李偉 周敬濱 陶增羽 李國平

1上海體育學(xué)院（上海 200438） 2國家體育總局運動醫(yī)學(xué)研究所

骨性關(guān)節(jié)炎（OA）是中老年人群的多發(fā)病和高發(fā)病，其中又以膝關(guān)節(jié)OA（KOA）的發(fā)病率最高，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。目前對其發(fā)病機(jī)理的相關(guān)生物力學(xué)臨床研究較廣泛，已成為國內(nèi)外運動醫(yī)學(xué)界的研究熱點之一。現(xiàn)代三維步態(tài)分析系統(tǒng)使精確測量下肢動態(tài)生物力學(xué)指標(biāo)成為現(xiàn)實，并且具有操作簡便、無創(chuàng)傷性和數(shù)據(jù)詳實的特點，為骨科生物力學(xué)研究和客觀評價治療效果提供了可靠依據(jù)和工具。利用其對代償步態(tài)的分析來揭示KOA患者的發(fā)病機(jī)制的研究也越來越多。但由于KOA的力學(xué)發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，不區(qū)分患者類型的步態(tài)分析不能準(zhǔn)確反映膝關(guān)節(jié)步行時各關(guān)節(jié)面的力學(xué)改變。如有的研究對象樣本量較少［1-3］，有研究KOA患者類型和病情不同，忽視了患者膝關(guān)節(jié)不同部位病變產(chǎn)生的相應(yīng)力學(xué)改變的差異而采用統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)［4-7］，以及研究設(shè)備各異與研究方法簡單等，導(dǎo)致有價值的研究成果不多，且爭議較多。

因此本實驗利用現(xiàn)代步態(tài)分析手段，測試了不同病情的脛股關(guān)節(jié)KOA患者膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)面負(fù)荷的差異，觀察其下肢各關(guān)節(jié)的動力學(xué)變化，并分析患者代償性步態(tài)變化的生物力學(xué)機(jī)制，為相關(guān)康復(fù)治療及其療效評價提供客觀依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 對象

雙膝脛股關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)面OA患者60名。納入標(biāo)準(zhǔn)：符合美國類風(fēng)濕學(xué)會KOA診斷標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)間隙相比外側(cè)狹窄；具備反饋術(shù)后感受能力，包括原有膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷的患者。排除標(biāo)準(zhǔn)：先前有其他感染性關(guān)節(jié)疾病者及伴有髕股關(guān)節(jié)OA者，以及OA以外病癥和診斷模糊者。

根據(jù)K/L分級，將60名OA患者分成輕型患病組（less severe KOA，LKOA）和重型患病組（more severe KOA，MKOA）兩組，每組30名。另外選擇年齡、性別、體重、身高與患病組相當(dāng)?shù)?0名正常人作為正常對照組（control subjects，CON）。受試者一般資料見表1。

表1 實驗對象一般資料

1.2 實驗步驟

本實驗在國家體育總局運動醫(yī)學(xué)研究所三維動作分析實驗室完成。實驗設(shè)備包括三維運動動作分析系統(tǒng)和測力臺。動作分析系統(tǒng)（VICON MX13 motion analysis system，OxfordMetricsLTD，Oxford，UK） 包括 VICON MX13主機(jī)、MX net集成器和6架高速三維攝像機(jī)。

實驗對象在長約12米的木質(zhì)地板步態(tài)分析區(qū)域進(jìn)行自由、自主、無暗示行走測試。測量前校正系統(tǒng)、采集靜態(tài)數(shù)據(jù)并貼記標(biāo)記點等。選取符合要求的3次穩(wěn)定的測試結(jié)果。運用Polygon2.4軟件和Bodybuilder3.6分析軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù)。選取步態(tài)周期中有代表性的特征點，觀察步態(tài)周期中各指標(biāo)的變化曲線并進(jìn)行分析。所測動力學(xué)參數(shù)包括矢狀位和冠狀位的關(guān)節(jié)相對力矩（以下統(tǒng)稱為力矩）以及膝關(guān)節(jié)受力。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 動力學(xué)參數(shù)（表2）

2.1.1 矢狀位力矩

LKOA組與MKOA組支撐末期最大屈髖力矩均顯著大于對照組（兩組均為P<0.05）。其余矢狀位力矩指標(biāo)均無顯著性差異。

2.2.2 冠狀位力矩

支撐早期，LKOA組與MKOA組膝關(guān)節(jié)最大外展力矩比CON組顯著增加（P<0.001），且LKOA組顯著大于MKOA 組（P<0.05）。

支撐中期，MKOA組膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第1峰值（最大內(nèi)收力矩）顯著大于 LKOA組（P<0.05）和 CON組（P<0.001）；支撐末期，LKOA組膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第 2峰值（0.34±0.6）顯著低于 CON 組（0.41±0.5）（P<0.05）。

MKOA組髖關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第1峰值（0.68±0.6）顯著低于 CON 組（0.74±0.5）（P<0.05），MKOA 組髖關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第 2峰值（0.85±0.5）顯著低于 CON組（0.93±0.5）（P<0.001）。

支撐末期，LKOA組與MKOA組踝關(guān)節(jié)最大內(nèi)翻力矩均顯著小于CON組（P<0.05）。

表2 支撐期下肢關(guān)節(jié)冠狀位與矢狀位力矩及關(guān)節(jié)應(yīng)力

2.2 膝關(guān)節(jié)受力情況（表2）

MKOA組支撐期最大地面反作用力顯著大于CON組（P<0.001）和 LKOA 組（P<0.05），而 LKOA 組與 CON組間也存在顯著差異（P<0.01）。

3 討論

脛股關(guān)節(jié)解剖特點不同于其它滑膜關(guān)節(jié)，如髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。因為半月板增加了脛骨和股骨的內(nèi)外側(cè)軟骨的接觸面積，其間韌帶主要起引導(dǎo)關(guān)節(jié)活動的作用，而周圍肌肉則穩(wěn)定關(guān)節(jié)的靜態(tài)和動態(tài)姿勢。這種雙髁結(jié)構(gòu)使膝關(guān)節(jié)對更年期相關(guān)的急性和慢性機(jī)械環(huán)境的改變尤其敏感。對此雙髁關(guān)節(jié)施加一內(nèi)收或外展力矩，會把實際關(guān)節(jié)接觸點轉(zhuǎn)移至一面，而增加單側(cè)關(guān)節(jié)面的負(fù)荷。故對于合并髕股關(guān)節(jié)OA者，其步態(tài)機(jī)制涉及多維度動力學(xué)的交互作用，不能準(zhǔn)確表現(xiàn)各關(guān)節(jié)面的力學(xué)改變。同時，為避免單側(cè)和雙側(cè)患者的代償步態(tài)差異，我們選取雙膝脛股關(guān)節(jié)OA患者為實驗對象。

3.1 脛股關(guān)節(jié)OA患者代償步態(tài)的可能機(jī)制

Radin等［3］1991年研究報道，有 KOA前期改變的患者由于輕度的、間歇性和運動相關(guān)性膝痛而產(chǎn)生的垂直負(fù)荷率增加。他將此病人與對照組不同的步態(tài)稱為“微拙”（microklutziness），并比較了連續(xù)此模式步行和重復(fù)性沖力負(fù)荷。開始涉及KOA代償步態(tài)的生物力學(xué)研究。

本研究結(jié)果顯示，矢狀面中，LKOA組與MKOA組支撐末期最大屈髖力矩均顯著大于對照組，而二者間無顯著差異，而膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)矢狀面力矩各組間無顯著變化，提示患者的代償性屈髖步態(tài)。這與相關(guān)研究相符［1，8，9］。本研究結(jié)果顯示：所有患者膝關(guān)節(jié)的最大地面反作用力增加，提示關(guān)節(jié)面垂直負(fù)荷增加；MKOA組和LKOA組膝關(guān)節(jié)最大內(nèi)收力矩較對照組大，以前者為著，提示病情越重，膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)面負(fù)荷越大。相關(guān)研究證實，KOA患者步態(tài)周期的支撐期百分比增加［10，11］，提示患者為減輕關(guān)節(jié)面負(fù)荷增加導(dǎo)致的疼痛而加快對側(cè)肢體向支撐肢體的體重轉(zhuǎn)換。這種代償性步態(tài)可以通過減少重心與膝關(guān)節(jié)中心間的內(nèi)外向距離而減少地面反作用力的力臂，相應(yīng)地，可能減少了支撐期膝關(guān)節(jié)外側(cè)某一點的內(nèi)收力矩，從而減少膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)的應(yīng)力。另外，患病組緊隨支撐早期較CON組增大的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)外展力矩顯著增加，這與其它研究結(jié)果一致［12］。同時，為完成更加向外側(cè)的軀干移動，足會在地板上施一向內(nèi)的力，表現(xiàn)為所有病人踝關(guān)節(jié)的地面反作用力更大。

3.2 步態(tài)改變與KOA病情的關(guān)系

減慢內(nèi)側(cè)面膝關(guān)節(jié)OA進(jìn)展速度的最有效方法是病人自身的自然代償。而一項隨訪5～11年的縱向研究［13］認(rèn)為，長期異常步態(tài)會加重病情。還有人認(rèn)為［14］，步態(tài)和神經(jīng)肌肉控制方式與KOA的發(fā)病程度有關(guān)。

本實驗中，LKOA組與CON組在支撐期的髖關(guān)節(jié)最大內(nèi)收力矩相同。髖關(guān)節(jié)內(nèi)收外力矩與髖肌肉外翻力矩相平衡，提示LKOA組患者的髖關(guān)節(jié)外展肌群可以維持軀干的正常姿勢，與CON組相比就產(chǎn)生了相同的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第一峰值和減小的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第二峰值。

有研究［8］發(fā)現(xiàn)，相同外展肌群力量情況下，OA程度和力線內(nèi)收越嚴(yán)重，髖關(guān)節(jié)內(nèi)收肌就越強(qiáng)壯。MKOA組與CON組相比，其支撐期的髖關(guān)節(jié)最大內(nèi)收力矩明顯變小。這樣，MKOA組就可能因髖關(guān)節(jié)外展缺乏而不能保持軀干的姿勢不變。故此組病人于整個擺動期可能會出現(xiàn)支撐腿對側(cè)肢體下垂的現(xiàn)象，以便使軀干外側(cè)移動離開支撐腿，這被稱為特倫德倫堡步態(tài)（Trendelenburg gait，臀肌麻痹時所見的搖擺步態(tài)）。患者的身體重心與膝關(guān)節(jié)中心的內(nèi)外向距離增大，同時有更大的下肢內(nèi)翻力線，因此可能導(dǎo)致患者產(chǎn)生更高的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第一峰值。

目前，對內(nèi)側(cè)面膝關(guān)節(jié)OA的治療目的在于減少膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩第一峰值，以減少負(fù)荷向關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)面?zhèn)鬟f。這些糾正關(guān)節(jié)面負(fù)荷異常分配的措施包括支具［15］、足部矯形器［16-18］、步態(tài)訓(xùn)練［16］和加強(qiáng)股四頭肌力量［19，20］等。迄今為止，核心肌肉和髖關(guān)節(jié)肌肉力量在膝關(guān)節(jié)OA的治療和預(yù)防上的原則還未引起注意。關(guān)于重型膝關(guān)節(jié)OA患者有較小髖關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩和較大膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩的發(fā)現(xiàn)提示，加強(qiáng)髖關(guān)節(jié)外翻肌群力量對于膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)面OA，尤其是MKOA組可能有幫助。

3.3 研究展望

膝關(guān)節(jié)OA的致病因素諸多，發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，治療也很困難。本研究僅針對內(nèi)側(cè)脛股關(guān)節(jié)KOA患者的動力學(xué)參數(shù)，采用三維步態(tài)分析系統(tǒng)采集自主步態(tài)下數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因而未討論不同步速和步行方式時，患者軀干前傾［21］（蹬階時）和外向擺動［1，12］代償方式對下肢動力學(xué)改變的影響。進(jìn)一步研究應(yīng)引入肌電圖（EMG）測量技術(shù)［11，22］，以量化關(guān)節(jié)周圍肌肉活動情況，并可用于療效評價。另外，還應(yīng)對膝關(guān)節(jié)OA患者進(jìn)行長期隨訪和跟蹤測量的縱向研究，以通過對病情進(jìn)展情況更為客觀的了解，進(jìn)一步闡明其發(fā)病機(jī)制。

4 總結(jié)

脛股關(guān)節(jié)KOA病情越重，膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)面負(fù)荷越大。相比健康人，患者髖關(guān)節(jié)外展力矩較大，重型患者髖關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩較小，患者踝關(guān)節(jié)的地面反作用力更大。

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