足前进角不对称性：膝骨关节炎影像学严重程度的潜在生物力学标志物

本研究通过量化膝骨关节炎（OA）患者双侧足前进角（FPA）差异，发现患侧肢体FPA显著小于对侧肢体（11.38°±8.13° vs 15.21°±7.72°），且这种不对称模式与Kellgren-Lawrence（K&L）分级呈正相关。结果表明FPA不对称性可作为评估OA严重程度的新型生物力学标记，为个体化 gait modification 干预提供理论依据。

　　

引言

骨关节炎（OA）作为最常见的退行性关节疾病，主要特征为关节软骨的退行性改变。膝OA临床表现为疼痛、僵硬和活动范围受限。根据全球疾病负担数据，骨关节炎是全球致残的第12大原因，其中膝OA占比超过80%。其发病机制涉及年龄、性别、体重和生物力学决定因素等多因素过程，其中生物力学失调日益受到研究关注。

鉴于异常膝关节生物力学在OA发病中的关键作用，足前进角（FPA）调整（特别是增加足外展角）已成为一种有前景的保守生物力学干预措施。FPA是指足长轴（从脚跟中点至第二跖骨头连线）与行进方向线（行走直线轨迹）之间的夹角，足外展为正值。膝关节内收力矩（KAM）作为内侧间室负荷的关键生物力学替代指标，其量化公式为垂直地面反作用力（vGRF）乘以膝关节力臂，该参数与膝OA疾病进展密切相关。实施足外展步态可通过站立相压力中心外侧位移减少 frontal plane moment arm，从而降低OA患者的KAM。

膝OA患者常因疾病病理生理学表现 limb间步态不对称，但FPA不对称性的特征描述仍有限。本研究旨在：量化膝OA患者患肢与对侧肢体间FPA差异；表征不对称模式；识别与 limb间FPA差异相关的因素。

材料与方法

参与者

这项回顾性研究纳入2019年6月至2021年11月期间计划接受单侧高胫骨截骨术（HTO）的连续患者。参与者在术前14天内完成步态分析。纳入标准包括：符合美国风湿病学会分类标准的膝OA诊断；计划接受单侧HTO。研究对象均为接受单侧HTO手术且经临床评估对侧肢体无手术计划者（Kellgren-Lawrence分级，K&L）。手术膝关节被视为患侧，非手术肢体被视为对侧（较轻或未受累）肢体。排除标准包括：神经系统疾病或视觉障碍；影响行走的合并关节/脊柱病变；下肢骨科手术或骨折史；使用行走辅助装置。

最终队列包括127名膝OA患者（79名女性，48名男性；男女比例1.6:1）。研究遵循《赫尔辛基宣言》，获得医院机构审查委员会批准（编号2022-165）。根据机构指南，此回顾性分析豁免书面知情同意。

设备

使用Footscan^?压力板系统（RSscan International，比利时奥伦）记录FPA。平台尺寸为2093×469×18 mm，包含16,384个电阻传感器，配置为256×64矩阵，采样频率126 Hz。系统与计算机连接。在赤足行走试验中，地面反作用数据传输至专用Footscan^?软件处理。FPA和步速由软件自动计算。

测试程序

数据收集前，将参与者人体测量数据（包括身高和体重）输入Footscan^?软件。所有参与者接受标准化指导，并沿平台进行练习试验以熟悉协议。

正式测试时，每位参与者以自选舒适速度在2米压力板上赤足行走，无需辅助。每次测量间提供3分钟休息时间以减少疲劳效应。每名参与者选择3次有效试验，取平均值进行统计分析以减少系统误差。步态参数由集成软件自动计算。

影像学分析

所有参与者在步态分析前14天内接受双下肢全长负重前后位（AP）X线摄影。使用两个参数评估膝关节对线和畸形严重程度：髋膝踝角（HKA）和解剖胫骨近端内侧角（aMPTA）。HKA角测量为股骨机械轴（从股骨头中心至股骨髁间窝中心）与胫骨机械轴（从胫骨髁间隆起中心至踝关节中心）之间的夹角；aMPTA为胫骨平台切线与胫骨解剖轴（胫骨干中轴线）之间的内侧角。所有受试者使用K&L分类系统进行膝OA严重程度分级。

HKA和aMPTA的影像学测量由两名独立骨科医生完成。统计分析使用的最终HKA和aMPTA值为两名医生测量结果的平均值。K&L分级由单一研究者（具有10年以上经验的骨科医生）对膝OA受试者进行评定。

相关风险因素

基于临床理论和现有证据选择与FPA模式相关的潜在风险因素。分析六个因素：性别、年龄、体重指数（BMI）、步速、HKA、aMPTA和K&L分级。这些包括：人口统计学因素（性别、年龄、BMI）；时空步态参数（步速）；结构对线测量（HKA、aMPTA）评估膝关节畸形程度；疾病严重程度（患侧K&L分级）。

统计分析

使用SPSS 25.0进行统计分析。分类数据以频数（百分比）表示，连续变量以均值±标准差（SD）表示。

Shapiro-Wilk检验评估患侧与对侧肢体间FPA差异及其他连续变量的正态性。配对Student t检验用于 limb间FPA比较（正态分布数据），Wilcoxon符号秩检验用于非正态分布数据。另外，使用组内相关系数（ICC）评估HKA和aMPTA测量的一致性，ICC>0.75表示高度一致性。

为评估膝OA中FPA不对称性的临床相关性，使用二元 logistic回归计算不对称性风险因素的调整后比值比（ORs）。参与者按不对称模式分层：AAL组：患侧FPA＞对侧FPA；CAL组：对侧FPA＞患侧FPA。

单变量筛选采用独立样本t检验或Mann-Whitney U检验（连续变量）和卡方检验（分类变量）。为保留潜在预测因子，将P<0.1的变量纳入多变量 logistic回归模型。以CAL组为参照，使用OR和95%CI估计AAL组成员的可能性。统计学显著性设定为P<0.05。

结果

最终队列包括127名膝OA患者（48名男性，79名女性；男女比例1:1.65）。平均年龄58.5±7.9岁，平均BMI 27.3±3.5 kg/m²。患肢包括70左肢和57右肢（55.1% vs 44.9%）。一致性分析结果显示，观察者间HKA角的ICC为0.798，aMPTA的ICC为0.787，均大于0.75。

膝OA患者 limb间FPA比较显示，对侧肢体FPA显著大于患侧肢体（15.21°±7.72° vs 11.38°±8.13°；P<0.001）。FPA不对称模式的单变量分析显示，患侧K&L分级在AAL和CAL组间存在显著差异（P<0.05）。年龄、性别、BMI、HKA、aMPTA、非手术侧K&L分级或步速在组间无差异（所有P>0.1）。

多变量二元 logistic回归分析显示，以K&L分级4级为参照类别，患K&L分级1或2级OA的患者表现出对侧较大FPA模式（CAL组）的几率显著降低（调整后OR=0.298，95%CI：0.091–0.982；P=0.047）。类似地，患K&L分级3级OA的患者与4级患者相比，进入CAL组的几率也显著降低（调整后OR=0.238，95%CI：0.081–0.700；P=0.009）。整体模型具有统计学显著性（Omnibus检验：χ²=8.260，df=2，P=0.016）且显示良好拟合（Hosmer-Lemeshow检验：χ²<0.001，P=1.000）。

讨论

本研究主要发现是，计划接受单侧HTO的膝OA患者表现出显著的FPA不对称性，特征为对侧（较轻或未受累）肢体的FPA大于患侧肢体。此外，这种特定不对称模式（对侧肢体FPA较大）与患膝较高的影像学疾病严重程度（K&L分级）呈正相关。

增加患肢FPA通常被认为是减少KAM的有效步态校正方法。其生物力学原理是通过调整关节力臂来减少内收力矩。大多数先前研究仅报道患肢FPA，缺乏对侧下肢FPA数据。而本研究描述并研究了无任何人为干预的膝OA患者双下肢FPA步态模式。研究结果表明，在日常行走中，膝OA患者可能在双下肢FPA步态中存在自然适应机制，具体表现为对侧肢体FPA较大，这可能与对侧肢体代偿性承担更多负荷相关。

本研究识别的不对称FPA步态模式可能不仅源于内翻畸形引起的机械限制，还来自主动的疼痛回避行为。既往研究报道，由于单侧膝OA引起的疼痛和功能障碍，神经系统发生适应性改变，使身体倾向于采用减轻患肢负荷的模式。本研究观察到的FPA不对称（对侧足前进角较大）可能是此类适应性步态模式的一部分，旨在减少患肢负荷（包括KAM）或改善行走稳定性。但必须强调，这种代偿性适应也增加了日常行走中对侧肢体的负荷。此外，有学者报道患侧FPA减小可能与OA膝关节伸展受限相关。

足部特征可能在膝OA的机械机制中扮演重要角色。近期研究将扁平足、后足外翻、足弓高度降低与膝关节负荷改变和OA进展相联系，过度旋前或内侧足弓塌陷通过改变足部压力中心影响下肢对线和关节负荷。这表明在晚期OA中存在足-膝生物力学相互作用。我们观察到的双侧FPA不对称可能反映OA引起的代偿性改变：较大的对侧FPA可能对抗内侧负荷，补充神经肌肉代偿。因此，FPA不对称 likely 涉及多因素，包括神经肌肉策略和足部形态，需要进一步研究。

较高K&L分级与表现出对侧较大FPA不对称的可能性增加之间存在显著关联，表明这种步态适应随着膝OA结构严重程度的增加而变得更加明显。这与将较高K&L分级与 increased KAM的研究一致，而KAM是疾病进展的关键生物力学替代指标。观察到的步态不对称的渐进性可能反映了身体对恶化的关节病理和疼痛不断升级的代偿需求。

值得注意的是，步速以及年龄、性别、BMI、HKA和aMPTA等其他因素在我们的分析中未显示与特定FPA不对称模式显著相关。这表明，虽然步速可能因疼痛或其他因素在膝OA中整体降低，但它似乎不是此处观察到的 limb间FPA不对称分布的主要驱动因素。

此外，我们的研究注意到，膝OA患者在无外部干预的情况下自然采用约10°的双下肢足外展步态。因此，本研究结果并不建议所有膝OA患者盲目采用步态修改来增加FPA。正如Uhlrich等强调的，基于FPA的步态干预高度依赖于基线FPA的大小。根据初始FPA角度调整步态比调整至固定角度更能有效减少峰值KAM。这些调整也有望减缓内侧间室膝OA的进展。因此，步态修改必须遵循个体化原则：在确定患者是否适合通过调整足外展来改善状况之前，必须首先评估其基线FPA。

本研究存在一些局限性。首先，回顾性设计限制了一些潜在相关临床数据的可获得性，如患者报告的疼痛和功能评分，这些可能为FPA不对称性的机制和功能影响提供更深入的见解。其次，我们的队列完全由计划接受单侧HTO的晚期膝OA患者（K&L分级主要为3或4级）组成。因此，研究结果可能不适用于轻度或中度膝OA个体。为了进一步验证早期OA中的类似生物力学关联，未来有必要主要针对早期OA患者进行研究。

结论

总之，晚期单侧膝OA患者在步态中表现出特征性不对称FPA，表现为对侧肢体FPA大于患侧肢体。这种不对称模式可能源于代偿性神经肌肉适应和与OA膝关节相关的生物力学限制（潜在屈曲挛缩）的组合。关键的是，这种特定不对称的存在和显著程度与患膝较高的影像学疾病严重程度（K&L分级）显著相关。这些发现强调了在膝OA生物力学管理中考虑 limb特异性和疾病严重程度依赖性步态适应的重要性。