隨著世界人口老齡化的加劇，膝關節骨性關節炎（KOA）的發病率逐漸增高， 75歲以上患者發病率超過80%，嚴重影響生活質量，甚至喪失活動能力，全膝關節置換術已經成為晚期KOA患者的常規治療方案，但術後容易出現多種併發症。
目前，臨床上興起的步態分析（GA）技術是利用三維運動捕捉系統，研究步態週期中相關規律，近來在下肢常見疾病診療、運動功能評價及康復等方面應用廣泛，能夠闡明步態週期中相關變化的關鍵位置及其影響因素。
本文概述了2種步態分析實驗系統、實驗原理和KOA患者下肢三維步態的改變；對3D矯形鞋墊在KOA中的應用原理及製作過程進行深入探討，明確KOA患者膝關節周圍動力和靜力結構變化，將其應用於3D矯形鞋墊的設計和生產，為早期KOA保守治療提供重要解決方案。
KOA的進展與下肢步態改變有關，特別是時空引數，GA能夠幫助明確疾病的本質，有利於KOA的早期治療與延緩疾病程序。
而隨著3D列印技術在臨床的廣泛應用，可以為骨科疾病的診斷和保守治療提供新方向，具有效率高、操作簡單等優勢，在損傷、修復方面具有天然優勢。
基於人體生物力學的3D列印矯形鞋墊能夠有效緩衝人體活動運動時足底負重的壓力，增強足穩定性，維持下肢平衡，糾正步態異常。
兩種GA系統及原理
GA是量化分析膝關節內部運動生物力學變化的有效方法，目前可基於可穿戴慣性感測器和傳統光學分析系統2種方式進行。
KOA發病後患者膝關節周圍的動力與靜力系統失去平衡，下肢力線異常，繼而導致步態週期中相關引數的變化。KOA步態中的姿勢和運動障礙可能與下肢運動生物力學改變和神經控制的適應性變化有關，可以透過步態起始作為評估的關鍵。
既往三維GA系統裝置雖然提供了詳細的運動及動力學資料，但在測量時需要使用高速紅外線攝像機捕捉放置在預定解剖位置的反射游標和高度精確校準的實驗環境，對專業性和步態實驗室的要求非常高，且在門診並不可行。
傳統步態分析實驗室模式 來源：瑞典Qulisys公司
傳統步態分析高速高畫質攝像頭捕捉游標標記點
目前可穿戴慣性感測器的出現為傳統的光學GA系統提供了一種可行的替代方案，可佩戴慣性感測器或慣性測量單元使用1個或多個單獨的感測器來測量運動。透過將慣性感測器連線到身體的各個部位，可以獲得與光學系統相似的有效、可靠的各種生物力學結果。
慣性行動式感測器模式圖及運動座標模擬
此外，慣性感測器資料採集不受傳統GA實驗室的限制。因此，利用慣性感測器研究骨關節炎（OA）生物力學是目前的發展方向之一，慣性感測器系統在KOA患者測量中的應用進一步推動了該系統在臨床研究中的使用。不同慣性感測器系統放置在人體下肢不同位置，不同系統中人體模型的建立及資料處理方式不盡相同。
三維GA主要包括運動學、動力學及下肢表面肌電，但表面肌電對實驗室裝置限制及對專業性要求極高，尚未廣泛開展。
KOA患者GA運動學和
動力學引數改變
KOA患者運動學和動力學引數的主要變化出現在人體冠狀面，隨年齡增大，下肢步態時空引數的變化有步幅縮短和步頻增加，以及矢狀面髖、踝關節運動學和動力學的改變。
KOA患者步速、步長、步頻均明顯降低，運動中受累側膝關節活動度降低，並與KOA嚴重程度相關；步態週期中支撐相時間與擺動相時間的比例發生改變，支撐相佔步態週期的比例顯著增加；步態週期中足跟觸地階段時間和前足離地階段時間比例明顯降低，而前足觸地階段、全足支撐階段時間比例顯著增高；患膝活動角度減小。
年齡、機械負荷、關節結構變化和KOA發展之間的聯絡需要進一步研究，而膝關節內側間室OA的發展被認為是重複負荷的結果。
KOA的動力學研究包括：（1）地面反作用力（GRF）的改變受體重和步行速度影響，KOA患者GRF第一峰值高於健康人群，而GRF第二峰值卻低於健康人群，GRF的最大負荷正常組要比KOA組高；（2）正常步行時前、後剪應力表現為反向尖峰圖形；（3）下肢力矩，即力與關節活動範圍內不同角度的力臂相乘，受關節穩定性、肌力和運動方向等多重因素影響。
膝關節內收力矩（KAM）可以反映膝關節內側間室應力負荷改變情況，由GRF和膝關節中心到GRF向量間力臂共同決定，是KOA研究中可靠的監測引數，中度至重度內側間室KOA患者第一峰值KAM明顯增加。
早期KOA患者KAM的增加由膝關節內收角度的顯著增加導致，晚期患者KAM的增加則與膝關節的形態學變化有關。膝關節形態學的改變會導致下肢在行走時KAM更加增高。KAM的變化與軀幹整體運動有關，軀幹肌肉組織活動異常改變可能導致KAM增加，加重KOA的發生與發展。
3D矯形鞋墊在KOA中
應用的原理與機制
矯形鞋墊在英國是KOA指南推薦的非藥物保守治療選擇之一，其中外側楔形鞋墊（LWI）為基於促使下肢力線外翻、減輕膝關節內側間室的應力的原理而設計生產，其結構為從腳跟到第五蹠骨頭近端的外側邊緣。所有干預措施都是透過減輕KOA的症狀來改善功能，並減緩疾病的進展。
雖然LWI在改善患者WOMAC疼痛量表上的結果並不一致，但研究均顯示患者止疼藥物使用明顯減少，而疼痛評分保持不變。可能是由於LWI減輕了患者膝關節的疼痛，導致止疼藥物攝入量減少，活動水平升高，從而導致與基線相同的WOMAC疼痛評分。
LWI作為一種非手術方法，在臨床上用於治療KOA，可以平衡分配膝關節的軸嚮應力負荷，顯著增加股骨脛骨角，減少膝關節內翻畸形。LWI可以影響膝關節旋轉、髖關節內收、踝關節內翻力矩，促進股內側肌和臀中肌活動增加，從而糾正步態，緩解疼痛。
穿戴LWI的患者在正常行走及上下樓梯時，均能緩解膝關節應力，促使膝關節應力中心橫向向外移動產生更垂直於地面反作用力，導致膝關節地面反作用力臂減小，KAM降低，從運動生物力學上改善KOA。
LWI楔入的越高，KAM還原越大，越接近生理水平，但過高的外側楔入高度LWI會導致膝關節的疼痛或不適，5°楔入是KAM恢復和患者穿戴適應之間的最優選擇。此外全足長LWI比僅後足LWI對KAM影響更顯著。
早期KOA患者在步態初始階段採用不同的姿勢策略來適應下肢生物力學的改變，LWI在步態起始的執行階段表現出了良好效果，且可以促進跟骨外翻和行走時下肢的橫向壓力中心向外側移位。
LWI生物力學有效性在使用1年後仍然存在，這可能是KOA患者穿戴LWI後改善了步態起始期情況，使下肢壓力中心橫向移動軌跡得以改善平衡。
而在患者1年後再未穿戴LWI的情況下進行隨訪，發現患者已經形成了對特定步態的適應，因此表明LWI使患者改善步態的一種代償性機械適應，在步態起始和行走時與平衡訓練計劃結合，可以改變下肢步態、促進膝關節運動生物力學恢復，在長期減緩疾病進展中發揮重要作用。
基於GA結果3D矯形鞋墊
製作過程與使用
近年來，3D矯形鞋墊對治療早期KOA的應用越來越廣泛，上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院已將針對下肢早期OA患者治療康復用3D列印矯形鞋墊進行了臨床推廣應用，可有效改變患者的下肢力線、促進正常步態的恢復。
根據不同患者GA的情況要定製不同的矯形鞋墊，主要為3個步驟：
（1）採集步態週期中足部動/靜態資料，透過足底壓力不同分割槽的各類資料為鞋墊的設計製作提供依據。在行走試驗中，使用F-Scan壓力感測鞋墊收集足底壓力資訊，Shimmer3 IMU系統記錄下肢加速度和角度旋轉。
F-Scan壓力感測加Shimmer3 IMU系統
Freestep系統
（2）透過足底掃描器生成三維的足型資料，用可完美貼合足底超薄的橡膠墊支撐足部，使其更符合人體解剖學。繼續利用鞋墊計算機設計軟體，將採集到的資料透過軟體內建的足壓分析模組CADCAM設計加工軟體進行初步設計處理，實時渲染3D建模，再將初步處理過的足壓資料進行人工修改設計定型。
（3）利用數控雕刻機床及3D鞋墊印表機，打印出不同材質的個性化矯形鞋墊。
個性化外側矯形鞋墊治療內側間室KOA
3D矯形鞋墊不僅具有普通鞋墊的緩衝壓力減震、防止足部滑動、支撐足弓以及改善足部功能的作用，還可以透過矯正和改善足底壓力分佈，對相關的足部疾病進行保守治療，改善下肢步態及運動生物力學，從而預治KOA的發生與發展。
3D列印矯形鞋墊為三維立體結構，需要1~2周的適應期，若足部不適明顯，可在開始使用定製時每天試穿行走1~2 h，後期逐漸增加時間。此外依據定製選擇合適的鞋匹配鞋墊也非常重要。
基金專案：國家自然科學基金專案（81560374, 82172444）；內蒙古自治區科技計劃專案（201802154, 2021GG0127）；內蒙古自治區人民醫院院內基金專案（2020YN24）
本文作者：吳海賀，魏寶剛，王永祥，包呼日查，馬秉賢，齊巖松，徐永勝
作者單位：內蒙古自治區人民醫院骨關節科（運動醫學中心）
作者簡介：吳海賀，碩士，主治醫師，研究方向為骨關節臨床與基礎；徐永勝（通訊作者），博士，主任醫師，碩士研究生導師，研究方向為骨關節、運動醫學臨床與基礎。
原文發表於《科技導報》2021年第22期，原標題為《膝關節骨性關節炎步態分析特徵及3D矯形鞋墊設計應用》，歡迎訂閱檢視。
