隨著世界人口老齡化的加劇，膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（KOA）的發(fā)病率逐漸增高， 75歲以上患者發(fā)病率超過80%，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量，甚至喪失活動能力，全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)成為晚期KOA患者的常規(guī)治療方案，但術(shù)后容易出現(xiàn)多種并發(fā)癥。

目前，臨床上興起的步態(tài)分析（GA）技術(shù)是利用三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)，研究步態(tài)周期中相關(guān)規(guī)律，近來在下肢常見疾病診療、運(yùn)動功能評價及康復(fù)等方面應(yīng)用廣泛，能夠闡明步態(tài)周期中相關(guān)變化的關(guān)鍵位置及其影響因素。

本文概述了2種步態(tài)分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)原理和KOA患者下肢三維步態(tài)的改變；對3D矯形鞋墊在KOA中的應(yīng)用原理及制作過程進(jìn)行深入探討，明確KOA患者膝關(guān)節(jié)周圍動力和靜力結(jié)構(gòu)變化，將其應(yīng)用于3D矯形鞋墊的設(shè)計和生產(chǎn)，為早期KOA保守治療提供重要解決方案。

KOA的進(jìn)展與下肢步態(tài)改變有關(guān)，特別是時空參數(shù)，GA能夠幫助明確疾病的本質(zhì)，有利于KOA的早期治療與延緩疾病進(jìn)程。

而隨著3D打印技術(shù)在臨床的廣泛應(yīng)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(yōu)勢，在損傷、修復(fù)方面具有天然優(yōu)勢。

基于人體生物力學(xué)的3D打印矯形鞋墊能夠有效緩沖人體活動運(yùn)動時足底負(fù)重的壓力，增強(qiáng)足穩(wěn)定性，維持下肢平衡，糾正步態(tài)異常。

兩種GA系統(tǒng)及原理

GA是量化分析膝關(guān)節(jié)內(nèi)部運(yùn)動生物力學(xué)變化的有效方法，目前可基于可穿戴慣性傳感器和傳統(tǒng)光學(xué)分析系統(tǒng)2種方式進(jìn)行。

KOA發(fā)病后患者膝關(guān)節(jié)周圍的動力與靜力系統(tǒng)失去平衡，下肢力線異常，繼而導(dǎo)致步態(tài)周期中相關(guān)參數(shù)的變化。KOA步態(tài)中的姿勢和運(yùn)動障礙可能與下肢運(yùn)動生物力學(xué)改變和神經(jīng)控制的適應(yīng)性變化有關(guān)，可以通過步態(tài)起始作為評估的關(guān)鍵。

既往三維GA系統(tǒng)設(shè)備雖然提供了詳細(xì)的運(yùn)動及動力學(xué)數(shù)據(jù)，但在測量時需要使用高速紅外線攝像機(jī)捕捉放置在預(yù)定解剖位置的反射光標(biāo)和高度精確校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對專業(yè)性和步態(tài)實(shí)驗(yàn)室的要求非常高，且在門診并不可行。

傳統(tǒng)步態(tài)分析實(shí)驗(yàn)室模式 來源：瑞典Qulisys公司

傳統(tǒng)步態(tài)分析高速高清攝像頭捕捉光標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)

目前可穿戴慣性傳感器的出現(xiàn)為傳統(tǒng)的光學(xué)GA系統(tǒng)提供了一種可行的替代方案，可佩戴慣性傳感器或慣性測量單元使用1個或多個單獨(dú)的傳感器來測量運(yùn)動。通過將慣性傳感器連接到身體的各個部位，可以獲得與光學(xué)系統(tǒng)相似的有效、可靠的各種生物力學(xué)結(jié)果。

慣性便攜式傳感器模式圖及運(yùn)動坐標(biāo)模擬

此外，慣性傳感器數(shù)據(jù)采集不受傳統(tǒng)GA實(shí)驗(yàn)室的限制。因此，利用慣性傳感器研究骨關(guān)節(jié)炎（OA）生物力學(xué)是目前的發(fā)展方向之一，慣性傳感器系統(tǒng)在KOA患者測量中的應(yīng)用進(jìn)一步推動了該系統(tǒng)在臨床研究中的使用。不同慣性傳感器系統(tǒng)放置在人體下肢不同位置，不同系統(tǒng)中人體模型的建立及數(shù)據(jù)處理方式不盡相同。

三維GA主要包括運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)及下肢表面肌電，但表面肌電對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備限制及對專業(yè)性要求極高，尚未廣泛開展。

KOA患者GA運(yùn)動學(xué)和

動力學(xué)參數(shù)改變

KOA患者運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)的主要變化出現(xiàn)在人體冠狀面，隨年齡增大，下肢步態(tài)時空參數(shù)的變化有步幅縮短和步頻增加，以及矢狀面髖、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的改變。

KOA患者步速、步長、步頻均明顯降低，運(yùn)動中受累側(cè)膝關(guān)節(jié)活動度降低，并與KOA嚴(yán)重程度相關(guān)；步態(tài)周期中支撐相時間與擺動相時間的比例發(fā)生改變，支撐相占步態(tài)周期的比例顯著增加；步態(tài)周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(jī)械負(fù)荷、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)變化和KOA發(fā)展之間的聯(lián)系需要進(jìn)一步研究，而膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室OA的發(fā)展被認(rèn)為是重復(fù)負(fù)荷的結(jié)果。

KOA的動力學(xué)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第一峰值高于健康人群，而GRF第二峰值卻低于健康人群，GRF的最大負(fù)荷正常組要比KOA組高；（2）正常步行時前、后剪應(yīng)力表現(xiàn)為反向尖峰圖形；（3）下肢力矩，即力與關(guān)節(jié)活動范圍內(nèi)不同角度的力臂相乘，受關(guān)節(jié)穩(wěn)定性、肌力和運(yùn)動方向等多重因素影響。

膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩（KAM）可以反映膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力負(fù)荷改變情況，由GRF和膝關(guān)節(jié)中心到GRF向量間力臂共同決定，是KOA研究中可靠的監(jiān)測參數(shù)，中度至重度內(nèi)側(cè)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(guān)節(jié)內(nèi)收角度的顯著增加導(dǎo)致，晚期患者KAM的增加則與膝關(guān)節(jié)的形態(tài)學(xué)變化有關(guān)。膝關(guān)節(jié)形態(tài)學(xué)的改變會導(dǎo)致下肢在行走時KAM更加增高。KAM的變化與軀干整體運(yùn)動有關(guān)，軀干肌肉組織活動異常改變可能導(dǎo)致KAM增加，加重KOA的發(fā)生與發(fā)展。

3D矯形鞋墊在KOA中

應(yīng)用的原理與機(jī)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(cè)楔形鞋墊（LWI）為基于促使下肢力線外翻、減輕膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室的應(yīng)力的原理而設(shè)計生產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)為從腳跟到第五跖骨頭近端的外側(cè)邊緣。所有干預(yù)措施都是通過減輕KOA的癥狀來改善功能，并減緩疾病的進(jìn)展。

雖然LWI在改善患者WOMAC疼痛量表上的結(jié)果并不一致，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?？赡苁怯捎贚WI減輕了患者膝關(guān)節(jié)的疼痛，導(dǎo)致止疼藥物攝入量減少，活動水平升高，從而導(dǎo)致與基線相同的WOMAC疼痛評分。

LWI作為一種非手術(shù)方法，在臨床上用于治療KOA，可以平衡分配膝關(guān)節(jié)的軸向應(yīng)力負(fù)荷，顯著增加股骨脛骨角，減少膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形。LWI可以影響膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)、髖關(guān)節(jié)內(nèi)收、踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩，促進(jìn)股內(nèi)側(cè)肌和臀中肌活動增加，從而糾正步態(tài)，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(guān)節(jié)應(yīng)力，促使膝關(guān)節(jié)應(yīng)力中心橫向向外移動產(chǎn)生更垂直于地面反作用力，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)地面反作用力臂減小，KAM降低，從運(yùn)動生物力學(xué)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(cè)楔入高度LWI會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的疼痛或不適，5°楔入是KAM恢復(fù)和患者穿戴適應(yīng)之間的最優(yōu)選擇。此外全足長LWI比僅后足LWI對KAM影響更顯著。

早期KOA患者在步態(tài)初始階段采用不同的姿勢策略來適應(yīng)下肢生物力學(xué)的改變，LWI在步態(tài)起始的執(zhí)行階段表現(xiàn)出了良好效果，且可以促進(jìn)跟骨外翻和行走時下肢的橫向壓力中心向外側(cè)移位。

LWI生物力學(xué)有效性在使用1年后仍然存在，這可能是KOA患者穿戴LWI后改善了步態(tài)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年后再未穿戴LWI的情況下進(jìn)行隨訪，發(fā)現(xiàn)患者已經(jīng)形成了對特定步態(tài)的適應(yīng)，因此表明LWI使患者改善步態(tài)的一種代償性機(jī)械適應(yīng)，在步態(tài)起始和行走時與平衡訓(xùn)練計劃結(jié)合，可以改變下肢步態(tài)、促進(jìn)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動生物力學(xué)恢復(fù)，在長期減緩疾病進(jìn)展中發(fā)揮重要作用。

基于GA結(jié)果3D矯形鞋墊

制作過程與使用

近年來，3D矯形鞋墊對治療早期KOA的應(yīng)用越來越廣泛，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院已將針對下肢早期OA患者治療康復(fù)用3D打印矯形鞋墊進(jìn)行了臨床推廣應(yīng)用，可有效改變患者的下肢力線、促進(jìn)正常步態(tài)的恢復(fù)。

根據(jù)不同患者GA的情況要定制不同的矯形鞋墊，主要為3個步驟：

（1）采集步態(tài)周期中足部動/靜態(tài)數(shù)據(jù)，通過足底壓力不同分區(qū)的各類數(shù)據(jù)為鞋墊的設(shè)計制作提供依據(jù)。在行走試驗(yàn)中，使用F-Scan壓力傳感鞋墊收集足底壓力信息，Shimmer3 IMU系統(tǒng)記錄下肢加速度和角度旋轉(zhuǎn)。

F-Scan壓力傳感加Shimmer3 IMU系統(tǒng)

Freestep系統(tǒng)

（2）通過足底掃描儀生成三維的足型數(shù)據(jù)，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(xué)。繼續(xù)利用鞋墊計算機(jī)設(shè)計軟件，將采集到的數(shù)據(jù)通過軟件內(nèi)置的足壓分析模塊CADCAM設(shè)計加工軟件進(jìn)行初步設(shè)計處理，實(shí)時渲染3D建模，再將初步處理過的足壓數(shù)據(jù)進(jìn)行人工修改設(shè)計定型。

（3）利用數(shù)控雕刻機(jī)床及3D鞋墊打印機(jī)，打印出不同材質(zhì)的個性化矯形鞋墊。

個性化外側(cè)矯形鞋墊治療內(nèi)側(cè)間室KOA

3D矯形鞋墊不僅具有普通鞋墊的緩沖壓力減震、防止足部滑動、支撐足弓以及改善足部功能的作用，還可以通過矯正和改善足底壓力分布，對相關(guān)的足部疾病進(jìn)行保守治療，改善下肢步態(tài)及運(yùn)動生物力學(xué)，從而預(yù)治KOA的發(fā)生與發(fā)展。

3D打印矯形鞋墊為三維立體結(jié)構(gòu)，需要1~2周的適應(yīng)期，若足部不適明顯，可在開始使用定制時每天試穿行走1~2 h，后期逐漸增加時間。此外依據(jù)定制選擇合適的鞋匹配鞋墊也非常重要。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81560374, 82172444）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項(xiàng)目（201802154, 2021GG0127）；內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院院內(nèi)基金項(xiàng)目（2020YN24）