要旨
目的：人工膝関節全置換術患者の歩行をバイオメカニクス的手法である3次元歩行解析により分析する。
方法：2005-11/2006-11に大連大学中山病院で人工膝関節全置換術を受けた患者53名（42-82歳.平均年齢59.2歳）を抽出した。 男性33名（平均身長172±13cm.体重64±11kg）.女性20名（平均身長155±11cm.体重45±1lkg）を対象に.大連大学中山病院関節外科のDVMC-8801三次元モーションアナライザーシステムを用いて.術前と術後1.6.12ヶ月の歩行分析を行った。 歩行解析はDVMC-8801三次元動作解析システムを用いて行われ.1回の測定につき最低3歩.一定の歩速が要求された。 股関節.膝関節.足関節の合計16点を設定し.3次元の動的画像を構築するための表面を形成するために接続した。
結果：人工関節置換後.患肢の歩行速度.歩数.歩幅.立位相は有意に改善し（P < 0.01）.歩行分析のパラメータは基本的に置換後1年で正常レベルに達した。 置換前の最大股関節屈曲は15°.最大背部伸展は8°.最大膝関節屈曲は70°.最大足関節屈曲は15°であった。 置換術6ヵ月後の股関節最大屈曲は27°.後方伸展は17°.膝関節最大屈曲は50°.足関節最大屈曲は14°であり.各指標の置換術前との差は有意であった（P
< 0.01）。
結論：人工膝関節全置換術患者の機能を定量的に評価するために3次元歩行分析を用いることで.膝関節のバイオメカニクス的変化をより正確に把握することができ.最適な治療法や人工膝関節全置換術後のリハビリテーション方法の検討につながる。
キーワード：3次元歩行分析.人工膝関節置換術.転帰評価
郭林.崔大平。 人工膝関節置換術前後の三次元歩行分析。 Chinese Tissue Engineering Research and Clinical Rehabilitation, 2008, 12(13):2417-2420
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-13/13k-2417(ps).pdf]
テーマの背景：本テーマは現在国家自然基金に申請中である。 三次元動作解析システムDVMC-8801は.人工関節置換術後の歩行の回復に伴う生体力学的変化を把握するために.独自に開発した赤外線システムによる非侵襲的な患者検出が可能な三次元歩行解析システムである。 相互評価：人工関節置換術の分野に3次元歩行解析法を応用し.変形性膝関節症IV期の患者に対する人工膝関節置換術の効果を定量的に評価し.Tohn.N.Insallスコアを参考にし.この方法は膝関節の生体力学的変化をより正確に把握することができ.研究テーマとデザインも良いと結論づけた。 偏りや不十分な点：
これは新しい手法であるため.症例数が不十分であり.追跡期間が短く.さらなる経験が必要である。
0 はじめに
ゲイト分析はバイオメカニクスの特殊な一分野であり.人間の歩行中の四肢と関節の活動を運動学的に観察し.運動学的に分析することで.一連の時間的.幾何学的.力学的パラメータ値と曲線を提供するものである[1]。 HSSスケール[2]は.人工膝関節全置換術の前後に一般的に使用されているが.HSSスケールによる患者の歩行機能の定量的な解析は行われていない。 著者らは.当院で人工膝関節全置換術を受けた患者53名の歩行を3次元歩行解析システム（東方新瑞DVMC-8801 3次元動作解析システム）を用いて解析した。
1 対象と方法
デザイン：観察実験。
単位：大連大学中山病院。
対象：2005-11/2006-11に大連大学附属中山病院で人工膝関節全置換術を受けた患者53名（53側）.男性33名（33側）.年齢55-82歳.平均46.2歳.平均身長（171±13）cm.平均体重（65±11）kg.女性20名（20側）.年齢42-79歳.平均体重（65±11）kg。 全員変形性膝関節症IV期であった。 手術は膝蓋骨前外側アプローチで行った。 術前のHSS膝関節機能スコアは10～74点で.平均は56.2点であった。 患者は実験と治療についてインフォームド・コンセントを行い.実験は病院倫理委員会の承認と署名を得た。 人工関節はZimmerセメント非回転プラットフォーム型を使用した。 設計.実施.評価者：実験設計は第1著者.データ収集と実施は第2著者.評価は第1著者が行い.単盲検法で評価した。
方法：
後縦断靭帯温存人工膝関節全置換術。 術前1日に抗生物質の大量点滴を開始した。 膝蓋骨正中線の端から約1cm内側の傍膝蓋骨切開から関節包にアクセスするため.10～12cmの標準的な前正中切開が選択された。 大腿骨の準備：①大腿骨遠位端の回転位置決め。 前外側予備骨切り。 大腿骨遠位端骨切り。 大腿骨測定。 大腿骨の前方.後方.斜めの骨切り。 脛骨の準備：①脛骨力線の位置決め。 脛骨骨髄外力線の位置決め：膝を屈曲させ.脛骨骨髄外力線ガイドを脛骨ステム上に置き.フレキシブルクランプで遠位脛骨を足関節上に保持する。 人工脛骨を設置し.人工大腿骨を設置し.切開部を縫合する。 術後治療：術後1日目にCPM機能訓練を開始し.初期可動域は0~45°.1日10°ずつ可動域を拡大し.12時間継続し.退院までに少なくとも95°~110°を達成した。 三次元歩行分析システム操作方法：三次元歩行分析システム（東方心瑞DVMC-8801三次元運動分析システム）は3つの部分から構成されている。 1つは同じ空間にあり.8台のカメラの異なる位置に分布し.測定される部分に貼り付けられ.光学的なマーキングポイント；上記3つの部分の装置の同期動作とその測定データの分析およびコンピュータとその周辺機器の処理を調整する。 まず.歩行分析メインフレームと赤外線カメラ間の構成と測定範囲を調整した。 テスト中.患者は.マーカーポイントが運動中の手足の位置を示すように.ぴったりとしたスポーツショーツを下に着用し.衣服が反射ポイントを覆い隠さないようにした。 3D歩行解析用の反射点は以下のように配置した：①骨盤～腰腹部：前上腸骨棘.後上腸骨棘（計4点）。 膝関節：大腿骨内側顆.大腿骨外側顆.脛骨結節（計3点）。 足関節：足関節の内側と外側の先端（計2点）。 第1足根中足関節と第2足根中足関節の間（計1点）。 歩行分析は.訓練を受けた臨床経験豊富な臨床医または技術者が行った。 患者には.自然で習慣的な姿勢と速度で数回歩いてもらい.歩行分析の結果に影響を与えないよう.患者の各反射点が指定の赤外線エリア内にあることが重要であった。 主な観察指標：術後1ヶ月.半年.1年後に3D歩行分析システムを用いて.患者の歩行時の歩幅.歩幅.歩幅速度.歩幅頻度.歩行周期時間.立位相時間.歩幅相時間.関節運動角度の変化を観察した。 同時にHSS膝機能スコアも実施した。
統計方法：すべてのデータは第2著者がSPSS 11.5統計ソフトを使って分析し.具体的な方法は独立標本t検定と相関分析で.P < 0.05を有意差とみなした。 すべてのデータはx±sで表した。
2結果
歩行分析により.被験者のX軸.Y軸.Z軸における変形性関節症の関節の動きと安定性の大きさが得られた。人工膝関節全置換術前後の53名の運動学的データの変化を表1に示す。測定された一連の生体力学的指標を通して.人工膝関節全置換術を受けた患者の移動1年後には.短足歩行と疼痛軽減歩行が消失した（図1~3）。 三次元歩行解析の結果：①歩行速度.歩数.歩幅は人工膝関節置換術前と比較して有意に改善し（P＜0.01）.各パラメーターは基本的に置換術1年後には正常レベルに達していた。 交換後.患肢の立位相は交換前に比べ有意に延長した。 角度時間曲線：置換前の股関節最大屈曲は15°.後方伸展は8°.膝関節最大屈曲は70°.足関節最大屈曲は15°であった。 人工関節置換術6ヵ月後のCPM運動後の最大股関節屈曲は27°.後方伸展は17°.最大膝関節屈曲は50°.最大足関節屈曲は14°であり.人工関節置換術前との差は有意であった（P＜0.01）。 加速度時間曲線：置換術6ヵ月後.患肢の前後方向の加速度の立位相陰性波とスパイク波は置換術前に比べて有意に減少し.遊脚相は置換術後に2峰性波.置換術前に3峰性波を示した。 中殿筋歩行は置換後2ヵ月以内に出現し.置換後1年で消失した。 HSS 膝関節機能スコアは置換術後に有意に改善し.術後1年後の平均は85.8点であった。
3考察
歩行周期とは.片足が地面に着いてから踵が再び地面に着くまでの時間と定義される。 歩行周期の中で.各肢は地面に体重を支える段階と地面から振り出す段階の2つを通過し.それぞれ立脚相と遊脚相と呼ばれる。 立脚相は.片足歩行か両足歩行かによって.片足体重負荷相と両足体重負荷相に分けられます[3-8]。 歩幅.歩数.歩速は歩行の3大要素であり.歩行分析ではまず健常者の歩行周期における時間.幾何学.力学などの正常パラメータの値と曲線を求め.その上で様々な病態の異常パラメータと曲線を分析することで.手術の効果と機能を評価するための客観的かつ現実的な基盤を提供する必要があります。 変形性膝関節症IV期の人工膝関節全置換術を受けた患者の歩行には以下のような特徴がある。
3.1 痛みを軽減する歩行：下肢の片側に痛みがある場合.痛みを軽減する歩行が見られることが多く.これは患肢の体重負担を最小限にするため.3D歩行分析画像において患側の立位相時間が短くなり.歩幅が短くなることに反映される。 膝痛患者では.患肢に荷重がかかると患肢の肩が下がり.体幹はやや傾斜し.患側の下肢は外旋・屈曲し.地面への踵打ちは極力避ける。 膝痛のある患者では.膝をやや屈曲させ.つま先を地面につけて歩いた。 術後1年の画像では.患肢の歩幅は大きくなり健側に近づいたが.股関節.膝関節.足関節の屈曲・伸展角度は.術前の股関節の最大屈曲は15°.後方伸展は8°.膝関節の最大屈曲は70°.足関節の最大屈曲は15°.術後半年後の股関節の最大屈曲は27°.後方伸展は17°.膝関節の最大屈曲は50°.足関節の最大屈曲は14°であった. 痛みのHSSスコアは完全に主観的なもので.より客観的な3D歩行に比べ.軽度から中等度の重症度に分けられるが.両者は組み合わせて見るべきである。
3.2 短下肢歩行[9-14]術前の患肢短縮は6例で2.5cm以上であり.支持期では患側の骨盤が下がり同側の肩下がりにつながり.遊脚期では患側の足が沈み.健側の踏込脚は股関節・膝関節の過度の屈曲.足関節の過度の屈曲・背屈が見られたが.術後1年では患側の骨盤の下がりは消失し.患側の股関節・膝関節・足関節の屈曲・伸展角度は健側と平行になることが示された。
3.3 股関節屈曲筋力低下歩行[15-20] 股関節屈曲筋は遊脚期の主加速筋であり.その筋力低下は遊脚期の四肢移動のパワー不足を引き起こした。 この症例の術前の歩幅は0.49m.術後6ヶ月で0.51m.術後1年で0.54mであったが.これは屈筋-足底筋の筋力低下により.支持相終了時に体幹が後方へ振られ.それを補うために遊脚相初期に急に前方へ振られたためであり.最終的に患側の歩幅は著しく短縮し.術後に筋力が回復すると歩幅は正常に戻った。 術前のHSSスコアの平均は56.2点.術後1年の平均は85.8点であった。このスコアの結果は.われわれの検査で観察された結果に近く.主観的.客観的にそれぞれ手術の有効性が確認された。 この研究では長期間の追跡調査が行われなかったことが欠点であり.今後の研究では追跡調査を継続する必要がある。 歩行解析は.人間の歩行に関する生活活動情報を抽出するための総合的な解析・評価手段であり.人間の歩行を機能的に模倣するための生体工学技術など.
その将来性は広い。 光学・電気計測技術や情報処理技術の継続的な発展により.本法は複数の指標を統合し.専門家による分析・診断・評価という総合的なシステム開発の方向に沿ったものとなる。 三次元歩行分析を使って.変形性膝関節症IV期の患者の機能を定量的に評価することで.膝関節の生体力学的変化をより正確に理解することができ.最適な治療手段と術後のリハビリ方法を探ることができる。
4 参考文献
1 Kyriazis V, Rigas C. Temporal gait analysis of hip osteoarthritic
Patients operated with cementless hip replacement. Clin Orthop Relat Res 1989;(248):13-14
3 Kiss RM, Kocsis L, Knoll Z. Joint kinematics and spatial-temporal
parameters of gait measured by an ultrasound-based system. Med Eng
Phys 2004;26(7):611-620
4 Bush-Joseph CA, Hurwitz DE, Patel RR, et al. 腱を用いた前十字靭帯再建術後の動的機能
Am J Sports Med 2001;29(1):36-41
5 Madsen MS, Ritter MA, Morris HH, et al. HH, et al. The effect of total hip
arthroplasty surgical approach on gait. J Orthop Res 2004;22(1):44-50
6 Benedetti MG, Catani F, Bilotta TW. >股関節全置換術後の歩行分析。 J
Orthop Res 2001;19(6):1147-1152
8 Benedetti MG, Leardini A. (2)足首の人工関節置換術の機能的転帰：歩行分析研究 J Am
Podiatr Med Assoc 2008;98(1):19-26
9 このような研究は.高齢者が転倒しやすい体質と転倒しにくい体質があることを明らかにするものである。
この研究では.転倒予防に有効なバイオフィードバックを用いたリハビリテーション・プロトコールに.運動学習の概念を応用している。慢性の脳卒中患者の歩行を改善するためのバイオフィードバックを用いたリハビリテーションプロトコールに適用した運動学習の概念：複数の歩行
分析を用いたA-Bシステム研究。 Phys Ther 2006;86(6):778-787
12 Rubenson J, Heliams DB. を用いたヒトの運動コストの比較評価。 J Exp Biol 2007;210(Pt 20):3513-3524
13 Cutuk A, Groppo ER, Quigley EJ, et al. 下半身陽圧を用いた模擬
分重力下での歩行。
13 Cutuk A, Groppo ER, Quigley EJ, et al.
関節リウマチにおける関節置換術は.膝と
股関節の運動学的および動力学的特性を改善する。 (オックスフォード)
2007;46(6):1024-1028
15 Levinger P, Gilleard W. Relationship between static posture and
rearfoot motion during walking in J Am Podiatr Med
Assoc 2006;96(4):323-329
16 Khan WS, Jones RK, Nokes L, Nokes WS. J Bone Joint Surg Br 2007;89(7):911-914
17 Archer KR, Castillo RC,. Mackenzie EJ, et al. 下肢外傷後の歩行対称性と
歩行速度の分析 Phys Ther
2006;86(12):1630-1640
18 歩行分析と
WOMACは人工股関節置換術における機能的転帰の評価において補完的である。
19ジャコモッツィ・C.ベネデッティ・MG.レアルディーニ・A.他
距踵骨連合の機能的評価のための
統合システムによる歩行分析。Giacomozzi C, Benedetti MG, Leardini A. et al.
19 Giacomozzi C, Benedetti MG, Leardini A. et al.