基于惯性测量单元螺旋轴分析的膝关节运动评估：一种用于早期检测膝骨关节炎的新型生物力学标记物

本研究针对早期膝骨关节炎(KOA)缺乏敏感生物力学标记物的临床难题，开发了一种基于惯性测量单元(IMU)的膝关节螺旋轴变异性分析方法。研究人员通过比较KOA患者与健康对照组的步态数据，发现KOA患者在站立相表现出显著降低的螺旋轴变异性，反映了膝关节运动僵硬度的增加。该无标记测量技术为KOA的早期检测和功能进展监测提供了便携式解决方案，具有重要的临床转化价值。

　　

膝骨关节炎(Knee Osteoarthritis, KOA)作为一种常见的退行性关节疾病，全球患病率持续上升，严重影响着患者的生活质量和运动功能。早期KOA患者通常仅表现为轻度软骨退变和骨赘形成，结构改变轻微，使得早期诊断面临巨大挑战。目前临床常用的膝关节内收力矩(KAM)等生物力学指标对中重度KOA区分效果较好，但对早期病变的敏感性不足。因此，开发能够捕捉早期KOA细微运动学改变的敏感生物标志物成为当前研究的重点和难点。

在这一背景下，螺旋轴(Helical Axis)分析作为一种能够精确描述关节运动学的数学方法，为检测早期KOA提供了新的思路。螺旋轴可以将复杂的膝关节运动简化为单轴旋转，能够敏感地捕捉到运动模式的细微变化。然而，尽管螺旋轴分析在衰老和膝关节疼痛研究中有所应用，但其在KOA患者中的变异性特征尚未被探索。同时，传统的光学运动捕捉系统虽然精度较高，但设备昂贵、操作复杂，限制了其临床推广应用。惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU)因其便携性和低成本优势，为临床环境中的关节运动捕捉提供了实用解决方案。

东京大学的研究团队针对这一科学问题，在《Biomedical Signal Processing and Control》上发表了创新性研究成果。他们开发了一种基于IMU的膝关节螺旋轴变异性分析方法，旨在比较早期KOA患者与健康成年人之间螺旋轴取向变异性的差异，检验"早期KOA相关的退行性变化会减少膝关节运动，导致螺旋轴取向变异减小"的研究假设。

研究采用了横断面对照设计，共招募31名参与者，包括11名年轻对照组(平均年龄25.4±4.5岁)、10名中年对照组(平均年龄48.6±6.5岁)和10名KOA患者(平均年龄69.7±7.9岁)。KOA组患者根据Kellgren-Lawrence分级系统，包括4名1级和6名2级患者。所有参与者均完成了膝关节损伤和骨关节炎结局评分(KOOS)和视觉模拟量表(VAS)评估，确保了研究对象的临床特征完整性。

技术方法方面，研究使用两个商用IMU传感器(TSND151)分别固定于股骨外上髁上方约5cm处和胫骨结节处，以200Hz采样频率记录加速度和角速度数据。通过结合加速度计和陀螺仪数据，重建股骨和胫骨传感器的时空方向变化，计算膝关节螺旋轴取向。螺旋轴变异性通过球坐标角(^θ?和^φ?)的标准偏差以及相对于最佳拟合平面的平均偏差(平坦性指数)进行量化。步态周期根据膝关节运动特征分为四个相位：站立相屈曲期(PhaseⅠ)、站立相伸展期(PhaseⅡ)、摆动相屈曲期(PhaseⅢ)和摆动相伸展期(PhaseⅣ)。采用Kruskal-Wallis检验进行组间比较，事后检验采用Bonferroni校正。

3.1. Representative data

典型数据分析显示，健康对照组的螺旋轴呈现多样化的取向分布，而KOA患者的螺旋轴几乎呈平面排列。年轻对照组在PhaseⅠ期的平均^θ?和^φ?角分别为96.5°和65.2°，平坦性指数为0.20；而KOA患者相应值为93.2°和114.1°，平坦性指数为0.024。这种视觉上的差异表明KOA患者的膝关节运动更加受限，变异性降低。

3.2. Standard deviation

统计分析显示，在站立相(PhaseⅠ和PhaseⅡ)，KOA组^θ?角的标准偏差显著低于对照组。PhaseⅠ期中，KOA患者与年轻对照组(p=0.041)和中年对照组(p=0.042)均存在显著差异；PhaseⅡ期中，KOA患者同样显示出显著低于年轻对照组(p=0.047)和中年对照组(p=0.004)的变异性。PhaseⅢ期中，KOA组^φ?角的标准偏差也显著低于年轻对照组(p=0.027)。这些结果表明KOA患者在负重期膝关节运动变异性明显降低。

3.3. Planarity index

平坦性指数分析进一步证实了上述发现。在PhaseⅠ期，KOA组的平均偏差显著低于年轻对照组(p=0.035)；PhaseⅡ期中，KOA组同时显著低于年轻对照组(p=0.008)和中年对照组(p=0.029)。较高的平坦性表明KOA患者的螺旋轴更趋于共面分布，反映了膝关节运动的受限和僵硬。

3.4. Mean angle

平均螺旋轴取向分析显示，所有组的螺旋轴主要朝向y轴方向(对应膝关节屈伸轴)。然而在PhaseⅠ期，组间^φ?角存在显著差异(p=0.013)，年轻对照组的值显著小于KOA患者。这表明年轻个体在步态站立相前期具有更大的内外旋转成分，而KOA患者这种旋转运动减少。

3.5. Reproducibility

重测信度评估显示，该方法具有良好的测量可重复性。两次测量(间隔11个月)的绝对差异均值在可接受范围内：^θ?均值6.09°±4.37°、^φ?均值6.08°±5.49°、^θ?标准偏差1.93°±1.95°、^φ?标准偏差3.21°±3.90°、平坦性指数0.02±0.01。这些变异远小于组间观察到的差异，证明了方法的可靠性。

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和平坦性指数增高，反映了膝关节运动僵硬度的增加而非不稳定性。这种运动学改变可能与软骨组织硬化、半月板功能障碍和前交叉韧带退化等结构性改变相关。年轻对照组在负重期表现出更大的内外旋转成分，可能有助于改善 shock absorption 和动态关节稳定性，而这种能力在KOA患者中受损。

该研究的重要意义在于开发了一种基于IMU的便携式膝关节运动分析系统，能够敏感地检测早期KOA的功能性改变。与传统生物力学指标相比，螺旋轴变异性分析对早期病变更加敏感，为KOA的早期诊断和进展监测提供了新的生物力学标志物。该方法具有设备简单、操作便捷、分析高效的特点，非常适合临床和社区环境的推广应用。未来研究应扩大样本量，结合影像学验证，并探索该方法在纵向监测和治疗效果评估中的应用价值。

值得注意的是，研究中发现一名KOA患者表现出相反的变异性增加模式，作者推测这可能与varus thrust现象相关，表明该方法可能同时适用于检测早期和晚期KOA的不同生物力学表型。这种区分能力进一步增强了其临床应用的潜力。