膝关节骨关节炎三维步态分析研究及其在运动医学中的应用

膝关节骨关节炎三维步态分析研究及其在运动医学中的应用

张二超

兰考堌阳医院

摘要：骨性关节炎（OA）是一种常见于中老年人群的疾病，尤其是膝关节骨性关节炎（KOA）发病率最高。尽管目前发病机理仍不明确，但许多研究已集中在分子生物学和细胞生物学领域。随着现代三维步态分析系统的出现和应用，为KOA的生物力学研究提供了先进的研究手段和科学可靠的运动学与动力学数据。本文通过总结国内外相关研究状况，探讨KOA三维步态分析的研究方向及其在运动医学中的应用前景。然而，目前相关研究方向分散，缺乏统一评价标准和操作规范。

关键词：骨性关节炎；膝关节骨性关节炎；发病机理；三维步态分析；生物力学；运动医学；

膝关节骨性关节炎（KOA）是中老年人中常见且高发的疾病。尽管KOA的发病机理尚未得到确认，但是分子生物学和细胞生物学仍然是国内外研究的重点。现代三维步态分析系统提供了先进的研究手段和科学可靠的运动学与动力学数据，因此受到越来越多的关注。然而，目前相关研究方向存在分散的情况，并且缺乏统一的评价标准和操作规范。通过总结目前国内外的相关研究现状，本文旨在探讨KOA三维步态分析的研究方向及其在运动医学中的应用前景。

1 三维步态分析概述

步行是人类最主要的行动方式之一，也是肢体运动中最重复性高的运动之一。通过研究步态动作中的关节角度、力矩和功率等运动学和动力学相关变量，可以了解机体各部位的受力情况，对于病因的确认、发病机制的研究、治疗方法的选定以及疗效的评估均有帮助。

现代三维步态分析系统是以红外线高速摄影机为主的立体三维动作分析系统，可以精确测量下肢动态生物力学指标，并且具有操作简便、无创伤性和数据详实的特点。这种系统已经成为骨科生物力学研究、普通人群的科学健身和KOA患者的康复疗效的可靠依据和工具。

尽管人体内部力数据仍无法直接测得，但随着步态分析测量方法的发展和各类疾病步态特征知识的积累与建立，步态分析将在骨科生物力学、康复工程和医学工程等领域发挥重要作用，并对这些领域产生积极影响。

2 膝关节骨关节炎的三维步态分析研究进展

2.1 发病机制的研究进展

目前，步态分析技术是研究膝关节骨性关节炎（KOA）发病机制的研究热点。通过分析下肢受力，可以了解膝关节动态负荷的变化规律，对KOA患者的康复治疗和疗效评价有帮助。研究发现，膝关节内侧松弛是延缓膝关节内侧面骨性关节炎患者病情发展的重要手段。膝关节内收力矩评价关节内侧面的动力性负荷，说明膝关节动态负荷与OA的临床治疗和病情进展更为相关。初步研究表明，KOA患者步行时膝关节是否承受更大负荷还需要进一步研究。研究还发现，下肢负荷增加率可能导致KOA的病情进展和膝关节相邻关节的发病，治疗KOA应考虑下肢所有关节的影响。近期，研究者们从三个可能影响骨性关节炎（OA）进程的生物力学参数出发，分析了膝关节内部的应力分布。另外，研究者还对患者的表面肌电进行了分析，结果表明OA患者的股直肌-腓肠肌共同收缩时表面肌电信号时长与对照组相似。

2.2 治疗措施与疗效评价的研究进展

对3位膝关节内侧面骨性关节炎患者进行了近端胫骨截骨术（HTO）后的三维步态分析。结果表明，HTO术后膝关节动力学负荷轴线轨迹由关节后内向移动至关节面中间。一年内早期站立相负荷轴线的外向移位减少。另一项研究比较了HTO和单髁置换术（UKA）术后的步态指标，发现日常步行速度是评价OA术后疗效的最佳指标。在另一项研究中，比较了KOA患者止痛治疗后和对照组的步态指标。结果显示局部注射止痛剂可以增强步行能力，但对蹬阶能力影响不大。治疗性支具可以减轻疼痛、提高膝关节功能。然而，研究显示支具会降低膝关节的力矩，并且在负重增加时控制胫骨前移的作用不明显。穿楔形鞋垫可以显著改善KOA患者的步态。外翻矫形支具在缓解疼痛、改善关节功能、减轻关节负荷和增加推动力方面明显优于简易铰链式支具。

2.3 国内研究现状

国内已经有一些关于步态分析基础理论和应用方面的研究，但是对于KOA的病因和临床应用方面的研究起步较晚。近年来，一些学者已经开始了相关研究。然而，由于研究对象的限制以及仪器软件的不断发展，国内相关领域的研究还不够深入，与国际水平还有相当的差距。此外，该领域尚未引入运动健身领域。

3 KOA三维步态分析在运动医学中的应用

3.1 建立步态分析数据库

KOA的病因复杂，涉及多个关节和器官的病变。同时，其退行性改变的程度因性别、年龄和个体生理条件等因素而异。目前，国际上缺乏大样本膝关节生物力学数据的正常和患病人群，尤其是不同实验对象条件下（如年龄、性别、BMI和病情程度等）KOA步态分析数据（包括髋、膝和踝关节的全部数据），缺乏可比性。此外，各研究单位、研究设备和参数分析标准不统一，导致相同研究方法的研究结果不同，甚至相反。因此，应建立规模适当的步态分析数据库，提供生物力学量化指标。详细说明实验方法，例如所用系统配置、数据采集方法和分析软件等，可以提高步态分析系统的完善和发展，提高相关科研的可靠性和可行性。

3.2 支具研发与疗效评价

在KOA的治疗方面，国际上的主流方法是外科手术，如HTO、UKA和TKA（全膝置换），已经形成较为成熟的治疗方案。对于中晚期患者，临床观察显示手术效果显著，但其缺点包括创伤大、造价高、并发症多和康复时间长等。因此，发展非手术治疗方法非常必要，特别是对于中度患者。其中，治疗性支具的使用是可行的。通过运用步态分析技术观察使用治疗性支具后步态的变化，并分析膝关节受力变化，可以为支具研制提供量化标准，为治疗效果提供客观评价，从而为非手术疗法的发展提供新思路和量化数据。然而，国外对支具的研究缺乏标准化的规定，如使用后下肢力线等指标的评价标准以及髋、踝关节代偿性改变的评价标准。同时，对手术和保守治疗效果的评价也缺乏步态分析方面的研究成果，相关研究还需要进一步深入。

3.3 参与KOA患者健身与康复指导

过度的步态适应可导致肌肉废用性萎缩。关节疼痛、炎症和渗出抑制运动单位的激活，加重肌肉力量和速度的丧失并增加疲劳，导致关节制动和功能缺失。股四头肌无力和疲劳是膝关节OA患者的常见并发症，影响运动健身的发展。因此，引入先进的步态分析系统为此人群进行准确评估并制定有效的康复计划具有重要意义。目前步态分析在KOA康复中应用越来越广泛，将推动其技术发展。通过步态分析系统的客观评价，可以为患者选择合适的运动方式和运动量，避免机能损失和错误的运动方式和方法选择，提高生活质量，促进运动健身和医学事业的发展。

4结语

综上所述，步态分析技术在KOA的治疗、康复和运动健身方面有着重要的应用价值。通过步态分析系统的客观评价，可以为不同病情的患者选择恰当的治疗方案和运动方式，避免废用性机能损失和错误的运动方式和方法选择，提高生活质量。此外，步态分析技术的应用还可以推动KOA康复技术的发展，为康复研究提供新的思路和量化数据。虽然仍需解决一些问题，如国内研究不够深入、设备和参数标准不统一等，但随着步态分析技术的不断发展和普及，相信这些问题将得到逐步解决。总之，步态分析技术的发展对于KOA患者的康复和运动健身有着重要的意义，也将为我国运动健身和医学事业的发展带来新的机遇和挑战。

参考文献：

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