静态站立和步态过程中髋关节中心与地面反作用力之间的平面关系：对全膝关节置换术术前规划的影响

《The Knee》：Frontal-plane relationship between hip centers and ground reaction forces during static standing and gait: Implications for preoperative planning of total knee arthroplasty

地面反作用力与Mikulicz线在20cm站立宽度时最对齐，单腿/双腿并拢站立可模拟步态单支撑相位，为膝关节置换术规划提供参考。

　　这项研究围绕膝关节置换术（Total Knee Arthroplasty, TKA）术前规划中的一些关键问题展开，探讨了地面反作用力（Ground Reaction Force, GRF）在不同站立状态下与髋关节中心（Hip Center, HC）及Mikulicz线之间的空间关系。研究主要通过两种方法进行：静态实验和步态数据库分析。静态实验涉及健康成年人在不同站立条件下（如双脚并拢、5厘米、10厘米、20厘米的脚间距，以及单腿站立）的GRF方向，而步态数据库分析则利用了公开数据，以评估步态单支撑期中GRF与髋关节中心、质心（Center of Mass, CoM）以及Mikulicz线的相对关系。研究的最终目的是为TKA术前规划提供更科学的依据，特别是在如何选择站立姿势以更好地模拟步态中的GRF方向方面。

### 研究背景与意义

膝关节骨性关节炎是一种常见的骨骼肌肉系统疾病，对患者的生活质量造成严重影响，尤其是在老年人群中。为了缓解这一问题，TKA作为一种有效的治疗手段，已被广泛应用于临床。然而，术前规划方法的选择对手术效果具有重要影响。目前，主流的术前规划方法包括机械轴（Mechanical Axis, MA）法、解剖轴（Anatomical Alignment, AA）法和运动轴（Kinematic Alignment, KA）法。MA法认为Mikulicz线代表了GRF的方向，因此在术中应将植入物放置于与该线垂直的位置。AA法则试图在步态中重建膝关节的自然关节线，以实现更好的生物力学匹配。尽管AA法在早期曾被认为具有潜在优势，但由于假体磨损等问题，逐渐被弃用。KA法则基于AA法发展而来，主张在术前将截骨面与膝关节的固有内翻角度对齐，从而减少软组织松解的需要。虽然一些研究显示KA法在临床效果和假体存活率方面优于MA法，但其长期优势仍存在争议。

研究者指出，尽管有诸多关于KA法的临床和影像学研究，但这些研究并未通过直接的运动学或生物力学分析来验证其假设。因此，有必要从生物力学角度出发，明确不同站立条件下GRF的方向及其与Mikulicz线和髋关节中心的关系，从而为TKA术前规划提供更可靠的依据。

### 研究方法与实验设计

研究采用了双设计方法，包括静态实验和步态数据库分析。在静态实验中，招募了10名健康成年人，他们在五种不同的站立条件下（双脚并拢、5厘米、10厘米、20厘米的脚间距，以及单腿站立）站在力平台（force plate）上，测量GRF的方向和大小。研究者通过分析GRF矢量与髋关节中心之间的距离（GRF-HC距离）以及GRF与通过髋关节中心和压力中心（Center of Pressure, CoP）的连线（GRF-Mikulicz角）来评估站立姿势对GRF方向的影响。所有数据均通过方差分析（ANOVA）进行统计处理，并采用Tukey-Cramer法进行事后比较。

在步态数据库分析中，研究者使用了AIST（日本国家先进工业科学和技术研究所）提供的步态数据库，该数据库包含了300名年龄在50岁以下的受试者在舒适速度下行走的运动数据。通过运动捕捉系统（Vicon MX）和力平台（AMTI）获取数据，研究者提取了右足支撑期的数据，并计算了支撑期内的GRF-HC距离、GRF-CoM距离、GRF-Mikulicz角以及GRF倾斜角。这些参数被用于分析步态中GRF的方向是否与静态站立中的某些姿势相似。

### 研究结果与分析

静态实验的结果显示，当脚间距为20厘米时，GRF-HC距离和GRF-Mikulicz角均达到最小值（分别为1.3厘米和0.3度），而当脚间距为0厘米时，这两个参数则达到最大值（分别为7.3厘米和4.8度）。值得注意的是，脚间距为0厘米时的GRF-HC距离和GRF-Mikulicz角与单腿站立时的值（分别为8.8厘米和5.8度）没有显著差异，且这些值均落在步态单支撑期的范围内（6.5–9.2厘米，4.8°–6.7°）。这表明，单腿站立和双脚并拢站立在某些方面可以作为步态单支撑期的替代姿势。

步态数据库分析进一步支持了这一发现。在步态单支撑期，GRF矢量的方向大致指向质心，且与垂直方向接近，这与静态实验中单腿站立时的结果相似。研究者指出，在单支撑期中，GRF与髋关节中心之间的角度约为4.8°–6.7°，并且单腿站立和双脚并拢站立时的GRF方向与步态单支撑期非常接近。这一发现对于术前影像学评估具有重要意义，因为这意味着在无法进行单腿站立的情况下，可以通过双脚并拢站立来模拟步态中的GRF方向。

### 讨论与临床意义

研究结果表明，在静态站立时，脚间距为20厘米时，GRF与Mikulicz线之间的关系最为接近。这一发现可能对MA法的术前规划具有指导意义，即在进行全腿X线检查时，应选择适当的脚间距以确保GRF方向与Mikulicz线一致。然而，研究者也指出，这一结论是基于健康成年人的数据得出的，可能无法直接推广到患有膝关节骨性关节炎的患者。此外，研究的样本量较小，且受试者均为年轻健康个体，因此需要进一步研究以验证这些结果是否适用于老年患者或患有疾病的人群。

在步态单支撑期中，GRF的方向主要指向质心，而非髋关节中心。这一现象可能与步态过程中下肢的内收（adduction）有关，因为内收会导致膝关节的关节线更接近水平方向。研究者还提到，一些研究表明，在闭腿站立（即双脚并拢）时，膝关节表面与地面几乎平行，这可能与步态中的GRF方向有关。因此，闭腿站立可能是一种有效的替代方法，尤其适用于那些无法进行单腿站立的患者。

尽管研究提供了重要的方法学依据，但其也存在一定的局限性。例如，在静态实验中，样本量较小，且性别比例失衡，这可能影响结果的普适性。此外，在步态数据库分析中，髋关节中心和质心的估计基于标准骨骼模型，未能考虑个体骨骼形态的差异。因此，未来的研究应扩大样本规模，纳入更多老年患者和患有膝关节骨性关节炎的个体，以进一步验证这些发现的临床适用性。

### 研究结论

综上所述，研究发现，在静态站立时，脚间距为20厘米的双足站立姿势最能模拟步态中GRF与Mikulicz线之间的关系。因此，如果术前需要通过全腿X线检查来评估膝关节的受力情况，应选择约20厘米的脚间距以确保一致的受力条件。而在步态的单支撑期，GRF的方向主要指向质心，而非髋关节中心，且单腿站立和闭腿站立时的GRF方向与步态中的方向相似。因此，单腿站立可能是评估膝关节受力的理想姿势，但在实际操作中，若患者无法单腿站立，闭腿站立可能是一个可行的替代方案。然而，由于研究样本的局限性，这些结论仍需在更大规模和更广泛人群的研究中得到验证，以确保其在临床实践中的可靠性。

### 研究的局限性与未来方向

研究的局限性主要体现在样本量较小以及仅限于健康年轻人。虽然研究者通过统计分析确认了某些参数的显著差异，但这些结果可能无法直接适用于患有膝关节骨性关节炎的患者。此外，静态实验中髋关节中心的估算可能存在误差，尤其是在样本量有限的情况下，这种误差可能对结果产生较大影响。因此，未来的研究应考虑增加样本数量，并纳入更多具有膝关节问题的患者，以进一步验证这些发现。

在步态数据库分析中，虽然使用了较大的样本量（162名受试者），但髋关节中心和质心的估算仍然基于标准骨骼模型，未能充分考虑个体骨骼形态的差异。此外，实验室坐标系的定义可能引入一定的误差，因为行走方向的微小变化可能影响坐标系的准确性。因此，未来的研究应结合更精确的个体化模型，以提高分析的准确性和适用性。

总体而言，这项研究为TKA术前规划提供了新的视角，尤其是在如何选择站立姿势以更准确地模拟步态中的GRF方向方面。然而，由于样本的局限性，研究结果仍需进一步验证。未来的研究应结合更多的临床数据，以确保这些发现能够广泛应用于实际的术前评估中。