膝关节骨性关节炎患者步态和下肢主要关节的运动学分析

摘 要： 目的：观察不同程度膝关节骨性关节炎患者的步态和下肢主要关节的运动学参数的变 化，为膝关节骨性关节炎发病机制及康复治疗提供实验证据。方法：利用测力台和三维运动 动作分析系统对照组(n=10)、轻患病组(n=13)、重患病组(n=9)膝关节骨性关节炎患者和进 行步态分析和运动学参数测试。结果：两组患者步态周期中的支撑百分比显著大于对照组( P

关键词：膝关节骨性关节炎，步态，下肢关节，运动学分析

中图分类号：G804.52文献标识码：A文章编 号：1007-3612(2011)04-0071-04

The Changes of Gait and Kinematics Analysis of Major Lower LimbJoints about the Knee Osteoarthritis Patients

ZHAO Heng1, XU Fei2, SHOU Zaiyong1, WU Jian1

（1.Institute of Physical Education, Chongqing Normal Universi ty, Chongqing 400047 China;2.Zhejiang University of Technology, Hangzho u 310014, Zhejiang China)

Abstract: Objective: The purpose of the present study is to explore the mechanism of kneeosteoarthritis and supply experiment evidences to rehabilitation through observi ng the changes of gait and kinematics analysis of lower limb joints. Methods: B y comparing gait and kinematics variables of control group(n=10), less sever gr oup(n=13) and sever group(n=9) using the force platform and motion analysis sy stem. Results: The stance phase of the two osteoarthritis group is significantl y higher than control group(P

Key words: knee osteoarthritis; gait; lower limb joint; kinematics analy sis

随着我国逐渐步入老龄化社会，老年人口的健康问题和生活质量受到越来越多的关注。 而膝关节骨性关节炎在中老年人中有较高的发病率，其病症严重影响到患者的健康和生活质 量［1］。我国对该病的步态研究起步较晚，目前关于膝关节骨性关节炎发病机理的 研究主要集中在膝关节的步态和运动学改变方面［2-4］、地板应力变化［2,5］和膝关节矢状面力学 表现 ［6-8］。最新研究报道膝关节骨性关节炎患者在患病早期会出现下肢关节的某些核 心肌肉的 代偿作用［4,9,10］，但这种代偿作用对病情的影响还并不明确。本研究旨在通过观 察不同病 情患者的步态和下肢主要关节的运动学参数的动态变化，为膝关节骨性关节炎发病机制及康 复治疗提供实验证据。

1 研究对象与方法

1.1 实验对象

22名双膝关节内侧骨性关节炎患者，排除有其他感染性关节疾病者、排除骨性关节炎 以外的病症（包括单纯软骨损伤无关节炎）和诊断模糊者（如神经根病变）。诊断标准：患 者内侧关节间隙相比外侧狭窄，符合美国类风湿学会胫股关节骨性关节炎的诊断标准［ 11］。 临床膝关节功能用Lysholm功能表评价［9］，影像学分级按照Kellgren/Lawrence影 像分级标 准（K/L分级）［2］。轻患病组：13名男性，K/L分级≤Ⅱ级；重患病组：9名男性， K/L分 级≥III级。纳入10名年龄相当的健康男性作为对照组。受试者基本情况和诊断分级（表1） 。

1.2 器材及方法本实验完成于重庆大学生物力学系统仿真实验室，实验设备包括测力台和三维运动动 作分析系统。测力台：Kistler测力台（9281CA, Kistler Instrumente AG Winterthur, Sw itzerland）2块，长×宽×厚为60 cm×40 cm×10 cm，固有频率为1 000 Hz。两块测力台 纵向平行 置于步态分析区域中心处，测力台上沿与地板齐平。接于VICON系统主机，信号通过三维动 作分析采样系统滤波处理后传入计算机处理系统，用于对运动力学指标分析。VICON MX13运 动分析系统（VICON MX13 motion analysis system, Oxford Metrics LTD, Oxford, UK） 包括：VICON MX13主机，MX net 集成器，4架高速三维摄像机，采样频率为120 Hz；反射标 记点（直径14 mm）；Workstation 4.6，Polygon 2.4，Bodybuilder 3.6分析软件。

1.3 测试指标

利用逆向动力学原理［1］，配套分析软件对相关数据进行处理。所采数据包括时间 距离指标和运动学指标。时间距离指标包括步频（步/min）、步态周期（s）、支撑期百 分比 （%）、步幅（m）、步长（m）、步速（m/s）。运动学指标主要包括：1)踝关节、足跟 着地期踝背伸角度、踝支撑期最大跖屈角度和踝最大背伸角度；2)膝关节最大屈膝角度、支 撑期最大屈、伸膝角度；3)髋关节最大屈、伸髋角度。通过步态周期中三个关节角度各指标 的动态变化曲线进行分析。

1.4 统计学处理数据以均值±标准差（X±SD）表示。经Kolmogorov-Smirnov检验，数据呈正态 分布。各组组间比较采用单因素方差分析（one-way of variance of analysis，ANOVA）， Post-hoc采用Tukey检验，显著性差异置为P≤0.05。

2 结 果

时间距离指标和下肢各关节活动角度见表2和表3。

运动学指标

踝关节：踝关节在整个步态周期中出现跖屈―背伸―跖屈的动态曲线如图1A所示。轻患 病组与对照组曲线走势基本一致，但轻患病组支撑期最大跖屈角度和最大跖屈角度显著小于 对照组（P

膝关节：膝关节屈伸角度出现伸膝―屈膝―伸膝―屈膝双峰值较均匀的波浪曲线。第一 峰值为支撑期最大屈膝角度，第二峰值为摆动期最大屈膝角度，同时也是步态周期最大屈膝 角度（图1B）。轻患病组、重患病组的足跟着地期伸膝角度、支撑期最大屈膝角度、支撑期 最大伸膝角度等指标均显著小于对照组（P

髋关节：3组的关节活动角度曲线均呈现屈髋―伸髋―屈髋波浪式规则曲线（图1C）。轻患 病组和重患病组最大伸髋角度显著小于对照组（P

3 分析与讨论

人体行走时，左右腿持续交替摆动主要体现为踝、膝、髋关节角度的不断变化。研究表 明，老年人矢状面上屈髋角度要大于青壮年，而膝关节角度有所降低［3］。膝关节 在矢状面 上的活动范围最大，运动方式为屈曲伸直运动。文献报道正常膝关节屈伸范围为-5°～140 °，行走时屈伸角度为7°～70.2°［12］。本实验结果发现，下肢各关节矢状位屈 曲角 度均有显著性差异，其中以膝关节最为明显（表3）。行走时膝关节屈曲出现两次波峰（图1 ），第一次波峰较小，一般出现在预支撑期，此时重心开始由一侧肢体转移到另一侧肢体， 膝关节此时屈曲是为了缓冲骤然增高的关节作用力；第二次波峰较大，出现在摆动中期，其 峰值为膝关节在行走过程中的屈曲最大值。同时膝关节在整个步态周期时还出现两次最大伸 膝位，分别出现在足跟着地期和摆动前期。笔者分析后认为，膝关节在屈膝小于15°的范围 内，股四头肌对胫骨的前向拉力随膝关节屈膝角度的增加而增加；而膝关节过伸会使绳肌 受到牵拉，物理强度增加，使绳肌产生长度―拉力效应，反射性的刺激绳肌收缩，从而 限制胫骨前移。膝关节骨性关节炎患者为避免屈膝负重加重疼痛，往往采取轻微膝关节过伸 位负重以减少关节面压力。而这种长期异常步态易导致股四头肌萎缩，绳肌及膝关节后关 节囊挛缩［7］。从图1步态周期中所见三组对比关系，明显可见足跟着地期伸膝角度 三组关系 均为重患病组＞轻患病组＞对照组；最大屈曲角度在膝、髋关节三组亦呈重患病组＞轻患病 组＞对照组的关系；在踝关节最大屈伸角度重患病组明显大于其他两组。说明下肢其他关节 为减少膝关节摆动耗能，以便进行下一步的屈膝运动而做出了代偿性改变。此外，下肢关节 角度改变与病情程度有一定相关性。患病组为减少膝关节摆动耗能，第二次伸膝角度的减小 ，以便进行下一步的屈膝运动。此时膝关节屈膝肌群收缩作用达到最大（支撑末期到摆动前 期屈膝力矩达到峰值）。

研究发现，膝关节骨性关节炎患者步态周期中地板反应力是关节面垂直负荷率的反应［ 2,5］。本实验也发现所有患者膝关节的最大地板应力增加，反映了关节面垂直负荷率的 增加 ；笔者分析认为，患病组步态周期的支撑期百分比增加，表明了患者为减轻关节面负荷增加 导致的疼痛而采取了加快对侧肢体向支撑肢体的体重转换的代偿策略。患病组紧随足跟着地 的较对照组增大的膝、髋关节支撑期时间增加和外翻力矩增大提示，此阶段患者为向外侧移 动躯干使用了较大的髋内收肌力。本实验研究结果证实，患者为避免疼痛而完成向外侧的躯 干移动，足会在地板上施一向内的力，表现为此期所有病人踝关节的地板应力增大。这种负 荷模式的变化是病人使用的代偿步态的潜在机制，通过减少重心与膝关节中心间的内外向距 离而减少了地板应力的力臂，相应地，这一过程可能减少了支撑期外侧某一点的膝关节内翻 力矩［13］。

踝关节内翻力矩的组间差异小于膝关节和髋关节，但踝关节内翻力矩的差异发生于支撑 期的后半段，而膝内翻峰力矩发生于站立相的前半段。这表明躯干移动加快的变化比踝关节 的动力学变化更可能驱动了代偿步态的潜在机制。轻患病组与对照组在整个支撑期步幅、步 速和髋关节内翻力矩无显著性差异。提示髋关节内翻外力矩与髋肌肉外翻力矩相平衡，表明 轻患病组有足够强壮的髋关节外翻肌肉以维持躯干的姿势，与对照组相比就产生了相同的膝 关节内翻力矩第一峰值和减小的膝关节内翻力矩第二峰值。这样轻患病组就采用了可以控制 并减少内侧面负荷的代偿步态的方法，因此减少了病情加重的危险性［14］。而重患 病组与对 照组相比，其整个支撑期的髋关节内翻力矩明显要小，提示重患病组似乎缺乏保持躯干的姿 势不变的使髋关节外翻的肌肉力量。此组病人于整个摆动期可能会出现支撑腿的对侧肢体下 垂的现象，以便使躯干外侧移动离开支撑腿，这称为特伦德伦堡步态(Trendelenburg gait) ，而此步态的出现是臀大肌肌力不足和/或麻痹时所常见的摇摆步态［7］。所以，此 组患者的 身体重心与膝关节中心的内外向距离增大，同时有更大的下肢内翻力线，因此这可能是导致 患者产生更高的膝关节内翻力矩第一峰值的原因。

有研究显示髋关节内收肌可以对产生内侧面骨性关节炎或力线内翻的膝关节起到稳定作 用［15］。Yamada等证实在外翻肌肉力量相同的情况下，骨性关节炎程度和力线内翻 呈正比， 也即是说髋关节代偿功能越多，臀大肌内收越明显。这样，尽管重患病组病人采用与轻患病 组相同的代偿步态，而为了保持骨盆水平和控制膝关节内翻，还是会导致髋关节外翻内力矩 增大。本实验结果提示，尽管重患病组与对照组的总外翻力矩相同，但重患病组仍不能保持 骨盆水平，因此重患病组不能控制或减低膝关节内侧面的负荷，这就增加了其病情加重的危 险［14］。

本研究显示，膝关节内翻第一峰值的大小与髋关节外翻力矩的大小呈现出一定的相关性 ，提示患者采取了代偿步态的策略，但这种策略会导致邻近关节负荷增加；也即是膝关节骨 性关节炎患者下肢各关节以显著增加的垂直负荷（地板应力）和轴向做功功率行走。Radin 等［16］报道，可能有骨性关节炎前期改变的患者由于轻度的、间歇性和运动相关性 膝痛而产 生的垂直负荷率增加。近来的研究中，各关节合力用地板应力、远端重量和惯力来综合评价 。本研究结果证实，随着足跟着地的负荷率的增加而贯穿所有下肢关节，最终传递并影响到 髋关节。

踝、膝、髋关节的轴向负荷的变化可能有害于关节软骨［17］。前人的研究已证实高 负荷率比低负荷率更能导致关节软骨表面磨损［18］；如果关节软骨遭受严重的重复 性负荷，其磨损可发生机械性扩散［17］。这样，关节面负荷的增加不仅加速了损伤 软骨的纤维化（如重患病组），而且也导致邻近关节骨性关节炎的发生和加重，其中影响最 大的很可能是髋关节。 但是，虽然有文献认为37.7%的影像学诊断为膝关节骨性关节炎患者伴有髋关节关性关节炎 ，但目前仍然缺乏内侧面膝关节骨性关节炎相关步态变化与继发的髋关节骨性关节炎之间关 系的直接证据，这也是本实验需要进一步研究的课题。

目前对内侧面膝关节骨性关节炎的治疗措施目的在于减少膝关节内翻力矩第一峰值，以 减少负荷向关节内侧面传递。这些纠正关节面负荷异常分配的措施包括：支具、足部矫形器 、步态训练和加强四头肌力量［13,15,19］。然而有学者认为足部矫形器可能改变步 行时地板应力的负荷率［15］。结合本实验结果，笔者认为虽然病人自身采用的自然 代偿策略是减慢内 侧面膝关节骨性关节炎效果的有效方法。但迄今为止，核心肌肉和髋关节肌肉力量在膝关节 骨性关节炎的治疗和预防上的重要性还未引起足够的重视。从人体生物力学角度而言，着重 加强有稳定膝关节作用的股四头肌力量的理疗作用非常重要。本实验也结果也提示加强髋关 节外翻肌肉力量对于内侧面膝关节骨性关节炎，尤其是对病情较重的患者很可能是有效的无 创治疗方案，在其术后康复及预后干预也有重要意义。

4 结 论

本研究结果表明，骨性关节炎患者步态周期中的支撑期百分比显著低于正常水平。明 显的步态改变开始于足跟着地前，这不仅影响膝关节内外侧面承受的负荷，还可能导致现有 病情的加重，并可能引发相邻关节骨性关节炎的发生。患病组与对照组相比，前者关节面地 板应力增加，提示体重由对侧转移至支撑肢体加快，躯干向外侧移动也就更快。这种负荷变 化方式可能是患者减少重心和膝关节中心间内外向距离，从而在支撑期间减少地板应力的力 臂，并可能减少随后的膝关节内翻力矩的步态代偿策略，但这种策略很可能只对轻患病组有 效。

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