李韋豪 ，許勝強，劉奕，周云，屈磊，楊先軍

1 安徽大學電子信息工程學院，合肥市，230601

2 中國科學院合肥智能機械研究所，合肥市，230031

3 安徽醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院，合肥市，230601

膝關(guān)節(jié)作為人體內(nèi)最大的、最復雜的屈曲關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)腔容積、滑膜及軟骨面積等均居各關(guān)節(jié)之首位，在競技體育以及人口老齡化高速發(fā)展的前提下，膝關(guān)節(jié)損傷的發(fā)生率普遍提高[1-2]。膝關(guān)節(jié)損傷會影響患者的自主行動能力，嚴重影響患者的日常生活。然而對于膝關(guān)節(jié)損傷，目前臨床上的檢測與評估手段主要為儀器檢查、量表評估等[3]，而在患者的日常生活中，膝關(guān)節(jié)所承受的重力及慣性作用會對其產(chǎn)生累積效應，儀器檢查無法實現(xiàn)遠程監(jiān)測和長期性監(jiān)測，容易遺漏突發(fā)的、非周期性的臨床癥狀。

近年來，運用足底壓力分析技術(shù)來對各種疾病進行量化評估以及長期跟蹤檢查已經(jīng)成為醫(yī)學領(lǐng)域的研究熱點[4]。而且國內(nèi)外已有學者研究證實[5-6]，膝關(guān)節(jié)損傷患者的足底壓力分布異于常人，包括對膝關(guān)節(jié)炎[7-8]、交叉韌帶損傷[9-10]、半月板損傷[11]等疾病的研究中，大量學者使用足底壓力分析設備進行數(shù)據(jù)采集以及分析實驗。因此膝關(guān)節(jié)損傷與足底壓力分布息息相關(guān)，且足底壓力分析設備作為一種先進的臨床生物力學檢測儀器，可以深層次地分析受試者的足底壓力分布模式，進行平衡能力評估，并提供客觀的數(shù)字化評估結(jié)果，代價較低，測試方便且過程無危害。因此，足底壓力分析技術(shù)將有助于膝關(guān)節(jié)損傷的評估和監(jiān)測。

本文將利用足底壓力分析技術(shù)探討膝關(guān)節(jié)損傷患者在靜態(tài)站立時的足底壓力分布模式與平衡能力。利用Zebris FDM-S設備收集樣本數(shù)據(jù)，并對足底進行分區(qū)，探討受試者每個區(qū)域的壓力值以及左右腳壓力值的比值；然后根據(jù)受試者整體的壓力中心（COP）移動的軌跡來評估受試者的平衡能力。最終通過實驗驗證足底壓力分析設備在膝關(guān)節(jié)損傷評估中的應用價值。

1 對象與方法

1.1 實驗對象

選取膝關(guān)節(jié)損傷患者作為研究對象，患者均來自安徽醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院康復科，所有患者皆經(jīng)過專業(yè)醫(yī)師的診斷，確診為膝關(guān)節(jié)損傷患者（包括膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎、交叉韌帶損傷患者、半月板損傷患者）。

入選標準：① 了解此次實驗目的，被告知實驗可能產(chǎn)生風險，且同意參加該實驗，并簽定受試者知情同意書；② 膝骨關(guān)節(jié)炎患者、半月板損傷患者、交叉韌帶損傷患者皆可入選；③ 有自主行動的能力；④ 對側(cè)肢體無損傷。

經(jīng)過篩選，共有68例患者符合實驗標準，其中膝骨關(guān)節(jié)炎患者32例，半月板損傷患者17例，交叉韌帶損傷患者19例。由于交叉韌帶損傷和半月板損傷都是在運動過程中意外造成的，所以將這兩種損傷的患者歸為運動損傷組（SI組），將膝骨關(guān)節(jié)炎患者歸為一組（OA組）。此外，設置對照組（CG組）作對比分析，對照組為43名健康的志愿者，其年齡、身高、體重、性別與患者組相當，無神經(jīng)系統(tǒng)疾病。受試者基本資料見表1。

表1 受試者基本資料（均值±標準差）Tab.1 Basic data of subjects (mean±SD)

1.2 實驗儀器與設備

本研究采用德國Zebris公司研發(fā)的FDM-S型號足底壓力分析設備（圖1），設備規(guī)格為69 cm×40 cm×2.5 cm（長×寬×高），重量為6.5 kg，采樣頻率為120 Hz，設備內(nèi)共有2 560個傳感器，壓力采集的有效區(qū)域為54.2×33.9 cm2（長×寬）。上位機軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行實時顯示，并保存。在完成采集數(shù)據(jù)結(jié)束之后，可生成報表，并計算出該受試者的基本參數(shù)。

圖1 Zebris FDM-S足底壓力分析設備Fig.1 Zebris FDM-S plantar pressure analysis equipment

1.3 實驗程序與數(shù)據(jù)采集

本實驗在安徽醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院康復科進行，受試者保持赤腳進行靜態(tài)測量（如圖2所示）。進行多次實驗，并取其中穩(wěn)定且無過多其他干擾因素的三次測試結(jié)果作為后期分析的數(shù)據(jù)。

圖2 測試圖Fig.2 Test chart

靜態(tài)站立時的數(shù)據(jù)采集：使受試者站立在壓力墊上，待其穩(wěn)定之后，開始保存數(shù)據(jù)，一次測試保存10 s，并分別進行睜眼測試和閉眼測試。

1.4 測試指標

本實驗主要研究的對比參數(shù)：

（1）足底壓力分布特征：用足部分割算法對足底進行區(qū)域劃分，共劃為十個區(qū)域（如圖3所示），分別為足跟內(nèi)側(cè)區(qū)（MH區(qū)）、足跟外側(cè)區(qū)（LH區(qū)）、足弓區(qū)（MF區(qū)）、第一跖骨區(qū)（M1）、第二跖骨區(qū)（M2區(qū)）、第三跖骨區(qū)（M3區(qū)）、第四跖骨區(qū)（M4區(qū)）、第五跖骨區(qū)（M5區(qū)）、大拇趾區(qū)（H區(qū)）、第2～5腳趾區(qū)（T區(qū)）。

（2）靜態(tài)站立時平衡能力評估的指標參數(shù)：根據(jù)受試者靜態(tài)站立10 s的COP軌跡得出相關(guān)平衡能力指標參數(shù)，參數(shù)如下：① 10 s內(nèi)COP軌跡的總長度；②包圍全部COP軌跡的最小橢圓，如圖4中橢圓部分，并計算出該橢圓的長軸、短軸長度和橢圓面積。

圖3 足底區(qū)域劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of plantar area division

圖4 平衡能力指標參數(shù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the parameters of the balance capability index

（3）左右腳壓力對比：對于患者組，該參數(shù)表示患側(cè)肢體足底總壓力值與健側(cè)肢體足底總壓力值的比值；對于對照組，表示在靜態(tài)測量時的左右側(cè)足底總壓力的比值。

1.5 統(tǒng)計學分析

所有的統(tǒng)計分析都使用SPSS 19.0軟件。使用獨立樣本t檢驗方法比較患者組和正常組各參數(shù)的差異性，其中顯著性界限定為P ＜0.05。

2 結(jié)果

2.1 足底壓力分布數(shù)據(jù)結(jié)果對比分析

表2給出了膝骨關(guān)節(jié)炎組、運動損傷組以及對照組在靜態(tài)站立時的足底分區(qū)壓力數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果。

從表2可以看出，正常對照組的足底各區(qū)域壓力值的大小排序為：LH區(qū)＞MH區(qū)＞M2區(qū)＞M3區(qū)＞M4區(qū)＞M1區(qū)＞M5區(qū)＞MF區(qū)＞H區(qū)＞T區(qū)。而膝骨關(guān)節(jié)炎組的排序結(jié)果為：LH區(qū)＞MH區(qū)＞MF區(qū)＞M2區(qū)＞M3區(qū)＞M4區(qū)＞M5區(qū)＞M1區(qū)＞H區(qū)＞T區(qū)，運動損傷組的排序結(jié)果為：LH區(qū)＞MH區(qū)＞MF區(qū)＞M3區(qū)＞M2區(qū)＞M5區(qū)＞M4區(qū)＞M1區(qū)＞H區(qū)＞T區(qū)。由此可以看出，OA組和SI組的排序結(jié)果都和CG組有差異性存在，其中兩個患者組的排序變化有個共同點，即第五跖骨區(qū)（M5區(qū)）的壓力值都大于第一跖骨區(qū)（M1區(qū)），說明OA組和SI組的外側(cè)壓力提高，從具體數(shù)據(jù)也可以看出OA組和SI組的第五跖骨區(qū)（M5區(qū)）壓力值相比較于CG組有所增加。

此外，CG組在MF區(qū)的壓力值顯著小于OA組 （P＜0.05）和SI組（P＜0.05）。而且OA組和SI組在MH區(qū)和LH區(qū)的壓力值都顯著大于CG組（P ＜0.05）。雖然對于第1～5跖骨區(qū)，三組中沒有發(fā)現(xiàn)顯著性差異，但是從數(shù)據(jù)中可以看出，OA組和SI組在整個跖骨區(qū)的壓力總和相比較于CG組，呈現(xiàn)出上升的趨勢。

2.2 左右腳總壓力的對比分析

兩側(cè)足部總壓力值比值的對比分析結(jié)果，見圖5柱狀圖。

圖5 壓力比值柱狀圖Fig.5 Histogram of pressure ratio

表2 靜態(tài)測量的足底壓力分區(qū)結(jié)果統(tǒng)計（均值±標準差，kPa）Tab.2 Statistical analysis of plantar pressure partition by static measurement(mean±SD, kPa)

從柱狀圖5可以看出，OA組和SI組的壓力比值沒有顯著性差異，但是OA組和SI組的壓力比值和正常對照組CG組的壓力比值存在著明顯的差異性（P ＜0.05）。其中CG組的左右腳壓力比值為（1.05±0.09），其值接近于1，而OA組和SI組患側(cè)足底總壓力值與健側(cè)足底總壓力值的比值分別為（0.75±0.16）、（0.74±0.24），兩者都顯著小于1。

2.3 平衡能力評估

在上述章節(jié)中已經(jīng)介紹過針對平衡性能的四個指標參數(shù)，包括COP軌跡的總長、橢圓長軸、橢圓短軸以及橢圓面積，所有數(shù)據(jù)包括睜眼測量數(shù)據(jù)和閉眼測量數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)以及對比分析結(jié)果如表3和表4所示。

表3 睜眼測量的平衡指標參數(shù)結(jié)果統(tǒng)計（均值±標準差）Tab.3 Statistical analysis of the balance index parameters measured by open eyes (mean±SD)

表4 閉眼測量的平衡指標參數(shù)結(jié)果統(tǒng)計（均值±標準差）Tab.4 Statistical analysis of the balance index parameters measured by closed eyes (mean±SD)

從表3可以看出，OA組COP軌跡移動的總長度略小于SI組，而正常對照組的總長遠遠小于OA組（P ＜0.05）和SI組（P ＜0.05）。CG組的橢圓長軸顯著小于OA組（P ＜0.05）和SI組（P ＜0.05）。

同樣地，對于參數(shù)橢圓短軸和橢圓面積來說，SI組和OA組也都顯著大于CG組 （P ＜0.05）。表4中閉眼測量的數(shù)據(jù)顯示出和睜眼測量一樣的結(jié)果，對于所有的指標參數(shù)，CG組都顯著小于OA組（P ＜0.05）和SI組（P ＜0.05）。下面給出四個指標參數(shù)在睜眼測量和閉眼測量時對比分析的柱狀圖。

從圖6、圖7和圖8可以看出，OA組和SI組閉眼測量平衡能力指標參數(shù)都顯著大于睜眼測量，可以證實膝關(guān)節(jié)損傷患者在閉眼測量時的穩(wěn)定性更差。

3 討論

一般正常人在靜態(tài)站立時，重心往往處于偏后側(cè)來更好地保持身體的穩(wěn)定性，因此足跟作為主要的承重點，其承受的壓力最高。然而對于膝關(guān)節(jié)損傷患者，其患側(cè)足跟區(qū)域的壓力顯著降低，前足的壓力有所上升，說明患者的重心相對前移，而重心前移將導致身體的不穩(wěn)定性增加，從參數(shù)橢圓長軸上也可以看出，膝關(guān)節(jié)損傷患者前后方向上有著很高的不穩(wěn)定性。國外也有學者研究證實[12]，膝骨關(guān)節(jié)炎患者在行走時，在其足跟區(qū)域有一個顯著下降的壓力，足弓區(qū)域的壓力顯著增高，在交叉韌帶損傷的研究中，也有類似結(jié)果[13]。而且膝關(guān)節(jié)損傷患者足部的外側(cè)壓力增高，這也說明患者站立時在左右方向上可能也有著極高的不穩(wěn)定性，和橢圓短軸得出的結(jié)果一致。因此從壓力分布來看，膝關(guān)節(jié)損傷患者在靜態(tài)站立時異常的足底壓力分布模式和其膝關(guān)節(jié)的損傷有著很大的關(guān)聯(lián)。

圖6 COP軌跡總長柱狀圖Fig.6 Histogram of COP locus total length

圖7 橢圓長軸和短軸柱狀圖Fig.7 Histogram of ellipse long axis and short axis

圖8 橢圓面積柱狀圖Fig.8 Histogram of ellipse area

而正常對照組左右腳總壓力比值接近于1，因為正常人在站立時兩側(cè)足部的壓力值趨向于相等，以此來維持身體的平衡，但膝關(guān)節(jié)損傷患者組的患側(cè)足部總壓力值和健側(cè)總壓力比值卻遠遠小于1，說明患側(cè)肢體足部的總壓力值顯著小于健側(cè)足部的總壓力值，這表示膝關(guān)節(jié)損傷患者雙側(cè)足部的總壓力值有著較大的不對稱性。這種現(xiàn)象可能是由于膝關(guān)節(jié)損傷患者在站立時對患側(cè)肢體的不自信或者疼痛作用而導致的，將更多的力放置在健側(cè)足部上來支撐身體，這種左右腳壓力值的不對稱性會增強膝關(guān)節(jié)損傷患者站立時的不穩(wěn)定性。

因此，不僅是從足底壓力分布上來看，還是從平衡能力指標參數(shù)上來看，患者組都表現(xiàn)出極高的不穩(wěn)定性，而且對于膝關(guān)節(jié)損傷患者，根據(jù)其閉眼測量結(jié)果可以看出，在閉眼站立時，其穩(wěn)定性變得更差。

4 總結(jié)

本文主要對膝關(guān)節(jié)疾病性損傷膝骨關(guān)節(jié)炎和急性損傷進行足底壓力分析以及平衡能力評估。實驗結(jié)果表明：在足底壓力分布方面，患者在靜態(tài)站立會盡可能地避免使用患側(cè)肢體，且通過減少患側(cè)肢體足跟受力以及患側(cè)足部用力來保護患側(cè)。此外，從平衡性能的四個指標參數(shù)中可以看出，膝關(guān)節(jié)損傷患者的穩(wěn)定性較差，且在閉眼站立時會變得更差。因此，膝關(guān)節(jié)損傷和平衡能力以及足底壓力分布等參數(shù)息息相關(guān)，通過足底壓力分析設備可以幫助評估膝關(guān)節(jié)損傷和指導康復治療，使專業(yè)醫(yī)師和患者本人更為準確地了解主要缺陷所在，以此制定康復治療計劃，實施康復治療，并時刻觀察康復的進展，及早讓患者糾正異常的足底壓力分布模式，改善平衡能力，進而使傷情早日康復。