基于IMU的膝关节螺旋轴变异性分析：早期膝骨关节炎的新型生物力学标志物

本文针对早期膝骨关节炎（KOA）检测中缺乏敏感生物力学标志物的问题，研究人员利用惯性测量单元（IMU）开展膝关节螺旋轴变异性研究。发现KOA患者在站立相表现出显著降低的螺旋轴变异性（p<0.05）和更高的平面性指数，反映了膝关节运动僵硬化特征。这项研究为早期KOA诊断提供了便携式检测新方案，具有重要的临床转化价值。

　　

膝骨关节炎（KOA）作为一种常见的退行性关节疾病，正随着全球人口老龄化趋势加剧而日益流行。患者不仅遭受关节疼痛和功能障碍的困扰，其生活质量也受到严重影响。早期干预被认为是延缓疾病进展的关键窗口期，然而目前临床上面临着一个突出难题：传统的生物力学指标如膝关节内收力矩（KAM）虽然能有效区分中重度KOA，但对早期病变的检测灵敏度不足。这是因为早期KOA的结构改变通常仅限于轻微的软骨磨损和骨赘形成，尚未引发明显的力学环境改变。

在这种背景下，寻找能够捕捉早期膝关节运动学微妙变化的敏感指标成为研究热点。膝关节螺旋轴（helical axis）表征作为一种自然且敏感的运动描述方式，理论上能够反映关节运动的细微异常。虽然既往研究探讨过衰老和膝痛对螺旋轴的影响，但关于KOA患者螺旋轴变异性的研究仍属空白。与此同时，惯性测量单元（IMU）技术的成熟为临床环境中的关节运动捕捉提供了便携式解决方案，使在日常生活场景中监测膝关节生物力学特征成为可能。

在这项发表于《Biomedical Journal》的研究中，东京大学的研究团队Kohei Nishizawa、Takeo Nagura和Naomichi Ogihara开展了一项创新性研究，旨在比较早期KOA患者与健康成年人之间膝关节螺旋轴取向变异性的差异。他们假设早期KOA相关的退行性变化会减少膝关节运动范围，导致螺旋轴取向的变异性降低。

研究采用了便携式IMU技术方案，通过在股骨外上髁上方约5厘米和胫骨结节处放置两个传感器，采集200Hz的加速度和角速度数据。研究纳入了10名KOA患者、11名年轻健康对照和10名中年健康对照，所有参与者沿6米走道进行步行测试。通过计算每0.05秒时间间隔的螺旋轴取向，研究人员使用球坐标角度（θ?和φ?）的标准偏差以及相对于最佳拟合平面的平均偏差（平面性指数）来量化变异性。数据分析采用Kruskal-Wallis检验和事后比较。

关键技术方法包括：使用两个IMU传感器（TSND151）同步采集膝关节运动数据；基于传感器融合算法重建骨骼三维运动轨迹；采用螺旋轴理论计算膝关节瞬时旋转轴；将步态周期划分为四个相位（站立相屈曲、站立相伸展、摆动相屈曲、摆动相伸展）进行分段分析；使用球坐标系量化螺旋轴取向变异性；通过平面性指数评估运动约束程度。

3.1. Representative data

典型数据显示，健康对照的螺旋轴呈现多样化取向，而KOA患者的螺旋轴几乎排列在同一平面内（图5）。这表明KOA患者的膝关节运动更加受限，变异性降低。

3.2. Standard deviation

在站立相（相位Ⅰ和Ⅱ），KOA组θ?角的标准偏差显著低于年轻对照（p=0.041）和中年对照（p=0.042）。相位Ⅲ中，KOA组φ?角的标准偏差也显著低于年轻对照（p=0.027）（图6）。这些结果表明KOA患者在负重期表现出明显降低的螺旋轴变异性。

3.3. Planarity index

平面性分析显示，在相位Ⅰ和Ⅱ，KOA组的平均偏差显著低于对照组（p<0.05），进一步证实了KOA患者膝关节运动的平面性和约束性特征。

3.4. Mean angle

相位Ⅰ中，年轻对照的平均φ?角（60.9°±26.8°）显著小于KOA患者（85.4°±12.5°）（p=0.013），表明健康年轻人膝关节运动包含更多的内外旋成分（表2，图7，8）。

3.5. Reproducibility

重测信度分析显示，所有测量参数在11个月间隔后的平均绝对差异均小于6.1°，表明该方法具有较好的测量稳定性。

研究结论表明，KOA患者在站立相表现出显著降低的螺旋轴变异性（反映为θ?角标准偏差降低）和更高的平面性，这与膝关节运动僵硬化而非不稳定性相一致。这种变异性降低可能与软骨组织硬化、半月板退变和前交叉韧带功能异常等结构性改变有关。

讨论部分强调，与既往研究认为老龄和膝痛会导致螺旋轴变异性增加的观点不同，本研究发现在单个步态周期内，KOA患者实际上表现出变异性降低的模式。这种差异可能源于方法论的不同——既往研究评估多个步态周期间变异，而本研究关注周期内变异。减少的螺旋轴变异性可能反映了KOA患者膝关节多轴功能受损，是早期关节退变的敏感生物力学标志。

该研究的重要意义在于首次系统量化了KOA患者膝关节螺旋轴变异性特征，开发了一种基于IMU的便携式检测方案。这种方法具有操作简便、设置时间短、适合临床环境和实时反馈等优势，为早期KOA筛查提供了新型技术手段。未来研究需要在更大样本中验证这一方法，并探索其与影像学结构改变的关联性，以进一步推动其在临床诊断中的应用。