老年膝骨關(guān)節(jié)炎患者步態(tài)支撐期COP 指標與膝踝關(guān)節(jié)運動的相關(guān)性研究

蔣 磊，蘇 程，葛 軍，李 寧，夏美燕，程新保

步行是人們?nèi)粘Ｉ钪兄匾纳眢w活動之一，也是人體完成多種動作任務的轉(zhuǎn)換過程.步行能力一旦受損，將會限制人體的正?；顒幽芰?下肢關(guān)節(jié)的功能性損傷可導致步行能力障礙［1］.在下肢三大關(guān)節(jié)中，膝關(guān)節(jié)的功能非常重要，如果膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生病理性改變，就會造成其功能穩(wěn)定性的衰減，人體步行能力會明顯降低.膝骨關(guān)節(jié)炎是一種與年齡相關(guān)的退行性疾病，其發(fā)生與諸多內(nèi)外部因素有關(guān)，如年齡因素，隨著人體年齡的增長，膝關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生退化，關(guān)節(jié)內(nèi)形成骨贅，周圍肌肉力量下降；也可與來自外部的機械性損傷有關(guān)，如韌帶損傷可造成關(guān)節(jié)失穩(wěn).這些關(guān)節(jié)內(nèi)部或周圍的變化都能夠?qū)е玛P(guān)節(jié)發(fā)生病變，臨床上最主要的表現(xiàn)為膝關(guān)節(jié)疼痛［2］.

長期的膝關(guān)節(jié)疼痛會使該類病人對自己的步行模式作出調(diào)整，使關(guān)節(jié)痛感最小化.例如，患者會減慢步行速度，盡量減少步行量等［3］.步態(tài)支撐期膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻外力矩的增大，是患有內(nèi)側(cè)室膝骨關(guān)節(jié)炎病人的重要生物力學表現(xiàn)，該類病患人群常會通過改變足部前進方向角度（Toe-out）［4］或者軀干傾斜程度（Trunk Lean）［5］來減小膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻外力矩.此外，這些由于病痛而造成的膝關(guān)節(jié)在運動學和動力學上的改變，還會導致其屈伸范圍和地面反作用力垂直方向分量的減小.以上所述，都是該類人群在步態(tài)支撐期為緩解膝關(guān)節(jié)疼痛所作出的補償性策略.

在對膝骨關(guān)節(jié)炎病人的步態(tài)研究中，研究人員更多的是將關(guān)注點放在下肢踝關(guān)節(jié)上，F(xiàn)ISHER 等人分析發(fā)現(xiàn)，在支撐期末期踝關(guān)節(jié)跖屈力矩減小，這是因為該力矩對于步態(tài)支撐期末期的推進起到輔助作用，而量級上的降低會減小這種推進程度，從而降低步行速度，不會過多地造成膝關(guān)節(jié)負擔［6］.OTA等人的研究發(fā)現(xiàn)，踝關(guān)節(jié)受限的背屈角度也會對步態(tài)支撐期末期的膝關(guān)節(jié)在矢狀面和額狀面上的活動造成影響.步態(tài)支撐期壓力中心（Center Of Pressure，COP）的改變會造成踝關(guān)節(jié)背屈角和跖屈力矩的改變［7］.如果支撐期中COP 更靠近腳尖位置，則會使踝關(guān)節(jié)趾屈力矩的力臂變長，從而造成力矩值的增大，脛骨也會更傾向前方，進而增加踝關(guān)節(jié)背屈角度.雖然前期研究取得了一定成果，但對老年膝骨關(guān)節(jié)炎病人COP 變化與膝、踝關(guān)節(jié)的運動學、動力學改變的關(guān)系還并不清晰.

因此，本研究通過測試并評估膝骨關(guān)節(jié)炎病人的步態(tài)過程，進而分析步態(tài)支撐期中，COP 變化與膝、踝關(guān)節(jié)角度與力矩的關(guān)系.

1 實驗方法

1.1 受試者

在正式招募受試者之前，通過power 分析（效能水平設定為80%，顯著性水平設定為0.05），采用 G*Power（版本 3.1）［8］計算得出，每組最低樣本量為17～35 人.步速和膝關(guān)節(jié)在步態(tài)支撐期的最小角度被選擇作為評估效應量的變量.膝骨關(guān)節(jié)炎組受試者通過安徽醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院康復科于2018 年11 月—12 月進行招募，并參照美國風濕病協(xié)會對膝骨關(guān)節(jié)炎疾病定義標準進行進一步篩選，篩選標準如下：①依據(jù)國際標準判斷為膝骨關(guān)節(jié)炎；②依據(jù)臨床X 光影像和K-L 量表，判斷雙側(cè)膝關(guān)節(jié)患病分級為III 或IV；③雙側(cè)膝疼痛程度 VAS 評分至少為30（visual analog scale；0=no pain，100=worst imaginable pain）；④年齡≥65 歲.排除標準如下：①依據(jù)臨床標準判斷為下肢髖、踝骨關(guān)節(jié)炎；②在沒有外界他人或者器械的幫助下，無法完成步行測試；③在參與此次測試前十二個月內(nèi)，接受過下肢關(guān)節(jié)成形術(shù)或者相關(guān)外科手術(shù).最終，共計納入20名膝骨關(guān)節(jié)炎女性患者（Knee osteoarthritis，OA）.健康老年對照組受試者通過社區(qū)招募，最終納入20 名參與實驗研究.除此之外，要求兩組受試者均沒有影響步態(tài)實驗測試的心理問題或者身體疾病.

在進行正式實驗項目前，所有受試者已被告知完整的實驗過程及具體測試任務，并簽署了知情同意書；本研究方案獲得安徽醫(yī)科大學倫理委員會批準（2019H019）.

1.2 數(shù)據(jù)采集

步態(tài)分析是在X 動作捕捉實驗室進行的.根據(jù)國際標準步態(tài)反光點放置方法［9］，52 個反光標記球（直徑為14 mm）被用于標記人體體表骨性標志，從而進行環(huán)節(jié)追蹤.使用Vicon 運動捕捉系統(tǒng)（Vicon Nexus，Oxford，UK），拍攝并記錄反光球的三維運動軌跡，采樣頻率為100 Hz.Kistler 測力臺（Kistler Instruments，Winterthur，Switzerland）位于實驗房間中間的位置，采樣頻率為1 000 Hz.在實驗開始前，調(diào)試運動捕捉系統(tǒng)和測力臺采集系統(tǒng).人體體表標記點軌跡與地面反作用力數(shù)據(jù)同步采集.

在進行正式的步態(tài)分析前，測試并記錄受試者身高、體重信息，更換統(tǒng)一實驗著裝和鞋子.利用3～5 min 時間熟悉整個測試流程，消除緊張心理，從而展現(xiàn)自然流暢的步行過程.正式實驗中，實驗人員要求受試者以自我舒適的速度自然走過測試步道.當受試者雙腳分別依次踩在兩塊測力臺時，記為1次成功，成功次數(shù)達到5次即為任務完成.

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

使用相應數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行逆向動力學分析.步態(tài)支撐期具體起始點通過測力臺數(shù)據(jù)來確定，即從足跟觸地到腳尖離地，大約占整個步態(tài)周期的60%.將每位受試者的支撐期進行插值，標準化為60%.分析輸出COP 前后向、左右向的偏移值（從觸地初期到支撐末期），踝關(guān)節(jié)角度，膝關(guān)節(jié)角度，以及踝、膝關(guān)節(jié)從足跟觸地到腳尖離地的凈力矩等相關(guān)生物力學數(shù)值.

進一步將支撐期細分，選取觸地初期（Initial Contact，IC）、支撐中期（Mid-Stance，MS）和支撐末期（Terminal Stance，TS）三個關(guān)鍵時間點進行指標分析.原始數(shù)據(jù)使用低通濾波進行數(shù)據(jù)平滑.

1.4 統(tǒng)計學分析

相關(guān)統(tǒng)計學分析在SPSS 25.0 中進行.COP前后向、左右向偏移量，膝、踝關(guān)節(jié)運動學、動力學數(shù)據(jù)均采用斯皮爾曼等級相關(guān)系數(shù)進行分析.p值小于0.05 表明具有統(tǒng)計學顯著差異.

2 實驗結(jié)果

2.1 受試者基本信息

健康老年組（HC）與膝骨關(guān)節(jié)炎組（OA）受試者平均年齡分別為66.4±1.3 歲與67.9±2.1 歲，平均身高分別為 156.7±5.6 cm 與 154.3±7.7 cm，平均體重分別為 57.4±5.8 kg 與 58.1±6.6 kg，兩組受試者在年齡、身高、體重上無明顯組間差異.

2.2 踝、膝關(guān)節(jié)角度和力矩值

兩組受試者踝、膝關(guān)節(jié)角度和力矩曲線圖分別如圖1 和圖2 所示.可以明顯看出多個生物力學指標上的組間差異.

圖1 健康老年組（HC）與膝骨關(guān)節(jié)炎組（OA）受試者踝關(guān)節(jié)屈/伸角度，膝關(guān)節(jié)屈/伸角度和內(nèi)收/外展角度

圖2 健康老年組（HC）與膝骨關(guān)節(jié)炎組（OA）受試者膝關(guān)節(jié)屈/伸力矩和內(nèi)收/外展力矩、踝關(guān)節(jié)屈/伸力矩

2.3 COP 與膝、踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角度關(guān)系

如表1 所示，在膝骨關(guān)節(jié)炎組受試者中，支撐中期和支撐末期COP 左右側(cè)偏移量與膝關(guān)節(jié)觸地初期屈/伸角度存在顯著相關(guān)，除此之外，支撐末期COP 左右側(cè)偏移量還與支撐末期膝關(guān)節(jié)屈/伸角度顯著相關(guān).COP 前后向偏移量和膝關(guān)節(jié)屈/伸角度在支撐期的任何階段都不存在相關(guān)性.并且，COP 偏移量也與踝關(guān)節(jié)角度無相關(guān)性.對于健康老年對照組受試者，COP 偏移量與踝、膝關(guān)節(jié)角度也不存在相關(guān)性.

2.4 COP 與膝、踝關(guān)節(jié)力矩關(guān)系

正如表2 所示，對于膝骨關(guān)節(jié)炎組受試者，COP 左右向偏移量在支撐中期和支撐末期與膝關(guān)節(jié)內(nèi)收第一、第二峰值力矩均存在顯著性相關(guān)，除此之外，在支撐中期還與膝關(guān)節(jié)屈/伸力矩第二峰值顯著相關(guān)；而COP 前后向偏移量僅在支撐中期與踝關(guān)節(jié)跖屈力矩峰值存在顯著相關(guān).

表1 COP 左右向偏移量與膝關(guān)節(jié)屈/伸角度相關(guān)系數(shù)

表2 COP前后向、左右向偏移量與踝、膝關(guān)節(jié)力矩的相關(guān)性

對于健康老年對照組受試者，僅COP 左右向偏移量在支撐末期與膝關(guān)節(jié)內(nèi)收第一峰值力矩存在顯著相關(guān).

3 討論

隨著年齡的增加和膝關(guān)節(jié)的患病，人體下肢膝、踝關(guān)節(jié)內(nèi)部的生理結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，從而不斷影響膝關(guān)節(jié)的機械力學結(jié)構(gòu).正如兩組受試者膝關(guān)節(jié)支撐期角度變化曲線所示，膝骨關(guān)節(jié)炎患者的膝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的關(guān)節(jié)活動范圍有所減小，在額狀面內(nèi)的活動程度變大，關(guān)節(jié)矢狀面內(nèi)的僵硬會影響人體日?；顒幽芰Γ?0］.而膝關(guān)節(jié)伸膝力矩明顯減小的情況，也印證了角度上的變化，這一系列的變化又反過來會繼續(xù)加重膝關(guān)節(jié)的異常負載.此外，從研究結(jié)果還可以看出膝骨關(guān)節(jié)炎受試者踝關(guān)節(jié)的活動范圍與趾屈力矩也均較健康對照組有所減小.

COP 參數(shù)與踝、膝關(guān)節(jié)角度相關(guān)分析結(jié)果表明，膝骨關(guān)節(jié)炎患者在步態(tài)支撐期中，膝關(guān)節(jié)的角度與COP 左右向偏移有關(guān)，膝骨關(guān)節(jié)炎患者在足跟觸地初期的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收角度相較于健康老年人更大，這就是所謂的內(nèi)收-推動特點（Varus-thrust）［11］.由于這種內(nèi)收推動作用，使得膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)中心更偏向外側(cè)排列.這一結(jié)果還提示，COP 左右向偏移會減小膝關(guān)節(jié)屈角度，從而造成關(guān)節(jié)僵硬，而這種關(guān)節(jié)僵硬可能會導致股四頭肌肌力的減弱，因此，COP 左右向偏移可能與膝骨關(guān)節(jié)炎患者的一種常見的適應性步態(tài)——股四頭肌避免步態(tài)（Quadriceps Avoidance Gait）有關(guān).然而在本研究中，沒有發(fā)現(xiàn)COP 偏移與膝關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展角度的關(guān)系.

此外，踝關(guān)節(jié)角度與COP 變量之間也不存在相互關(guān)聯(lián)性，我們推測這可能是與膝骨關(guān)節(jié)炎患者在步態(tài)支撐期中踝關(guān)節(jié)活動范圍減小有關(guān)，而這種關(guān)節(jié)角度的減小也與踝關(guān)節(jié)跖屈力矩減小的情況相一致.

COP 參數(shù)與踝、膝關(guān)節(jié)力矩相關(guān)分析結(jié)果表明，膝骨關(guān)節(jié)炎患者膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第一、第二峰值與COP 左右向偏移量相關(guān)，這是因為地面反作用力的參與并為膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩作出貢獻［12］.參與本項目的所有膝骨關(guān)節(jié)炎受試者，在整個步態(tài)支撐期中膝關(guān)節(jié)基本上都處于內(nèi)收位置，這會使得膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)的負載變大.膝關(guān)節(jié)周圍外展肌肉為保持平衡，必須要產(chǎn)生足夠的肌肉外展力矩來對抗增大的內(nèi)收外力矩，進而造成膝關(guān)節(jié)外側(cè)組織的緊繃狀態(tài)，而這種緊繃狀態(tài)會造成關(guān)節(jié)僵硬和限制關(guān)節(jié)活動范圍.

4 結(jié)論

膝骨關(guān)節(jié)炎患者步行中，COP 左右向偏移量與膝關(guān)節(jié)矢狀面內(nèi)的運動學、動力學因素呈中度負相關(guān)，且與膝關(guān)節(jié)外展肌肉力矩呈中度正相關(guān).因此，在未來針對該類疾病的康復治療過程中，在步態(tài)支撐期控制COP 左右向偏移，從而影響膝關(guān)節(jié)負載，可能是一項有效的干預方式.