中 国运动医学杂志 2009 年 3 月第 28 卷第 2 期 Chin J Sports Med， Mar 2009， Vol.28， No.2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［ 1］，其发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，患者通过改变步态以减小外力矩，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，同时中立位时足中部承受了更多的负荷 还有学者［ 4］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［ 6］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应考虑下肢所有关节的影响 近来， Deluzio［ 8］等从 F-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，分析了膝关节内部的应力分布 。
Lewek 等［ 9］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 －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［ 10］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减少 还有学者［ 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［ 12］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 关于支具的研究［ 13］中，对 11 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）通讯作者： 李萍美， Email： stgx@226· ·中 国运动医学杂志 2009 年 3 月第 28 卷第 2 期 Chin J Sports Med， Mar 2009， Vol.28， No.2面压力，从而减轻疼痛并提高膝关节功能 。
Hewett［ 14］曾对 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 Branch［ 15］发现运动中股四头肌的活动下降 18%，峰值下降 14%，伴随腘绳肌活动下降 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［ 16］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， 19］，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］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 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 病因复杂，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［ 22-29］，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，如所用系统配置 、数据采集方法和分析软件等 因此应该建立一定规模的步态分析系统化的数据库，提供生物力学量化指标，对步态分析系统本身的完善和发展以及相关科研的可靠性和可行性的提高都有相当价值 3.2 支具研发与疗效评价在 KOA 的治疗方面，国际上研究的主流是外科手术，并已形成较为成熟的治疗方案，如 HTO、UKA、TKA（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要，尤其是对于中度患者 其中治疗性支具的使用切实可行，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髋 、踝关节代偿性改变的评价标准［ 32-37］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 有研究表明［ 7］：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 4 参考文献［ 1］ 曲绵域，于长隆 . 实用运动医学 . 北京：北京大学医学出版社， 2003.500-911.［ 2］ Kaufman KR， Hughes C， Morrey BF， et al. Gait character-istics of patients with knee osteoarthritis. J Biomech，2001， 34（ 7）： 907-915.［ 3］ Chen CP. Sagittal plane loading response during gait in dif-ferent age groups and in people with knee osteoarthritis. AmJ Phys Med Rehabil， 2003， 82（ 4）： 307-312.［ 4］ Michael D. Control of frontal plane knee laxity gait in pa-tients with medial compartment knee osteoarthritis. Os-teoarthritis and Cartilage， 2004， 12： 745-751.［ 5］ Hurwitz DE. The knee adduction moment during gait in sub-jects with knee osteoarthritis is more closely correlated withstatic alignment 。