力學(xué)矯正療法治療膝骨性關(guān)節(jié)炎的研究進展

張旻，龐堅，陳博，郭海玲，沈潔，鄭煜新，詹紅生

力學(xué)因素作為膝骨關(guān)節(jié)炎(Knee Osteoarthrtis, KOA)發(fā)病的主要誘因之一目前已受到學(xué)術(shù)界的廣泛認可[1]，現(xiàn)今如何通過糾正膝關(guān)節(jié)的異常受力模式進而達到治療疾病緩解患者臨床癥狀已逐步成為一個新的研究熱點。作為治療KOA的有效手段之一力學(xué)矯正療法近年來已逐步受到臨床醫(yī)師和研究者的認可，該療法在幫助患者矯正關(guān)節(jié)異常受力的同時還能發(fā)揮患者的主觀能動性且其實施較為方便[2-7]，因此其臨床應(yīng)用已越來越廣泛。本文就力學(xué)矯正訓(xùn)練治療KOA的臨床研究現(xiàn)狀進展綜述如下。

1 膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)變化與KOA的發(fā)生

1.1 膝關(guān)節(jié)動力學(xué)與KOA的關(guān)系 近年來隨著生物力學(xué)檢測手段的不斷發(fā)展和成熟，KOA的生物力學(xué)變化越來越受到研究者的重視。大量的關(guān)節(jié)動力學(xué)、運動學(xué)研究表明該病的發(fā)生發(fā)展及嚴重程度與患者自身體重、相應(yīng)關(guān)節(jié)在運動過程中所承受的載荷以及關(guān)節(jié)軸向?qū)€的正常與否等力學(xué)因素的關(guān)系極為密切[2,8-10]。在不同類型的KOA中以內(nèi)側(cè)間室型較為常見，其發(fā)病率約為外側(cè)間室型的10倍左右。這是由于正常人體在步行過程中約有60%～80%的地面反作用力經(jīng)由膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)向軀干進行傳導(dǎo)，因而該側(cè)較常累及[11]。Harrington等[12]通過三維運動捕捉系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)正常人體在一個完整步態(tài)周期中(Gait Cycle, GC)首次足跟觸地瞬間膝關(guān)節(jié)在冠狀面上出現(xiàn)一個較小的外翻力矩，隨后迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€長時間大幅度的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩(External Knee Adduction Moment, EKAM)，即使是有膝關(guān)節(jié)外翻畸形的患者也不例外。這一發(fā)現(xiàn)也一定程度闡釋了內(nèi)側(cè)間室型KOA發(fā)病率較其他分型較高的原因。EKAM的大小除了取決于個體在步行過程中所承受的地面反作用力外還與膝關(guān)節(jié)的軸向?qū)€的正常與否關(guān)系密切，KOA患者由于受累關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生退變,關(guān)節(jié)周圍的肌肉與韌帶松弛致使受累關(guān)節(jié)軸向?qū)€向內(nèi)側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，隨之關(guān)節(jié)中心距離地面反作用力之間的間距延長，因而相較于正常人群內(nèi)側(cè)間室KOA患者的EKAM顯著增高[7]，EKAM的增加導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)力學(xué)環(huán)境惡化，關(guān)節(jié)應(yīng)力急劇上升，隨之患者在運動過程中受累關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降并伴有一系列非正常的關(guān)節(jié)生物力學(xué)變化從而使病情進一步加重[13]。Sharma等[14]的研究顯示EKAM每增加一個單位，膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)間隙相應(yīng)減小0.63mm，而日本學(xué)者Miyazaki等[2]通過對106名KOA患者多年隨訪后發(fā)現(xiàn)EKAM每增加1%則KOA的發(fā)展進程將加快6倍，據(jù)此2013年在費城舉行的OARSI年會上,來自美國斯坦福德大學(xué)的Andriacchi[1]教授提出在未來EKAM的變化將成為評估KOA患者的一個重要臨床指標。

1.2 膝關(guān)節(jié)屈伸肌群肌力變化與KOA的發(fā)展 KOA患者受累關(guān)節(jié)的力學(xué)環(huán)境惡化除了受到關(guān)節(jié)動力學(xué)影響外也與其周圍屈伸肌力大小及協(xié)調(diào)性關(guān)系密切，肌肉在為關(guān)節(jié)運動提供必要動力來源的同時對維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，應(yīng)力的緩沖及分布中起著極為重要的作用[15]。KOA患者神經(jīng)肌肉的動員能力由于關(guān)節(jié)軟骨的退變而受到了一定程度的抑制，導(dǎo)致關(guān)節(jié)周圍屈伸肌群肌力下降，受累關(guān)節(jié)的運動功能逐漸缺失，關(guān)節(jié)負荷加大，其關(guān)節(jié)應(yīng)力分布失衡加劇，穩(wěn)定性進一步下降，進而加重臨床癥狀并形成惡性循環(huán)[15]。

1.3 不同類型的KOA的生物力學(xué)特征 常見的KOA包括內(nèi)側(cè)間室型、外側(cè)間室型及股髕型。不同類型的KOA因累及的部位不同其生物力學(xué)特征也不盡相同[16]。Mehta等[17]認為內(nèi)側(cè)及外側(cè)間室型KOA的發(fā)生與受累關(guān)節(jié)的內(nèi)翻及外翻畸形關(guān)系十分密切。膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻畸形使關(guān)節(jié)軸向?qū)€產(chǎn)生偏移，關(guān)節(jié)受力失衡，一側(cè)關(guān)節(jié)面的負重異常增加，從而導(dǎo)致使關(guān)節(jié)軟骨退變加重形成惡性循環(huán)，也有研究證實大部分KOA患者脛骨上端有不同程度的內(nèi)翻，因而推測內(nèi)側(cè)間室型KOA的發(fā)病率遠高于其他兩型可能與此有密切關(guān)系[18]。Terauchi[19]證實內(nèi)側(cè)間室型KOA的生物力學(xué)變化還可能與骨質(zhì)疏松也有潛在的關(guān)聯(lián)，骨質(zhì)疏松可導(dǎo)致脛骨上端產(chǎn)生微骨折進而導(dǎo)致脛骨角增大，脛骨內(nèi)翻加劇，關(guān)節(jié)力學(xué)環(huán)境進一步惡化。相較于內(nèi)側(cè)間室型及外側(cè)間室型，股髕型KOA在步行時疼痛并不明顯，但在下樓梯時由于股髕關(guān)節(jié)承受相當(dāng)于2倍體重的壓力因而疼痛顯著加重，據(jù)此多數(shù)患者會選擇通過減小上下樓梯時的膝關(guān)節(jié)屈膝角度來緩解疼痛，然而研究證實這樣的非正常運動會降低下肢關(guān)節(jié)的震蕩吸收功能，加大關(guān)節(jié)承載頻率使關(guān)節(jié)異常受力增加，進而導(dǎo)致疾病加劇惡化[20]。

2 現(xiàn)有的力學(xué)矯正療法及其臨床效果

2.1 外側(cè)楔形角矯形鞋墊 迄今為止已有許多研究報道通過不同形式的力學(xué)矯正療法可有效緩解膝關(guān)節(jié)在運動過程中所承受的應(yīng)力，其中尤以外側(cè)楔形角矯形鞋墊(Lateral Wedges, LW)的相關(guān)研究最為多見[3,21-25]。早在1987年日本學(xué)者Sasaki[23]通過研究發(fā)現(xiàn)在膝骨性關(guān)節(jié)炎患者足底加上一個外側(cè)楔形角腳墊后患者在靜態(tài)及運動過程中EKAM明顯降低，近年來又有許多學(xué)者對KOA患者佩戴不同角度，材質(zhì)，外形的外側(cè)楔形角矯形鞋墊后的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)變化進行了一系列的研究[3,21-22]。Kerrigan等[21]的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)KOA患者佩戴外側(cè)楔形角度設(shè)定為5°及10°的矯形鞋墊后患者在運動過程中的EKAM均有明顯的降低，但兩者之間并沒有統(tǒng)計學(xué)差異。然而部分患者在穿戴10°的矯形鞋墊后踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生了不同程度的不適感，部分患者甚至因為無法忍受使用過程中踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生的不適感最后放棄使用該治療模式，據(jù)此Kerrigan認為楔形角設(shè)定為5°更為合適。日本學(xué)者Toda[22]隨訪84名KOA患者4周后發(fā)現(xiàn)相比海綿橡膠鞋墊聚氨酯矯形鞋墊舒適度更佳，這可能是由于聚氨酯矯形鞋墊相較于海綿橡膠鞋墊的彈性模量更高在使用過程中不易發(fā)生形變所致。此后又有針對傳統(tǒng)外側(cè)楔形角矯形鞋墊的外形上加以改進[3]， 研究發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)鞋墊在足弓處增加支撐后可以增加使用過程中的下肢前進角度，進而進一步減小EKAM，緩解膝關(guān)節(jié)在步行過程中膝關(guān)節(jié)所承受的應(yīng)力，且該新設(shè)計的足弓支撐鞋墊在使用過程中不會引起踝關(guān)節(jié)的不適，因而能給使用者帶來更好的體驗。此外也有研究者對佩戴外側(cè)楔形角矯形鞋墊后的足底中心壓力軌跡變化產(chǎn)生興趣，Ruesll等[26]發(fā)現(xiàn)，受測者佩戴矯形鞋墊后的足底壓力中心軌跡均由內(nèi)側(cè)向外側(cè)發(fā)生偏移，使地面反作用力向膝關(guān)節(jié)中心偏移，進而減小膝關(guān)節(jié)在冠狀面上的載荷。這一良性結(jié)果提示外側(cè)楔形角矯形鞋墊或有助于降低肥胖人群患內(nèi)側(cè)間室型KOA的風(fēng)險。然而迄今為止仍然缺乏長期佩戴外側(cè)楔形角矯形鞋墊的縱向研究，因而長期佩戴后是否能緩解患者的臨床癥狀還有待進一步研究。

2.2 膝關(guān)節(jié)外翻矯形器 膝關(guān)節(jié)外翻矯形器(Valgus Knee Bracing, VKB)由于其沒有副作用且操作簡便現(xiàn)已被廣泛運用于KOA的治療[13]，它通過三點力學(xué)受力原理矯正膝關(guān)節(jié)的非正常受力模式。第一力通過固定在關(guān)節(jié)周圍的彈性繃帶提供將膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)中心向內(nèi)側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，隨后由雙側(cè)鉸鏈提供反向作用力增加膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室的間隙，同時減小EKAM進而達到減小關(guān)節(jié)壓力，減輕患者疼痛的目的。先前已有多篇研究報道通過佩帶膝關(guān)節(jié)外翻矯形器糾正KOA患者膝關(guān)節(jié)在步行過程中的軸向?qū)€進而減輕疼痛并增加膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性[4,13,27-29]，然而該治療方式價格昂貴且患者佩戴后行動較為不便，因而有部分患者不愿意采用該治療方案。

2.3 力學(xué)矯正鞋 近年來已有越來越多的研究報道矯正鞋(Footwear)在治療KOA中的作用，其通過改變患者在步行過程中足部與地面的接觸點使地面反作用力向膝關(guān)節(jié)的中心發(fā)生偏移[5]，從而分解患者膝關(guān)節(jié)在運動過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力緩解疼痛。英國國家臨床規(guī)范研究院(National Institute of Clinical Excellence, NICE)推薦的指南中明確指出力學(xué)矯正鞋可作為KOA的保守療法之一。Elbaz等[5]對58名單側(cè)KOA患者跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，佩戴Apos矯形鞋6個月后患者的步頻、步長及單側(cè)支撐相百分比分別上升15.9%，10.3%及2.7%,SF-36量表各項指數(shù)均有明顯改善。Jones等[6]的報道也證實早期KOA患者在使用矯形鞋后EKAM顯著降低，患者步行功能及WOMAC評分得到不同程度的改善。在澳大利亞大約有1/3的KOA患者由足踝外科醫(yī)師推薦使用硬底或者足弓支撐矯正鞋來緩解臨床癥狀[30]。然而目前仍缺乏長期佩戴矯形鞋的隨訪研究，因而其遠期療效仍有待進一步證實。

2.4 肌力訓(xùn)練 膝關(guān)節(jié)的力學(xué)環(huán)境穩(wěn)定與其周圍屈伸肌群肌力的大小關(guān)系十分密切，先前已有報道增加膝關(guān)節(jié)屈伸肌群的肌力可有助于緩解受累關(guān)節(jié)應(yīng)力的異常分布并緩解臨床癥狀，相較于單純的藥物治療，股四頭肌訓(xùn)練與藥物結(jié)合治療更為有效，患者經(jīng)后者治療6個月后VAS評分較前者有明顯的改善,此外長期進行股四頭肌訓(xùn)練后也能夠有效降低EKAM峰值[31]。除膝關(guān)節(jié)伸肌肌群外屈膝肌群肌力的增加同樣也對KOA患者有所幫助[32]，有研究證實KOA患者膝關(guān)節(jié)屈伸肌群等速峰力矩與WOMAC的疼痛及功能障礙評分呈負相關(guān)，肌力的增加不但可有助于改善關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，也能幫助糾正關(guān)節(jié)軸向?qū)€的異常，進而降低關(guān)節(jié)局部過高的壓力，促進軟骨修復(fù)緩解臨床癥狀[33]。因而在KOA患者的康復(fù)過程中在重視膝關(guān)節(jié)伸肌群肌力的同時還需要兼顧如腘繩肌、腓腸肌等屈膝肌群的訓(xùn)練[32,34-35]。

2.5 步態(tài)矯正訓(xùn)練 步態(tài)矯正訓(xùn)練(Gait Modification Training Program, GMTP)作為一種新興的力學(xué)矯正療法其相關(guān)研究及機制已經(jīng)引起越來越多研究者的興趣。Shull等[7]發(fā)現(xiàn)早期KOA患者步行過程中足外旋角度增加約5°后，EKAM第二波峰峰值可減小15%以上，而通過6個月的足外旋步態(tài)訓(xùn)練后患者膝關(guān)節(jié)疼痛癥狀明顯緩解，VAS疼痛評分，WOMAC疼痛評分及關(guān)節(jié)功能評分均不同程度的得到了緩解。與增加足外旋角度不同，足內(nèi)旋角度的升高同樣有助于減小患者在步行過程中EKAM，然而與前者降低EKAM集中于第二波峰不同的是該法對EKAM的降低主要集中在第一波峰[28]。除了足內(nèi)外旋角度的變化外，步行中軀干的擺動幅度的增加同樣能夠?qū)KAM產(chǎn)生影響，Hunt等[8]的研究表明KOA患者在運動過程中身體向外側(cè)擺動幅度增加4°、8°、12°后EKAM分別相應(yīng)減小7%、21%及25%，而長期練習(xí)后患者的臨床癥狀均得到了不同程度的緩解。步態(tài)矯正訓(xùn)練已被證實是一種有效的治療KOA的方式，而且價格極為低廉，練習(xí)極為方便，但是如何保證患者在日常生活中堅持并有效的訓(xùn)練依然是臨床醫(yī)生和治療師不得不面臨的問題和難點。

3 力學(xué)矯正療法所面臨的挑戰(zhàn)

由于力學(xué)矯正療法可有效的糾正關(guān)節(jié)力線從根本上解決關(guān)節(jié)的異常受力，因此相較于傳統(tǒng)的保守治療有其獨特的優(yōu)勢，但是該治療方法在實施過程中依然面臨許多挑戰(zhàn)。外側(cè)楔形角矯形鞋墊雖然價格較低且佩戴較為方便，但是由于其增加了踝關(guān)節(jié)的外翻角度，部分患者在使用過程中出現(xiàn)了踝關(guān)節(jié)的不適，因而最終不得不放棄使用該治療模式。此外，使用較軟的材質(zhì)制作矯形鞋墊雖然能夠給使用者帶來更為舒適的體驗，但由于材料缺乏足夠的硬度因而容易產(chǎn)生形變無法長期使用，因此未來在設(shè)計新型鞋墊時無論外型或材質(zhì)等都還需要進一步改善以避免此類情況發(fā)生。膝關(guān)節(jié)矯形器和力學(xué)矯形鞋雖鮮有不良反應(yīng)的報道，但是這兩種治療方式價格較為昂貴，目前國外較為流行的Apos矯形鞋在英國售價高達3萬人民幣一雙[36]，其價格并不能為大部分患者所接受，因此如何切實有效的降低此類療法的價格成為研究人員面前的一道難題。先前已有許多研究證實肌力訓(xùn)練對緩解KOA患者的關(guān)節(jié)異常受力有著顯著的療效[31-32,34]，然而進行該種訓(xùn)練時為了達到最佳的訓(xùn)練效果需要專業(yè)的儀器及設(shè)備因而不易實施。近年來步態(tài)矯正訓(xùn)練療法由于其無創(chuàng)花費低廉且易于操作受到了越來越多研究者的重視，但該療法實施過程中依然面臨著不小的挑戰(zhàn)，其中最主要的問題就是患者如何學(xué)會正確的訓(xùn)練方法，先前的研究顯示單一的口頭指導(dǎo)有時候并不能讓患者完全掌握該治療方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[34]。此外如何切實的提高該方法在的療效也是擺在臨床醫(yī)師面前的另一個難題之一，有研究報道患者在經(jīng)過步態(tài)訓(xùn)練后膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩有所降低，然而其幅度相較于矯形鞋墊，膝關(guān)節(jié)外翻矯形器以及矯形鞋較小，因此長期練習(xí)后是否能大幅度糾正受累關(guān)節(jié)的異常受力模式還有待進一步的驗證。

4 總結(jié)

相較于傳統(tǒng)的KOA治療方法，力學(xué)矯正療法作為一種新興的治療方法對于矯正KOA患者受累關(guān)節(jié)的軸向?qū)€以及異常受力有著良好的療效，且該種療法已經(jīng)在國外廣泛應(yīng)用。然而在國內(nèi)，此療法尚處于空白階段，其應(yīng)用過程中也存在著一定的問題。但從力學(xué)的角度來研究及治療KOA病理機制及研發(fā)新的力學(xué)治療方式值得進一步研究，也為臨床上KOA的治療提供新的思路。

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