鐘慧敏 李斌 陳博 劉志宏 郭蕾 黃萍

膝關(guān)節(jié)置換術(shù)是膝關(guān)節(jié)退變性骨關(guān)節(jié)炎、創(chuàng)傷性骨關(guān)節(jié)炎、骨軟骨壞死性疾病、骨腫瘤等發(fā)展到終末期最有效的治療方法[1-2]。膝關(guān)節(jié)置換術(shù)前患者均存在膝關(guān)節(jié)疼痛、變形、活動受限及步態(tài)異常，甚至不能行走等癥狀。有研究報道，這些患者的步速、步幅、步頻均有下降，跨步時間延長，患膝關(guān)節(jié)活動度減小，且減小幅度與疾病嚴重程度呈正相關(guān)[3]。有研究認為，這類疾病發(fā)生發(fā)展及嚴重程度除了與患者年齡、職業(yè)、性別、體質(zhì)量等有關(guān)外，還與膝關(guān)節(jié)在運動過程中所承受的應(yīng)力及關(guān)節(jié)軸向?qū)€正常與否等生物力學因素密切相關(guān)[4-6]。另有研究也證實，膝關(guān)節(jié)置換術(shù)前患者準備手術(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)矢狀面及冠狀面膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角曲線、關(guān)節(jié)力矩曲線總體相似，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角幅值和關(guān)節(jié)力矩峰值均無顯著性差異[7]。但研究未涉及膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者手術(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)生物力學比較。對于術(shù)后患者雙側(cè)膝關(guān)節(jié)運動學、動力學的變化，仍需要進一步研究。

Vicon運動捕捉系統(tǒng)是目前公認的能夠完整而準確測量人體運動時關(guān)節(jié)運動學、動力學等參數(shù)的測試分析系統(tǒng)，開始主要應(yīng)用于動畫制作、體育訓練、人體工程學研究等方面，目前醫(yī)學界也將Vicon運動捕捉系統(tǒng)應(yīng)用于臨床醫(yī)療和基礎(chǔ)研究。

本研究應(yīng)用英國Vicon運動捕捉系統(tǒng)采集雙側(cè)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者單側(cè)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后行走數(shù)據(jù)，分析手術(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)運動學和動力學參數(shù)改變，從而客觀地反映手術(shù)后患者雙側(cè)膝關(guān)節(jié)生物力學情況，準確評估膝關(guān)節(jié)置換術(shù)效果和非手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)置換時機。

1 方法

1.1 研究對象

本研究受試對象為2011年7月至2019年4月上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院門診就診的雙側(cè)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎單側(cè)膝關(guān)節(jié)置換患者，共30例。其中男5例，女25例；年齡53～82歲，平均(69.40±6.90)歲；體質(zhì)量50～88 kg，平均(65.27±9.20) kg；身高1.4～1.8 m，平均(1.56±0.08) m；術(shù)后隨訪時間4～108個月，平均(23.50±25.36)個月；左側(cè)膝關(guān)節(jié)置換8例，右側(cè)膝關(guān)節(jié)置換22例。本組病例均為本院手術(shù)患者，所有受試者均能不借助輔助工具行走，測試前向患者解釋實驗目的、步驟和方法。

1.2 納入標準與排除標準

納入標準：①雙側(cè)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者單側(cè)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者；②術(shù)后至少3個月，無術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生，能獨立行走；③所有膝關(guān)節(jié)置換術(shù)均由同一科室經(jīng)驗熟練的高年資醫(yī)生完成；④術(shù)前兩側(cè)膝關(guān)節(jié)癥狀及影像學嚴重程度相當；⑤測試前所有受試對象知曉測試相關(guān)流程并簽署知情同意書。

排除標準：①非單純的骨關(guān)節(jié)炎(如伴有痛風、類風濕等)；②曾有下肢外傷或手術(shù)史；③有心肺、神經(jīng)等系統(tǒng)嚴重基礎(chǔ)疾病；④聽力、視力及理解功能存在異常。

1.3 測量儀器

采用英國Vicon 公司生產(chǎn)的三維運動捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)由10個高速紅外攝像頭、2塊AMTI三維測力板(每塊測力板長508 mm,寬464 mm)、1臺電腦、1個攝像機、1個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒、反光球、T形校準架、配套軟件等組成。系統(tǒng)測試頻率設(shè)置為100 Hz，使用軟件有Vicon Nexus和Vicon Polygon，其中測試場地空間長約10 m，寬約5 m，高約3 m。

1.4 方法

開始前，清除實驗室所有反光物品，關(guān)門窗，調(diào)整室內(nèi)溫度為28℃,校正Vicon Nexus系統(tǒng)，受試者更換實驗專用緊身衣短褲。測試時先對受試者身高、體質(zhì)量、下肢長度(髂前上棘到內(nèi)踝的長度)、膝寬(膝內(nèi)外側(cè)的寬度)、踝寬(內(nèi)外踝之間的距離)進行測量，然后使用直徑為14 mm的標記球16顆進行體表標記，標記點位置為左右(髂前上棘、髂后上棘、大腿外側(cè)、膝外上髁、小腿外側(cè)、外踝尖、第二跖骨、足后跟)。然后囑咐受試者在其中1塊測力板上保持靜止站立姿勢，建立靜態(tài)模型，隨后讓受試者以平常行走速度在測試區(qū)域來回自然直走，在行走過程中每只腳分別踏在1塊測力板上，先試走幾次，適應(yīng)實驗環(huán)境并達到實驗要求后開始正式測試，Vicon運動捕捉系統(tǒng)記錄所有標記球在行走時的運動軌跡。數(shù)據(jù)采集后，通過Vicon Nexus軟件處理原始數(shù)據(jù)并進行計算導出，再用Vicon Polygon軟件顯示所得的數(shù)據(jù)，選取經(jīng)過2個測力板的1個步態(tài)周期膝關(guān)節(jié)三維運動學與動力學數(shù)據(jù)進行分析。

1.5 觀測指標

觀測指標有矢狀面、冠狀面、水平面膝關(guān)節(jié)角度和活動范圍、運動角速度和角加速度、力矩及受力。為便于比對，所有極值均取絕對值。

1.6 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學分析，手術(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)數(shù)據(jù)進行兩樣本均數(shù)配對t檢驗分析。以均數(shù)±標準差表示，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

患者手術(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)矢狀面膝關(guān)節(jié)角度峰值和最大活動范圍見圖1，手術(shù)側(cè)矢狀面膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度、伸展角度及活動范圍均較未手術(shù)側(cè)增大(P<0.05)?；颊呤中g(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)冠狀面膝關(guān)節(jié)角度峰值和最大活動范圍見圖2，手術(shù)側(cè)冠狀面膝關(guān)節(jié)最大內(nèi)翻角度較未手術(shù)側(cè)減小(P<0.05)，手術(shù)側(cè)冠狀面膝關(guān)節(jié)最大外翻角度較未手術(shù)側(cè)增大(P<0.05)。患者手術(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)水平面膝關(guān)節(jié)角度峰值和最大活動范圍見圖3，手術(shù)側(cè)與未手術(shù)側(cè)無明顯差異(P>0.05)?；颊呤中g(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)運動角速度和角加速度見圖4，手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)最大角速度、平均角速度、最大角加速度、平均角加速度均較未手術(shù)側(cè)增快(P<0.05)?；颊呤中g(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)力矩見圖5，手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)屈曲力矩峰值較未手術(shù)側(cè)增大(P<0.05)，手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)伸展力矩峰值較未手術(shù)側(cè)減小(P<0.05)?；颊呤中g(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)受力見圖6，手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)前后方向最大和平均受力較未手術(shù)側(cè)增大(P<0.05)，手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)左右方向最大和平均受力較未手術(shù)側(cè)減小(P<0.05)，手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)垂直方向平均受力較未手術(shù)側(cè)增大(P<0.05) 。

圖1患者矢狀面膝關(guān)節(jié)角度峰值和活動范圍，*表示與未手術(shù)側(cè)相比，P<0.05

圖2患者冠狀面膝關(guān)節(jié)角度峰值和最大活動范圍，*表示與未手術(shù)側(cè)相比，P<0.05

圖3 患者水平面膝關(guān)節(jié)角度峰值和最大活動范圍

圖4患者膝關(guān)節(jié)運動角速度和角加速度，*表示與未手術(shù)側(cè)相比，P<0.05

圖5 患者膝關(guān)節(jié)力矩，*表示與未手術(shù)側(cè)相比，P<0.05

圖6 患者膝關(guān)節(jié)受力，*表示與未手術(shù)側(cè)相比，P<0.05

3 討論

膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎是與生物力學相關(guān)的一類疾病，多表現(xiàn)為膝關(guān)節(jié)疼痛和畸形[8-9]。膝關(guān)節(jié)置換術(shù)是膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎終末期最有效的治療手段之一。膝關(guān)節(jié)置換術(shù)能矯正膝關(guān)節(jié)畸形，緩解疼痛，恢復膝關(guān)節(jié)活動和功能，術(shù)后患者生活質(zhì)量得到明顯提高[10]。但是由于膝關(guān)節(jié)置換術(shù)創(chuàng)傷大、手術(shù)麻醉時間長、失血量多及此類患者年齡大且常伴有慢性疾病(如糖尿病、冠心病、肺氣腫、高血壓)等，膝關(guān)節(jié)置換術(shù)風險相應(yīng)增加[11]。為了安全，一般雙側(cè)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者先進行單側(cè)置換，再根據(jù)治療效果和康復情況決定未手術(shù)側(cè)置換時機。因此，雙側(cè)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎單側(cè)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后有效評估雙側(cè)膝關(guān)節(jié)功能非常重要。

Vicon運動捕捉系統(tǒng)是三維分析人體運動狀態(tài)下生物力學變化最客觀、有效的新手段。它根據(jù)生物力學原理，應(yīng)用計算機輔助及紅外攝像技術(shù)，在人體步行過程中檢測、記錄特定時相軀干和關(guān)節(jié)運動、地面作用力、關(guān)節(jié)力矩等數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是數(shù)據(jù)準確、客觀，能從運動學、動力學對患者進行全面評估，從而更好地發(fā)現(xiàn)問題，制訂新的手術(shù)措施[12]。目前歐美及大洋洲等許多國家將運動捕捉分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域，并取得良好成效。例如，利用Vicon運動捕捉系統(tǒng)定制新型膝關(guān)節(jié)矯形器，此矯形器可有效減少步行過程中膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)受力，增加擺動相膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度，有助于提高步行效率[13-14]。研究發(fā)現(xiàn)，運動捕捉分析技術(shù)對假肢制作有重要指導意義,假肢安裝后步態(tài)功能評估結(jié)果對假肢佩戴后生物力線排列對齊、運動功能改善、代償性異?；顒影l(fā)生及根據(jù)功能變化對支具進行完善和修正等具有重要作用[15]。我國引進運動捕捉分析技術(shù)的時間較短，對其應(yīng)用研究也較少。然而，隨著生活水平的提高以及科技的進步，運動捕捉分析技術(shù)在臨床實踐與科學研究中的應(yīng)用越來越廣泛，是患者步行功能最好的評價工具，具有不可替代的作用。本研究采用先進的英國Vicon運動捕捉系統(tǒng)三維采集雙側(cè)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者單側(cè)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后行走數(shù)據(jù)，分析手術(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)運動學和動力學參數(shù)改變，從而客觀地反映膝關(guān)節(jié)置換術(shù)患者雙側(cè)膝關(guān)節(jié)生物力學改變，對于進一步評估膝關(guān)節(jié)置換術(shù)效果，預測非手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)置換時機，指導膝關(guān)節(jié)置換術(shù)很有必要。

人體行走過程中，矢狀面、冠狀面、水平面膝關(guān)節(jié)角度變化能在一定程度上反映步態(tài)正常與否。本研究選取1個步態(tài)周期內(nèi)患者手術(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)矢狀面、冠狀面、水平面膝關(guān)節(jié)角度變化并進行對比。如圖1、2所示，本組患者手術(shù)側(cè)與未手術(shù)側(cè)矢狀面、冠狀面膝關(guān)節(jié)角度存在較大差異。步態(tài)周期中手術(shù)側(cè)矢狀面膝關(guān)節(jié)最大屈曲角為53.19°，最大伸展角為5.28°，最大活動范圍為47.91°，冠狀面膝關(guān)節(jié)最大外翻角為9.38°，均較未手術(shù)側(cè)(分別為38.86°、2.44°、36.42°、3.15°)增大(P<0.05)。這是因為患者未手術(shù)側(cè)存在膝關(guān)節(jié)疼痛、變形，患者常不敢或難以屈伸膝關(guān)節(jié)，而手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)疼痛緩解，膝關(guān)節(jié)形態(tài)接近正常，膝關(guān)節(jié)能較好地進行屈伸運動。以上提示膝關(guān)節(jié)置換術(shù)能顯著提高膝關(guān)節(jié)活動度，從而使下肢具有較強的廓清能力。手術(shù)側(cè)冠狀面膝關(guān)節(jié)最大內(nèi)翻角為8.28°，較未手術(shù)側(cè)(14.52°)減小(P<0.05)。膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎多發(fā)生于內(nèi)側(cè)間室，隨著病程進展，脛骨平臺內(nèi)側(cè)間室壓力增大，關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)平臺塌陷，膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角逐漸增大，此角內(nèi)翻程度反映膝關(guān)節(jié)功能損傷嚴重程度，臨床上可據(jù)此為參照[16-17]。由于膝關(guān)節(jié)假體植入矯正了脛骨平臺內(nèi)傾，術(shù)后膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角也隨之較術(shù)前減小。

人體運動過程中的關(guān)節(jié)角速度和角加速度能夠反映關(guān)節(jié)運動能力[17]。圖4可見，患者手術(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)運動角速度和角加速度均存在較大差異?；颊呤中g(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)最大角速度為305.53 rad/s，平均角速度為97.73 rad/s，最大角加速度為4 206.33 rad/s2，平均角加速度為1 394.47 rad/s2，均較未手術(shù)側(cè)(分別為250.62 rad/s、80.90 rad/s、3 563.97 rad/s2、1 153.23 rad/s2)增快(P<0.05)，說明膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者步行流暢，膝關(guān)節(jié)運動能力增強。

除了膝關(guān)節(jié)角度和角速度等運動學數(shù)據(jù)外，步行過程中膝關(guān)節(jié)動力學數(shù)據(jù)也反映膝關(guān)節(jié)的不同特征。圖5為1個步態(tài)周期內(nèi)手術(shù)側(cè)與未手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)力矩的對比情況，手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)屈曲力矩峰值(353.64 N·mm)較未手術(shù)側(cè)(241.17 N·mm)增大(P<0.05)，而手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)伸展力矩峰值(261.67 N·mm)較未手術(shù)側(cè)(366.57 N·mm)減小(P<0.05)。術(shù)后膝關(guān)節(jié)疼痛緩解，畸形矯正，屈曲度增加，使體質(zhì)量在膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)應(yīng)力重新分布，因此膝關(guān)節(jié)屈曲力矩較術(shù)前增加，膝關(guān)節(jié)伸展力矩較術(shù)前減小。人體在步行運動過程中,髖、踝、膝關(guān)節(jié)通過協(xié)同作用共同驅(qū)動下肢向前方擺動,膝關(guān)節(jié)屈曲力矩增加,則增加了相應(yīng)關(guān)節(jié)驅(qū)動下肢的能力，從而使術(shù)后膝關(guān)節(jié)運動能力增加[18]。

膝關(guān)節(jié)受力指行走過程中作用于膝關(guān)節(jié)所受到的合力，包括上身重力和下肢傳遞回來的反作用力[19]。膝關(guān)節(jié)受力分析主要檢測3個方向的作用力參數(shù)，包括垂直方向受力、前后方向受力和左右方向受力，分別反映行走過程中膝關(guān)節(jié)負重、驅(qū)動、制動能力與穩(wěn)定性等[20]。本研究手術(shù)側(cè)前后方向最大膝關(guān)節(jié)受力(3.03 N)和平均膝關(guān)節(jié)受力(0.92 N)均大于非手術(shù)側(cè)(分別為2.62 N、0.67 N)(P<0.05)，說明術(shù)后膝關(guān)節(jié)推動力增強，步行能力增快；手術(shù)側(cè)垂直方向平均膝關(guān)節(jié)受力(4.27 N)大于非手術(shù)側(cè)(3.99 N)(P<0.05)，說明術(shù)后膝關(guān)節(jié)承重能力增強；手術(shù)側(cè)左右方向最大膝關(guān)節(jié)受力(1.48 N)和平均膝關(guān)節(jié)受力(0.53 N)均小于非手術(shù)側(cè)(分別為1.90 N、0.73 N)(P<0.05)，說明手術(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)作用力大小及對稱性存在差異，患者行走時步態(tài)不穩(wěn)定。

綜上所述，采用Vicon運動捕捉系統(tǒng)可以三維分析患者膝關(guān)節(jié)生物力學情況，提供了客觀、量化的運動學及動力學數(shù)據(jù)，科學地評價膝關(guān)節(jié)活動和功能。雙側(cè)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者單側(cè)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)活動和承受重量能力得到明顯提高，手術(shù)能有效改善患者步態(tài)及行走能力。但是雙側(cè)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者單側(cè)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后，未手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)疼痛、內(nèi)外翻及屈曲攣縮畸形往往會對手術(shù)側(cè)產(chǎn)生一定的影響，從而影響膝關(guān)節(jié)置換術(shù)整體效果。因此，根據(jù)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后膝關(guān)節(jié)運動學和動力學參數(shù)改變完善手術(shù)方式和康復鍛煉，結(jié)合患者身體狀況，盡可能縮短雙側(cè)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎分期置換相隔時間，可盡快達到雙腿行走對稱和平衡。