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醫(yī)療激光新聞

3D打印矯形鞋墊助力膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎早期治療

星之球科技 來源:科技導(dǎo)報(bào)2021-12-30 我要評(píng)論(0 )   

隨著世界人口老齡化的加劇,膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎(KOA)的發(fā)病率逐漸增高, 75歲以上患者發(fā)病率超過80%,嚴(yán)重影響生活質(zhì)量,甚至喪失活動(dòng)能力,全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)成為晚期...

隨著世界人口老齡化的加劇,膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎(KOA)的發(fā)病率逐漸增高, 75歲以上患者發(fā)病率超過80%,嚴(yán)重影響生活質(zhì)量,甚至喪失活動(dòng)能力,全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)成為晚期KOA患者的常規(guī)治療方案,但術(shù)后容易出現(xiàn)多種并發(fā)癥。

目前,臨床上興起的步態(tài)分析(GA)技術(shù)是利用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng),研究步態(tài)周期中相關(guān)規(guī)律,近來在下肢常見疾病診療、運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)及康復(fù)等方面應(yīng)用廣泛,能夠闡明步態(tài)周期中相關(guān)變化的關(guān)鍵位置及其影響因素。

本文概述了2種步態(tài)分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)原理和KOA患者下肢三維步態(tài)的改變;對(duì)3D矯形鞋墊在KOA中的應(yīng)用原理及制作過程進(jìn)行深入探討,明確KOA患者膝關(guān)節(jié)周圍動(dòng)力和靜力結(jié)構(gòu)變化,將其應(yīng)用于3D矯形鞋墊的設(shè)計(jì)和生產(chǎn),為早期KOA保守治療提供重要解決方案。

KOA的進(jìn)展與下肢步態(tài)改變有關(guān),特別是時(shí)空參數(shù),GA能夠幫助明確疾病的本質(zhì),有利于KOA的早期治療與延緩疾病進(jìn)程。

而隨著3D打印技術(shù)在臨床的廣泛應(yīng)用,可以為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(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),在損傷、修復(fù)方面具有天然優(yōu)勢(shì)。

基于人體生物力學(xué)的3D打印矯形鞋墊能夠有效緩沖人體活動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)足底負(fù)重的壓力,增強(qiáng)足穩(wěn)定性,維持下肢平衡,糾正步態(tài)異常。

兩種GA系統(tǒng)及原理

GA是量化分析膝關(guān)節(jié)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)變化的有效方法,目前可基于可穿戴慣性傳感器傳統(tǒng)光學(xué)分析系統(tǒng)2種方式進(jìn)行。

KOA發(fā)病后患者膝關(guān)節(jié)周圍的動(dòng)力與靜力系統(tǒng)失去平衡,下肢力線異常,繼而導(dǎo)致步態(tài)周期中相關(guān)參數(shù)的變化。KOA步態(tài)中的姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)障礙可能與下肢運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)改變和神經(jīng)控制的適應(yīng)性變化有關(guān),可以通過步態(tài)起始作為評(píng)估的關(guān)鍵。

既往三維GA系統(tǒng)設(shè)備雖然提供了詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù),但在測(cè)量時(shí)需要使用高速紅外線攝像機(jī)捕捉放置在預(yù)定解剖位置的反射光標(biāo)和高度精確校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,對(duì)專業(yè)性和步態(tài)實(shí)驗(yàn)室的要求非常高,且在門診并不可行。


傳統(tǒng)步態(tài)分析實(shí)驗(yàn)室模式 來源:瑞典Qulisys公司


傳統(tǒng)步態(tài)分析高速高清攝像頭捕捉光標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)

目前可穿戴慣性傳感器的出現(xiàn)為傳統(tǒng)的光學(xué)GA系統(tǒng)提供了一種可行的替代方案,可佩戴慣性傳感器或慣性測(cè)量單元使用1個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的傳感器來測(cè)量運(yùn)動(dòng)。通過將慣性傳感器連接到身體的各個(gè)部位,可以獲得與光學(xué)系統(tǒng)相似的有效、可靠的各種生物力學(xué)結(jié)果。


慣性便攜式傳感器模式圖及運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)模擬

此外,慣性傳感器數(shù)據(jù)采集不受傳統(tǒng)GA實(shí)驗(yàn)室的限制。因此,利用慣性傳感器研究骨關(guān)節(jié)炎(OA)生物力學(xué)是目前的發(fā)展方向之一,慣性傳感器系統(tǒng)在KOA患者測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)一步推動(dòng)了該系統(tǒng)在臨床研究中的使用。不同慣性傳感器系統(tǒng)放置在人體下肢不同位置,不同系統(tǒng)中人體模型的建立及數(shù)據(jù)處理方式不盡相同。

三維GA主要包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及下肢表面肌電,但表面肌電對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備限制及對(duì)專業(yè)性要求極高,尚未廣泛開展。

KOA患者GA運(yùn)動(dòng)學(xué)和

動(dòng)力學(xué)參數(shù)改變

KOA患者運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的主要變化出現(xiàn)在人體冠狀面,隨年齡增大,下肢步態(tài)時(shí)空參數(shù)的變化有步幅縮短和步頻增加,以及矢狀面髖、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的改變。

KOA患者步速、步長(zhǎng)、步頻均明顯降低,運(yùn)動(dòng)中受累側(cè)膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度降低,并與KOA嚴(yán)重程度相關(guān);步態(tài)周期中支撐相時(shí)間與擺動(dòng)相時(shí)間的比例發(fā)生改變,支撐相占步態(tài)周期的比例顯著增加;步態(tài)周期中足跟觸地階段時(shí)間和前足離地階段時(shí)間比例明顯降低,而前足觸地階段、全足支撐階段時(shí)間比例顯著增高;患膝活動(dòng)角度減小。

年齡、機(jī)械負(fù)荷、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)變化和KOA發(fā)展之間的聯(lián)系需要進(jìn)一步研究,而膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室OA的發(fā)展被認(rèn)為是重復(fù)負(fù)荷的結(jié)果。

KOA的動(dòng)力學(xué)研究包括:(1)地面反作用力(GRF)的改變受體重和步行速度影響,KOA患者GRF第一峰值高于健康人群,而GRF第二峰值卻低于健康人群,GRF的最大負(fù)荷正常組要比KOA組高;(2)正常步行時(shí)前、后剪應(yīng)力表現(xiàn)為反向尖峰圖形;(3)下肢力矩,即力與關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍內(nèi)不同角度的力臂相乘,受關(guān)節(jié)穩(wěn)定性、肌力和運(yùn)動(dòng)方向等多重因素影響。

膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩(KAM)可以反映膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力負(fù)荷改變情況,由GRF和膝關(guān)節(jié)中心到GRF向量間力臂共同決定,是KOA研究中可靠的監(jiān)測(cè)參數(shù),中度至重度內(nèi)側(cè)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(guān)節(jié)內(nèi)收角度的顯著增加導(dǎo)致,晚期患者KAM的增加則與膝關(guān)節(jié)的形態(tài)學(xué)變化有關(guān)。膝關(guān)節(jié)形態(tài)學(xué)的改變會(huì)導(dǎo)致下肢在行走時(shí)KAM更加增高。KAM的變化與軀干整體運(yùn)動(dòng)有關(guān),軀干肌肉組織活動(dòng)異常改變可能導(dǎo)致KAM增加,加重KOA的發(fā)生與發(fā)展。

3D矯形鞋墊在KOA中

應(yīng)用的原理與機(jī)制

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(cè)楔形鞋墊(LWI)為基于促使下肢力線外翻、減輕膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室的應(yīng)力的原理而設(shè)計(jì)生產(chǎn),其結(jié)構(gòu)為從腳跟到第五跖骨頭近端的外側(cè)邊緣。所有干預(yù)措施都是通過減輕KOA的癥狀來改善功能,并減緩疾病的進(jìn)展。

雖然LWI在改善患者WOMAC疼痛量表上的結(jié)果并不一致,但研究均顯示患者止疼藥物使用明顯減少,而疼痛評(píng)分保持不變。可能是由于LWI減輕了患者膝關(guān)節(jié)的疼痛,導(dǎo)致止疼藥物攝入量減少,活動(dòng)水平升高,從而導(dǎo)致與基線相同的WOMAC疼痛評(píng)分。

LWI作為一種非手術(shù)方法,在臨床上用于治療KOA,可以平衡分配膝關(guān)節(jié)的軸向應(yīng)力負(fù)荷,顯著增加股骨脛骨角,減少膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形。LWI可以影響膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)、髖關(guān)節(jié)內(nèi)收、踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩,促進(jìn)股內(nèi)側(cè)肌和臀中肌活動(dòng)增加,從而糾正步態(tài),緩解疼痛。

穿戴LWI的患者在正常行走及上下樓梯時(shí),均能緩解膝關(guān)節(jié)應(yīng)力,促使膝關(guān)節(jié)應(yīng)力中心橫向向外移動(dòng)產(chǎn)生更垂直于地面反作用力,導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)地面反作用力臂減小,KAM降低,從運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)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(cè)楔入高度LWI會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的疼痛或不適,5°楔入是KAM恢復(fù)和患者穿戴適應(yīng)之間的最優(yōu)選擇。此外全足長(zhǎng)LWI比僅后足LWI對(duì)KAM影響更顯著。

早期KOA患者在步態(tài)初始階段采用不同的姿勢(shì)策略來適應(yīng)下肢生物力學(xué)的改變,LWI在步態(tài)起始的執(zhí)行階段表現(xiàn)出了良好效果,且可以促進(jìn)跟骨外翻和行走時(shí)下肢的橫向壓力中心向外側(cè)移位。

LWI生物力學(xué)有效性在使用1年后仍然存在,這可能是KOA患者穿戴LWI后改善了步態(tài)起始期情況,使下肢壓力中心橫向移動(dòng)軌跡得以改善平衡。

而在患者1年后再未穿戴LWI的情況下進(jìn)行隨訪,發(fā)現(xiàn)患者已經(jīng)形成了對(duì)特定步態(tài)的適應(yīng),因此表明LWI使患者改善步態(tài)的一種代償性機(jī)械適應(yīng),在步態(tài)起始和行走時(shí)與平衡訓(xùn)練計(jì)劃結(jié)合,可以改變下肢步態(tài)、促進(jìn)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)恢復(fù),在長(zhǎng)期減緩疾病進(jìn)展中發(fā)揮重要作用。

基于GA結(jié)果3D矯形鞋墊

制作過程與使用

近年來,3D矯形鞋墊對(duì)治療早期KOA的應(yīng)用越來越廣泛,上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院已將針對(duì)下肢早期OA患者治療康復(fù)用3D打印矯形鞋墊進(jìn)行了臨床推廣應(yīng)用,可有效改變患者的下肢力線、促進(jìn)正常步態(tài)的恢復(fù)。

根據(jù)不同患者GA的情況要定制不同的矯形鞋墊,主要為3個(gè)步驟:

(1)采集步態(tài)周期中足部動(dòng)/靜態(tài)數(shù)據(jù),通過足底壓力不同分區(qū)的各類數(shù)據(jù)為鞋墊的設(shè)計(jì)制作提供依據(jù)。在行走試驗(yàn)中,使用F-Scan壓力傳感鞋墊收集足底壓力信息,Shimmer3 IMU系統(tǒng)記錄下肢加速度和角度旋轉(zhuǎn)。


F-Scan壓力傳感加Shimmer3 IMU系統(tǒng)


Freestep系統(tǒng)

(2)通過足底掃描儀生成三維的足型數(shù)據(jù),用可完美貼合足底超薄的橡膠墊支撐足部,使其更符合人體解剖學(xué)。繼續(xù)利用鞋墊計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件,將采集到的數(shù)據(jù)通過軟件內(nèi)置的足壓分析模塊CADCAM設(shè)計(jì)加工軟件進(jìn)行初步設(shè)計(jì)處理,實(shí)時(shí)渲染3D建模,再將初步處理過的足壓數(shù)據(jù)進(jìn)行人工修改設(shè)計(jì)定型。

(3)利用數(shù)控雕刻機(jī)床及3D鞋墊打印機(jī),打印出不同材質(zhì)的個(gè)性化矯形鞋墊。


個(gè)性化外側(cè)矯形鞋墊治療內(nèi)側(cè)間室KOA

3D矯形鞋墊不僅具有普通鞋墊的緩沖壓力減震、防止足部滑動(dòng)、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(duì)相關(guān)的足部疾病進(jìn)行保守治療,改善下肢步態(tài)及運(yùn)動(dòng)生物力學(xué),從而預(yù)治KOA的發(fā)生與發(fā)展。

3D打印矯形鞋墊為三維立體結(jié)構(gòu),需要1~2周的適應(yīng)期,若足部不適明顯,可在開始使用定制時(shí)每天試穿行走1~2 h,后期逐漸增加時(shí)間。此外依據(jù)定制選擇合適的鞋匹配鞋墊也非常重要。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81560374, 82172444);內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(201802154, 2021GG0127);內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院院內(nèi)基金項(xiàng)目(2020YN24)


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