膝骨關(guān)節(jié)炎生物力學(xué)參數(shù)的研究進(jìn)展

復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院，上海市 200040

生物力學(xué)因素是膝骨關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis,KOA)發(fā)生發(fā)展的重要影響因素[1-2]。膝關(guān)節(jié)受力與關(guān)節(jié)形態(tài)、下肢生物力線、外部負(fù)荷、軟組織牽拉、肌肉的主動收縮等因素密切相關(guān)。鑒于體內(nèi)直接測量關(guān)節(jié)負(fù)荷受到倫理的限制，基于運(yùn)動分析技術(shù)的逆向動力學(xué)參數(shù)被廣泛應(yīng)用于KOA 的相關(guān)研究。本文對常用的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩(external knee adduction moment,KAM)、膝關(guān)節(jié)內(nèi)收沖量(knee adduction moment impulse,KA-MI)、膝關(guān)節(jié)屈曲力矩(external knee flexion moment,KFM)、膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻延伸等參數(shù)的研究進(jìn)行綜述。

1 KAM

基于逆向動力學(xué)計(jì)算的冠狀面KAM 是最常用于反映膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷的動力學(xué)參數(shù)[3-4]。在一個步態(tài)周期的支撐相內(nèi)，隨時(shí)間演進(jìn)的KAM 通常表現(xiàn)為兩個峰，分別發(fā)生于支撐相早期和晚期。第一峰值通常為全支撐相最高峰，其大小與地反力、地反力力矩臂(以膝關(guān)節(jié)中心為支點(diǎn))以及下肢質(zhì)量和加速度有關(guān)。

KAM 峰值與疾病進(jìn)展和膝關(guān)節(jié)疼痛[6-7]正相關(guān)，且與膝關(guān)節(jié)骨、軟骨改變相關(guān)。無癥狀人群中，內(nèi)側(cè)半月板撕裂的存在和嚴(yán)重程度與KAM 峰值正相關(guān)[8]。KOA患者中，基線KAM 峰值與5 年以上股骨軟骨厚度正相關(guān)[9]。Roberts 等[10]發(fā)現(xiàn)，KAM第一峰值與骨密度密切相關(guān)，KAM 第二峰值和內(nèi)收沖量也與內(nèi)-外側(cè)骨密度比值相關(guān)。關(guān)節(jié)鏡下半月板清理術(shù)后患者快速步行時(shí)KAM 峰每增加1%，軟骨缺損發(fā)生或加重的風(fēng)險(xiǎn)就增加2倍以上[11]。

Prodromos 等[12]最早通過研究脛骨高位截骨患者術(shù)前、術(shù)中和術(shù)后KAM 峰值與相關(guān)癥狀變化情況，提出KAM 與KOA預(yù)后有關(guān)，高KAM 峰值患者有更高的內(nèi)翻畸形復(fù)發(fā)率。Schipplein 等[13]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形患者以調(diào)整步態(tài)產(chǎn)生更高的KAM峰值，通過增加膝內(nèi)側(cè)負(fù)荷提高步態(tài)穩(wěn)定性，提出KAM峰是反映膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷的重要參數(shù)。

KAM 能否代表膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷，一直以來都受到一定爭議。Zhao 等[14]通過向膝關(guān)節(jié)內(nèi)植入壓力傳感器，直接測量1 例患者不同行走狀況(正常步速、快步、慢步、足外偏)下內(nèi)側(cè)間室負(fù)荷，結(jié)果表明KAM 與膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷呈線性關(guān)系。有悖于先前研究的是，該研究并未發(fā)現(xiàn)KAM 峰值和內(nèi)側(cè)負(fù)荷峰值的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。Kutzner 等[15]增加了患者數(shù)量，并將植入傳感器的數(shù)量由4個增至6個，結(jié)果發(fā)現(xiàn)KAM峰值與內(nèi)側(cè)負(fù)荷峰值在支撐相早期有較好的相關(guān)性，但在后期只有中等的相關(guān)性，并有較高的個體間差異。

KAM 還受行走速度、鞋履等的影響[4]。數(shù)據(jù)處理時(shí)膝關(guān)節(jié)中心的定義，包括肌肉骨骼模型的選擇等，也會影響測算結(jié)果。Saxby 等[3]用步態(tài)生物力學(xué)和處理過的肌電圖來校準(zhǔn)并執(zhí)行肌電圖驅(qū)動的模型，計(jì)算肌肉和脛股的負(fù)荷，以觀察健康個體在步行、跑步和側(cè)向跨步等更劇烈的步態(tài)任務(wù)下KAM 與膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明在跑步和側(cè)向跨步中KAM 對內(nèi)側(cè)負(fù)荷的預(yù)測性差；可能是因?yàn)樵谳^劇烈的步態(tài)任務(wù)中，肌肉對內(nèi)側(cè)負(fù)荷的相對貢獻(xiàn)增加，而外部負(fù)荷的影響減少所致。Zhao 等[14]和Kutzner 等[15]也發(fā)現(xiàn)在平衡膝關(guān)節(jié)冠狀面負(fù)荷上，肌肉起著至關(guān)重要的作用，肌肉共同收縮水平可能顯著增加內(nèi)側(cè)負(fù)荷。這在一定程度上解釋了應(yīng)用膝關(guān)節(jié)支具[16-17]、足矯形器[18-19]、定制鞋及鞋墊[20]以及步態(tài)調(diào)整等[21-22]方法改變KAM峰值或均值，治療KOA的療效差異。

盡管KAM尚需要進(jìn)一步研究，但KAM峰值仍是最能反映膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室負(fù)荷的步態(tài)參數(shù)。另外，除了瞬時(shí)力矩峰值外，還應(yīng)當(dāng)考慮力的時(shí)間累積效應(yīng)對于膝關(guān)節(jié)的影響，因此沖量的研究逐漸受到了關(guān)注。

2 KAMI

KAMI 是KAM 在支撐相的時(shí)間積分值[23]，代表支撐相膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室累積的負(fù)荷集中情況。近年發(fā)現(xiàn)KAMI一定程度上比KAM能更好預(yù)測KOA的病情變化[24-26]。

KAMI 與關(guān)節(jié)軟骨、半月板、軟骨下骨的變化密切相關(guān)。KAMI 越高的KOA 患者內(nèi)側(cè)半月板損傷越大，股骨外側(cè)軟骨越厚、股骨內(nèi)側(cè)/外側(cè)軟骨厚度比值越低[27-28]。Bennell等[29]發(fā)現(xiàn)基線的KAMI越大，隨訪時(shí)軟骨的損失越多；相比KAM，KA-MI 更能反映脛骨內(nèi)側(cè)軟骨體積與膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷的關(guān)系，且KAMI 與脛骨內(nèi)側(cè)和股骨內(nèi)側(cè)軟骨下骨髓水腫密切相關(guān)[30]?？紤]到影像學(xué)嚴(yán)重程度對KOA 患者KAMI 的影響[31]，有學(xué)者直接比較KAM 峰值與KAMI和KOA 嚴(yán)重程度的關(guān)系，結(jié)果表明這兩個參數(shù)均與軟骨下骨髓水腫的出現(xiàn)有關(guān)，但KAMI 比KAM 峰值更能反映KOA 影像學(xué)的嚴(yán)重程度[25]?？赡苁且?yàn)镵AMI 不僅考慮負(fù)荷集中的大小，還考慮負(fù)荷集中的累積時(shí)間，更加充分地體現(xiàn)膝關(guān)節(jié)負(fù)荷集中情況。

KOA 患者KAMI升高與負(fù)重活動(如步行)時(shí)疼痛的增加有關(guān)[7,32]。在區(qū)分KOA 嚴(yán)重程度這一影響因素后，Henriksen 等[33]研究發(fā)現(xiàn)輕度KOA 患者(Kellgren/Lawrence ≤2)疼痛程度與KAM、KAMI改變呈負(fù)相關(guān)；重度患者(Kellgren/Lawrence>2)疼痛程度與KAM 峰值無明顯相關(guān)性，但與KAMI 改變呈正相關(guān)。而Hall 等[34]的研究則表明，在輕度患者(Kellgren/Lawrence 2 級或Joint Space Narrowing 1 級)中，KAM、KAMI 變化與癥狀無相關(guān)性；中度患者(Kellgren/Lawrence 3級)中較高的KAMI與較大的疼痛相關(guān)。而嚴(yán)重患者(Kellgren/Lawrence 4級)KAMI越大則預(yù)示疼痛的減輕和功能增強(qiáng)?？紤]到兩項(xiàng)研究均為橫斷面性質(zhì)，并不能確定相關(guān)性的因果關(guān)系，對于嚴(yán)重KOA 患者，KAM 升高可能是疼痛緩解的后果，而不是原因。且不同影像學(xué)嚴(yán)重程度的患者之間疼痛度差異明顯，可能由于KOA 在發(fā)展過程中除了異常的膝關(guān)節(jié)負(fù)荷外，其他因素在決定膝關(guān)節(jié)疼痛方面也發(fā)揮著重要的作用，需要進(jìn)一步研究。

單一KAM、KAMI 的測量與內(nèi)側(cè)負(fù)荷之間已呈現(xiàn)高度相關(guān)[3,14-15]，而在多元回歸模型中結(jié)合多個外部測量值已被證明可以改善這些關(guān)系的強(qiáng)度[3]。盡管目前循證醫(yī)學(xué)證據(jù)有限，但減少KAMI的保守治療方法，如外側(cè)楔形鞋[18,35-36]、主動反饋步態(tài)再訓(xùn)練[37]等，均被證明是緩解患者疼痛、延緩疾病進(jìn)展的有效方法。

3 KFM和沖量

KFM 是膝關(guān)節(jié)矢狀面上的外力矩。為了平衡步行過程中地反力的作用，股四頭肌收縮會產(chǎn)生膝關(guān)節(jié)伸展的內(nèi)力矩。除了伸展外，相關(guān)肌群收縮還能產(chǎn)生內(nèi)收或外展力矩臂，因此同樣能使膝關(guān)節(jié)內(nèi)或外側(cè)間室產(chǎn)生負(fù)荷集中[38-39]。

Noyes[40]等通過肌肉骨骼模型研究前交叉韌帶缺如患者最大內(nèi)側(cè)膝關(guān)節(jié)負(fù)荷和力矩之間的關(guān)系，結(jié)果顯示的最大屈力矩和最大內(nèi)收力矩均與膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷峰值顯著相關(guān)。Walter等[24]和Trepczynski等[41]通過植入物直接測量內(nèi)側(cè)膝關(guān)節(jié)負(fù)荷與動力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析表明，KAM 峰值減少并不一定存在膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷峰值的減少，而將KAM 的峰值與KFM 的峰值絕對值相結(jié)合可以更好地反映內(nèi)側(cè)負(fù)荷的峰值。Manal 等[42]收集10 例前交叉韌帶重建受試者以自選速度行走，用逆向動力學(xué)方法計(jì)算膝關(guān)節(jié)力矩，并用肌電圖模型計(jì)算膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷，用先輸入KAM 的線性回歸方法，分離出KFM 對內(nèi)側(cè)負(fù)荷峰值的獨(dú)特貢獻(xiàn)；結(jié)果表明KFM 峰值與KAM 峰值均與內(nèi)側(cè)負(fù)荷峰值存在良好相關(guān)性，KFM 峰值和KAM 峰值聯(lián)合使用比單獨(dú)使用KAM峰值更能準(zhǔn)確反映膝關(guān)節(jié)內(nèi)負(fù)荷峰值。

KFM 峰值和沖量與KOA 的進(jìn)展和軟骨損傷也高度相關(guān)。Teng 等[43]研究99 例髕骨關(guān)節(jié)炎疼痛綜合征患者和健康人群膝關(guān)節(jié)MRI，發(fā)現(xiàn)KFM 峰值和KFM 沖量的增加與髕骨關(guān)節(jié)軟骨健康惡化有關(guān)，這種聯(lián)系在淺層軟骨和有形態(tài)學(xué)損傷的軟骨中更為明顯；支撐相后半段的KFM第二峰值及沖量與1年后疾病的進(jìn)展相關(guān)[44]。另外，通過運(yùn)動療法降低KFM 峰值和沖量，也可以有效緩解KOA患者疼痛，提高功能和步行速度[45]。

在支撐相后期，膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷峰值略高于支撐相早期[15,22]。盡管KAM 和KFM 均為膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷第一峰值的預(yù)測因子，但不少研究表明[15,22,46]，KAM 和KFM 均對內(nèi)側(cè)負(fù)荷第二峰值的預(yù)測作用有限。這可能與更多的肌肉參與共同收縮，以及當(dāng)前肌肉骨骼模型的敏感性較差有關(guān)。另外，下肢力線的改變在一定程度上也會影響膝關(guān)節(jié)內(nèi)負(fù)荷的分布。

4 膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻延伸

膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻延伸是一種易于評估的膝關(guān)節(jié)冠狀面動態(tài)力線異常，是步態(tài)周期支撐相出現(xiàn)的膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻或已有內(nèi)翻的加重，這種內(nèi)翻能在擺動相恢復(fù)[47]。

膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻延伸代表動態(tài)下肢力線的異常及膝關(guān)節(jié)失穩(wěn)，是影響KOA 進(jìn)展的重要因素[48]。研究表明膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻延伸與內(nèi)側(cè)間室KOA、膝關(guān)節(jié)后角損傷[49]和腓側(cè)副韌帶損傷[50]等密切相關(guān)。調(diào)整年齡、性別、體質(zhì)量指數(shù)、內(nèi)翻對齊和疼痛程度后，內(nèi)翻延伸與病情進(jìn)展仍相關(guān)[51]。

目前，較為常用的量化內(nèi)翻延伸的方法[52]是在冠狀面大轉(zhuǎn)子、膝關(guān)節(jié)外側(cè)關(guān)節(jié)線和外踝上放置皮膚標(biāo)記點(diǎn)，三個標(biāo)記點(diǎn)之間形成的角度代表髖-膝-踝關(guān)節(jié)角(hip-knee-ankle angle,HKA角)。計(jì)算足觸地與第一次膝內(nèi)翻峰值之間的HKA 角的差值，作為內(nèi)翻延伸。近年來也有學(xué)者認(rèn)為，內(nèi)翻角度的差值不能充分代表動態(tài)下肢力線，與膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻峰值角相比，膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻峰值角速度與可視化內(nèi)翻延伸更接近，而且膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角速度不僅體現(xiàn)了運(yùn)動的方向，還體現(xiàn)了運(yùn)動的速度，可能是更適合捕捉內(nèi)翻延伸動態(tài)特性的指標(biāo)[53]。

從生物力學(xué)作用的結(jié)果來說，內(nèi)翻延伸所造成的膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷增加可能會導(dǎo)致軟骨退化、骨髓損傷和半月板損傷[54]，這種損害對于KOA 進(jìn)展的影響可能比靜態(tài)內(nèi)翻畸形更大[55]。此外，在負(fù)重活動中內(nèi)翻延伸與膝關(guān)節(jié)疼痛和僵硬有更強(qiáng)的相關(guān)性，這也可能與軟骨損傷和骨髓水腫存在一定關(guān)聯(lián)[47]。Wink等[56]的研究表明，有內(nèi)翻延伸的膝關(guān)節(jié)發(fā)生疼痛的概率明顯增高，內(nèi)翻延伸是發(fā)生膝關(guān)節(jié)疼痛及疼痛惡化的危險(xiǎn)因素。Lo等[57]則證明，無論患者在內(nèi)翻延伸時(shí)是否同時(shí)存在內(nèi)翻畸形，均與膝關(guān)節(jié)疼痛相關(guān)[58]。

考慮到內(nèi)翻延伸對于疼痛和KOA 進(jìn)展的影響，以矯正動態(tài)內(nèi)翻為靶點(diǎn)的治療，在一定程度上可以預(yù)防KOA 患者膝關(guān)節(jié)疼痛的發(fā)展或惡化。保守治療的方法，如步態(tài)調(diào)整策略[59]、楔形鞋墊[60-61]等都被用來改善膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻延伸。脛骨高位截骨術(shù)是一種常用于改變機(jī)械承重軸和膝關(guān)節(jié)負(fù)荷的手術(shù)方式，可以改善膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻延伸[62]。全膝關(guān)節(jié)置換[63]也能達(dá)到長期改善膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻延伸的作用。

內(nèi)翻延伸只能反映內(nèi)收力矩、內(nèi)收沖量的力臂的大小，沒有考慮力的大??；而Vanwanseele 等[28]研究表明，KAM 越大，內(nèi)側(cè)半月板越容易損傷，損傷程度越重，脛骨內(nèi)側(cè)軟骨下骨面積比值也越大；但股骨和脛骨的軟骨厚度和剝落區(qū)域與KAM無關(guān)。這說明生物力學(xué)變化對膝關(guān)節(jié)不同組織結(jié)構(gòu)的影響不同，這不僅與組織的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有關(guān)，而且還涉及機(jī)體對力學(xué)反應(yīng)的力學(xué)生物學(xué)特性，其機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

5 小結(jié)

KAM、KAMI、KFM 和內(nèi)翻延伸等，能在一定程度上反映膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷，但均不能簡單等同于膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷。因此，如何建立合適的生物力學(xué)模型，尋找恰當(dāng)?shù)臏y試指標(biāo)，考慮不同自由度運(yùn)動學(xué)參數(shù)以及持續(xù)時(shí)間負(fù)荷對內(nèi)側(cè)間室負(fù)荷的影響，并基于此進(jìn)一步探索膝關(guān)節(jié)受力與KOA 發(fā)生發(fā)展及癥狀的關(guān)系，有助于進(jìn)一步明確力學(xué)因素影響KOA 的機(jī)制，并有助于通過生物力學(xué)方法治療KOA的推廣。