矫形器在内侧间室膝关节骨性关节炎中的应用

马圣楠 ，柯竟悦，董洪铭，张瑞星，李古强

膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis, KOA)是一种常见的退行性老年疾病[1]，主要是关节软骨退变和继发性骨质增生[2-3]，90%以上发生在内侧间室，表现为膝内翻。近年来随着人口老龄化的加剧[4]，导致老年疾病的发生率加速增长，60岁以上人群中约35%～50%患有膝骨关节炎[5]，因此人们对KOA的治疗越来越重视。目前针对KOA的治疗主要是减轻疼痛，提高关节活动度和功能[6]，包括物理治疗、传统药物治疗和手术治疗。物理因子治疗可以减轻疼痛但无法纠正异常的下肢力线，效果有限。传统药物治疗包括口服或外用非甾体类消炎药，镇痛效果小且副作用大[7-8]。手术治疗以膝关节置换为主，是目前治疗重度KOA的最有效手术之一，但调查研究表明术后患者满意度仅有81%～89%[9-10]。矫形器作为一种保守治疗方式，花费低无创伤并能有效减轻疼痛，纠正异常力线，目前被广泛应用于临床中。本文从生物力学角度出发，综述了与KOA相关的生物力学评估指标及现有3种矫形器(外侧楔形矫形鞋垫、膝关节外翻矫形器、力学矫形鞋)对KOA的生物力学影响和临床疗效，旨在为以后的研究方向和临床治疗提供指导意义。

1 KOA相关生物力学参数

生物力学因素是KOA发生的重要因素。膝关节受力情况与关节形状和结构、下肢力线、膝内部负荷、周围软组织等密切相关。

1.1 膝关节内收力矩(knee adduction moment, KAM) KAM是指在站立或行走过程中，由膝关节内侧通过的地面反作用力(ground reaction force, GRF)，与作用于膝关节中心的力臂所形成的力矩。因此KAM与GRF的大小有关，而GRF的大小与膝关节中心力臂的大小、下肢质量和加速度等有关。所以，当GRF或力臂增加时，膝关节的内收力矩也会增加。此时，膝关节内侧间室的负荷变大，导致内侧间室的软骨退化、软组织受损，形成膝关节骨性关节炎。

在一个步行周期中，KAM一般有两个峰，分别在站立相的早期和晚期。加拿大的一项研究发现，两个峰值的大小和膝关节疼痛和严重程度呈正相关[11]。但也有研究表明疼痛与KAM呈负相关，疼痛是一种保护机制，导致步行中KAM的自我选择性减少[12]。虽然KAM的研究有待探讨，但KAM峰值能够反映膝关节内侧负荷的理论已被证实。

1.2 膝关节内收冲量(knee adduction moment impulse, KAMI) KAMI指KAM在站立相的时间积分值，表示站立时膝关节内侧间室的负荷累积情况。KAMI与半月板和关节软骨的变化相关，KAMI越高的KOA患者内侧半月板损伤越大，股骨内侧/外侧软骨厚度比值越小。近年来有学者研究证实KAMI在一定程度上比KAM更能反映KOA的病情变化，Bennell等[13]认为较高的KAMI而非KAM与胫骨内侧软骨损伤有关，并得出结论KAMI可能是胫骨内侧软骨损伤的危险因素。

2 矫形器的应用机制和临床疗效

内侧间室膝关节骨性关节炎的本质是下肢力线发生了改变，常见的是胫骨相对于股骨内移，导致内侧间室压力过高，从而产生疼痛、关节变形。所以针对这一原因，临床上经常采用矫形器纠正关节力线，缓解症状，防止关节畸形。其中常见的有3种：外侧楔形矫形鞋垫、膝关节外翻矫形器和力学矫形鞋。

2.1 外侧楔形鞋垫( Lateral wedged insoles，LWI ) LWI是一种外缘高于内缘的康复辅具，可以固定、预防和矫正踝关节的畸形，放松足底的筋膜，改善下肢的生物力学，纠正异常力线[14]。

2.1.1 LWI对KOA的生物力学影响 目前已有很多文献报道穿戴LWI后可以降低步行过程中的膝关节力学信号。Sasaki[12]和Yasuda[15]在1987年首次提出使用LWI治疗KOA，可将跟骨移至相对于胫骨的外翻位置，纠正下肢的膝内翻。后研究证实穿戴LWI后，压力中心(center of pressure, COP)由内向外侧偏移，使得GRF与膝关节中心的垂直距离减小，缩短了KAM臂长度，从而降低KAM[16]。反之可以通过逆向动力学原理测量KAM，研究LWI是否具有治疗KOA的作用。因此张旻等[17]利用VICON三维步态分析系统和测力板，研究了早期KOA患者在使用LWI后的下肢生物力学参数变化，发现KAM、KAMI均减少，同时踝关节外翻力矩增加，这说明LWI在膝骨关节炎治疗中是有效果的，但也会带来踝部的不适。

Elham等[18]做了一项关于LWI在早期KOA患者的步态启动中的作用，结果表明LWI在步态启动的执行阶段表现出良好的效果，在运动阶段COP的位移更快更长，在单足站立阶段GRF的冲量增加；表明LWI可以帮助无症状患者达到步行速度更快、动态平衡更好的稳定状态。

目前大多数的保守治疗都是为了改善步态适应性和减少KAM等，而有关步态启动的生物力学研究却很少。步态启动指人体从直立姿势到稳定步态的过渡阶段，是一项需要高度协调性的任务，主要分成预期姿势调整和执行阶段。Najafi等[19]发现健康人穿戴矫形鞋垫后，缩短了步态的起始时间，更快地达到稳定步态，并且改善了内侧方向上的动态平衡。因此Esfandiari等[18]测量了KOA患者穿戴LWI后步态启动的参数，并与同龄健康人进行比较，从而更好地解释LWI对KOA的影响机制。结果发现LWI在步态启动中的执行阶段表现出显著的效果：COP移动更长更快，且在单足站立阶段GRF的冲量增加。综上所述，本文认为可以将LWI结合平衡训练应用在早期的KOA康复中，以提高患者的步行能力。

2.1.2 LWI的角度与材料选择 Dessery等[20]比较KOA患者在使用不同度数的鞋垫(正常鞋垫、6°LWI和10°LWI)后的组间疼痛、生物力学等指标时，发现并无统计学意义。但另一项研究表明[21]，膝关节在运动过程中所承受的应力大小与楔形角大小成反比，但大于6°时，应力不会随之进一步降低，反而会因为楔形角的度数变大而导致踝关节受力增加，产生不适感甚至疼痛。所以，目前临床上使用的LWI大多是5°。但是6°外侧楔形鞋垫也是具有一定范围的有效性，它虽然可以减少膝关节内翻力矩，但并不能将其降到正常水平。

LWI的材料选择对治疗效果也会有很大的影响，采用弹性模量低的材料制作的鞋垫舒适度较好，但是长期使用后易产生形变，导致疗效降低；较高的弹性模量虽不易形变，但使用感较差，很难坚持使用。因此，Jones等[22]利用内外侧鞋垫变形系数的差异来解决上述问题，LWI的外侧使用较硬的材质维持矫形效果，内侧采用相对较软的材质提高舒适感，不过此鞋垫还需进一步临床验证。

临床治疗中使用的LWI大多带有足弓支撑，因为研究发现[23]，与传统LWI相比，带有足弓支撑的矫形鞋垫更能减轻疼痛(传统LWI，P=0.61，足弓支撑LWI，P<0.001)，并且2组KAM分别减少5.21%和6.29%，由此可以看出带有足弓支撑的LWI更适合KOA患者。张旻等[24]对比了传统LWI和足弓支撑LWI对KOA的影响，结果表明二者虽然在减轻关节负荷方面无差异，但是佩戴足弓支撑LWI后踝关节外翻扭矩以及地面反作用力内侧方向的分力未见增加，因此不会导致踝关节不适。

2.1.3 LWI的临床疗效 目前用LWI治疗KOA的疗效研究已有很多，但其中存在许多争议，部分学者认为LWI不能减少疼痛和改善膝关节功能，且还会增加踝部不适感，但也有学者通过对比穿戴LWI前后的生物力学变化并结合临床量表评分，认为LWI在一定程度上仍有积极作用。谢汝兰等[25]首次将国际功能、残疾和健康分类(International Classification of Functioning, Disability and Health, ICF)系统应用于KOA对比软LWI和硬LWI治疗的临床效果，结果发现软LWI短期内能显著减轻疼痛，并在爬楼梯时间、日常生活能力、运动功能等方面差异有统计学意义，同时在膝关节相关生活质量方面改善显著。此实验不足之处在于观察时间较短，缺少长期随访并且鞋垫结构、足弓支撑高度和楔形角度数等因素会影响研究结果，将来有必要对不同类型鞋垫和鞋子进行长期追踪研究。Felson 等[26]研究发现楔形鞋垫相比普通鞋垫可以降低2%的KAM，但在减轻疼痛方面效果较小，只在部分患者身上具有临床意义，这可能与美国西部Ontario和Mcmaster大学骨关节炎指数(Western Ontario and Mcmaster universities osteoarthritis index, WOMAC)评分的灵敏度有关。针对膝关节功能评估，Salam等[27]对40名KOA患者随机分2组，对照组进行理疗和股四头肌训练，实验组在此基础上穿戴LWI，结果显示实验组膝关节功能评分(knee injury and osteoarthritis outcome score, KOOS)中的僵硬和生活质量评分均明显优于对照组。内侧半月板撕裂是半月板退变的原因之一[28]，并且内侧半月板的退行性改变会导致膝骨关节炎的发生和加重，同时半月板撕裂与半月板挤压(medial meniscus extrusion,MME)具有相关性[29]。因此Yosuke等[30]利用超声检查探究KOA患者穿戴LWI后内侧半月板的挤压程度，验证LWI的有效性。结果显示在仰卧位和站立位情况下，正常人穿戴LWI后MME没有变化，而KOA患者使用LWI后MME数值显著下降。这表明LWI可以有效减轻半月板挤压程度，从而延缓膝关节退行性变。

2.2 膝关节外翻矫形器 膝关节外翻矫形器(Knee valgus orthosis, KO)主要利用三点力学原理，在膝关节近端及远端的施加向外的力，在膝关节外侧的髁状突垫施加向内的力，两者形成反作用力，从而增大患膝内侧髁间隙，矫正膝关节在运动中产生的异常模式，降低关节内压力负荷，从而减轻疼痛，改善关节力学问题

2.2.1 KO对KOA的生物力学影响 内侧间室KOA通常与通过膝内侧间隙传递的负荷增加有关，这也是导致步行过程中KAM增加的主要原因。临床上用于抵消这些负荷常用的便是膝外翻矫形器，主要是通过减小膝内翻角度，纠正异常的下肢力线，使GRF向外侧移动，从而减少KAM，达到降低膝关节内侧负荷的目的。Petersen等[31]在2016年发表了一篇关于KO对KOA生物力学影响的综述，其中20篇文献表明外翻免负荷支具能显著降低KAM，并且有7篇显示佩戴支具的患者疼痛明显减轻。但是仍有4篇文章没显示免负荷支具对KAM有影响。目前在国际上用于测量膝关节生物力学指标的设备是三维动作捕捉系统，它利用计算机辅助红外摄像技术可以准确地记录肢体在进行各种活动时的情况，并用特定的算法得出关节角度、关节力矩和地面反作用力等参数，被称为“金标准”。因此张旻等[17]利用VICON三维步态分析系统以及Kilster测力台对KOA患者佩戴KO前后的下肢生物力学参数测量，结果表明佩戴KO后KAM、KAMI明显下降，踝关节外翻力矩增加；并且发现佩戴LWI组患者除上述参数降低外，内侧方向GRF也下降，但是KO组和LWI组的治疗效果无差异。许多文献中对于膝外翻矫形器是否能减少KAM第一峰值并未达成一致，其中一些研究表明KAM第一峰值显著降低[32-34]，而另一些文献则没有[35-37]，这可能也是膝外翻矫形器在临床中应用不足的原因之一。Lamberg等[38]研究发现穿戴KO治疗后的第一峰值较治疗前有所降低，但是第二峰值的下降差异更显著(减少约26%)，这与其他研究中的11%～32%是一致的[34-37]，且穿戴KO后步行速度明显增加，同时支撑期阶段膝关节伸展角峰值减小，但摆动期时最大屈曲角度却没有下降，这表明膝外翻矫形器并不会阻碍膝关节的运动。

2.2.2 KO的临床疗效 2019年美国手、髋和膝部骨性关节炎治疗指南中强烈推荐佩戴膝关节矫形器治疗KOA[39]。曹建业等[40]发现佩戴KO后的视觉模拟量表评分(visual analogue score, VAS)、日本骨科协会评估治疗分数( Japanese orthopaedic association scores, JOA)和美国膝关节协会评分(Knee society score, KSS)评分均有明显改善。Ostrander等[41]研究也表明，对KOA患者使用免负荷KO可以改善疼痛。同时，佩戴KO可以固定松弛的韧带、关节囊和萎缩的肌肉，提高膝关节稳定性。但有研究表示，KO对KOA患者的疼痛和功能活动改善只在短期有效，当长期佩戴时效果不明显。因此Yinuo Fan等[42]进行了一项关于KO对KOA患者疼痛和功能活动长期影响的Meta分析，结果发现随访时间<24周的KOA患者WOMAC疼痛评分改善明显，但当随访时间>24周时，疼痛没有减轻。同时WOMAC功能评分中，并未发现穿戴KO后有统计学差异。国内龙雄武等[43]对60例膝内侧膝骨关节炎患者随机分组，结果发现KO治疗1d、1周、1个月时WOMAC评分(疼痛、功能、僵硬)明显下降，并且在2、3个月时WOMAC评分维持在稳定状态。但对照组在治疗1个月后才开始有所改善，并且同一时间点，实验组均较对照组评分减少明显。目前的KO临床验证大部分都是短期[40-43]，在Moyer等[44]的Meta分析中，30项研究中只有3项在进行长期随访。Cudeiko等[45]的荟萃分析也是只关注短期随访。在这些短期随访中，KO对KOA的治疗是有显著效果的，未来我们需要继续探讨长期佩戴KO对下肢生物力学的影响和临床疗效。传统KO治疗KOA时因为髁状突垫或带子的刺激，可能会引起皮肤不适，导致患者不愿坚持治疗。同时膝关节做屈伸运动时，由于终末旋转功能会导致小腿自旋，从而带来矫形器滑脱的问题。虽然LWI不会引起这些问题，但其减少KAM的生物力学效应有限[31]。因此，未来我们需要对传统矫形器进行改良，以解决上述问题，从而达到更好的治疗效果。

2.3 力学矫形鞋

2.3.1 力学矫形鞋对KOA的生物力学影响 近年越多的研究表明力学矫形鞋在治疗KOA中有积极作用[46-47]。目前临床中的矫形鞋大致分为两类：内置型和外置型。前者主要是将矫形鞋垫与鞋子结合，作用机制与矫形鞋垫一样。后者主要是通过半球形滚轴改变患者步行中足部与地面的接触点，使GRF的冠状面分力减小，并且使垂直面的分力向膝关节中心偏移，从而分解步行过程中膝关节承受的压力，缓解疼痛。美国生产的APOS 生物力学鞋由放置在每只脚后足和前足区域下方的凸起可调节生物力学元件组成，治疗师可以根据每个患者的自身情况定制生物力学元件的位置，从而改变步行过程中的足底压力中心的轨迹，进而改变GRF，最终改变膝关节运动链内的力矩。同时，该力学矫形鞋引入步态干扰进行神经肌肉再教育，在一定程度上可以改善患者的步行功能。

2.3.2 力学矫形鞋的临床疗效 Stephan等[48]对220名膝骨关节炎患者随访24周研究发现，穿戴Apos生物力学矫形鞋组的WOMAC总体评分有显著下降，其中疼痛、僵硬亚评分下降最大；并且Apos组的步速、步长和单腿支撑期百分比均优于对照组，但是2组在SF-36和心理方面没有统计学差异。然而，这种力学矫形鞋不能推广到跌倒高危人群，同时膝关节严重疼痛的人也不适用，所以该矫形鞋的有效性和安全性还需进一步长期试验验证。

3 小结

KOA是一种因下肢力线异常导致的关节疾病，内侧间室的负荷增加对整个下肢都产生了影响。因此利用穿戴矫形器来改变COP的偏移、缩短GRF与膝关节中心的垂直距离、减小膝内翻角度等机制，可以降低KAM，达到减轻膝关节负荷的目的。但目前矫形器治疗KOA的临床疗效的评估存在争议，未来仍需大量的随机对照试验对此进行长期验证，以便提供更多的证据指导。随着科技的发展，矫形器将会越来越普及、便携与适用，KOA的治疗将不再局限于传统的物理治疗或药物治疗，而是从KOA的生物力学机制出发，采用辅具进行联合干预与矫正，达到1+1>2的效果。