陳根炎，朱軒民，張金凌，莊世陽，周紅妹

(1.集美大學 誠毅學院，福建 廈門 361000；2.泰國藝術大學，曼谷 10220；3.寧化第六中學，福建 寧化 365400；4.晉江市僑聲中學，福建 晉江 362271；5.福建師范大學，福州 350007)

我國已進入老齡化社會。關節(jié)疼痛等退行性疾病是導致老年人跌倒、認知功能受損、姿勢控制能力下降的主要原因之一,給老年人的健康帶來不利影響[1-2]。其中,髕股關節(jié)疼痛(patellofemoral pain,PFP)是以髕股關節(jié)壓力增加為特征的前膝關節(jié)疼痛,是一種過度使用的肌肉骨骼疾病。流行病學調(diào)查顯示,PFP占所有膝關節(jié)損傷的33%,其發(fā)病率隨年齡增加呈線性增長[3]。

PFP導致老年人在運動期間的下肢生物力學特征發(fā)生變化。髕骨與股骨之間的接觸力稱為髕股關節(jié)接觸力,單位面積的髕股關節(jié)接觸力稱為髕股關節(jié)應力[4]。研究表明,PFP老年人采取降低步行速度的步態(tài)策略,表現(xiàn)出較小的垂直地面反作用力和伸膝關節(jié)力矩[5],這種謹慎的步態(tài)策略或許可以補償因增齡導致的身體功能下降。與水平行走相比,樓梯行走時的膝關節(jié)彎曲角度與伸膝力矩增加了50%[6],因此更具挑戰(zhàn)性。研究顯示,樓梯行走時的髕股關節(jié)應力比水平行走增加了2～4倍,這可能是膝關節(jié)力矩和髕股關節(jié)接觸力增加所致[7]。“組織穩(wěn)態(tài)理論”認為,任何超過髕股關節(jié)負荷承受能力的組織穩(wěn)態(tài)改變,都會導致疼痛及損傷[8]。雖然髕股關節(jié)接觸力與髕股關節(jié)應力能有效反映髕股關節(jié)負荷[9],但樓梯行走等高風險環(huán)境或許會將組間髕股關節(jié)負荷的差異性掩蓋,因此可能需要更靈敏的指標來觀察樓梯行走等高風險環(huán)境下PFP對老年人髕股關節(jié)力學特征的影響。髕股關節(jié)力與應力的沖量為相對應的力與時間的積分[10],髕股關節(jié)接觸力與應力結合相對應的沖量可更精準定位PFP對髕股關節(jié)負荷的影響。沖量已在走[11]、跑[12]等運動中被應用,但髕股關節(jié)接觸力沖量及應力沖量應用于樓梯行走較為少見。

本研究通過觀察健康老年人和PFP老年人樓梯行走時的髕股關節(jié)力學指標,探討PFP對老年人樓梯行走的髕股關節(jié)力學特征的影響,為PFP老年人制定合理的干預治療策略提供理論支撐。本研究假設,與健康老年人相比,PFP老年人在樓梯行走時:①髕股關節(jié)接觸力增加;②髕股關節(jié)應力增加;③髕股關節(jié)接觸力沖量及髕股關節(jié)應力沖量增加。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

采用G*power計算樣本量,根據(jù)前人的文獻[13],將α設定為0.05、Power設定為0.8,計算出所需樣本量為18人。隨機招募PFP老年人22名,并根據(jù)基本信息匹配招募健康老年人22名,分別納入PFP組和健康組,受試者基本信息見表1。PFP組納入標準:①年齡65～75歲;②單膝髕股關節(jié)疼痛患者,疼痛6個月以上;③能夠獨立完成樓梯行走。排除標準:①有髕骨脫位或半脫位史;②有膝關節(jié)骨折或手術史;③近半年有跌倒損傷史或服用姿勢控制類藥物。受試者均了解測試風險并簽署知情同意書。

表1 受試者基本信息

1.2 測試流程

受試者來到實驗室后,先進行基本信息采集。然后身著統(tǒng)一的測試服及測試鞋,由專業(yè)的工作人員將39個標記點粘貼于受試者的骨性標志點上。受試者進行5 min熱身后,開始正式測試。采用Qualisys紅外動作捕捉系統(tǒng)(Qualisys Motion Capture System,瑞士)及AMTI三維測力臺(AMTI OR6 Series,美國)分別采集運動學數(shù)據(jù)和動力學數(shù)據(jù),采集頻率分別設為200 Hz和1 000 Hz。樓梯由5階臺階組成,臺階寬為120 cm,深為27 cm,高為15 cm,將測力臺置于第3臺階的凹槽內(nèi)與臺階持平。受試者以自適應步速分別進行上、下樓梯行走,每名受試者保證5次有效測試。將有效測試記為全程無停頓、無標記點掉落,并保證優(yōu)勢腿(健康組)或患側(cè)腿(PFP組)成功踏上測力臺。

1.3 數(shù)據(jù)處理

原始運動學與動力學數(shù)據(jù)采用Qualisys軟件預處理后,導出Visual 3D進行濾波、百分化、步態(tài)周期截取等操作。運動學數(shù)據(jù)以時間標準化,動力學數(shù)據(jù)以體重標準化。采用四階巴特沃斯低通濾波器對數(shù)據(jù)進行低通濾波,截止頻率分別為6 Hz和50 Hz[14]。將一個支撐相定義為患側(cè)腿踏上測力臺到離開測力臺,其中包含第1雙支撐相(患側(cè)腿踏上測力臺開始到健側(cè)腿離開臺階結束)、單支撐相(健側(cè)腿離開臺階開始到健側(cè)腿再次踏上臺階結束)及第2雙支撐相(健側(cè)腿踏上臺階開始到患側(cè)腿離開測力臺結束)。

1.4 觀察指標

將膝關節(jié)角度定義為遠端環(huán)節(jié)的延長線與近端環(huán)節(jié)的夾角,膝關節(jié)力矩為采用逆向動力學方法計算的膝關節(jié)周圍肌肉產(chǎn)生的凈力矩[15]。髕股關節(jié)接觸力與應力的沖量則為相應的力與時間的積分[10]。根據(jù)Eijden和Power的模型[16-17]計算得到受試者樓梯行走時的髕股關節(jié)力學特征。具體計算過程如下:

LA=(0.000 000 08×x3)-(0.000 012 9×x2)+(0.000 28×x)+0.046

(1)

(2)

股四頭肌肌力(QF)為膝關節(jié)伸膝力矩(MEXT)與股四頭肌有效肌力臂(LA)的比值,LA為矢狀面膝關節(jié)角度(x)的函數(shù)。

(3)

PFJF(x)=K(x)×QF(x)

(4)

髕股關節(jié)接觸力(PFJF)為以x為自變量的函數(shù)K與QF的乘積。

PFCA(x)=(-0.000 1×x3)-(0.008 2×x2)+(3.507 1×x)+73.81

(5)

髕股關節(jié)接觸面積(PFCA)為x的函數(shù)。

(6)

髕股關節(jié)應力(PFJS)為PFJF與PFCA的比值。

1.5 統(tǒng)計分析

使用SPSS20.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學處理。采用Shapiro-Wilk檢驗數(shù)據(jù)的正態(tài)分布,采用獨立樣本t檢驗比較兩組的髕股關節(jié)力學指標。顯著性水平設置為α=0.05。

2 結果

2.1 健康組與PFP組上樓梯時髕股關節(jié)力學特征比較

由表2可知,與健康組相比,PFP組在上樓梯時表現(xiàn)出較小的髕股關節(jié)接觸力沖量(P=0.030)、髕股關節(jié)應力峰值(P=0.024)及髕股關節(jié)應力沖量(P=0.004),而膝屈曲角度峰值、伸膝力矩峰值、髕股關節(jié)接觸力峰值、平均髕股關節(jié)接觸面積均未見顯著性差異(P>0.05)。

表2 健康組與PFP組上樓梯時髕股關節(jié)力學特征

2.2 健康組與PFP組下樓梯時髕股關節(jié)力學特征比較

由表3可知,與健康組相比,PFP組在下樓梯時表現(xiàn)出較大的屈膝角度峰值(P=0.022)及較小的髕股關節(jié)應力沖量(P=0.019),而伸膝力矩峰值、髕股關節(jié)接觸力峰值、髕股關節(jié)接觸力沖量、平均髕股關節(jié)接觸面積、髕股關節(jié)應力峰值均未見顯著性差異(P>0.05)。

表3 健康組與PFP組下樓梯時髕股關節(jié)力學特征

2.3 健康組與PFP組樓梯行走時髕股關節(jié)應力曲線比較

由圖1可知,健康組與PFP組在樓梯行走時的髕股關節(jié)應力曲線基本一致,只是峰值存在一定的差異性。在上樓梯時,兩組的髕股關節(jié)應力先增大,在單支撐相初期達到第一峰值,然后下降至支撐相的65%左右開始增加,到第2雙支撐相初期到達第二峰值,最后逐漸減小;在下樓梯時,兩組髕股關節(jié)應力在第1雙支撐相末期增大至第一峰值隨后下降,至支撐相的50%左右開始增加,到第2雙支撐相初期達到第二峰值后逐漸減小。

圖1 健康組與PFP組在樓梯行走時支撐相內(nèi)髕股關節(jié)應力隨時間的變化曲線

3 討論

3.1 髕股關節(jié)疼痛對老年人上樓梯時髕股關節(jié)力學特征的影響

PFP降低了老年人在上樓梯時的髕股關節(jié)力接觸力沖量、髕股關節(jié)應力峰值及髕股關節(jié)應力沖量。老年人股四頭肌力量衰退,可能導致在上樓梯時表現(xiàn)出較大的髕股關節(jié)應力變異性及膝關節(jié)特定的生物力學變化[18]。Duncan等人的研究顯示,樓梯行走導致較高的髕股關節(jié)接觸力峰值,是髕股關節(jié)疼痛的主要原因之一[19]。本研究顯示,與健康組相比,PFP組在上樓梯過程中的髕股關節(jié)接觸力峰值略微增加,髕股關節(jié)應力峰值顯著下降,這可能是髕股關節(jié)接觸力峰值時刻對應的髕股關節(jié)接觸面積略微下降造成的。這與研究假設不一致。研究假設是基于PFP與髕股關節(jié)的過度應激高度相關做出的[20],而在本研究中,PFP組可能會調(diào)整上樓梯時的下肢生物力學特征以減輕PFP。Crossley等人和Baker等人的研究與本研究結果一致,在上樓梯等高風險環(huán)境中,PFP組通過降低股四頭肌肌力及髕股關節(jié)應力主動降低髕股關節(jié)負荷[21-22],以減輕PFP。本研究發(fā)現(xiàn),PFP組在上樓梯時表現(xiàn)出較大的膝關節(jié)屈曲角度,雖未見顯著性差異,但相比于健康組增加了20.4%。Brach等人和Fujikawa等人的研究發(fā)現(xiàn),較大的膝關節(jié)屈曲角度通過拉長股四頭肌以增加其機械優(yōu)勢,通過釋放較小的股四頭肌肌力即可保證上樓梯時下肢的支撐能力,同時結合較大的髕股關節(jié)接觸面積分散髕股關節(jié)接觸力,降低髕股關節(jié)損傷風險[23-24]。這兩種適應性變化可能是因為PFP組上樓梯時控制其髕股關節(jié)應力,并在單支撐期主動降低髕股關節(jié)應力以減輕PFP。有研究表明,關節(jié)軟骨的退行性病變導致其易受壓力變化的影響,髕股關節(jié)無法承受較大的應力[25]。因此,在上樓梯過程中,PFP組顯示出較小的髕股關節(jié)應力可能歸因于PFP患者髕股關節(jié)的退行性病變,導致關節(jié)軟骨無法正常吸收壓力性變化,從而產(chǎn)生了神經(jīng)肌肉的自我保護機制,通過主動降低髕股關節(jié)應力以減輕PFP。研究顯示,相比于膝關節(jié)峰值力矩,膝關節(jié)力矩沖量更能充分準確反映膝關節(jié)神經(jīng)肌肉控制和負荷[26]。因此,沖量可能比力的峰值更靈敏、有效地反映組間關節(jié)負荷的差異性。本研究發(fā)現(xiàn),與健康組相比,PFP組表現(xiàn)出較小的髕股關節(jié)接觸力沖量和髕股關節(jié)應力沖量,這與假設不一致。本研究假設基于較高的髕股關節(jié)接觸力峰值和髕股關節(jié)應力峰值導致較高的髕股關節(jié)接觸力沖量和髕股關節(jié)接觸應力沖量,本研究結果的出現(xiàn),可能是因為PFP組在上樓梯時主動采取較為謹慎的步態(tài)策略,通過主動降低髕股關節(jié)應力降低髕股關節(jié)負荷,以減輕PFP。

3.2 髕股關節(jié)疼痛對老年人下樓梯時髕股關節(jié)力學特征的影響

PFP降低了老年人在下樓梯時的髕股關節(jié)應力沖量。研究表明,PFP組比健康組表現(xiàn)出更高的髕股關節(jié)接觸應力[27]。因此在制定康復計劃時,主要選擇以增強下肢肌肉力量為主的運動方式,同時降低髕股關節(jié)應力及PFP[27]。本研究顯示,在下樓梯過程中,PFP組的膝關節(jié)屈曲角度比健康組增加15.5%。膝關節(jié)屈曲角度和髕股關節(jié)接觸面的減少都會增加髕股關節(jié)應力,進而導致關節(jié)軟骨損傷[23-24]。因此,PFP組的膝關節(jié)屈曲角度增加可能歸因于PFP組在下樓梯時為了降低髕股關節(jié)應力而主動采取的自我保護策略。研究表明,老年人可能會通過增加膝關節(jié)屈曲角度保證在下樓梯時下肢的支撐能力,降低跌倒風險[25],這也進一步印證我們關于增加屈膝角度以降低髕股關節(jié)應力的猜想。下肢關節(jié)活動度是老年人保證樓梯行走跨過臺階而主動采取的一種生物力學適應策略[25]。本研究顯示,在下樓梯時,健康組與PFP組的髕股關節(jié)接觸力峰值和髕股關節(jié)應力峰值并未出現(xiàn)顯著性差異,這與假設不一致。猜測有兩方面的原因,一方面,樓梯行走等高風險環(huán)境可能掩蓋了組間髕股關節(jié)力學特征的差異性。Brechter等人的研究表明,與健康組相比,PFP組在上下坡或樓梯行走期間的矢狀面膝關節(jié)運動并未表現(xiàn)出差異性。另一方面,可能是本研究選取的受試者PFP程度較輕。Asay等人和Kaufman等人的研究顯示,樓梯行走時生物力學特征的組間差異性與患病程度高度相關,關節(jié)炎程度較重的患者在樓梯行走時表現(xiàn)出更大的軀干前傾角和更小的膝內(nèi)收力矩以降低膝關節(jié)負荷,而程度較輕的患者在樓梯行走時并未表現(xiàn)出與健康組的差異性[28-29]。本研究顯示,相較于健康組,PFP組的髕股關節(jié)應力沖量降低了46.9%。這可能是因為PFP組在下樓梯時主動采取謹慎的步態(tài)策略。較大的髕股關節(jié)應力沖量可能增加單支撐末期髕股關節(jié)應力,進而增加PFP的風險[30]。另外,在下樓梯過程中,髕股關節(jié)接觸力峰值、髕股關節(jié)應力峰值、髕股關節(jié)接觸力沖量及髕股關節(jié)應力沖量均表現(xiàn)出略微的下降,這可能會降低髕股關節(jié)軟骨承受的負荷,進而減輕下樓梯過程中的PFP。值得注意的是,雖然下樓梯時的力及沖量指標均表現(xiàn)出略微的下降,但僅有髕股關節(jié)應力沖量出現(xiàn)顯著性差異,這也進一步印證了我們對于上樓梯時PFP組表現(xiàn)出較小的髕股關節(jié)接觸力沖量和髕股關節(jié)應力沖量的解釋,髕股關節(jié)接觸力及應力峰值雖能有效反映髕股關節(jié)負荷[9],但髕股關節(jié)接觸力沖量及應力沖量可能是觀察髕股關節(jié)負荷更靈敏有效的指標。

4 結論、建議和局限性

PFP老年人在樓梯行走尤其是上樓梯過程中表現(xiàn)出較小的髕股關節(jié)力學特征,這可能是PFP老年人主動采取的自我保護策略。通過增加屈膝角度保證下樓梯時下肢提供足夠的支撐能力,降低髕股關節(jié)應力峰值及髕股關節(jié)應力沖量達到降低髕股關節(jié)負荷的目的。因此,PFP老年人在進行康復訓練時可注重下肢肌肉尤其是股四頭肌肌力的鍛煉,同時采用更靈敏的髕股關節(jié)接觸力沖量及應力沖量評價樓梯行走時的髕股關節(jié)負荷。

本研究的髕股關節(jié)力學特征是基于模型計算得到的,是一種無創(chuàng)確定關節(jié)負荷的方法。雖然Enda等人和Kernozek等人的研究證實了本研究所采用的方法能較為準確地反映髕股關節(jié)負荷[31-32],但本模型將膝關節(jié)角度及力矩作為自變量,并未考慮股四頭肌對應的拮抗肌(如腘繩肌和腓腸肌等)的影響,因此本結果可能略小于真實的髕股關節(jié)力及應力。