黃 萍，王 怡，陳 博，郭 蕾，劉志宏，齊 進(jìn)，鄧廉夫*

膝骨關(guān)節(jié)炎（kneeosteoarthritis，KOA）是中老年人常見的慢性退行性關(guān)節(jié)疾病，以關(guān)節(jié)軟骨、軟骨下骨、周圍軟組織共同病損為主要特征。發(fā)病率隨年齡增加而升高，流行病學(xué)調(diào)查顯示，55歲以上KOA的發(fā)病率高達(dá)44%～70%，66～70歲年齡段KOA患者甚至高達(dá)81.18%［1-2］。臨床主要表現(xiàn)為發(fā)展性膝關(guān)節(jié)疼痛、變形、活動受限，嚴(yán)重時(shí)喪失關(guān)節(jié)功能，影響患者日常生活和工作，導(dǎo)致其生命質(zhì)量下降。目前，主要采用影像學(xué)、評估量表評估KOA患者的病情進(jìn)展、治療效果。有研究發(fā)現(xiàn)，影像學(xué)變化與KOA的癥狀改善沒有直接的相關(guān)性［3］?；颊咛弁春凸δ茏晕以u估量表，如美國特種外科醫(yī)院膝關(guān)節(jié)功能（HSS）評分、西安大略和麥克瑪斯特大學(xué)OA指數(shù)（WOMAC）、美國骨科醫(yī)師學(xué)會（AAOS）膝關(guān)節(jié)功能評分等，這些評估量表中對于膝關(guān)節(jié)功能的判斷，基本依據(jù)醫(yī)生目測或物理檢查以及患者主訴，患者訴膝關(guān)節(jié)疼痛是一種主觀感受，源于多層次神經(jīng)系統(tǒng)，易受認(rèn)知及情境因素影響，使得KOA的臨床癥狀與KOA患者解剖結(jié)構(gòu)損害程度常不相符［4］。因此臨床上對于KOA患者迫切需要引入一種新的、適用的評估檢測方法。

KOA患者膝關(guān)節(jié)變形、活動受限、行走時(shí)外觀有明顯改變，預(yù)示KOA是與步態(tài)和運(yùn)動學(xué)、運(yùn)動力學(xué)等生物力學(xué)因素關(guān)系密切的一種疾病。在患者的病情、膝關(guān)節(jié)功能、治療效果、康復(fù)鍛煉評價(jià)中，對這些運(yùn)動學(xué)、運(yùn)動力學(xué)指標(biāo)的測定有著不可替代的作用?，F(xiàn)代VICON運(yùn)動捕捉技術(shù)是目前國際公認(rèn)的、能夠客觀定量地評定人體步行功能的三維步態(tài)分析系統(tǒng)，能夠完整而準(zhǔn)確地測量人體運(yùn)動時(shí)關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)、運(yùn)動力學(xué)等指標(biāo)，日益受到人們的關(guān)注，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的一個(gè)新熱點(diǎn)?；谏鲜鲆蛩?，本研究采用VICON三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)對KOA患者和正常人進(jìn)行三維步態(tài)數(shù)據(jù)采集和分析，有助于更好地了解KOA患者膝關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)和運(yùn)動力學(xué)等指標(biāo)，從而為KOA診斷、治療及研究提供重要參考依據(jù)。

本研究創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）本研究采用先進(jìn)的英國VICON三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)定量解析膝骨關(guān)節(jié)炎（KOA）患者膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)等指標(biāo)，得出KOA患者存在明顯的生物力學(xué)特征性變化，提供了客觀、準(zhǔn)確、詳盡的數(shù)據(jù)，能夠更加全面掌握KOA患者的病情，針對性采取新的診斷和治療方法，促進(jìn)了KOA患者的全面康復(fù)。（2）KOA患者膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的改變可能是逐漸加重KOA病情的重要因素，根據(jù)這些精確的理論數(shù)據(jù)，從生物力學(xué)角度，拓展了KOA預(yù)防康復(fù)方法的新思路。

1 對象與方法

1.1 研究對象 2010年10月—2017年6月，選取上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院門診及住院的雙KOA患者10例，作為KOA組，另外招募無膝關(guān)節(jié)疼痛的健康中老年人10例作為對照組。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）符合中華醫(yī)學(xué)會骨科學(xué)分會制定的《骨關(guān)節(jié)炎診治指南（2007年版）》［5］中的KOA診斷標(biāo)準(zhǔn)；（2）年齡55～79歲；膝關(guān)節(jié)疼痛視覺模擬評分（Visual Analogue Scales，VAS）≥2.0分；（3）意識清楚、日常生活活動自理，能配合完成檢查。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）年齡≥80歲；（2）并發(fā)其他下肢骨骼肌肉疾病，如骨折術(shù)后、膝關(guān)節(jié)周圍軟組織損傷等；（3）妊娠期及哺乳期婦女；（4）并發(fā)其他嚴(yán)重內(nèi)科疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病或因其他因素導(dǎo)致不能完成測試者。兩組受試者均簽署知情同意書后參加研究，試驗(yàn)經(jīng)上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)并簽字。

1.2 儀器與方法

1.2.1 儀器 10臺英國T40高性能紅外攝像機(jī)，分別安裝在實(shí)驗(yàn)室距離地面2.5 m的墻上，2塊美國AMTIOR6-7型三維測力臺（測力臺尺寸508 mm×464 mm）縱行排列嵌入地面，加上配套部件（信息轉(zhuǎn)換控制器、電腦、熒光標(biāo)記球等）。

1.2.2 測試原理 VICON三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)利用紅外攝像機(jī)捕捉粘貼在人體上的標(biāo)記點(diǎn)，通過VICON Nexus軟件將捕捉到的點(diǎn)連接成線，再把線轉(zhuǎn)換成面。根據(jù)獲得的每一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)在立體空間的坐標(biāo)位置，即借助“兩點(diǎn)確定一條線，三點(diǎn)確定一個(gè)面”基本原理，由計(jì)算機(jī)合成三維坐標(biāo)，從而獲得步長、步速、關(guān)節(jié)活動角度等運(yùn)動學(xué)指標(biāo)。并在受試者步行時(shí)通過2塊三維測力臺獲得力矩、地板反作用力等動力學(xué)指標(biāo)。

1.2.3 方法 測試前整理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，除照明燈外，防止其他外界光線射入室內(nèi)，清除室內(nèi)一切發(fā)光的物體，避免外來的發(fā)光點(diǎn)對采集數(shù)據(jù)的干擾。維持室內(nèi)溫度在25～28 ℃。每次測試前進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，讓電腦中標(biāo)定數(shù)據(jù)符合測試要求，以保證測試數(shù)據(jù)的相對完好。受試者赤足，穿緊身衣服短褲，充分暴露雙下肢和腰部。測量受試者體質(zhì)量、身高、髂前上棘至內(nèi)踝的長度、膝內(nèi)外側(cè)的寬度、內(nèi)外踝之間的寬度。然后使用熒光標(biāo)記球進(jìn)行體表標(biāo)記，標(biāo)記點(diǎn)固定部位按系統(tǒng)模塊選擇16個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，分別粘貼于受試者的左右兩側(cè)髂前上棘、髂后上棘、大腿外側(cè)下1/3處、膝外上髁、小腿外側(cè)下1/3處、外踝、第二跖骨頭、足后跟（與第二跖骨頭標(biāo)記同一高度）。首先告訴受試者檢測過程，讓受試者放松心情，保持平常行走步態(tài)并試走幾次，熟悉測試流程后，再開始正式測試。先建立受試者的靜態(tài)模型，然后受試者按照平時(shí)習(xí)慣行走方式及速度在測試道上直走，保證行走過程中每只足分別踏在1塊測力臺上，行走3次以上，進(jìn)行測試。分析時(shí)選取圖像質(zhì)量好，行走自然，每人取3次行走，每次行走截取測力臺上的左右足各1個(gè)步態(tài)周期分析，計(jì)算3次的平均值作為該組數(shù)據(jù)。然后將患者平均數(shù)據(jù)與對照組平均數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

1.3 主要觀察指標(biāo) 時(shí)空指標(biāo)（步頻、雙足支撐期、支撐相百分比、跛行指數(shù)、對側(cè)足跟著地比、對側(cè)足尖離地比、單足支撐期、步長、一步時(shí)間、步寬、步幅、步行周期、步速）、膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋角度、膝關(guān)節(jié)角速度和角加速度峰值、膝關(guān)節(jié)力矩、地板反作用力。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用VICON Nexus 1.5.2軟件采集數(shù)據(jù)，VICON Polygon軟件進(jìn)行指標(biāo)分析，SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)數(shù)資料以相對數(shù)表示，兩組間比較采用Fisher確切概率法；正態(tài)分布的計(jì)量資料以（±s）表示，兩組間比較采用配對t檢驗(yàn)；非正態(tài)分布的計(jì)量資料以M（P25，P75）表示，兩組間比較采用秩和檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。為便于對比，峰值取絕對值。

2 結(jié)果

2.1 兩組間一般資料比較 兩組間性別、年齡、體質(zhì)量、身高比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，見表1）。

2.2 兩組間時(shí)空指標(biāo)比較 兩組間步頻、雙足支撐期、跛行指數(shù)、單足支撐期、步長、一步時(shí)間、步幅、步行周期、步速比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；兩組間支撐相百分比、對側(cè)足跟著地比、對側(cè)足尖離地比、步寬比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，見表2）。

2.3 兩組間膝關(guān)節(jié)運(yùn)動角度和活動范圍比較 KOA組膝關(guān)節(jié)屈曲角波峰低于對照組，冠狀面膝關(guān)節(jié)最初著地角度與對照組處于不同位置，矢狀面、冠狀面、水平面上膝關(guān)節(jié)運(yùn)動最大活動范圍較對照組?。ㄒ妶D1～3）。KOA組膝關(guān)節(jié)矢狀面屈曲角峰值、最大活動范圍，冠狀面膝關(guān)節(jié)最初角、最大活動范圍，水平面最大活動范圍小于對照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。兩組間膝關(guān)節(jié)矢狀面膝關(guān)節(jié)最初角、伸展角峰值，冠狀面內(nèi)翻角峰值、外翻角峰值，水平面膝關(guān)節(jié)最初角、內(nèi)旋角峰值、外旋角峰值比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，見表3）。

表1 兩組間一般資料比較Table 1 Comparison of general data between two groups

表2 兩組受試者自然步態(tài)下的時(shí)空指標(biāo)比較（±s）Table 2 Comparison of spatio-temporal parameters in natural gait between two groups

表2 兩組受試者自然步態(tài)下的時(shí)空指標(biāo)比較（±s）Table 2 Comparison of spatio-temporal parameters in natural gait between two groups

組別 例數(shù) 步頻（步/min） 雙足支撐期（s） 支撐相百分比（%） 跛行指數(shù) 對側(cè)足跟著地比（%）對側(cè)足尖離地比（%）對照組 10 106±8 0.27±0.06 62±2 1.01±0.02 50±1 11±2 KOA 組 10 87±14 0.35±0.08 61±1 1.00±0.01 49±1 12±2 t配對值 3.762 -2.340 0.052 2.584 1.171 -0.840 P值 0.001 0.031 0.959 0.019 0.257 0.412組別 單足支撐期（s） 步長（m） 一步時(shí)間（s） 步寬（m） 步幅（m） 步行周期（s） 步速（m/s）對照組 0.44±0.02 0.57±0.04 0.57±0.04 0.13±0.04 1.14±0.08 1.14±0.08 1.01±0.11 KOA 組 0.53±0.08 0.51±0.03 0.71±0.10 0.13±0.04 1.01±0.07 1.41±0.20 0.73±0.15 t配對值 -3.468 3.827 -3.820 0.110 4.322 -3.813 4.718 P值 0.006 0.001 0.001 0.913 ＜0.001 0.001 ＜0.001

2.4 兩組間膝關(guān)節(jié)角速度和角加速度比較 在整個(gè)步態(tài)周期中，KOA組膝關(guān)節(jié)角速度和角加速度波幅均低于對照組（見圖4～5）。KOA組膝關(guān)節(jié)角速度峰值、角速度平均值、角加速度峰值、角加速度平均值小于對照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，見表4）。

圖1 兩組受試者矢狀面膝關(guān)節(jié)屈曲伸展角度曲線Figure 1 Knee flexion extension angle curve in sagittal plane between two groups

圖2 兩組受試者冠狀面膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻角度曲線Figure 2 Coronal knee valgus angle curve of two groups

2.5 兩組間膝關(guān)節(jié)力矩峰值比較 KOA組膝關(guān)節(jié)力矩波形與對照組波形不同，且KOA組矢狀面膝關(guān)節(jié)最大伸展力矩與對照組位于不同位置（見圖6～8）。KOA組膝關(guān)節(jié)伸展力矩峰值小于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。兩組間膝關(guān)節(jié)屈曲力矩、內(nèi)翻力矩、外翻力矩、內(nèi)旋力矩、外旋力矩峰值比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，見表5）。

圖3 兩組受試者水平面膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋角度曲線Figure 3 Horizontal rotation angle curve of knee joint in two groups

圖4 兩組受試者膝關(guān)節(jié)角速度曲線Figure 4 Angular velocity curve of knee joint in two groups

表3 兩組受試者膝關(guān)節(jié)角度峰值和最大活動范圍比較（±s）Table 3 Comparison of knee joint angle peak and maximum range of motion between two groups

表3 兩組受試者膝關(guān)節(jié)角度峰值和最大活動范圍比較（±s）Table 3 Comparison of knee joint angle peak and maximum range of motion between two groups

注：a為t值

矢狀面images/BZ_83_1334_2464_1356_2494.png組別 例數(shù)〔M（P25，P75）〕 屈曲角峰值 伸展角峰值冠狀面膝關(guān)節(jié)最初角〔M（P25，P75）〕 最大活動范圍 膝關(guān)節(jié)最初角〔M（P25，P75）〕 內(nèi)翻角峰值 外翻角峰值〔M（P25，P75）〕 最大活動范圍對照組 10 6.65°（1.01°，8.62°） 58.41°±7.47° 1.08°（2.78°，5.94°） 56.05°±5.36° 2.00°（4.88°，1.11°） 21.63°±15.25° 2.86°（7.68°，1.55°） 26.24°±12.98°KOA 組 10 7.85°（4.77°，11.13°） 46.72°±9.81° 6.98°（4.52°，9.29°） 39.82°±10.68° 1.97°（0.45°，6.85°） 12.93°±11.92° 1.73°（10.61°，5.61°） 14.52°±7.39°z（t）值 -1.058 2.999a -1.965 4.298a -2.343 1.420a -0.832 2.481a P值 0.290 0.008 0.050 ＜0.001 0.019 0.173 0.406 0.023水平面膝關(guān)節(jié)最初角 內(nèi)旋角峰值〔M（P25，P75）〕 外旋角峰值 最大活動范圍對照組 13.86°±9.48° 1.30°（11.70°，5.85°） 19.99°±9.83° 18.38°±5.86°KOA組 14.05°±5.41° 6.43°（10.31°，1.44°） 15.73°±4.44° 10.74°±4.52°Z（t）值 0.053a -0.605 -1.248a 3.266a P值 0.959 0.545 0.235 0.004組別

2.6 兩組間地板反作用力比較 KOA組地板反作用力波形與對照組地板反作用力波形不同，且KOA組Y軸和Z軸方向地板反作用力峰值小于對照組Y軸和Z軸方向地板反作用力峰值（見圖9～11）。KOA組Y軸和Z軸方向地板反作用力峰值小于對照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。兩組間X軸方向地板反作用力峰值比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，見表6）。

表4 兩組受試者膝關(guān)節(jié)角速度和角加速度比較（±s）Table 4 Comparison of knee joint angular velocity and angular acceleration between two groups

表4 兩組受試者膝關(guān)節(jié)角速度和角加速度比較（±s）Table 4 Comparison of knee joint angular velocity and angular acceleration between two groups

組別 例數(shù) 角速度峰值（rad/s）角速度平均值（rad/s）角加速度峰值（rad/s2）角加速度平均值（rad/s2）對照組 10 388±45 150±19 5 393±1 140 2 313±541 KOA 組 10 224±72 83±24 2 772±1 126 1 148±515 t配對值 6.117 6.917 5.174 4.928 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

圖5 兩組受試者膝關(guān)節(jié)角加速度曲線Figure 5 Angular acceleration curve of knee joint in two groups

圖6 兩組受試者膝關(guān)節(jié)屈曲伸展力矩曲線Figure 6 Flexion and extension moment curve of knee joint in two groups

3 討論

圖7 兩組受試者膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻外翻力矩曲線Figure 7 Valgus moment curve of knee joint in two groups

圖8 兩組受試者膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋力矩曲線Figure 8 Internal and external rotation moment curve of knee joint in two groups

圖9 兩組受試者X軸方向地板反作用力曲線Figure 9 Floor reaction force curves in X-axis direction of two groups

表5 兩組受試者膝關(guān)節(jié)力矩峰值比較（±s，N·mm）Table 5 Comparison of knee joint torque peaks between two groups

表5 兩組受試者膝關(guān)節(jié)力矩峰值比較（±s，N·mm）Table 5 Comparison of knee joint torque peaks between two groups

組別 例數(shù) 屈曲力矩峰值 伸展力矩峰值 內(nèi)翻力矩峰值 外翻力矩峰值 內(nèi)旋力矩峰值 外旋力矩峰值對照組 10 320±210 479±194 443±122 52±25 157±74 15±9 KOA 組 10 301±206 216±90 504±149 53±23 181±55 10±6 t配對值 0.201 -3.896 -1.005 0.176 -0.828 -1.541 P值 0.843 0.002 0.328 0.862 0.418 0.141

圖10 兩組受試者Y軸方向地板反作用力曲線Figure 10 Floor reaction force curves in Y-axis direction of two groups

圖11 兩組受試者Z軸方向地板反作用力曲線Figure 11 Floor reaction force curves in Z-axis direction of two groups

表6 兩組受試者3個(gè)方向地板反作用力峰值比較（±s，N/kg）Table 6 Comparison of peak reaction forces in three directions between two groups

表6 兩組受試者3個(gè)方向地板反作用力峰值比較（±s，N/kg）Table 6 Comparison of peak reaction forces in three directions between two groups

組別 例數(shù) X軸方向 Y軸方向 Z軸方向?qū)φ战M 10 0.49±0.12 1.53±0.29 10.81±0.27 KOA 組 10 0.41±0.09 1.06±0.24 9.82±0.38 t配對值 1.648 4.036 6.708 P值 0.117 0.001 ＜0.001

3.1 KOA KOA是一種常見的老年慢性骨關(guān)節(jié)病，伴有不同程度的運(yùn)動功能減弱，包括關(guān)節(jié)僵硬、不穩(wěn)，活動范圍減少，導(dǎo)致不同程度的步行能力和平衡功能降低，影響生活質(zhì)量。控制這一病癥的發(fā)展，預(yù)防并減輕殘疾的發(fā)生是當(dāng)前醫(yī)學(xué)研究的重要課題。但目前對KOA的相關(guān)研究仍不透徹，缺少一些簡單有效的診斷標(biāo)準(zhǔn)［6］。近年來隨著下肢反向動力學(xué)模型的不斷完善，KOA患者在步行過程中膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)及運(yùn)動力學(xué)等生物力學(xué)數(shù)據(jù)研究已備受重視。有報(bào)道，膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)可導(dǎo)致脛股關(guān)節(jié)、髕股關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布異常，引起局部軟骨壓力負(fù)荷增加，進(jìn)而導(dǎo)致骨和軟骨退化［7］。另有一些生物力學(xué)研究證實(shí)，KOA的發(fā)生、發(fā)展及嚴(yán)重程度除了與患者的年齡、職業(yè)、性別、遺傳等因素有關(guān)外，還與其體質(zhì)量、應(yīng)力失衡、關(guān)節(jié)運(yùn)動方式、關(guān)節(jié)運(yùn)動中的載荷等力學(xué)因素有關(guān)［8］。因此迫切需要1種生物力學(xué)的評估手段，應(yīng)用到KOA的診療、療效評價(jià)和功能康復(fù)中，為KOA預(yù)防、診斷、治療、康復(fù)策略拓展新思路。

3.2 VICON運(yùn)動捕捉系統(tǒng) VICON運(yùn)動捕捉系統(tǒng)是英國Oxford Metrics Limited（OML）公司生產(chǎn)的光學(xué)動作捕捉motion capture系統(tǒng)，是世界上第1個(gè)設(shè)計(jì)用于運(yùn)動捕捉的光學(xué)系統(tǒng)，由一組網(wǎng)絡(luò)連接的VICON MX運(yùn)動捕捉攝像機(jī)、T型標(biāo)定架、軟件許可狗、標(biāo)記反光球、計(jì)算機(jī)、三維測力臺及其他設(shè)備組成。其建立起的完整的三維運(yùn)動捕獲系統(tǒng)可以提供實(shí)時(shí)光學(xué)數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)可以被應(yīng)用于實(shí)時(shí)的運(yùn)動捕捉、分析，涉及動畫制作、機(jī)器人遙控、體育訓(xùn)練、人體工程學(xué)研究等方面。醫(yī)學(xué)界把VICON運(yùn)動捕捉系統(tǒng)用于人體三維步態(tài)分析研究。從運(yùn)動學(xué)的觀點(diǎn)來看，人體是由多種物態(tài)組成的各個(gè)節(jié)段，其間通過關(guān)節(jié)鏈接而成的1個(gè)完整體系。為便于對人體運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行定量分析，而把其抽象化為1個(gè)多鏈節(jié)剛體系統(tǒng)。根據(jù)這一模型理論，只要用VICON運(yùn)動捕捉系統(tǒng)測出各關(guān)節(jié)角度，節(jié)段尺寸及重心隨運(yùn)動過程在空間的變化，就能用指標(biāo)、曲線大致確定人體空間運(yùn)動的姿態(tài)。從運(yùn)動力學(xué)的觀點(diǎn)來看，人類行走是神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)整有關(guān)肌群協(xié)同收縮和舒張，帶動雙腿交替邁步，在地球引力環(huán)境中，借助地面反作用力，推動人體不斷前進(jìn)的一種運(yùn)動。三維力臺將足踏在力臺上的各方向力記錄下來，通過下肢反向動力學(xué)知識計(jì)算出人體各關(guān)節(jié)受力和足底受力情況。行走中人體如何協(xié)同動作，各關(guān)節(jié)活動受力情況及地板反作用力的變化過程等，均是醫(yī)學(xué)研究者關(guān)心的需要解決的問題。現(xiàn)代VICON三維運(yùn)動捕捉分析系統(tǒng)能夠?qū)θ梭w行走時(shí)的肢體和關(guān)節(jié)活動進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)觀察分析，提供一系列生物力學(xué)指標(biāo)和曲線，能夠客觀定量地評定人體步行和各關(guān)節(jié)功能，已經(jīng)成為當(dāng)前相關(guān)研究的熱門［9］。而本研究采用先進(jìn)的英國VICON三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)檢測KOA患者行走時(shí)運(yùn)動學(xué)、運(yùn)動力學(xué)等指標(biāo)，客觀準(zhǔn)確地解析其生物力學(xué)的改變，為預(yù)防和治療策略拓展新思路。

3.3 時(shí)空指標(biāo) 既往研究表明，KOA不僅可以導(dǎo)致關(guān)節(jié)疼痛及功能障礙，還會引起步態(tài)異常［10-11］。一項(xiàng)隨訪5～11年的縱向研究發(fā)現(xiàn)，長期異常步態(tài)亦會加重KOA患者的病情［12］。國外有學(xué)者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)步態(tài)的時(shí)空指標(biāo)的變化能反映KOA患者病情的嚴(yán)重程度［13］。國內(nèi)也有學(xué)者提出，在三維步態(tài)分析各項(xiàng)指標(biāo)中，步長、步速等指標(biāo)是反映步行效率的關(guān)鍵要素，而雙足支撐期和跛行指數(shù)是反映平衡功能的重要指標(biāo)。當(dāng)步行能力下降時(shí)，首先出現(xiàn)變化的是步長和步速減??；當(dāng)平衡能力下降時(shí)，首先表現(xiàn)為雙足支撐期增加和跛行指數(shù)的改變。支撐期時(shí)間延長是對膝關(guān)節(jié)疼痛的一種保護(hù)機(jī)制，可以減少關(guān)節(jié)內(nèi)壓力和行走時(shí)的沖擊損傷［14］。本研究發(fā)現(xiàn)，KOA患者除在雙足支撐期、跛行指數(shù)、步長、步速等重要的步態(tài)指標(biāo)有不同程度的異常改變外，還存在步頻、步幅縮短，單足支撐期、一步時(shí)間、步行周期延長。這些更加全面、精確的數(shù)據(jù)進(jìn)一步說明了KOA患者的步行能力和平衡等功能呈現(xiàn)不同程度的減低，為臨床醫(yī)生和醫(yī)學(xué)研究者提供了重要參考依據(jù)。

3.4 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動角度和活動范圍 本研究發(fā)現(xiàn)，KOA患者矢狀面膝關(guān)節(jié)屈曲角度峰值和冠狀面膝關(guān)節(jié)最初角度，矢狀面、冠狀面、水平面上KOA組患者膝關(guān)節(jié)運(yùn)動最大活動范圍均小于正常人。KOA主要是膝關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生破壞并出現(xiàn)繼發(fā)性增生導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)疼痛、腫脹、僵硬，活動明顯受限。因此KOA患者在步行過程中，其屈膝角度、冠狀面膝關(guān)節(jié)最初角度和膝關(guān)節(jié)最大活動度均減小，通過角度的減小來緩沖足剛著地時(shí)的沖力，減輕步行過程中產(chǎn)生的疼痛，有效補(bǔ)償下肢關(guān)節(jié)功能失常，增加步行過程中下肢關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。

3.5 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動角速度和角加速度 角速度指單位時(shí)間轉(zhuǎn)動的角度，角加速度指單位時(shí)間角速度的增加量。人體運(yùn)動過程中關(guān)節(jié)角速度和角加速度能反映關(guān)節(jié)的運(yùn)動能力［15］。本研究發(fā)現(xiàn)，KOA患者膝關(guān)節(jié)角速度峰值、角速度平均值、角加速度峰值、角加速度平均值均減小。說明KOA患者膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動能力有一定程度受限，膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)性能較正常有所減弱，患者步行的穩(wěn)定性、流暢性下降。

3.6 膝關(guān)節(jié)力矩 本研究發(fā)現(xiàn)，KOA患者膝關(guān)節(jié)伸展力矩峰值小于正常人。根據(jù)膝伸展力矩的大小取決于膝伸肌肌力和伸直力臂2個(gè)因素。膝關(guān)節(jié)伸展力矩峰值減小可能是由于KOA患者膝關(guān)節(jié)周圍的肌肉力量減弱，或膝關(guān)節(jié)變形、運(yùn)動受限、不能完全伸展［16］，導(dǎo)致患者膝關(guān)節(jié)的伸展力量或伸展幅度減小。較多的研究認(rèn)為，膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩與KOA有高度聯(lián)系［17-21］。另有報(bào)道，膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩升高程度與KOA的嚴(yán)重程度、膝關(guān)節(jié)的疼痛及疾病的進(jìn)展有密切的關(guān)系。膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩每增加1個(gè)單位，膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)間隙相應(yīng)減小0.63 mm，而膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩每增加1%則KOA的發(fā)展進(jìn)程將加快6倍［22］。本研究中KOA患者與正常人的膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩峰值無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，可能與病例數(shù)不多，病情不同有關(guān)。但是KOA患者膝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻力矩曲線波峰高于對照組膝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻力矩曲線波峰，與文獻(xiàn)基本一致［17-22］。KOA患者膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩增加使得膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)的骨、軟骨超載荷，局部關(guān)節(jié)應(yīng)力信號異常增加，促使關(guān)節(jié)周圍的軟組織因力學(xué)環(huán)境改變逐漸松弛，膝關(guān)節(jié)軟骨慢性磨損發(fā)生退變，從而引起膝關(guān)節(jié)軟骨、骨、軟組織無菌性炎癥發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致患者在步行過程中關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降并出現(xiàn)一系列異常的運(yùn)動力學(xué)變化。

3.7 地板反作用力 VICON運(yùn)動捕捉測試中，當(dāng)受試者行走通過三維測力臺時(shí)會產(chǎn)生3個(gè)方向（左右、前后和垂直）的地板反作用力，測試系統(tǒng)將3個(gè)方向分別定義為X軸、Y軸和Z軸方向的地板反作用力。本研究結(jié)果顯示，KOA患者Y軸和Z軸方向地板反作用力峰值小于正常人，且KOA患者所產(chǎn)生的Z軸地板反作用力雙峰形態(tài)趨于平坦，而正常人的Z軸方向地板反作用力表現(xiàn)為2個(gè)波峰（Z軸地板反作用力第1波峰、Z軸地板反作用力第2波峰）高起，其所構(gòu)成的雙峰形態(tài)突出。地板反作用力出現(xiàn)異常，可能是由于KOA患者膝關(guān)節(jié)的病變帶來肌肉運(yùn)動的不協(xié)調(diào)或肌肉力量減弱［16］，這些改變在地板反作用力上會有所反映（KOA患者向前行走的效率和動能降低，足著地蹬地?zé)o力，中間垂直支撐階段不能很好緩沖，出現(xiàn)Y軸和Z軸方向地板反作用力峰值減小和典型的垂直地板反作用力單峰曲線）。

綜上所述，KOA患者關(guān)節(jié)內(nèi)及其周圍生物力學(xué)環(huán)境發(fā)生了明顯變化，同時(shí)下肢運(yùn)動出現(xiàn)異常。針對異常的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析是在宏觀上把握KOA患者病情以及治療情況的重要手段。而VICON運(yùn)動捕捉系統(tǒng)主要針對下肢的運(yùn)動和受力情況進(jìn)行動態(tài)的量化分析。在下肢運(yùn)動障礙的分析領(lǐng)域，VICON運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的重要性正在不斷增加。作為臨床評估的補(bǔ)充以及有助于提高治療效果的工具，VICON運(yùn)動捕捉系統(tǒng)有益于做出有效的臨床決策。本研究采用先進(jìn)的英國VICON三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)定量解析KOA患者膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)等指標(biāo)，得出KOA患者存在明顯的生物力學(xué)特征性變化。反過來，這些生物力學(xué)的特征性改變可能是影響KOA病情的重要因素。根據(jù)這些精確的理論數(shù)據(jù)，從生物力學(xué)角度，拓展了KOA預(yù)防康復(fù)方法和治療策略的臨床應(yīng)用新思路（比如：采取相應(yīng)的運(yùn)動療法，改變手術(shù)方式等）。VICON三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)為KOA提供的客觀、準(zhǔn)確、詳盡的數(shù)據(jù)，在醫(yī)學(xué)研究方面，意義重大，將擁有更加廣闊的前景。臨床和科研的結(jié)合，更加全面掌握了KOA患者的病情，針對性采取新的診斷和治療方法，將會更快地促進(jìn)KOA患者的全面康復(fù)。

作者貢獻(xiàn)：黃萍、鄧廉夫進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計(jì)；鄧廉夫進(jìn)行研究的實(shí)施與可行性分析；劉志宏進(jìn)行數(shù)據(jù)收集；陳博進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；齊進(jìn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理；黃萍進(jìn)行結(jié)果的分析與解釋，負(fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校，對文章整體負(fù)責(zé)，監(jiān)督管理；黃萍、王怡撰寫論文；黃萍、郭蕾進(jìn)行論文的修訂。

本文無利益沖突。