计算机辅助步态分析评价体外冲击波疗法治疗膝骨关节炎的效果

计算机辅助步态分析评价体外冲击波疗法治疗膝骨关节炎的效果

作者：刘水涛 1，刘彧 2，杨军 3，赵斌 3，邢更彦 1,4（1．第四军医大学，西安710032；2．河北医科大学第三医院 骨肿瘤科，石家庄 050051；3．中国武警总医院 关节四肢外科，北京100039；4．武警总医院骨科中心，北京100039）

出处：中国医学前沿杂志（电子版）》2016 年第 8卷第 3期

摘要

目的

以计算机辅助步态分析为主要评价手段，探讨体外冲击波疗法治疗膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）的效果。

方法

选取 2015 年 3 月至 2015 年6月本院收治的 25 例KOA患者为研究对象，均接受发散式体外冲击波（extracorporeal shock wave，ESW）治疗，治疗频率为3 Hz，能量为1～2 bar，每次冲击2000 频次，每周接受1次治疗，8次为一疗程。所有患者均于治疗前及治疗后 1、3、6个月行计算机辅助步态分析，收集时间 - 距离指标：支撑期百分比（%）、摆动期百分比（%）、步长（cm）、 步速（m/s）的变化，应用统计学软件进行分析。

结果

经ESW治疗后，患者步长较治疗前无显著改善（P＞ 0.05），而步速在治疗后 1个月 [（0.92±0.11）m/s]、 3个月 [（1.09±0.11）m/s] 及 6个月 [（1.12±0.13）m/s] 均较治疗前[（1.13±0.12）m/s]显著增加（P＜0.05）。 患者治疗后1个月时站立期时相[（61.78±1.47）%] 与摆动期时相 [（38.22±1.75）%]均较治疗前 [（62.68±1.79）%、（37.32±1.36）%] 显著改变（P ＜ 0.05）， 而其他时间点较治疗前无显著变化（P ＞ 0.05）。结论 ESW 可使 KOA 患者膝关节功能得到一定恢复，尤其是明显提高治疗后 1、3、6个月步速，步态分析较其他指标具有客观、精确、定量的优势，是评 价膝关节功能变化的全新方法。

关键词

膝骨关节炎 ；步态分析 ；体外冲击波

膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是以 膝关节软骨进行性退变为主要特征，进而造成软骨 下骨坏死、囊性变和伴发骨赘形成的一种非特异性 炎症 [1]。全球流行病学调查显示，65 岁以上人群 中 KOA 发病率为 70% ～ 85%[1,2]，据 WHO 估计， 目前全球 10% 的医疗行为与骨关节炎相关 [3]。体 外冲击波（extracorporeal shock wave，ESW）不但 可用于泌尿系统碎石，在治疗股骨头坏死、骨不连、 骨质疏松、钙化性冈上肌腱炎、肱骨内外上髁炎、 跖筋膜炎等骨肌系统疾病方面也均取得了良好的疗 效 [4]，具有并发症少、治疗周期短、费用低等优势。 近年来很多研究采用 ESW 治疗 KOA 取得了满 意的效果，目前评价 KOA 病情进展和治疗效果主 要采用影像学、患者疼痛和功能主观评分量表，如 美国骨科医师学会（AAOS）膝关节功能评分、美 国特种外科医院（HSS）膝关节功能评分、西安大 略和麦克马斯特大学 OA 指数（WOMAC）等 ；影 像学检查结果在一定时间内往往变化不明显，也缺 乏客观的比较方法，疼痛是一种主观感受，易受患 者认知和环境因素的影响。最近发展起来的计算机 辅助步态分析技术，能精确地定量分析患者膝关节 静态和动态情况下的生物力学变化特点，为客观评 价膝关节功能提供了全新的方法。本研究拟利用步 态分析对 ESW 治疗 KOA 的效果进行评价，以客观指标定量分析治疗前后膝关节功能的变化。

1　资料与方法

1.1   一般资料　

选取 2015 年 3 月至 2015 年 6 月 于本院就诊的 KOA 患者 25 例为研究对象。患者 均出现不同程度的膝关节疼痛及功能障碍，治疗 前均行膝关节 X 线片及 MRI 检查，根据 KellgrenLawrence（K-L）分级，将Ⅱ、Ⅲ级早、中期患者 纳入本研究，并进行冲击波干预。入选患者中，男 9例，女16例 ；平均年龄为（57.6±5.3）岁 ；平均体 重为（65.1±7.6）kg；平均身高为（162.0±4.2）cm； 体质指数为（26.5±2.5）kg/m2；K-L分期：Ⅱ期15例， Ⅲ期 10 例 ；左膝 12 例，右膝 13 例。

 1.2   诊断标准 [5]　

①   1 个月内反复膝关节疼痛 ； ② X 线片（站立或负重位）示关节间隙变窄、软 骨下骨硬化和（或）囊性变、关节缘骨赘形成 ；③ 关节液（至少 2 次）清亮、黏稠，白细胞（WBC） 计数＜ 2000 个 /ml；④中老年患者（年龄≥ 40 岁）； ⑤晨僵≤ 30 分钟 ；⑥活动时有骨摩擦音（感）。符 合①＋②或①＋③＋⑤＋⑥或①＋④＋⑤＋⑥，即 可诊断为 KOA。

1.3   排除标准　

①  既往膝关节有手术干预史及足 部畸形、疼痛及其他影响正常步行者 ；②有关节创 伤史（如膝关节骨折，半月板、韧带损伤）者 ；③ 存在炎性疾病（如类风湿关节炎）者 ；④代谢相关的关节炎（痛风，血色素沉着症）患者 ；⑤不能坚持 随访 6 个月者 ；⑥既往 6 个月有膝关节腔注射史者 ； ⑦研究过程中膝关节出现意外创伤者 ；⑧伴有严重的 原发性心血管病变或影响生存的严重疾病患者。

1.4   治疗方案　

入组患者根据治疗前 MRI 检查结 果于体表标记软骨损伤严重部位，并标记患者痛点。 采用发散式 ESW 治疗仪（EMS 公司 Swiss DolorClast），于治疗位置涂耦合剂并将治疗头对准标记 点，确保 ESW 能精准靶向地作用于痛点和损伤部 位，设置冲击频率为 3 Hz，治疗能量强度选择 1 ～ 2 bar，通过调节冲击波能量使患者感受到可以耐受 疼痛刺激为最佳，每次总治疗剂量为 2000 频次， 每周治疗 1 次，8 次为一疗程。

1.5   步态分析　

应用德国 Zebirs 步态分析跑台， 对入组患者在治疗前及治疗后 1、3、6 个月均行步 态分析检测，由测试医师首先指导每例患者熟悉机 器评价过程，之后赤足于测试平台以正常步速行进， 挺胸、抬头、双臂自然下垂于身体两侧，双下肢均匀、 有节奏地周期性交替摆动。主要收集时间 - 距离指 标包括：支撑期百分比（%）、摆动期百分比（%）、 步长（cm）、步速（m/s），计算每次测量平均值。

1.6   统计学方法　

采用 SPSS 19.0 软件进行数据统 计分析。治疗前及治疗后各阶段结果以 x±s 表示，各组数据两两比较采用 SNK-q 检验。P ＜ 0.05 为 差异具有显著性。 2　结果 2.1　患者治疗前后步长与步速变化比较　与治疗 前相比，患者治疗后不同时间点步长均无显著变化 （P ＞ 0.05）。治疗后 1、3、6 个月步速均较治疗前 显著提高（P ＜ 0.05）（表 1）。 表 1　患者治疗前后步长与步速变化比较（x±s） 指标 治疗前 治疗后 1 个月 治疗后 3 个月 治疗后 6 个月 步长（cm） 58.3±3.4 58.3±2.4# 56.6±5.1# 57.3±4.5# 步速（m/s）0.92±0.11 1.09±0.11* 1.13±0.12* 1.12±0.13* 注 ：与治疗前比较，#P ＞ 0.05，*P ＜ 0.05

2　结果

2.1　患者治疗前后步长与步速变化比较　与治疗 前相比，患者治疗后不同时间点步长均无显著变化 （P ＞ 0.05）。治疗后 1、3、6 个月步速均较治疗前 显著提高（P ＜ 0.05）（表 1）。

表 2　患者治疗前后站立期与摆动期情况比较（x±s，%） 指标 治疗前 治疗后 1 个月 治疗后3个月 治疗后6个月 站立期（%）62.68±1.79 61.78±1.47* 62.83±1.84 62.76±1.81 摆动期（%）37.32±1.36 38.22±1.75 37.16±1.84 37.23±0.81 注 ：与治疗前比较，#P ＞ 0.05，*P ＜ 0.05

2.2　患者治疗前后站立期与摆动期情况比较　

治疗后 1个月，站立期时相较治疗前明显缩短（P ＝ 0.017），摆动期时相较治疗前延长。而治疗后 3个 月及 6个月，这种变化不再有显著差异（P ＞ 0.05）（表 2）。

讨论

KOA 是由关节软骨损伤和软骨下骨结构改变导致，如何修复软骨损伤和改善软骨下骨结构对延 缓病程进展具有重要作用。最新研究表明，ESWT 可以作为一种生物力学刺激来抑制疼痛和延缓软骨退变 [6,7]。ESWT 可以通过促进细胞增殖与代谢，刺激血管因子释放，达到血管再生和增强组织修 复能力，2011 年 Wang 等 [8] 发现 ESW 作用于大鼠 KOA 后，胫骨下骨结构发生改变，进而延缓了膝 关节炎的进展；2012 年 Zhao 等 [6] 发现在兔的关节 炎模型中，ESWT 可以通过降低关节腔一氧化氮含量，达到减少关节软骨的破坏、保护关节的目的。 目前已有部分学者将ESW用于临床治疗KOA， 经随访发现患者疼痛较治疗前明显缓解，膝关节功 能评分显著改善 [9,10]，但这些研究指标多为主观指 标，易因外界因素产生较大变异，出现误差，因而 各个报道结果差异较大。随着计算机技术的进步， 患者的步态可被精确定量测量，为评价膝关节功能 提供了全新的方法。 行走过程的步态是人运动功能的重要组成部 分，正常成年人行进过程中，双下肢可以均匀、有节奏地周期性交替摆动，步幅、步频大致相等。虽 然步态模式因为每个人的步行习惯等影响而各有不 同，但步行的规律性及周期性是可循的。人在行走 过程中，自一侧足跟着地，至同侧足跟再次着地可 以作为一个步行周期。在每个步态周期中，每侧下 肢均要经过踩地站立至离地摆动两个阶段，即步 态周期的站立相（正常约占整个步态周期的 60%） 和摆动相（正常约占整个步态周期的 40%）。根据 单足着地或双足着地，将站立相分为单肢负重期和 双肢负重期 [11-13]。站立相的时间是由一侧下肢足跟 着地至同侧下肢足尖离地的过程，具体动作步骤 ： 一侧下肢向前迈出，足跟着地至全足着地，随即重 心转移至同侧。Manetta 等 [14] 研究发现 KOA 患者 在关节运动的步行角度、步速、步长、行走时相发生异常改变。Fu 等对 KOA 患者与正常青年人进行 对照，分析两组人群的步态特征，结果发现患者前 足离地阶段时间百分比与足跟触地阶段时间百分比 降低，而全足支撑阶段时间百分比和前足触地阶段 时间百分比增高。说明患者由于着地时疼痛而导致 足跟部冲量减小，使支撑期延长，能更好地维持身 体平衡。Skwara等 [15] 研究发现 KOA 患者单关节 腔内注射透明质酸及曲安奈德对其站立时相均有改 变，站立期较治疗前有所缩短，但症状明显改善。 KOA 患者往往通过降低步行速度及减小步 长以减轻膝关节承受的压力以及行走过程中的疼 痛 [16]。步长、步频和步速作为时间 - 距离指标受肌 肉力矩、肢体受力和关节运动综合因素的影响，是 人体运动能力评价的重要指标。在上述指标中，速 度最能反映行走能力。本研究发现，步长在治疗前 后无改变，而步速在治疗后 1、3、6个月均较治疗 前增加，说明经 ESW 治疗后，KOA 患者的膝关节 功能得到恢复，且这种恢复在治疗后 6个月仍发挥 作用。

结论

研究已证实 KOA 患者通过主动减少站立期 时间来减少负重导致的疼痛，而本研究发现患者接 受 ESW 治疗后 1个月站立时相有所缩短，可能由 于患者疼痛减轻，步速提高后，行走过程中静止期 时相缩短、摆动期时相延长 [17]。 通过对步态的定量分析发现，经 ESW 治疗 后，KOA 患者膝关节功能得到改善，尤其是其步 速在治疗后 6个月仍有明显提高，证明了 ESW 治 疗 KOA 的良好效果。此外，针对不同间室发生的 KOA，步态分析还可分析其力矩、表面肌点等治 疗的改变，这也是今后深入研究的方向。 总之，步态分析作为一种客观、定量的检测方 法，是今后评价膝关节功能的重要手段，可作为疼 痛、功能评分等治疗的有力补充。