为研究膝骨性关节炎合并内翻畸形患者术前生物力学群体特征，用于比较患者术前术后步态延续性及进行术后康复指导，本文采集 9 例患者水平行走和坐立-起身过程的步态，并进行骨肌多体动力学分析。本文研究结果显示，水平行走时试验组下肢运动功能减弱，试验组非手术侧膝关节平均活动范围为 22.5°～71.5°，拟置换侧膝关节平均活动范围为 24.4°～57.6°，而对照组膝关节平均活动范围为 7.2°～62.4°。单侧膝内翻患者完成坐立-起身过程时的下肢地面反作用力对称度介于 0.72～0.85，非手术侧下肢起主要支撑作用。双侧膝内翻患者坐立-起身时地面反作用力之和最小。尽管单侧膝内翻患者采用非手术侧下肢过量负载的代偿方式能完成术后日常活动，但长期过量负载容易增加非手术侧下肢膝关节罹患膝骨性关节炎风险。对膝骨性关节炎合并内翻畸形患者完成日常活动的运动学和生物力学特征进行研究，有助于从生物力学角度理解内翻膝的发病机制，对患者的术前评估、预防和术后恢复具有较强的临床指导意义。
引用本文： 朱正飞, 王玲, 李涤尘, 王航辉, 靳忠民, 王志远, 惠曙国, 陈塍林, 张述, 李文娇. 膝骨性关节炎合并内翻畸形患者运动特征研究. 生物医学工程学杂志, 2018, 35(1): 38-44. doi: 10.7507/1001-5515.201702049 复制
引言
膝骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是一种多发于老年人的退行性疾病[1]，KOA 患者往往伴随不同程度的关节畸形，其中内翻畸形（俗称弓形腿）最为常见[2]。KOA 合并内翻畸形最有效的治疗方式是全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）。术中残留内翻畸形或完全矫正畸形的手术效果尚无定论，而在术前对步态的生物力学特征开展相应研究能否为术前规划、术中截骨及术后个性化康复提供理论基础，值得深入研究。
水平行走和坐立-起身过程作为患者日常生活中频率最高的步态，具有较为重要的研究价值。目前对终末期内翻膝患者水平行走的步态研究主要着眼于 TKA 术后胫股角的变化[3]、针对性的康复治疗[4]、躯干运动[5]和关节功能[6]、足底压力中心位置[7]等，尚未见到针对终末期内翻膝患者水平行走过程的时间-空间参数的定量研究。有研究表明，正常人每天完成坐立-起身过程约 60 次，椅面高度或起身方式的变化会引起下肢关节生物力学参数急剧变化[8-9]。但目前对重度 KOA 患者坐立-起身过程下肢生物力学的研究多集中于全膝关节置换术后[10-12]，而术前研究较少。少量针对 KOA 患者术前起立过程的研究也尚未对患者内外翻畸形进行分类研究[9, 13-15]。因此，本研究拟通过对 KOA 患者水平行走和坐立-起身过程进行步态采集及骨肌多体动力学分析，研究膝内翻患者的术前运动特征，为患者术后康复提供针对性的指导。
1 材料和方法
1.1 试验对象
本研究试验组为 2016 年 8 月—2016 年 11 月在西安交通大学附属红会医院关节外科进行全膝关节置换术前的 9 名膝关节骨性关节炎伴内翻畸形终末期患者（6 例单侧内翻，3 例双侧内翻）。对试验组的拟置换膝关节进行美国膝关节协会评分（Keen Society Score，KSS）和美国西部 Ontario 和 McMaster 大学骨关节炎指数评分（The Western Ontario and McMaster Universities Arthritis Index，WOMAC）。另招募 7 名健康老年人作为对照组。试验组和对照组基本信息如表 1 所示。试验组和对照组的筛选由西安交通大学附属红会医院一名专业医生完成。纳入标准为：试验组除膝关节外其他关节无严重病变或进行过关节手术，可在无拐杖或他人协助下正常行走，没有神经缺陷，没有不可控制的高血压，无下肢严重麻木感，视力良好，行走耐力良好，体重指数（body mass index，BMI） < 50。该试验经西安交通大学附属红会医院伦理委员会批准，试验前所有受试对象都已被告知试验相关信息并签署知情同意书。
表1
受试对象基本信息
Table1.
Basic information of participants
1.2 试验步骤
使用带 10 个红外摄像仪的三维运动分析系统 VICON（Oxford Metrics Inc.，英国）和 3 块三维测力板（AMTI Corporation，Watertown，MA，美国）采集受试对象进行水平行走和坐立-起身过程的步态数据。此外，需测量受试对象的身高、体重、腿长等生理学参数，并分别在受试对象的各主要骨性标记点处贴红外反光标志点小球，如图 1 所示。受试对象只穿贴身泳衣赤足以自选步速按指定路径正常行走。完成起立过程时，受试对象水平坐立，双侧脚底分别放在相邻两块测力板上。听到测试采集人员的指挥口令后，以自选速度在指定椅面高度（380、400、420、440、460 mm）和指定起身方式（手撑扶手、双手叉腰、手扶 720 mm 高度桌面）下完成坐立-起身过程。受试对象每完成一种椅面高度或起身方式的步态采集之前进行至少两次练习，相邻步态之间间隔 30 s 以上。取 5 次踩测力板正常并且标志点轨迹连续的步态数据进行保存以备后期处理。
图1
受试对象步态采集
Figure1.
Motion capture of participants
采用统计分析软件 SPSS（SPSS 20.0; Chicago，IL，美国）对试验组与对照组的参数结果进行独立样本 t 检验，P < 0.05，为差异具有统计学意义。
1.3 数据处理
将三维步态文件导入骨肌多体动力学软件 AnyBody（AnyBody Technology A/S，V. 6.03，Aalborg，丹麦），建立受试对象的个性化骨肌模型，进行运动学和动力学分析，得到受试对象的生物力学数据。为剔除个体差异以便进行统一比较，对数据结果进行归一化处理。水平跨距定义为：跨距/腿长；水平行走的一个完整步态周期的定义为：脚跟着地到该侧脚跟再次着地。坐立-起身过程的一个完整步态定义为：粘贴在第七颈椎棘突处的标记小球在矢状面内开始运动到下肢膝关节达到最小屈伸角度为止。引入下肢地面反作用力对称度来描述受试对象在坐立-起身过程中双侧下肢受力的对称情况，下肢地面反作用力对称度的计算方法为：对于单侧膝关节受累的患者，下肢地面反作用力对称度为拟置换侧下肢地面反作用力峰值与非手术侧下肢地面反作用力峰值的比值[16]；对于对照组或双侧膝关节受累的患者，则下肢地面反作用力对称度为左腿与右腿地面反作用力峰值的比值。地面反作用力峰值之和表示受试对象左腿地面反作用力峰值与右腿地面反作用力峰值之和。
2 结果
2.1 水平跨距
试验组非手术侧下肢的平均步行周期时长为 1.44 s，拟置换侧下肢为 1.32 s，而对照组的平均步行周期时长为 1.24 s。试验组与对照组相比，步行周期的平均时长增加，差异具有统计学意义（P < 0.05）。试验组非手术侧下肢的平均水平跨距为 0.92 m，拟置换侧下肢为 1.07 m，而对照组的平均水平跨距为 1.24 m。试验组与对照组相比，步行周期时长增加，水平跨距减小，差异具有统计学意义（ P < 0.05）。
2.2 膝关节运动学（动力学）
受试对象水平行走时一个完整步态周期内膝关节屈伸角度和膝关节合力变化曲线如图 2 所示，灰色阴影部分为对照组膝关节力范围区间，黑色粗实线表示对照组平均值。绿色实线表示单侧 KOA 患者非手术侧，绿色虚线表示单侧 KOA 患者拟置换侧。粉色虚线表示双侧 KOA 患者。试验组站立相阶段膝关节屈伸角度没有明显的起伏变化，典型临床表现为缺少站立相后期的膝关节恢复伸展动作。试验组拟置换侧膝和非手术侧膝的波峰相位在 75% 步态周期前后出现，与对照组相比后移，站立相延长。试验组非手术侧膝关节平均活动范围为 22.5°～71.5°，拟置换侧膝关节平均活动范围为 24.4°～57.6°，而对照组膝关节平均活动范围为 7.2°～62.4°。试验组水平行走起始时刻（脚跟着地）时刻膝关节屈伸角度增加，伴随一定程度的膝关节屈曲，行走过程中膝关节活动范围较对照组偏小。其中，单侧 KOA 合并内翻畸形患者拟置换侧膝关节平均活动范围为 23.4°～62.2°，双侧 KOA 合并内翻畸形患者的拟置换侧膝关节平均活动范围为 25.5°～56.3°。内翻膝患者的膝关节力曲线覆盖范围较大，呈现出较为明显的个体差异。单侧 KOA 患者非手术侧下肢膝关节力峰值为 5.53 BW，拟置换侧膝关节力峰值为 5.88 BW。双侧 KOA 患者的拟置换侧下肢膝关节峰值为 5.68 BW，而对照组膝关节峰值为 4.96 BW。KOA 患者膝关节力峰值大于对照组，双侧 KOA 患者的下肢膝关节力峰值介于单侧 KOA 患者非手术侧和拟置换侧下肢膝关节力峰值之间，差异不具有统计学意义（P>0.05）。
图2
受试对象水平行走膝关节屈伸角和膝关节合力
Figure2.
Knee flexion angle and knee contact forces of participants during level walking
2.3 坐立-起身过程的地面反作用力
受试对象完成坐立-起身过程的下肢地面反作用力峰值和完成时间如表 2 所示。试验组（包括单侧 KOA 患者和双侧 KOA 患者）和对照组以不同椅面高度和不同起身方式完成坐立-起身过程的下肢地面反作用力峰值和完成时间不尽相同。
表2
坐立-起身过程的下肢地面反作用力和完成时间（
）
Table2.
Ground reaction forces and completion time during sit-to-stand trial (
)
单侧 KOA 患者以 3 种方式完成坐立-起身动作过程中，其下肢地面反作用力对称度介于 0.72～0.85 之间，即坐立-起身过程中非手术侧下肢承担大部分身体载荷，与对照组相比，差异具有统计学意义（P < 0.05）。双侧 KOA 患者以 3 种方式完成坐立-起身动作过程中，其地面反作用力峰值之和介于 1.05 BW～1.15 BW 之间，与对照组相比，差异具有统计学意义（ P < 0.05），且双侧 KOA 患者的地面反作用力之和数值更小。整体而言，3 种不同的起身方式中，受试对象以双手叉腰方式完成坐立-起身过程时，其地面反作用力数值之和最大。在坐立-起身完成时间方面，单侧 KOA 患者在以手扶 720 mm 高度桌面方式起身时，其完成时间较对照组数值偏大，差异具有统计学意义（ P < 0.05）。
2.4 坐立-起身过程结束时的膝关节屈曲角度
受试对象完成坐立-起身过程结束时刻的膝关节屈曲角度统计结果如图 3 所示。从图中可以看到，在 3 种不同的坐立-起身方式结束后，试验组（单侧 KOA 患者和双侧 KOA 患者）的拟置换侧、非手术侧膝关节屈伸角度均呈现较高的数值（>20°），临床表现为较严重的关节挛缩畸形，与对照组相比，差异具有统计学意义（P < 0.05）。单侧 KOA 患者以自助起身（双手叉腰）方式完成坐立-起身过程时，其非手术侧下肢膝屈曲角度最小，此种起身方式下双侧下肢膝关节屈曲角度数值相差最大。
图3
受试对象坐立-起身过程结束时的膝关节屈曲角度
Figure3.
Knee flexion angle of participants right after the sit-to- stand trial
3 讨论
本研究借助三维运动分析系统采集分析了 KOA 合并内翻畸形终末期患者水平行走和坐立-起身过程的运动，采用术前膝关节功能评分来评定患者膝关节功能和结构，采用生物力学方式来评估患者的膝关节运动功能和关节载荷，对于探讨 KOA 合并内翻畸形对患者下肢生物力学的影响、指导全膝关节置换手术和评估患者术后非手术侧关节置换风险有较高的指导价值。本文研究结果表明，KOA 合并内翻畸形患者运动功能减弱，非手术侧下肢日常活动中代偿作用明显，在完成指定高度或指定起身方式的坐立-起身过程中，单侧 KOA 患者非手术侧下肢和膝关节承受更大的关节负载和地面反作用力，长期高频次的坐立-起身动作可能加速非手术侧膝关节软骨的退行性变化，进而增加 KOA 风险。
内翻膝患者非手术侧膝关节运动功能受拟置换侧下肢膝骨关节炎较大程度的影响。KOA 内翻患者的运动能力大大减弱，具体表现在水平跨距减小、步行周期延长。由于膝关节骨性关节炎往往伴随着关节挛缩畸形和下肢长度不相等[17]，非手术侧下肢较长，拟置换侧下肢较短，患者水平行走时双侧下肢交替支撑，导致拟置换侧下肢水平跨距更大。水平行走时，内翻膝患者双侧下肢膝关节最小屈曲角度增加，但膝关节屈曲活动度减小，临床表现为膝关节挛缩畸形。膝关节挛缩畸形造成股骨膝关节面与胫骨膝关节面接触面积减小，负重时膝关节单位面积所受到的应力增加，从而进一步加速关节软骨的退变。与对照组相比，单侧膝内翻患者的非手术侧膝关节在步态初始时刻屈曲角度增大，步态过程中膝关节活动度减小，但受影响程度不及拟置换侧膝关节。
内翻膝患者水平行走时的膝关节力比正常人更大。一方面，患者正常行走时膝关节屈伸程度较大，股四头肌等肌群张紧力增大[4, 13]；另一方面，患者水平行走时躯干重心降低，躯干在矢状面内的横向摆动幅度增加[5]，身体重心侧倾幅度增加，支撑足关节负载增大。单侧膝内翻患者的拟置换侧膝关节受力较大，可以理解为该关节长期遭受机械载荷累积造成了膝关节骨性关节炎。与此相对地，双侧膝内翻患者双侧下肢的膝关节力峰值介于单侧膝内翻患者非手术侧与拟置换侧关节力之间。双侧膝内翻症状可以认为是单侧膝内翻症状持续发展的结果，KOA 伴随膝关节疼痛与功能减退[18]，患者将身体载荷转移到非手术侧下肢，因而增加了非手术侧膝关节罹患骨性关节炎的风险。对正常个体而言，下肢机械轴从髋关节中心到踝关节中心，恰好通过膝关节中心，从而使膝关节所承受的载荷得以均匀向下传导。膝内翻使机械轴偏离膝关节中心，膝关节内侧间室过度负载，一旦发生骨关节炎，膝关节在关节功能与疼痛的平衡作用下会出现内翻程度的恶性循环。
在本文设立的 3 种坐立-起身方式中，对于单侧 KOA 患者的非手术侧下肢来说，自助起身（双手叉腰）方式的风险最大。本文骨肌多体动力学分析研究结果表明，在采用自助起身（双手叉腰）方式起身时，单侧 KOA 患者内斜肌、股二头肌、股外侧肌的肌肉力先后达到峰值，分别为 248、709、544 N，远大于采取外物支撑起身方式（手撑扶手、双手扶桌）对应的肌肉力，这表明双手叉腰起身方式主要依靠受试对象腹部发力带来的上肢惯性运动完成，在运动学方面的表现为竖直方向加速度更大，反映在动力学参数上便是下肢地面反作用力之和更大。一方面，单侧 KOA 患者双手叉腰起身时对应的非手术侧、拟置换侧膝屈伸角度差异最为悬殊；另一方面，双手叉腰起身对应的地面反作用力峰值之和最大。两个方面共同作用的结果就是双手叉腰起身方式对应的非手术侧下肢受力较另外两种起身方式大得多。患者若长期采用自助起身方式，可能的结果是非手术侧膝关节过大的机械载荷累积，进而发展为 KOA 风险增大。
目前，本研究尚有不足之处，体现在：① 受试样本量少；② 研究结果没有排除受试对象下肢不等长的因素。本文对 9 例（12 膝）终末期 KOA 内翻患者进行了水平行走和起立过程步态的生物力学特征研究，对 KOA 内翻患者的步态特征进行了定量分析，今后还可以进一步根据 KOA 患者关节畸形情况（内翻、外翻、僵直膝、风湿性关节炎）进行分类及术前、术后不同阶段步态特征进行研究，以利于患者术后个性化的康复指导。
4 结论
内翻膝患者的运动能力减弱，水平行走时拟置换侧膝关节负载较大，骨性关节炎是长期不正常的机械载荷累积的结果。水平行走和坐立-起身时 KOA 内翻膝患者均采用非手术侧进行主要支撑，长期效应可能造成非手术侧过大机械载荷累积，增加非手术侧罹患 KOA 的风险。
致谢：西安交通大学机械工程学院的曲晓丽老师和尉萍萍老师为本研究的步态采集提供了帮助，西安交通大学附属红会医院的刘希伟、赵光辉、孙相祥、马建兵医生为本研究提供了指导，在此一并表示感谢！
引言
膝骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是一种多发于老年人的退行性疾病[1]，KOA 患者往往伴随不同程度的关节畸形，其中内翻畸形（俗称弓形腿）最为常见[2]。KOA 合并内翻畸形最有效的治疗方式是全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）。术中残留内翻畸形或完全矫正畸形的手术效果尚无定论，而在术前对步态的生物力学特征开展相应研究能否为术前规划、术中截骨及术后个性化康复提供理论基础，值得深入研究。
水平行走和坐立-起身过程作为患者日常生活中频率最高的步态，具有较为重要的研究价值。目前对终末期内翻膝患者水平行走的步态研究主要着眼于 TKA 术后胫股角的变化[3]、针对性的康复治疗[4]、躯干运动[5]和关节功能[6]、足底压力中心位置[7]等，尚未见到针对终末期内翻膝患者水平行走过程的时间-空间参数的定量研究。有研究表明，正常人每天完成坐立-起身过程约 60 次，椅面高度或起身方式的变化会引起下肢关节生物力学参数急剧变化[8-9]。但目前对重度 KOA 患者坐立-起身过程下肢生物力学的研究多集中于全膝关节置换术后[10-12]，而术前研究较少。少量针对 KOA 患者术前起立过程的研究也尚未对患者内外翻畸形进行分类研究[9, 13-15]。因此，本研究拟通过对 KOA 患者水平行走和坐立-起身过程进行步态采集及骨肌多体动力学分析，研究膝内翻患者的术前运动特征，为患者术后康复提供针对性的指导。
1 材料和方法
1.1 试验对象
本研究试验组为 2016 年 8 月—2016 年 11 月在西安交通大学附属红会医院关节外科进行全膝关节置换术前的 9 名膝关节骨性关节炎伴内翻畸形终末期患者（6 例单侧内翻，3 例双侧内翻）。对试验组的拟置换膝关节进行美国膝关节协会评分（Keen Society Score，KSS）和美国西部 Ontario 和 McMaster 大学骨关节炎指数评分（The Western Ontario and McMaster Universities Arthritis Index，WOMAC）。另招募 7 名健康老年人作为对照组。试验组和对照组基本信息如表 1 所示。试验组和对照组的筛选由西安交通大学附属红会医院一名专业医生完成。纳入标准为：试验组除膝关节外其他关节无严重病变或进行过关节手术，可在无拐杖或他人协助下正常行走，没有神经缺陷，没有不可控制的高血压，无下肢严重麻木感，视力良好，行走耐力良好，体重指数（body mass index，BMI） < 50。该试验经西安交通大学附属红会医院伦理委员会批准，试验前所有受试对象都已被告知试验相关信息并签署知情同意书。
表1
受试对象基本信息
Table1.
Basic information of participants
1.2 试验步骤
使用带 10 个红外摄像仪的三维运动分析系统 VICON（Oxford Metrics Inc.，英国）和 3 块三维测力板（AMTI Corporation，Watertown，MA，美国）采集受试对象进行水平行走和坐立-起身过程的步态数据。此外，需测量受试对象的身高、体重、腿长等生理学参数，并分别在受试对象的各主要骨性标记点处贴红外反光标志点小球，如图 1 所示。受试对象只穿贴身泳衣赤足以自选步速按指定路径正常行走。完成起立过程时，受试对象水平坐立，双侧脚底分别放在相邻两块测力板上。听到测试采集人员的指挥口令后，以自选速度在指定椅面高度（380、400、420、440、460 mm）和指定起身方式（手撑扶手、双手叉腰、手扶 720 mm 高度桌面）下完成坐立-起身过程。受试对象每完成一种椅面高度或起身方式的步态采集之前进行至少两次练习，相邻步态之间间隔 30 s 以上。取 5 次踩测力板正常并且标志点轨迹连续的步态数据进行保存以备后期处理。
图1
受试对象步态采集
Figure1.
Motion capture of participants
采用统计分析软件 SPSS（SPSS 20.0; Chicago，IL，美国）对试验组与对照组的参数结果进行独立样本 t 检验，P < 0.05，为差异具有统计学意义。
1.3 数据处理
将三维步态文件导入骨肌多体动力学软件 AnyBody（AnyBody Technology A/S，V. 6.03，Aalborg，丹麦），建立受试对象的个性化骨肌模型，进行运动学和动力学分析，得到受试对象的生物力学数据。为剔除个体差异以便进行统一比较，对数据结果进行归一化处理。水平跨距定义为：跨距/腿长；水平行走的一个完整步态周期的定义为：脚跟着地到该侧脚跟再次着地。坐立-起身过程的一个完整步态定义为：粘贴在第七颈椎棘突处的标记小球在矢状面内开始运动到下肢膝关节达到最小屈伸角度为止。引入下肢地面反作用力对称度来描述受试对象在坐立-起身过程中双侧下肢受力的对称情况，下肢地面反作用力对称度的计算方法为：对于单侧膝关节受累的患者，下肢地面反作用力对称度为拟置换侧下肢地面反作用力峰值与非手术侧下肢地面反作用力峰值的比值[16]；对于对照组或双侧膝关节受累的患者，则下肢地面反作用力对称度为左腿与右腿地面反作用力峰值的比值。地面反作用力峰值之和表示受试对象左腿地面反作用力峰值与右腿地面反作用力峰值之和。
2 结果
2.1 水平跨距
试验组非手术侧下肢的平均步行周期时长为 1.44 s，拟置换侧下肢为 1.32 s，而对照组的平均步行周期时长为 1.24 s。试验组与对照组相比，步行周期的平均时长增加，差异具有统计学意义（P < 0.05）。试验组非手术侧下肢的平均水平跨距为 0.92 m，拟置换侧下肢为 1.07 m，而对照组的平均水平跨距为 1.24 m。试验组与对照组相比，步行周期时长增加，水平跨距减小，差异具有统计学意义（ P < 0.05）。
2.2 膝关节运动学（动力学）
受试对象水平行走时一个完整步态周期内膝关节屈伸角度和膝关节合力变化曲线如图 2 所示，灰色阴影部分为对照组膝关节力范围区间，黑色粗实线表示对照组平均值。绿色实线表示单侧 KOA 患者非手术侧，绿色虚线表示单侧 KOA 患者拟置换侧。粉色虚线表示双侧 KOA 患者。试验组站立相阶段膝关节屈伸角度没有明显的起伏变化，典型临床表现为缺少站立相后期的膝关节恢复伸展动作。试验组拟置换侧膝和非手术侧膝的波峰相位在 75% 步态周期前后出现，与对照组相比后移，站立相延长。试验组非手术侧膝关节平均活动范围为 22.5°～71.5°，拟置换侧膝关节平均活动范围为 24.4°～57.6°，而对照组膝关节平均活动范围为 7.2°～62.4°。试验组水平行走起始时刻（脚跟着地）时刻膝关节屈伸角度增加，伴随一定程度的膝关节屈曲，行走过程中膝关节活动范围较对照组偏小。其中，单侧 KOA 合并内翻畸形患者拟置换侧膝关节平均活动范围为 23.4°～62.2°，双侧 KOA 合并内翻畸形患者的拟置换侧膝关节平均活动范围为 25.5°～56.3°。内翻膝患者的膝关节力曲线覆盖范围较大，呈现出较为明显的个体差异。单侧 KOA 患者非手术侧下肢膝关节力峰值为 5.53 BW，拟置换侧膝关节力峰值为 5.88 BW。双侧 KOA 患者的拟置换侧下肢膝关节峰值为 5.68 BW，而对照组膝关节峰值为 4.96 BW。KOA 患者膝关节力峰值大于对照组，双侧 KOA 患者的下肢膝关节力峰值介于单侧 KOA 患者非手术侧和拟置换侧下肢膝关节力峰值之间，差异不具有统计学意义（P>0.05）。
图2
受试对象水平行走膝关节屈伸角和膝关节合力
Figure2.
Knee flexion angle and knee contact forces of participants during level walking
2.3 坐立-起身过程的地面反作用力
受试对象完成坐立-起身过程的下肢地面反作用力峰值和完成时间如表 2 所示。试验组（包括单侧 KOA 患者和双侧 KOA 患者）和对照组以不同椅面高度和不同起身方式完成坐立-起身过程的下肢地面反作用力峰值和完成时间不尽相同。
表2
坐立-起身过程的下肢地面反作用力和完成时间（
）
Table2.
Ground reaction forces and completion time during sit-to-stand trial (
)
单侧 KOA 患者以 3 种方式完成坐立-起身动作过程中，其下肢地面反作用力对称度介于 0.72～0.85 之间，即坐立-起身过程中非手术侧下肢承担大部分身体载荷，与对照组相比，差异具有统计学意义（P < 0.05）。双侧 KOA 患者以 3 种方式完成坐立-起身动作过程中，其地面反作用力峰值之和介于 1.05 BW～1.15 BW 之间，与对照组相比，差异具有统计学意义（ P < 0.05），且双侧 KOA 患者的地面反作用力之和数值更小。整体而言，3 种不同的起身方式中，受试对象以双手叉腰方式完成坐立-起身过程时，其地面反作用力数值之和最大。在坐立-起身完成时间方面，单侧 KOA 患者在以手扶 720 mm 高度桌面方式起身时，其完成时间较对照组数值偏大，差异具有统计学意义（ P < 0.05）。
2.4 坐立-起身过程结束时的膝关节屈曲角度
受试对象完成坐立-起身过程结束时刻的膝关节屈曲角度统计结果如图 3 所示。从图中可以看到，在 3 种不同的坐立-起身方式结束后，试验组（单侧 KOA 患者和双侧 KOA 患者）的拟置换侧、非手术侧膝关节屈伸角度均呈现较高的数值（>20°），临床表现为较严重的关节挛缩畸形，与对照组相比，差异具有统计学意义（P < 0.05）。单侧 KOA 患者以自助起身（双手叉腰）方式完成坐立-起身过程时，其非手术侧下肢膝屈曲角度最小，此种起身方式下双侧下肢膝关节屈曲角度数值相差最大。
图3
受试对象坐立-起身过程结束时的膝关节屈曲角度
Figure3.
Knee flexion angle of participants right after the sit-to- stand trial
3 讨论
本研究借助三维运动分析系统采集分析了 KOA 合并内翻畸形终末期患者水平行走和坐立-起身过程的运动，采用术前膝关节功能评分来评定患者膝关节功能和结构，采用生物力学方式来评估患者的膝关节运动功能和关节载荷，对于探讨 KOA 合并内翻畸形对患者下肢生物力学的影响、指导全膝关节置换手术和评估患者术后非手术侧关节置换风险有较高的指导价值。本文研究结果表明，KOA 合并内翻畸形患者运动功能减弱，非手术侧下肢日常活动中代偿作用明显，在完成指定高度或指定起身方式的坐立-起身过程中，单侧 KOA 患者非手术侧下肢和膝关节承受更大的关节负载和地面反作用力，长期高频次的坐立-起身动作可能加速非手术侧膝关节软骨的退行性变化，进而增加 KOA 风险。
内翻膝患者非手术侧膝关节运动功能受拟置换侧下肢膝骨关节炎较大程度的影响。KOA 内翻患者的运动能力大大减弱，具体表现在水平跨距减小、步行周期延长。由于膝关节骨性关节炎往往伴随着关节挛缩畸形和下肢长度不相等[17]，非手术侧下肢较长，拟置换侧下肢较短，患者水平行走时双侧下肢交替支撑，导致拟置换侧下肢水平跨距更大。水平行走时，内翻膝患者双侧下肢膝关节最小屈曲角度增加，但膝关节屈曲活动度减小，临床表现为膝关节挛缩畸形。膝关节挛缩畸形造成股骨膝关节面与胫骨膝关节面接触面积减小，负重时膝关节单位面积所受到的应力增加，从而进一步加速关节软骨的退变。与对照组相比，单侧膝内翻患者的非手术侧膝关节在步态初始时刻屈曲角度增大，步态过程中膝关节活动度减小，但受影响程度不及拟置换侧膝关节。
内翻膝患者水平行走时的膝关节力比正常人更大。一方面，患者正常行走时膝关节屈伸程度较大，股四头肌等肌群张紧力增大[4, 13]；另一方面，患者水平行走时躯干重心降低，躯干在矢状面内的横向摆动幅度增加[5]，身体重心侧倾幅度增加，支撑足关节负载增大。单侧膝内翻患者的拟置换侧膝关节受力较大，可以理解为该关节长期遭受机械载荷累积造成了膝关节骨性关节炎。与此相对地，双侧膝内翻患者双侧下肢的膝关节力峰值介于单侧膝内翻患者非手术侧与拟置换侧关节力之间。双侧膝内翻症状可以认为是单侧膝内翻症状持续发展的结果，KOA 伴随膝关节疼痛与功能减退[18]，患者将身体载荷转移到非手术侧下肢，因而增加了非手术侧膝关节罹患骨性关节炎的风险。对正常个体而言，下肢机械轴从髋关节中心到踝关节中心，恰好通过膝关节中心，从而使膝关节所承受的载荷得以均匀向下传导。膝内翻使机械轴偏离膝关节中心，膝关节内侧间室过度负载，一旦发生骨关节炎，膝关节在关节功能与疼痛的平衡作用下会出现内翻程度的恶性循环。
在本文设立的 3 种坐立-起身方式中，对于单侧 KOA 患者的非手术侧下肢来说，自助起身（双手叉腰）方式的风险最大。本文骨肌多体动力学分析研究结果表明，在采用自助起身（双手叉腰）方式起身时，单侧 KOA 患者内斜肌、股二头肌、股外侧肌的肌肉力先后达到峰值，分别为 248、709、544 N，远大于采取外物支撑起身方式（手撑扶手、双手扶桌）对应的肌肉力，这表明双手叉腰起身方式主要依靠受试对象腹部发力带来的上肢惯性运动完成，在运动学方面的表现为竖直方向加速度更大，反映在动力学参数上便是下肢地面反作用力之和更大。一方面，单侧 KOA 患者双手叉腰起身时对应的非手术侧、拟置换侧膝屈伸角度差异最为悬殊；另一方面，双手叉腰起身对应的地面反作用力峰值之和最大。两个方面共同作用的结果就是双手叉腰起身方式对应的非手术侧下肢受力较另外两种起身方式大得多。患者若长期采用自助起身方式，可能的结果是非手术侧膝关节过大的机械载荷累积，进而发展为 KOA 风险增大。
目前，本研究尚有不足之处，体现在：① 受试样本量少；② 研究结果没有排除受试对象下肢不等长的因素。本文对 9 例（12 膝）终末期 KOA 内翻患者进行了水平行走和起立过程步态的生物力学特征研究，对 KOA 内翻患者的步态特征进行了定量分析，今后还可以进一步根据 KOA 患者关节畸形情况（内翻、外翻、僵直膝、风湿性关节炎）进行分类及术前、术后不同阶段步态特征进行研究，以利于患者术后个性化的康复指导。
4 结论
内翻膝患者的运动能力减弱，水平行走时拟置换侧膝关节负载较大，骨性关节炎是长期不正常的机械载荷累积的结果。水平行走和坐立-起身时 KOA 内翻膝患者均采用非手术侧进行主要支撑，长期效应可能造成非手术侧过大机械载荷累积，增加非手术侧罹患 KOA 的风险。
致谢：西安交通大学机械工程学院的曲晓丽老师和尉萍萍老师为本研究的步态采集提供了帮助，西安交通大学附属红会医院的刘希伟、赵光辉、孙相祥、马建兵医生为本研究提供了指导，在此一并表示感谢！
