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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

发布时间:2016-10-27 08:19

  本文关键词: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,由笔耕文化传播整理发布。


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

李萍美 浙江工业大学体军部(杭州310014) 骨性关节炎(OA)是中老年人群的多发病和高发病,

其中又以膝关节骨性关节炎(KOA)发病率最高[¨,其发 以减tb;q,力矩,从而减少患肢负荷;同时指出通过分析 ’步态变化可制定OA造成运动障碍的量化标准,并可以 此评价非手术治疗计划的疗效。有研究[3]对比老年组、 患病组和对照组的各种步态指标时发现:前两组步速较 慢、节奏低、步长短、摆动时间长和双肢支撑时间长,

病机理目前尚无定论,国内外研究的重点多集中在分子

生物学和细胞生物学领域。而现代三维(three-dimen.

sional)步态分析系统的出现及应用,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

同时中立位时足中部承受了更多的负荷。还有学眷41利用

步态分析结合表面肌电(EMG)对比患病组和对照组水平 步行时的膝关节运动学和动力学变化,结果显示:膝关

力学数据。但目前相关研究方向分散,尚无统一评价标 准和操作规范。本文通过总结目前国内外相关研究状 况,以探讨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 步行是人类行动最主要的方法,也是肢体运动中重 复性最高的一种,神经、骨骼、肌肉系统受损或病变容

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。 Hurwitz[5]等通过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。Stephen【引等对KOA患者步行时膝

关节是否承受更大负荷进行了初步研究,综合分析了下 肢髋、膝、踝关节的步态周期中的生物力学情况,研究 了膝关节病变时髋、踝关节的代偿机制数据,结果表明 患病组与对照组无显著性差异,但却有进一步对OA的 生物力学机制进行研究的必要。有研究[7]通过三维步态 分析技术分别测量其日常步速下下肢各关节的运动学和 动力学指标。得出结论: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

易表现在步态上。因此,通过探讨步态动作中包括关节

角度、力矩及功率等运动学与动力学相关变量,可以了

解机体各部位的受力情形,对病因的确认、发病机制的 研究、治疗方法的选定以及疗效的评估均有直接的帮助。

上世纪70年代发展起来的现代步态分析系统是以 红外线高速摄影机为主的立体三维动作分析系统,配合

计算机高速运算能力和相关分析软件,以及测力板测得 之地面反作用力,计算出各关节的运动与受力情形。现

代三维步态分析系统结合红外线高速摄影机、测力板和

应考虑下肢所有关节的影响。

近来,Deluzid8j等从F一角、膝关节弯矩、内翻力矩 3个可能影响OA进程的生物力学参数出发,分析了膝

计算机分析使精确测量下肢动态生物力学指标成为现

实,并且具备操作简便、无创伤性和数据详实的特点,

为骨科生物力学研究、普通人群的科学健身与KOA患

者的康复疗效提供了可靠依据和工具。 虽然人体之内力数据仍然无法直接测得,但随着步

关节内部的应力分布。Lewek等【9j除关注力的参数外,

还对患者的表面肌电进行了分析。研究发现,股直肌一 腓肠肌共同收缩时相长于对照组。 2.2治疗措施与疗效评价的研究进展 Kawakami[m等对3位膝关节内侧面OA患者胫骨近 端截骨术(HTO)术后进行三维步态分析,结果表明:HTO 术后膝关节动力性负荷轴线轨迹由关节后内面向关节面 中间移动,术后一年内早期站立相负荷轴线的外向移位

态分析测量方法的发展以及各类疾病步态特征知识的累

积与建立,步态分析将在骨科生物力学、康复工程与医 学工程等领域扮演重要的角色,其未来的发展也将对这 些领域产生积极的影响。 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

减少。还有学群11】对比了HTO和UKA(单髁置换)两种

手术术后的步速、步频、步长和各下肢的单肢与双肢站 立相的步态指标,对两种手术的疗效作了客观比较,并 指出日常步行速度应推荐用于OA术后评价。 有的研究【挖】则对比止痛治疗后KOA组和对照组的 步速、步行节奏、最大膝关节内收外力矩和最大髋关节 内收外力矩与踝关节外展力矩,结果表明,局部注射止 痛剂可显著增强步行能力,而对蹬阶能力影响不大。

利用步态分析对KOA的发病机制进行研究,是目 前国际相关领域的研究热点。通过下肢受力来分析膝关

节动态负荷变化规律,有助于KOA患者的康复治疗以

及疗效评价。

有学者【2】在对139名膝关节OA患者步态特点的研 究中,将实验对象分为正常组和患病组,运用三维步态

分析技术对水平及上下台阶时步速、步态周期变化、膝 关节屈伸度和关节力矩变化的研究发现:患病组中体重

超标者膝关节负荷明显高于正常组,患者通过改变步态

关于支具的研究b】中,对ll位使用治疗性支具的OA 病人进行评价表明,可调外翻支具可有效减少关节内侧

通讯作者:李萍美,Email:stgx@_,263.net

万方数据  

?227?

面压力。从而减轻疼痛并提高膝关节功能。Hewett【l卅曾

可行,通过运用步态分析技术观察使用治疗性支具后步 态改变。分析膝关节受力变化,可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 发展提供新颖的思路和客观的量化数据。但国外对支具

的研究缺乏使用后患者下肢力线等指标的标准化规定和

对18位膝关节内侧面骨性关节炎患者使用外翻支具,

平均每天7小时、每周5天、共9周,进行步态分析后

显示步行能力明显提高,但使用支具时髋关节内收力

矩、膝关节屈伸力矩和踝关节内外旋力矩无明显变化,

因此没有足够数据支持此保守疗法。支具在步行中可以 提高髋关节的力矩,但会降低膝关节的力矩。在前向跑 动时,支具可减少膝关节屈曲角度和胫骨的旋转角度,

但在跑步支撑期时不会影响胫骨内旋。许多学者观察到 在负重增加时,支具几乎未起到控制胫骨前移的作用。 Branchtl5J发现运动中股四头肌的活动下降18%,峰值下

髋、踝关节代偿性改变的评价标翟a2-37]。同时还存在对

手术和保守治疗效果的评价没有步态分析方面研究成果

的状况。相关研究还需深入。

3.3参与KOA患者健身与康复指导 为减少疼痛而进行的过度的步态适应会导致肌肉的

废用性萎缩。有研究表咧,J:关节疼痛、炎症和渗出可

抑制运动单位的激活,这种抑制又进一步加重肌肉力量

降14%,伴随胭绳肌活动下降18%。他认为,支具不 会影响本体感觉,但会减少肌肉做功的速度和强度,并

起到机械保护作用。 Shimada等t16】评估KOA患者穿楔形鞋垫的效果发 现,K—L分级1级中和2级的患者效果显著,建议早、 中期患者使用楔形鞋垫。另外,还有人对简易铰链式支 具和外翻矫形支具进行了对比评估【17】。结果发现:后者

和速度的丧失并增加疲劳。这些因素的结合导致关节制

动,进一步加剧功能的缺失。伴随疼痛和功能的下降, 患者大腿前后肌群的力量、耐力和收缩速度也下降。因 此,股四头肌无力和疲劳是膝关节OA患者的早期常见

并发症。以上机制造成了KOA患者不同程度的减少了

运动甚至是日常活动,久之导致身体机能的减退而加重 病情,影响运动健身的发展。因此,引进先进的步态分 析系统为此人群的运动机能进行准确评估并制定有效的

在缓解疼痛、改善关节功能、减轻关节负荷和增加推动

力方面均明显优于前者。 2.3国内研究现状 目前国内对步态分析的基础理论及应用方面的研究 已有报道【18.1引,而对KOA产生机制和临床应用方面的 研究起步较晚。近年来,有少数学者开始了相关研究[20,21】。

康复计划有重要的社会意义。 国内有关KOA康复的研究中,步态分析的应用尚 未见研究性报道。现代步态分析系统可以测量膝关节的

运动学与动力学参数,并配备精确数据分析软件。同时

由于研究对象的限制和仪器软件的不断发展,国内相关

领域的研究还不够深入,且与国际水平还有相当的差 距,尚未引入运动健身领域。

可以整合肌力、平衡能力等方面的数据分析,因此在

KOA康复中的应用是全方位的。目前步态分析在功能 评估、支具评价、止痛药物和手术效果的评价及假肢设

KOA三维步态分析在运动医学中的应用

计等方面的应用越来越广泛,必将推动KOA康复技术

的发展。 膝关节OA的病情不可逆转,但通过步态分析系统 的客观评价,可以为不同病情的患者选择恰当的运动方

3.1建立步态分析数据库 KOA病凶复杂,涉及多关节、多器官病变,同时 其退行性改变的程度存在显著的性别、年龄以及个体生 理条件等方面的差异。目前,国际上相关研究领域缺乏正

常和患病人群的大样本膝关节生物力学数据笠塌】,尤其是

不同实验对象的选取条件下(如年龄、性别、BMI、病情程 度等)KOA的步态分析数据(包括髋、膝、踝关节的全部

式和运动量。避免废用性机能损失和错误运动方式和方 法的选择,可提高人们的生活质量,从而促进我国运动 健身和医学事业的发展。

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数据),缺乏参照意义。同时各研究单位、研究设备及

参数分析标准不统一,造成相同研究方法的研究结果不 同甚至相反的现象,需要对实验方法进行详细说明,如

C,Morrey BF,et a1.Gait character-

所用系统配置、数据采集方法和分析软件等。因此应该

建立~定规模的步态分析系统化的数据库,提供生物力

patiems

with

knee

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3.2支具研发与疗效评价

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wit|h

knee

n队(全膝置换)等。尤其对于中晚期患者,临床观察显

示手术效果显著,但存在创伤大、造价高、并发症多和 康复时间长等不足【30.31]。因此为达到延缓疾病的发展及 保护关节功能的治疗目的,发展非手术治疗方法很有必

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万方数据  

?228?

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