外側足負重居多，使得踝關節處于一定程度的內翻，同樣會導致COP軌跡的偏移，這與侯宗辰等［37］研究結果一致。本研究中，觀察組在Y軸方向和X軸方向上的軌跡偏移幅度均增大，說明靜止站立時，創傷性伸直型膝關節攣縮患者重心偏移的幅度增大，意味著站立時的穩定性較正常人差。

綜上所述，創傷性伸直型膝關節攣縮患者與正常人相比，足底壓力在靜態與動態方面均存在差異。主要表現為：創傷性伸直型膝關節攣縮患者步長短、步寬大、步速慢、足角大、雙足總觸地時長長，步行時患側下肢負重較少，且主要以前足和足外側緣負重，雙足壓力中心軌跡在橫向和縱向的偏移均增大，步行時晃動大，穩定性差。通過足底壓力測試的方法可以客觀、科學、有效地檢測到創傷性伸直型膝關節攣縮患者下肢負重和站立時的步態特征，在對該類患者進行下肢功能評估和康復訓練時，本研究結果可為臨床醫生提供一定的參考。本研究的不足之處主要是樣本量較小，且未對研究對象進行長期隨訪和二次評估。

作者貢獻：熊斌提出研究思路，設計研究步驟，撰寫論文；周云進行論文的修訂；王華進行文章的質量控制；熊斌、張全兵、劉奕進行病例的入選篩查；熊斌、李凱進行數據的統計與分析；熊斌、鄭浩然、王婧收集數據；王取南進行論文的審校；熊斌負責最終版本修訂，對論文負責。

本文無利益沖突。