老年與青年下肢關(guān)節(jié)生物力學(xué)特征研究

王航輝，宋依芯*，韓為華，朱正飛，李滌塵，靳忠民，劉西紡*，朱文俠

(1.西安交通大學(xué)附屬紅會(huì)醫(yī)院關(guān)節(jié)外科，陜西 西安 710054；2.西安外事學(xué)院，陜西 西安 710077；3.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.英國(guó)利茲大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院醫(yī)學(xué)與生物工程研究所，英國(guó) 利茲 LS29JT；5.延安大學(xué)醫(yī)學(xué)院，陜西 延安 716000)

目前在歐洲35～74歲的人中有近5%～15%的人患有膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis，KOA)，年齡>45歲的美國(guó)成人中至少有19%的人患有KOA[1-5]，我國(guó)亦呈現(xiàn)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于KOA引起的健康問(wèn)題日益突出，因而給社會(huì)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。世界范圍內(nèi)的一項(xiàng)大規(guī)模的研究表明，KOA仍沒(méi)有治愈的方法。因此，目前最好最有效的治療方案就是早期預(yù)防與干預(yù)。大量的證據(jù)表明，KOA是由機(jī)械負(fù)荷和炎癥對(duì)關(guān)節(jié)組織的破壞而引起的[6-7]。如何在KOA發(fā)病之前對(duì)老年人、青年人進(jìn)行有效的力學(xué)超前預(yù)防成為一個(gè)全新的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，隨著生物力學(xué)研究技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者致力于如何通過(guò)生物力學(xué)矯正方法來(lái)預(yù)防與治療KOA的研究。而生物力學(xué)作為一種新型的干預(yù)模式，因其花費(fèi)較低，無(wú)創(chuàng)傷，且能有效地減輕疼痛，目前正被廣泛地運(yùn)用于KOA的預(yù)防與治療中[8-10]。三維步態(tài)分析系統(tǒng)能客觀、定量地評(píng)定人在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下關(guān)節(jié)的受力情況，在臨床發(fā)病前期干預(yù)中具有重要意義。本研究擬通過(guò)對(duì)健康老年人、青年人的運(yùn)動(dòng)特征研究，從生物力學(xué)的角度探究其發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險(xiǎn)并提供靶向性的活動(dòng)指導(dǎo)，為超前預(yù)防骨關(guān)節(jié)炎提供理論基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 老年組為10例健康老年人，青年組為10例健康青年人。根據(jù)現(xiàn)代人生理、心理結(jié)構(gòu)上的變化，世界衛(wèi)生組織(world health organization，WHO)將人的年齡界限作了新的劃分：青年人為18～40周歲，中年人為45～59周歲，老年人為60～89周歲。研究對(duì)象的基本信息見(jiàn)表1，基本信息除年齡外，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。納入標(biāo)準(zhǔn)：研究對(duì)象下肢各關(guān)節(jié)無(wú)嚴(yán)重病變或?qū)嵤┻^(guò)關(guān)節(jié)手術(shù)，可單獨(dú)完成正常行走及日常生活，無(wú)神經(jīng)及功能缺陷，視力良好、行走耐力良好、身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)<30 kg/m2。排除標(biāo)準(zhǔn)：患有心臟病、糖尿病、高血壓、呼吸系統(tǒng)疾病、脊柱畸形、風(fēng)濕性及類風(fēng)濕性疾病、強(qiáng)直性脊柱炎。所有研究對(duì)象行步態(tài)采集前均被告知研究相關(guān)信息并簽署知情同意書。

表1 研究對(duì)象基本信息

1.2 三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng) 三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)是由Vicon(Oxford Metrics Inc，UK)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和第三方設(shè)備AMTI(AMTI Corporation，USA)測(cè)力臺(tái)組成(見(jiàn)圖1)，前者用于捕捉采集對(duì)象的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)(行走速度、關(guān)節(jié)角、角速度等)，后者用于捕捉采集對(duì)象與地面的動(dòng)力學(xué)參數(shù)(地面反作用力和力矩)。

圖1 三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)試驗(yàn)室布局

1.3 方法 采用帶10個(gè)紅外攝像儀的Vicon運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)和AMTI三維測(cè)力板采集研究對(duì)象水平行走時(shí)的步態(tài)。測(cè)量研究對(duì)象身高、體重、肢體長(zhǎng)度等常規(guī)參數(shù)，應(yīng)用紅外反光標(biāo)志點(diǎn)小球標(biāo)記研究對(duì)象骨性標(biāo)志。收集5次踩測(cè)力板正常且標(biāo)志點(diǎn)軌跡連續(xù)的步態(tài)數(shù)據(jù)保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 數(shù)據(jù)處理 將三維步態(tài)c3d文件導(dǎo)入骨肌多體動(dòng)力學(xué)軟件AnyBody(AnyBody Technology A/S，V.6.03，Aalborg，Denmark)，建立研究對(duì)象的個(gè)性化骨肌模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析得到相應(yīng)的生物力學(xué)數(shù)據(jù)。

2 結(jié) 果

2.1 時(shí)間-空間參數(shù) 老年組：步行周期為(1.24±0.18)s，水平跨距為(1.24±0.35)m；青年組：步行周期為(1.08±0.07)s，水平跨距為(1.50±0.10)m。老年組的步行周期顯著增加，水平跨距減小，水平行走速度下降。青年組步行周期明顯縮短，水平跨距增大，水平行走速度上升。兩組步行周期及水平跨距比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

2.2 下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué) 一個(gè)完整步態(tài)周期內(nèi)下肢各關(guān)節(jié)角度的變化曲線見(jiàn)圖2～4。綠色曲線為青年組，紅色曲線為老年組。關(guān)節(jié)角圖像：老年組個(gè)體的關(guān)節(jié)角曲線覆蓋范圍較青年組更大，意味著關(guān)節(jié)角的個(gè)體差異在老年組中較為明顯。兩組的膝關(guān)節(jié)屈伸峰值分別為(64.8±8.6)°、(66.8±2.9)°，兩組之間比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。膝關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)度：老年組膝關(guān)節(jié)屈伸度缺乏典型的“兩峰一谷”特征，主要原因在于第一個(gè)波峰不明顯，波谷較平，而青年組膝關(guān)節(jié)屈伸度呈現(xiàn)典型的“兩峰一谷”特征。

2.3 下肢關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué) 一個(gè)完整步態(tài)周期內(nèi)下肢各關(guān)節(jié)合力的變化曲線見(jiàn)圖5～7。紅色曲線代表老年組，綠色曲線代表青年組。關(guān)節(jié)力圖像提示，老年組的髖、膝、踝關(guān)節(jié)力曲線個(gè)體差異較大，且曲線分布較分散，波峰相位差別較大，青年組的關(guān)節(jié)力曲線相對(duì)緊密且平緩；老年組與青年組的踝關(guān)節(jié)力峰值分別為7.37 BW、6.45 BW，老年組的踝關(guān)節(jié)力峰值大于青年組(P<0.05)，表明踝關(guān)節(jié)力峰值的增加可提示老年人罹患膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險(xiǎn)。

3 討 論

3.1 KOA發(fā)病及早期生物力學(xué)研究的重要性 KOA是最常見(jiàn)的一種可引起關(guān)節(jié)疼痛和活動(dòng)受限的退行性關(guān)節(jié)病，也是慢性疼痛和殘疾的主要來(lái)源[1-2]。KOA間接導(dǎo)致社會(huì)隔離、工作能力下降、抑郁等，從而造成生活質(zhì)量下降[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，骨關(guān)節(jié)炎的總成本(包括直接和間接成本)約占美國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的2.5%(美國(guó)疾病的總負(fù)擔(dān)的80%以上)，相當(dāng)于4 000多億美元[1]。KOA的早期預(yù)防與干預(yù)是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。本研究借助三維步態(tài)分析系統(tǒng)采集并分析了老年與青年健康個(gè)體水平行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)特征，采用生物力學(xué)方式評(píng)估了老年與青年健康個(gè)體的下肢各關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍和關(guān)節(jié)載荷，對(duì)于探討日常功能性活動(dòng)對(duì)人的下肢生物力學(xué)影響、超早期預(yù)防膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎、指導(dǎo)日?；顒?dòng)具有較高的價(jià)值。

3.2 老年與青年生物力學(xué)參數(shù)特征 本研究發(fā)現(xiàn)，老年組水平行走步態(tài)中步行周期顯著增加，水平跨距減小，運(yùn)動(dòng)學(xué)的個(gè)體差異較大，膝關(guān)節(jié)屈伸度缺乏典型的“兩峰一谷”特征，踝關(guān)節(jié)力峰值較青年組偏大。正常人水平行走時(shí)，兩個(gè)波峰分別出現(xiàn)在支撐相和擺動(dòng)相，支撐相的屈膝波峰在正常人水平行走時(shí)的15%步態(tài)周期時(shí)刻出現(xiàn)，此時(shí)人體下肢呈現(xiàn)“支撐足屈膝-降低身體重心-重心側(cè)移-伸對(duì)側(cè)足”的步態(tài)行為來(lái)實(shí)現(xiàn)水平前進(jìn)。老年組的第一個(gè)波峰偏小，接近水平，意味著支撐相屈膝程度較小，導(dǎo)致身體重心下降程度較小，進(jìn)而導(dǎo)致水平跨距較小。下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，老年組的髖膝踝關(guān)節(jié)力曲線分布較分散，青年組則相對(duì)緊密、平緩。老年組踝關(guān)節(jié)力峰值明顯高于青年組，提示膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎超早期的生物力學(xué)改變可能從踝關(guān)節(jié)開(kāi)始。關(guān)節(jié)力曲線的改變與踝關(guān)節(jié)力峰值的增加可作為下肢關(guān)節(jié)機(jī)械載荷增加的超早期生物力學(xué)標(biāo)記物。

圖2 水平行走時(shí)的髖關(guān)節(jié)屈伸角 圖3 水平行走時(shí)的膝關(guān)節(jié)屈伸角 圖4 水平行走時(shí)的踝關(guān)節(jié)屈伸角

圖5 水平行走時(shí)的髖關(guān)節(jié)合力 圖6 水平行走時(shí)的膝關(guān)節(jié)合力 圖7 水平行走時(shí)的踝關(guān)節(jié)合力

老年人水平行走時(shí)的踝關(guān)節(jié)合力較青年人偏大，增大了其罹患踝骨關(guān)節(jié)炎風(fēng)險(xiǎn)。臨床研究表明[11]，老年人水平行走時(shí)伴隨一定程度的足內(nèi)翻，可能是導(dǎo)致老年人踝關(guān)節(jié)力偏大的主要原因。正常水平行走時(shí)，踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)受力更大，長(zhǎng)期載荷的累積容易導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)軟骨的退行性改變，因而中老年人在水平行走時(shí)踝關(guān)節(jié)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，這一策略又進(jìn)一步加劇內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中，進(jìn)而發(fā)展為骨關(guān)節(jié)炎。宜在檢測(cè)到踝關(guān)節(jié)力偏大時(shí)，即佩戴個(gè)性化矯形鞋墊來(lái)糾正下肢的受力情況，以期延緩或扭轉(zhuǎn)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。

3.3 本研究的建議 基于本研究，建議如下：a)鑒于老年人時(shí)間-空間參數(shù)改變及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，建議中、老年人增加步速，增大跨距，平素增加運(yùn)動(dòng)量與有氧運(yùn)動(dòng)；b)“兩峰一谷”特征可作為中老年人是否最終發(fā)展為KOA超早期的生物力學(xué)衡量指標(biāo)。當(dāng)缺乏典型的“兩峰一谷”特征時(shí)，該類人群可通過(guò)步態(tài)矯正訓(xùn)練(gait modification training program，GMTP)，如內(nèi)外旋步態(tài)訓(xùn)練、視覺(jué)反饋步態(tài)訓(xùn)練、足外翻步態(tài)訓(xùn)練、裸足步行訓(xùn)練等[12]或佩戴3D打印個(gè)性化矯形鞋墊[13-17]來(lái)預(yù)防或阻止KOA的發(fā)生與發(fā)展；c)關(guān)節(jié)力曲線的改變與踝關(guān)節(jié)力峰值的增加可作為下肢關(guān)節(jié)機(jī)械載荷增加的超早期生物力學(xué)標(biāo)記物；d)大于45歲中老年人每1～2年可進(jìn)行三維步態(tài)測(cè)試[1]。

3.4 本研究的局限性 本研究的局限性如下：a)樣本含量較少，擬在后續(xù)研究中增加樣本含量與不同年齡階段人員；b)性別因素對(duì)雙下肢生物力學(xué)特征的影響，招募青年組男性較容易，擬在以后的研究中擴(kuò)展青年女性的相關(guān)數(shù)據(jù)[18]；c)本研究將人體上肢視為相對(duì)下肢固定不動(dòng)的剛體，忽略了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人體上肢擺動(dòng)對(duì)下肢的影響。因此，在后續(xù)的研究中可引入上肢的運(yùn)動(dòng)，并將此方法應(yīng)用于上肢關(guān)節(jié)的生物力學(xué)研究。

3.5 總結(jié)與展望 三維步態(tài)分析系統(tǒng)在中、老年人罹患KOA與踝骨關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險(xiǎn)有較好的預(yù)測(cè)價(jià)值。老年人水平行走步態(tài)的步行周期增加，水平跨距減小，運(yùn)動(dòng)學(xué)的個(gè)體差異較大，膝關(guān)節(jié)屈伸度缺乏典型的“兩峰一谷”特征，踝關(guān)節(jié)力峰值較青年組偏大。如何逆轉(zhuǎn)中、老年人的生物力學(xué)特征？KOA發(fā)生與發(fā)展的生物力學(xué)詳細(xì)機(jī)制？如何開(kāi)發(fā)出風(fēng)險(xiǎn)較小的GMTP訓(xùn)練方式或接近患者彈性模量的矯形鞋墊仍有待于進(jìn)一步研究。