不同嚴(yán)重程度的雙側(cè)膝骨關(guān)節(jié)炎患者步態(tài)及足底壓力分析

林星瑾，歐建林，謝文浩，陳卓銘，歐陽輝

暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院，廣東 廣州 510630

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種全關(guān)節(jié)的疾病，包括關(guān)節(jié)軟骨、軟骨下骨、滑膜、關(guān)節(jié)周圍組織等結(jié)構(gòu)的病理性改變［1-2］。目前我國(guó)40 歲以上人群OA 發(fā)病率已達(dá)46.3%，且呈不斷上升趨勢(shì)［3］，其中膝骨關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）發(fā)病率最高，其次是髖部、手部。下肢生物力學(xué)異常是KOA 發(fā)生發(fā)展的因素之一，患者常常表現(xiàn)為膝內(nèi)翻、力線內(nèi)移及足壓呈多峰曲線等特征性的下肢生物力學(xué)改變［4-6］，這與患者膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)排列不齊、步態(tài)異常、下肢肌力不平衡等因素相關(guān)［5，7-8］。但目前KOA的生物力學(xué)變化情況尚不完全清楚。對(duì)KOA 的生物力學(xué)研究有助于人們?cè)缙谧R(shí)別、預(yù)防和制定康復(fù)計(jì)劃。目前評(píng)估KOA 患者下肢生物力學(xué)的技術(shù)在臨床上應(yīng)用越來越多，包括影像分析技術(shù)、步態(tài)分析技術(shù)、等速技術(shù)和有限元分析技術(shù)等［7，9-11］。其中，步態(tài)分析技術(shù)是一種主要利用測(cè)力平臺(tái)等設(shè)備采集和計(jì)算患者下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等信息的方法［12-14］。而足底壓力分析屬于廣義的步態(tài)分析中的一部分，通過測(cè)量足底不同分區(qū)的足底壓力來評(píng)估患者下肢受力點(diǎn)，將二者結(jié)合，可綜合、動(dòng)態(tài)評(píng)估KOA 患者下肢生物力學(xué)動(dòng)態(tài)改變，補(bǔ)充傳統(tǒng)步態(tài)分析技術(shù)的不足［4-5］。在臨床上治療輕度KOA 可采取非手術(shù)的綜合治療手段來控制疾病進(jìn)展及改善癥狀，但治療中重度KOA 患者則往往需要手術(shù)介入［15］。不同階段的KOA 患者康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容不同，了解不同嚴(yán)重程度KOA 患者的步態(tài)變化有利于康復(fù)訓(xùn)練方案的制定［16］。目前對(duì)不同嚴(yán)重程度的KOA患者的步態(tài)特征改變研究較少。因而本研究采用步態(tài)與平衡功能訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)及新型智能康復(fù)鞋這2 項(xiàng)技術(shù)，比較不同嚴(yán)重程度KOA 患者的步態(tài)特征及足底不同分區(qū)的足底壓力點(diǎn)峰值差異，以期從力學(xué)角度為KOA 的早期臨床診斷及康復(fù)干預(yù)提供參考。

1 臨床資料

1.1 病例選擇標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 診斷標(biāo)準(zhǔn) 參照2018年的國(guó)內(nèi)《骨關(guān)節(jié)炎診療指南（2018 年版）》［17］，① 近1 個(gè)月內(nèi)反復(fù)膝痛；② X 線片示關(guān)節(jié)間隙變窄、軟骨下骨硬化和/或囊性變、關(guān)節(jié)邊緣有骨贅形成；③ 年齡＞50 歲；④ 晨僵≤30 min；⑤ 有骨摩擦音（感）。滿足①+（②、③、④、⑤條中任意2條者，可診斷KOA。

1.1.2 納入標(biāo)準(zhǔn) ① 根據(jù)膝關(guān)節(jié)X 線檢查符合K-L分級(jí)（Kellgren-Lawrence classification）Ⅰ～Ⅳ級(jí)的膝骨關(guān)節(jié)炎患者；② 患者簽署知情同意書。

1.1.3 排除標(biāo)準(zhǔn) ① 有類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等影響下肢的風(fēng)濕性疾病患者；② 膝關(guān)節(jié)合并有扭挫傷或其他原因?qū)е碌耐鈧撸虎?已行髖、膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，下肢截肢術(shù)及下肢骨折手術(shù)等患者；④ 身體畸形對(duì)正常步態(tài)產(chǎn)生影響者；⑤ 腦卒中后遺癥（下肢功能障礙、腰椎間盤突出、糖尿病足、動(dòng)脈硬化性閉塞癥等）導(dǎo)致下肢感覺、運(yùn)動(dòng)及血運(yùn)障礙對(duì)正常步態(tài)產(chǎn)生影響者；⑥ 有精神疾病、嚴(yán)重心腦血管疾病等其他原因不能配合的患者；⑦ 本研究開始前7 d 內(nèi)接受過糖皮質(zhì)激素全身或局部治療、免疫抑制劑治療、止痛藥或其他影響KOA病情治療的患者。

1.1.4 中止和脫落標(biāo)準(zhǔn) ① 發(fā)生嚴(yán)重不良事件需要終止研究的患者；② 試驗(yàn)過程中出現(xiàn)不適，不能繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)的病例；③ 因各種原因退出試驗(yàn)，不能完成試驗(yàn)的病例。

1.2 一般資料

本研究共選取2020年8月—2021年2月暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨關(guān)節(jié)外科、風(fēng)濕免疫科、康復(fù)醫(yī)學(xué)科及脊柱創(chuàng)傷外科就診的雙側(cè)膝骨性關(guān)節(jié)炎患者64例。將全部患者行K-L分級(jí)，選取達(dá)到K-L分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的50例，其中Ⅰ、Ⅱ級(jí)患者納入輕度組26例，Ⅲ、Ⅳ級(jí)患者納入中重度組24 例。2 組在性別、年齡、身體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）及受教育年限方面比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見表1。本研究已通過了暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會(huì)審批（審批號(hào)：KY-2020-099）。

表1 2組一般資料比較（±s）Table 1 Comparison of general data between two groups （±s）

表1 2組一般資料比較（±s）Table 1 Comparison of general data between two groups （±s）

組別輕度組中重度組例數(shù)26 24性別男10 9女16 15年齡/歲60.81±7.60 64.79±6.77 BMI/（kg/m2）25.07±2.49 25.18±3.57受教育年限/年9.61±5.02 8.29±4.59

2 方 法

2.1 步態(tài)分析測(cè)量方法

使用安徽埃力智能科技有限公司的步態(tài)與平衡功能訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)檢測(cè)2 組患者的步態(tài)時(shí)空參數(shù)。該步態(tài)與平衡功能訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)主要由測(cè)力板、信號(hào)采集處理裝置、訓(xùn)練評(píng)估軟件及附件組成，在測(cè)試前先進(jìn)行校準(zhǔn)。2 組患者均穿戴同一款襪子，測(cè)試開始前先在設(shè)備上行走以適應(yīng)設(shè)備地面。測(cè)試時(shí)，患者統(tǒng)一自設(shè)備一側(cè)向另一側(cè)自然行走，患者足底的測(cè)力板記錄下患者步態(tài)參數(shù)，每個(gè)患者至少重復(fù)測(cè)量3 次，取3 次完整走完的數(shù)據(jù)求平均值，得出該患者的最終測(cè)試結(jié)果。

2.2 足底壓力測(cè)試方法

足底壓力測(cè)試使用中山優(yōu)感科技有限公司的康復(fù)智能鞋進(jìn)行檢測(cè)［18-19］。該設(shè)備為一款新型的便攜式穿戴設(shè)備，其鞋底設(shè)有壓力傳感器陣列，根據(jù)人的足底壓力分布特征組成8個(gè)區(qū)域。其中足趾區(qū)1個(gè)，跖骨區(qū)3個(gè)，中足區(qū)2個(gè)，足跟區(qū)2個(gè)，見圖1［18］。在規(guī)定的測(cè)試場(chǎng)地內(nèi)標(biāo)出起點(diǎn)和終點(diǎn)線，兩線間距離為20 m。患者穿戴統(tǒng)一的襪子，使用適合自己尺碼的康復(fù)智能鞋，在規(guī)定區(qū)域內(nèi)沿直線由起點(diǎn)向終點(diǎn)行走。每次測(cè)試前先讓患者練習(xí)適應(yīng)設(shè)備，測(cè)試開始后以自然步態(tài)行走，每個(gè)患者行走至少3 次，康復(fù)智能鞋記錄下每次行走的足底壓力數(shù)據(jù)，取其中3次求平均值。

圖1 智能康復(fù)鞋壓力分布點(diǎn)Figure 1 Smart rehabilitation shoe pressure distribution points

2.3 觀察指標(biāo)

2.3.1 步態(tài)分析時(shí)空參數(shù) ① 時(shí)間參數(shù)：包括步伐時(shí)間、步幅時(shí)間、單支撐相時(shí)間、雙支撐相時(shí)間、站立相時(shí)間、擺動(dòng)相時(shí)間、單支撐相百分比、雙支撐相百分比、步速和步頻，共10 項(xiàng)。② 空間參數(shù)：包括步幅長(zhǎng)度、步寬和步向角，共3項(xiàng)。

2.3.2 足底壓力峰值 足底壓力峰值是表示足底負(fù)荷最常用的變量之一，其計(jì)算公式如下所示：

其中，n＝1，2……N，為足底壓力信號(hào)長(zhǎng)度；r＝1，2……8，分別表示足底8 個(gè)區(qū)域；Pr（n）為足底某個(gè)區(qū)域的足底壓力值；L/R代表左/右足。

康復(fù)智能鞋（廠家：中山優(yōu)感科技有限公司；執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：QB/T 2955-2017）8 個(gè)足底壓力峰值區(qū)域：足趾區(qū)，采用Toe 1（T1）表示；跖骨區(qū)包括Metatarsa 2（M2）、Metatarsa 3（M3）、Metatarsa 4（M4）；中足區(qū)包括中足內(nèi)側(cè)區(qū)和中足外側(cè)區(qū)，采用Mid Foot 5（MF5）和Mid Foot 6（MF6）表示；足跟區(qū)包括足跟內(nèi)側(cè)區(qū)和足跟外側(cè)區(qū)，采用Medial Heel 7（MH7）和Lateral Heel 8（LH8）表示。

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用SPSS 25.0 軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。計(jì)量資料符合正態(tài)分布以（±s）表示，組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；計(jì)量資料不符合正態(tài)分布，則采用Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)以［M（P25，P75）］表示。計(jì)數(shù)資料采用χ2檢驗(yàn)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié) 果

3.1 步態(tài)分析時(shí)空參數(shù)

2 組步態(tài)時(shí)空參數(shù)對(duì)比中，中重度組的步幅長(zhǎng)度、步速、步頻、單支撐相時(shí)間、單支撐相百分比、擺動(dòng)相時(shí)間均低于輕度組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），而步幅時(shí)間、步寬、雙支撐相時(shí)間、雙支撐相百分比均高于輕度組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。其余指標(biāo)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見表2～3。

表2 2組步態(tài)時(shí)間參數(shù)比較（±s）Table 2 Comparison of temporal parameters of gait between two groups （±s）

表2 2組步態(tài)時(shí)間參數(shù)比較（±s）Table 2 Comparison of temporal parameters of gait between two groups （±s）

組別輕度組中重度組t值P值例數(shù)26 24步伐時(shí)間/s 0.64±0.07 0.65±0.10-0.40 0.72站立相時(shí)間/s 0.79±0.08 0.86±0.14-2.00 0.06步頻/（步/min）71.87±6.04 66.84±9.08 2.28 0.03步幅時(shí)間/s 1.24±0.11 1.35±0.21-2.70 0.01單支撐相時(shí)間/s 0.49±0.06 0.45±0.07 2.44 0.02雙支撐相時(shí)間/s 0.18±0.04 0.21±0.06-2.10 0.04步速/（cm/s）76.46±9.62 68.53±13.03 2.41 0.02擺動(dòng)相時(shí)間/s 0.48±0.05 0.42±0.06 3.55 0.00單支撐相百分比/%37.21±1.59 34.23±3.73 3.55 0.00雙支撐相百分比/%33.33±4.73 36.19±3.97-2.30 0.03

表3 2組步態(tài)空間參數(shù)比較（±s）Table 3 Comparison of spatial parameters of gait between two groups （±s）

表3 2組步態(tài)空間參數(shù)比較（±s）Table 3 Comparison of spatial parameters of gait between two groups （±s）

組別輕度組中重度組t值P值步向角/°9.90±5.04 12.62±8.32-1.40 0.18例數(shù)26 24步幅長(zhǎng)度/cm 92.42±12.11 85.06±12.16 2.10 0.04步寬/cm 7.74±3.96 12.20±6.15-3.00 0.00

3.2 足底壓力峰值

2 組患者組間足底不同區(qū)域壓力峰值比較中，中重度組與輕度組對(duì)比，M2 跖骨區(qū)壓力點(diǎn)峰值小于輕度組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），其余差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見表4。

表4 2組足底壓力峰值比較（±s）Table 4 Comparison of peak plantar pressure between two groups （±s）

表4 2組足底壓力峰值比較（±s）Table 4 Comparison of peak plantar pressure between two groups （±s）

組別輕度組中重度組t值P值例數(shù)26 24 T1足趾區(qū)51.40±32.65 55.91±36.74-1.00 0.31 M2跖骨區(qū)137.15±29.67 108.78±60.60 4.72 0.00 M3跖骨區(qū)141.66±46.92 140.49±60.91 0.17 0.87 M4跖骨區(qū)83.32±25.95 78.80±33.98 1.18 0.24 MF5中足內(nèi)側(cè)區(qū)10.36±7.18 9.26±6.49 1.27 0.21 MF6中足外側(cè)區(qū)32.47±19.55 37.04±27.87-1.50 0.14 MH7足跟內(nèi)側(cè)區(qū)136.48±39.61 129.98±25.12 1.52 0.13 LH8足跟外側(cè)區(qū)116.83±49.61 113.35±49.28 0.55 0.58

4 討 論

步態(tài)一般根據(jù)腳步模式或生物力學(xué)特性來定義。對(duì)步態(tài)的描述通常包括3 個(gè)方面：① 步態(tài)周期的劃分；② 步態(tài)周期的時(shí)間和距離；③ 步態(tài)周期內(nèi)的某些事件，如初次觸地［4，20-21］。時(shí)空參數(shù)受下肢肌肉力矩、下肢受力情況、髖膝踝運(yùn)動(dòng)鏈等綜合因素的影響，反映了患者的步行運(yùn)動(dòng)能力。與正常人相比，KOA 患者的步態(tài)發(fā)生了特征性改變，往往表現(xiàn)出步態(tài)周期更長(zhǎng)，步速、步頻更短的特征。2020 年1 項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，雙膝KOA 患者比無膝關(guān)節(jié)疼痛的老年人步頻、步幅更短，而單足支撐期、一步時(shí)間、步行周期延長(zhǎng)［22］。張昊華等［23］研究顯示，與健膝相比，左膝疼痛的KOA 患者呈現(xiàn)左足足跟著地緩沖階段時(shí)間更長(zhǎng)、全足支撐階段更短的步態(tài)特點(diǎn)，患者用延長(zhǎng)患側(cè)的足跟著地緩沖期后用健側(cè)較長(zhǎng)的支撐期以在步行中保持平衡；而右膝疼痛的患者，右足全足支撐階段更長(zhǎng)，足蹬伸階段時(shí)間更短，患者用延長(zhǎng)健側(cè)的足蹬伸以彌補(bǔ)右膝疼痛造成的身體不平衡。左右膝痛患者所呈現(xiàn)出不一致的步態(tài)特征，可能與左膝患者和右膝患者疾病分期不同有關(guān)，也可能與患者原本的行走姿勢(shì)差異有關(guān)；雙膝關(guān)節(jié)疼痛患者左右足則無以上差異，但全足支撐發(fā)生在足跟緩沖階段前面，患者用全足支撐的方式來減輕步行時(shí)膝關(guān)節(jié)疼痛。目前大多數(shù)研究主要關(guān)注KOA 患者與正常人間或患側(cè)與健側(cè)間的區(qū)別。本研究則以影像學(xué)分級(jí)為依據(jù)，比較不同嚴(yán)重程度的以右膝痛為主的雙膝KOA 患者步態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)隨著疾病的進(jìn)展，中重度KOA 患者與輕度患者相比較，具有行走速度更慢、步幅更小、步寬更寬、單足支撐時(shí)間更短而雙足支撐時(shí)間更長(zhǎng)的特點(diǎn)，而這些步態(tài)的變化符合膝關(guān)節(jié)“不均勻沉降理論”。該理論認(rèn)為膝關(guān)節(jié)的脛骨內(nèi)側(cè)骨質(zhì)硬度更易下降，加上脛骨外側(cè)有腓骨協(xié)助支撐，因此脛骨內(nèi)側(cè)受力更多。不均勻沉降使膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)內(nèi)側(cè)半月板更易損傷，使內(nèi)側(cè)間室被破壞、下肢力線內(nèi)移和膝內(nèi)翻。同時(shí)，力線的改變使維持髕骨穩(wěn)定性的股四頭肌肌力下降，造成髕股關(guān)節(jié)失穩(wěn)，進(jìn)一步使力線內(nèi)移，加重內(nèi)翻畸形［5，21］。這使得中重度患者行走時(shí)膝關(guān)節(jié)磨損特別是內(nèi)側(cè)磨損更加嚴(yán)重，患者疼痛、關(guān)節(jié)活動(dòng)受限，行走時(shí)步行周期延長(zhǎng)，重心向健側(cè)偏移，通過減慢行走速度、減小步幅、增大步寬、增加雙足站立時(shí)間及縮短單足撐地時(shí)間來增加下肢穩(wěn)定性及減輕步行時(shí)疼痛［7］。

另一方面，KOA 患者下肢力線的異常也引起足底壓力的改變。足底壓力是一種地面反作用力，可用于評(píng)估人的重心變化、足弓異常及下肢力線異常等改變，反映了患者的平衡能力。對(duì)于KOA 患者，足底壓力分布偏向外側(cè)分布［24］。王欣等［25］在采用Lor An 足底壓力測(cè)試儀測(cè)量單側(cè)KOA 的雙足足底壓力研究中顯示，隨著KOA 的進(jìn)展，患側(cè)動(dòng)態(tài)足壓逐漸向外側(cè)分布，患側(cè)T1 和T2-5 壓力占比降低。張昊華等［23］研究采用footscan?SCSI 高頻平板測(cè)量雙膝疼痛患者左右足的足底各區(qū)域受力時(shí)間，發(fā)現(xiàn)在M1、M5和HL等處的足底壓力值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但左、右足內(nèi)外翻程度差別較小，最嚴(yán)重的主要發(fā)生在支撐期，以外翻多見。本研究則采用自主研發(fā)的智能康復(fù)鞋采集雙膝KOA 患者足底壓力變化特征，結(jié)果顯示中重度組患者M(jìn)2 跖骨區(qū)壓力點(diǎn)峰值低于輕度組，提示隨著KOA 嚴(yán)重程度加重，足底壓力同樣有偏向外側(cè)分布的趨勢(shì)，與張昊華等［23］研究結(jié)果一致。提示康復(fù)智能鞋可用于KOA 的足底壓力評(píng)估。另外，與傳統(tǒng)高頻平板不同［26］，可穿戴式鞋具設(shè)備模擬了患者日常行走環(huán)境，且監(jiān)測(cè)的行走距離更長(zhǎng)，能更好地反映患者的自然步態(tài)，以使治療師對(duì)患者日常行走方式有更好的了解［18-19］。本研究具有一定局限性，部分觀點(diǎn)與以往觀點(diǎn)相同，與其他研究不同的原因可能與樣本量較小、單中心、檢測(cè)方法不同等相關(guān)。其次，本研究只納入右側(cè)癥狀較重的雙膝KOA 患者，對(duì)左側(cè)較重及雙側(cè)癥狀相當(dāng)?shù)碾p膝KOA 患者未納入研究，也未納入單側(cè)KOA 患者，且對(duì)不同嚴(yán)重程度的分組不夠細(xì)致，所以在以后的研究中應(yīng)增加樣本量，納入多中心研究，對(duì)KOA患者進(jìn)行更細(xì)致的分組。

不同嚴(yán)重程度的KOA 患者步態(tài)及足底壓力特征具有差異，臨床可通過評(píng)估患者步態(tài)來快速判斷患者KOA 嚴(yán)重程度及分析患者生物力學(xué)的變化特征，為臨床干預(yù)措施的確定及康復(fù)治療計(jì)劃的個(gè)性化制定提供理論依據(jù)。