胫骨近端截骨Ilizarov技术治疗膝骨性关节炎的步态分析△

张 力，苏 鹏，樊渝波、2*，秦泗河，胡翔宇，石 磊，王 全，臧建成，郑学建，王执宇，秦绪磊

（1.国家康复辅具研究中心附属康复医院矫形外科；北京市老年功能障碍康复辅助技术重点实验室；民政部人体运动分析与康复技术重点实验室，北京 100176；2.国家康复辅具研究中心北京100176；3.北京信息科技大学机电工程学院，北京100192）

膝关节骨性关节炎（osteoarthritis,OA）是一种老年人常见的慢性退行性疾病，始发部位在软骨面，以内侧间室发生退行性改变居多，随着关节炎病变加重，关节内及其周围生物力学环境即发生明显改变，膝内收力矩及内侧间室承受压力也增大，下肢力线转移，同时下肢运动出现异常，逐渐出现以膝内侧疼痛为症状的内翻畸形，称之为内侧间室膝关节骨性关节炎（medial knee osteoarthritis,MKOA）［1］。临床上常见的MKOA治疗包括物理治疗、药物治疗、生物力学辅具治疗及手术治疗等。近年来膝骨性关节炎的下肢生物力学评估已被广泛应用于临床研究［2，3］；胫骨近端低位微创截骨Ilizarov外固定技术治疗MKOA也显示了良好的临床疗效［4-7］。步态分析（gait analysis,GA）主要针对下肢的运动和受力情况进行动态量化分析。针对异常运动状态，尤其是进行步态分析是在宏观上把握KOA病情以及治疗情况的重要手段，已成为当前研究的热点［8-11］。本研究重点探讨MKOA患者术前及术后因运动学和动力学改变导致步态变化的规律，并更加直观的了解GA研究在MKOA手术治疗中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准

纳入标准：（1）K/L分级I、II级，内侧间室病变为主的早中期膝KOA；（2）内侧间隙疼痛为主要症状，可为活动性疼痛、静息痛或指压内侧副韧带处疼痛；（3）负重位X线片股胫角（femor-tibial angle,FTA）≥180°，存在膝关节内翻；（4）保守治疗3个月以上无效；（5）膝关节屈曲＞90°，伸直＜15°。

排除标准：（1）外侧间隙变窄、疼痛；（2）类风湿性关节炎、化脓性关节炎、创伤性关节炎等关节疾病；（3）负重位X线片测量FTA存在膝关节外翻；（4）有外伤史，膝关节主要韧带存在损伤或断裂；（5）存在半月板撕裂或关节游离体导致的膝关节疼痛及绞索；（6）膝关节内侧平台缺损；（7）膝关节周围韧带松弛、不稳；（8）合并严重的内科疾病、恶性肿瘤和精神异常的患者；（9）妊娠期及哺乳期妇女；（10）不愿参加者及疗程不足无法评价疗效者。

1.2 一般资料

2016年9月～2018年12月，在本院采用胫骨近端低位微创截骨Ilizarov外固定技术治疗的11例内侧间室型膝骨关节炎（MKOA）患者，男6例、女5例；年龄22～58岁，平均（40.92±0.34）岁；11例患者共计21膝（10例双膝），左侧11膝、右侧10膝；K/L分级I级8膝、II级13膝。有膝骨关节炎患者病程2.5～14年，平均（5.72±0.64）年，症状均以膝内侧疼痛为主，均有2年以上保守治疗病史。本研究已获得医院伦理委员会批准，每位患者均知情同意。所有测试均由同一组骨科医生和生物力学测试室研究员共同完成并记录。

1.3 手术方法

依据患膝负重位双下肢全长正侧位X线片标记，测量股骨解剖轴、胫骨解剖轴及胫骨近端内侧角和股骨远端外侧角，预定截骨平面。

硬膜外阻滞麻醉或全麻，取平卧位，患肢上止血带。参照本科特色技术胫骨近端低位微创截骨Ilizarov外固定技术进行胫腓骨截骨，安装Ilizarov外固定器矫形［12］。

术后功能锻炼：根据术前评估及术中情况调整外固定架，继续矫正残余内翻畸形，直至下肢力线恢复正常。随访期间定期拍摄下肢负重膝关节正侧位X线片，根据力线调整外固定架，冠状位、矢状位位置满意后，锁定外固定架，负重行走。根据截骨端愈合情况，6～15周拆除外固定架。

1.4 评价指标

记录术前、拆除外固定架时及术后半年3个时间点步态周期中时空、运动学及动力学参数，进行三维步态数据分析比较。

在步态分析测试中，观察并记录患者膝关节活动时的步态变化，均需记录在一个完整的步态周期内，即一次足跟着地起到该侧足趾离地的站立相，再到同侧足跟再次着地的摆动相止。所收集数据在计算机系统整理时，取右腿为主要活动及观察对象，左腿为辅助腿，定义三维坐标系［13］：以人自然直立时，人的正前方为X轴，左方为Y轴，上方为Z轴（图1），令在X轴上旋转运动（θ1），即膝关节的内外翻转角，在Y轴上旋转（θ2），即为膝关节屈伸转角，绕Z轴旋转（θ3），即膝关节内外旋转角（图 2）。

图1 步态分析测试 1a:三维坐标系 1b:三个平面角

利用逆向动力学原理，分析软件对相关数据进行处理。测量指标包括步速、步幅和膝关节屈伸角度、内外翻角度、踝关节活动范围、踝关节外翻角度及膝关节内翻力矩 （knee adduction moment,KAM）、膝关节内翻角冲量 （knee adduction angular impulse,KAAI）、踝关节外翻力矩、足底中心压力轨迹等时空参数、运动学指标、运动力学指标。

1.5 统计学方法

使用SPPS 22.0软件包进行步态数据分析，计量资料以均数±标准差表示，采用配对设计资料t检验或单因素方差分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 步态分析时间空间

步态分析连杆模型建立见图。患者术前、拆除外固定器时及术后半年随访复查时测试的时间空间参数结果见表1，11例患者步幅和步速在术前、拆除外固定器时及术后6个月比较差异无统计学意义（P＞0.05）。

2.2 步态运动学测试结果

患者术前、拆除外固定器时及术后6个月膝关节、踝关节步态运动检测结果见表2，随时间推移，步态测量中患者屈膝角度显著增加（P＜0.05），膝关节过伸的伸膝角度也显著增加（P＜0.05）；膝关节内翻、外翻角度均显著减少（P＜0.05）。随时间推移，步态测量中踝关节活动范围及外翻角度也显著增加（P＜0.05）。

2.3 步态力学测试结果

患者术前、拆除外固定器时及术后6个月运动力学测试结果见表3。随时间推移，膝关节内收力矩和内收角冲量均显著减少（P＜0.05），提示膝关节内侧间室压力均明显降低，且随着恢复时间延长，骨性愈合后内外侧间室压力软组织平衡重建继续均衡。

图2 连杆模型及运动变化

表1 患者不同时间点时空参数测量结果（±s）与比较

表1 患者不同时间点时空参数测量结果（±s）与比较

指标步幅（m）步速（m/s）术前1.1 6±0.1 0 1.0 6±0.2 1拆外固定器时1.1 6±0.8 1 1.0 5±0.1 1术后6个月1.1 8±0.0 9 1.0 6±0.1 3 P值0.9 4 0 0.9 7 7

表2 21膝不同时间点膝关节、踝关节步态运动学检测结果（°，±s）与比较

表2 21膝不同时间点膝关节、踝关节步态运动学检测结果（°，±s）与比较

指标屈膝角度伸膝角度（膝关节过伸）内翻角度外翻角度踝关节活动范围踝关节外翻角度术前4 0.2 1±2.1 0 1.2 6±2.2 1 1 7.1 6±2.2 3 1 2.5 6±2.2 7 2 5.6 7±0.3 5 2.8 4±0.1 8拆外固定器时4 7.1 6±1.8 1 1.7 5±1.6 3 7.1 6±1.6 5 9.4 5±2.1 1 2 6.3 2±3.2 8 3.1 7±0.6 5术后6个月5 3.2 6±1.0 9 2.0 6±1.1 3 6.1 8±2.1 7 6.8 6±1.2 6 3 0.3 2±1.1 4 3.3 6±0.5 4 P值＜0.0 0 1 0.0 0 3＜0.0 0 1＜0.0 0 1＜0.0 0 1＜0.0 0 4

表3 21膝膝关节、踝关节步态力学检测结果（±s）与比较

表3 21膝膝关节、踝关节步态力学检测结果（±s）与比较

指标膝关节内收力矩（N·m/k g）膝关节内收角冲量（N·m·s/k g）踝关节外翻力矩（N·m/k g）足底中心压力轨迹（M）术前0.3 9±0.0 7 0.1 6±0.0 2 0.1 7±0.0 2 0.0 2±0.0 3拆外固定器时0.3 7±0.0 6 0.1 6±0.0 1 0.1 9±0.0 1 0.0 3±0.0 5术后6个月0.3 6±0.0 9 0.1 5±0.0 4 0.1 2±0.0 3 0.0 3±0.0 2 P值0.2 4 2 0.4 2 8＜0.0 0 1 0.5 2 7

拆除外固定器时踝关节外翻力矩较术前增加（P＜0.05），提示截骨矫正膝内翻已改善下肢力线，术后半年随访时与拆除外固定器时踝关节外翻力矩比较差异无统计学意义（P＞0.05），提示骨性愈合后下肢力线基本稳定。拆除外固定器时足底中心压力轨迹较术前明显向外侧偏移（P＜0.05），提示截骨矫正膝内翻足底负重有明显改善。然而术后6个月时与拆除外固定器时差异无统计学意义（P＞0.05）。

3 讨论

胫骨近端低位微创截骨Ilizarov技术是一种对下肢异常生物力线进行修正、矫正膝内翻、减小膝内收力矩的治疗方案，是胫骨内侧动态骨痂延长截骨法［6，19］。步态分析中，术前、术后拆除外固定器时及术后半年比较，步速步幅时空参数差异无统计学意义，提示患者步速步幅无明显影响；运动学参数膝关节屈伸角度逐步改善、内外翻逐步纠正，而踝关节在拆除外固定器时活动范围较术前无明显变化、踝关节外翻角度较术前有较大增加；术后半年随访踝关节活动范围大幅增加，较术前及拆除外固定器时均有明显差异、踝关节外翻角度较术前有明显增加，提示该技术可显著改善患者膝、踝运动学参数，而与拆除外固定器时比较变化不明显，提示拆除外固定器后胫骨截骨处骨性愈合可达到稳定；动力学测试中术后膝关节内翻力矩、膝关节内收角冲量均逐渐减小，提示膝关节内侧间室压力均明显降低，且随着恢复时间延长，骨性愈合后继续均衡内外侧间室压力。拆除外固定器时踝关节外翻力矩较术前增加，提示截骨矫正膝内翻已改善下肢力线，术后半年随访时与拆除外固定器时比较无明显差异，表明骨性愈合后下肢力线基本稳定。拆除外固定器时足底中心压力轨迹较术前明显向外侧偏移，提示截骨矫正膝内翻对足底负重有明显改善，然而术后半年随访时与拆除外固定器时比较无明显差异，同样表明骨性愈合后下肢力线基本稳定，未进一步改变足底负重情况。

在下肢运动障碍的分析领域，步态分析的重要性正在不断增加。作为临床评估的补充以及有助于提高治疗效果的工具，步态分析有益于做出有效的临床决策。结合三维步态分析结果总结分析，胫骨近端低位微创截骨Ilizarov外固定技术治疗可能的机制是：①通过截骨矫正膝关节内翻畸形，恢复膝关节正常生物力线，使生物力线转移到相对正常的外侧间室，异常生物力学分布得到纠正，有利于损伤关节软骨得到修复；②减少膝内翻力矩，改变胫骨平台压力异常分布，减少膝关节内侧间室受力，相应增加外侧间室负荷，使得骨内压力降低、外周阻力降低、改善局部血液循环及代谢；③胫骨结节下截骨使术后胫骨结节相对有所抬高，导致术前紧张的髌韧带张力得到松解，有助于减轻髌股关节面负荷，髌股关节软骨面磨损有所缓解，降低髌股关节炎发生率；④使退变关节软骨在良好空间环境下获得修复，最终使膝关节临床症状、体征得以缓解或者消除［20-22］。

总之，胫骨近端低位微创截骨Ilizarov外固定技术治疗内侧间室型膝骨关节炎具有矫正准确、疗效确切等特点，尤其符合生物力学要求，值得推广应用。步态分析测试操作简便无创、患者易于接受，客观反映了出一个步态周期中三维运动轨迹及相应数据的变化，有利于对手术疗效进行准确评估。