隨著世界人口老齡化的加劇，膝關(guan) 節骨性關(guan) 節炎（KOA）的發病率逐漸增高， 75歲以上患者發病率超過80%，嚴(yan) 重影響生活質量，甚至喪(sang) 失活動能力，全膝關(guan) 節置換術已經成為(wei) 晚期KOA患者的常規治療方案，但術後容易出現多種並發症。

目前，臨(lin) 床上興(xing) 起的步態分析（GA）技術是利用三維運動捕捉係統，研究步態周期中相關(guan) 規律，近來在下肢常見疾病診療、運動功能評價(jia) 及康複等方麵應用廣泛，能夠闡明步態周期中相關(guan) 變化的關(guan) 鍵位置及其影響因素。

本文概述了2種步態分析實驗係統、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(guan) 節周圍動力和靜力結構變化，將其應用於(yu) 3D矯形鞋墊的設計和生產(chan) ，為(wei) 早期KOA保守治療提供重要解決(jue) 方案。

KOA的進展與(yu) 下肢步態改變有關(guan) ，特別是時空參數，GA能夠幫助明確疾病的本質，有利於(yu) KOA的早期治療與(yu) 延緩疾病進程。

而隨著3D打印技術在臨(lin) 床的廣泛應用，可以為(wei) 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(you) 勢，在損傷(shang) 、修複方麵具有天然優(you) 勢。

基於(yu) 人體(ti) 生物力學的3D打印矯形鞋墊能夠有效緩衝(chong) 人體(ti) 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(liang) 種GA係統及原理

GA是量化分析膝關(guan) 節內(nei) 部運動生物力學變化的有效方法，目前可基於(yu) 可穿戴慣性傳(chuan) 感器和傳(chuan) 統光學分析係統2種方式進行。

KOA發病後患者膝關(guan) 節周圍的動力與(yu) 靜力係統失去平衡，下肢力線異常，繼而導致步態周期中相關(guan) 參數的變化。KOA步態中的姿勢和運動障礙可能與(yu) 下肢運動生物力學改變和神經控製的適應性變化有關(guan) ，可以通過步態起始作為(wei) 評估的關(guan) 鍵。

既往三維GA係統設備雖然提供了詳細的運動及動力學數據，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光標和高度精確校準的實驗環境，對專(zhuan) 業(ye) 性和步態實驗室的要求非常高，且在門診並不可行。

傳(chuan) 統步態分析實驗室模式 來源：瑞典Qulisys公司

傳(chuan) 統步態分析高速高清攝像頭捕捉光標標記點

目前可穿戴慣性傳(chuan) 感器的出現為(wei) 傳(chuan) 統的光學GA係統提供了一種可行的替代方案，可佩戴慣性傳(chuan) 感器或慣性測量單元使用1個(ge) 或多個(ge) 單獨的傳(chuan) 感器來測量運動。通過將慣性傳(chuan) 感器連接到身體(ti) 的各個(ge) 部位，可以獲得與(yu) 光學係統相似的有效、可靠的各種生物力學結果。

慣性便攜式傳(chuan) 感器模式圖及運動坐標模擬

此外，慣性傳(chuan) 感器數據采集不受傳(chuan) 統GA實驗室的限製。因此，利用慣性傳(chuan) 感器研究骨關(guan) 節炎（OA）生物力學是目前的發展方向之一，慣性傳(chuan) 感器係統在KOA患者測量中的應用進一步推動了該係統在臨(lin) 床研究中的使用。不同慣性傳(chuan) 感器係統放置在人體(ti) 下肢不同位置，不同係統中人體(ti) 模型的建立及數據處理方式不盡相同。

三維GA主要包括運動學、動力學及下肢表麵肌電，但表麵肌電對實驗室設備限製及對專(zhuan) 業(ye) 性要求極高，尚未廣泛開展。

KOA患者GA運動學和

動力學參數改變

KOA患者運動學和動力學參數的主要變化出現在人體(ti) 冠狀麵，隨年齡增大，下肢步態時空參數的變化有步幅縮短和步頻增加，以及矢狀麵髖、踝關(guan) 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(ce) 膝關(guan) 節活動度降低，並與(yu) KOA嚴(yan) 重程度相關(guan) ；步態周期中支撐相時間與(yu) 擺動相時間的比例發生改變，支撐相占步態周期的比例顯著增加；步態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、機械負荷、關(guan) 節結構變化和KOA發展之間的聯係需要進一步研究，而膝關(guan) 節內(nei) 側(ce) 間室OA的發展被認為(wei) 是重複負荷的結果。

KOA的動力學研究包括：（1）地麵反作用力（GRF）的改變受體(ti) 重和步行速度影響，KOA患者GRF第一峰值高於(yu) 健康人群，而GRF第二峰值卻低於(yu) 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(wei) 反向尖峰圖形；（3）下肢力矩，即力與(yu) 關(guan) 節活動範圍內(nei) 不同角度的力臂相乘，受關(guan) 節穩定性、肌力和運動方向等多重因素影響。

膝關(guan) 節內(nei) 收力矩（KAM）可以反映膝關(guan) 節內(nei) 側(ce) 間室應力負荷改變情況，由GRF和膝關(guan) 節中心到GRF向量間力臂共同決(jue) 定，是KOA研究中可靠的監測參數，中度至重度內(nei) 側(ce) 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(guan) 節內(nei) 收角度的顯著增加導致，晚期患者KAM的增加則與(yu) 膝關(guan) 節的形態學變化有關(guan) 。膝關(guan) 節形態學的改變會(hui) 導致下肢在行走時KAM更加增高。KAM的變化與(yu) 軀幹整體(ti) 運動有關(guan) ，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(yu) 發展。

3D矯形鞋墊在KOA中

應用的原理與(yu) 機製

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(ce) 楔形鞋墊（LWI）為(wei) 基於(yu) 促使下肢力線外翻、減輕膝關(guan) 節內(nei) 側(ce) 間室的應力的原理而設計生產(chan) ，其結構為(wei) 從(cong) 腳跟到第五蹠骨頭近端的外側(ce) 邊緣。所有幹預措施都是通過減輕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(yu) LWI減輕了患者膝關(guan) 節的疼痛，導致止疼藥物攝入量減少，活動水平升高，從(cong) 而導致與(yu) 基線相同的WOMAC疼痛評分。

LWI作為(wei) 一種非手術方法，在臨(lin) 床上用於(yu) 治療KOA，可以平衡分配膝關(guan) 節的軸向應力負荷，顯著增加股骨脛骨角，減少膝關(guan) 節內(nei) 翻畸形。LWI可以影響膝關(guan) 節旋轉、髖關(guan) 節內(nei) 收、踝關(guan) 節內(nei) 翻力矩，促進股內(nei) 側(ce) 肌和臀中肌活動增加，從(cong) 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(guan) 節應力，促使膝關(guan) 節應力中心橫向向外移動產(chan) 生更垂直於(yu) 地麵反作用力，導致膝關(guan) 節地麵反作用力臂減小，KAM降低，從(cong) 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(ce) 楔入高度LWI會(hui) 導致膝關(guan) 節的疼痛或不適，5°楔入是KAM恢複和患者穿戴適應之間的最優(you) 選擇。此外全足長LWI比僅(jin) 後足LWI對KAM影響更顯著。

早期KOA患者在步態初始階段采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(ce) 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(chang) 性機械適應，在步態起始和行走時與(yu) 平衡訓練計劃結合，可以改變下肢步態、促進膝關(guan) 節運動生物力學恢複，在長期減緩疾病進展中發揮重要作用。

基於(yu) GA結果3D矯形鞋墊

製作過程與(yu) 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患者治療康複用3D打印矯形鞋墊進行了臨(lin) 床推廣應用，可有效改變患者的下肢力線、促進正常步態的恢複。

根據不同患者GA的情況要定製不同的矯形鞋墊，主要為(wei) 3個(ge) 步驟：

（1）采集步態周期中足部動/靜態數據，通過足底壓力不同分區的各類數據為(wei) 鞋墊的設計製作提供依據。在行走試驗中，使用F-Scan壓力傳(chuan) 感鞋墊收集足底壓力信息，Shimmer3 IMU係統記錄下肢加速度和角度旋轉。

F-Scan壓力傳(chuan) 感加Shimmer3 IMU係統

Freestep係統

（2）通過足底掃描儀(yi) 生成三維的足型數據，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(ti) 解剖學。繼續利用鞋墊計算機設計軟件，將采集到的數據通過軟件內(nei) 置的足壓分析模塊CADCAM設計加工軟件進行初步設計處理，實時渲染3D建模，再將初步處理過的足壓數據進行人工修改設計定型。

（3）利用數控雕刻機床及3D鞋墊打印機，打印出不同材質的個(ge) 性化矯形鞋墊。

個(ge) 性化外側(ce) 矯形鞋墊治療內(nei) 側(ce) 間室KOA

3D矯形鞋墊不僅(jin) 具有普通鞋墊的緩衝(chong) 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(guan) 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(cong) 而預治KOA的發生與(yu) 發展。

3D打印矯形鞋墊為(wei) 三維立體(ti) 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。

基金項目：國家自然科學基金項目（81560374, 82172444）；內(nei) 蒙古自治區科技計劃項目（201802154, 2021GG0127）；內(nei) 蒙古自治區人民醫院院內(nei) 基金項目（2020YN24）