膝骨關(guān)節(jié)炎患者上下梯過程中膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性特征分析

劉本科　陳博　熊鳳　侯美金　姚如婕　林紫玲　李鎮(zhèn)輝　傅升星　楊鳳嬌　王薌斌

【摘 要】目的：通過研究膝骨關(guān)節(jié)炎患者與無膝骨關(guān)節(jié)炎癥狀者上下梯過程中膝關(guān)節(jié)加速度的差異，分析其與垂直地面反作用力、肌肉共激活指數(shù)之間的關(guān)系，探尋膝骨關(guān)節(jié)炎患者上下梯易跌倒的原因。

方法：通過三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)，采集與分析24例膝骨關(guān)節(jié)炎患者及16例無膝骨關(guān)節(jié)炎癥狀受試者在上下梯過程中支撐期膝關(guān)節(jié)矢狀面線加速度峰值、垂直地面反作用力第一峰值、第二峰值;通過無線表面肌電圖同步采集上下梯過程中股外側(cè)肌/股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌/股二頭肌、股內(nèi)側(cè)肌/腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的共激活指數(shù)。結(jié)果：上梯過程中，膝骨關(guān)節(jié)炎患者膝關(guān)節(jié)線加速度峰值、股外側(cè)肌與股二頭肌共激活指數(shù)顯著增高（P < 0.01），垂直地反力第二峰值顯著降低（P < 0.05）;膝骨關(guān)節(jié)炎患者膝關(guān)節(jié)線加速度峰值與垂直地反力第二峰值呈負(fù)相關(guān)（r = -0.43，P < 0.05），垂直地反力第二峰值降低是膝骨關(guān)節(jié)炎患者膝關(guān)節(jié)線加速度峰值增高的影響因素（P < 0.05）。下梯過程中，膝骨關(guān)節(jié)炎患者股外側(cè)肌與股二頭肌共激活指數(shù)顯著增高（P < 0.01），垂直地反力第二峰值顯著降低（P < 0.05）。結(jié)論：在上梯過程中，膝骨關(guān)節(jié)炎患者的膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性降低，垂直地反力第二峰值降低是影響膝骨關(guān)節(jié)炎患者膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的危險(xiǎn)因素。

【關(guān)鍵詞】 膝骨關(guān)節(jié)炎;關(guān)節(jié)穩(wěn)定性;線加速度;肌肉共激活;地面反作用力

Analysis of Stability Characteristics of Knee Joint in the Process of Ascending and Descending Stairs in Patients with Knee Osteoarthritis

LIU Ben-ke，CHEN Bo，XIONG Feng，HOU Mei-jin，YAO Ru-jie，LIN Zi-ling，LI Zhen-hui，F(xiàn)U Sheng-xing，YANG Feng-jiao，WANG Xiang-bin

【ABSTRACT】Objective：To study the difference of knee acceleration between patients with knee osteoarthritis and those without such symptom，analyze its relationship with vertical ground reaction force and muscle co-activation index，and explore the reason why patients with knee osteoarthritis are easy to fall up and down the stairs.Methods：Through the three-dimensional motion analysis system，twenty-four patients with knee osteoarthritis and 16 subjects without symptoms of knee osteoarthritis were collected，analyzing the peak value of sagittal linear acceleration of knee joint and the first，second peak values of vertical ground reaction force during support period while ascending and descending stairs.Through wireless surface electromyography，the coactivation indexes of lateral femoral muscle/medial femoral muscle，lateral femoral muscle/biceps femoris muscle and medial femoral muscle/medial head of gastrocnemius muscle were synchronously collected.Results：In the process of ascending stairs，the peak value of linear acceleration of knee joint and the co-activation index of lateral femoral muscle and biceps femoris in patients with knee osteoarthritis increased significantly（P < 0.01），and the second peak value of vertical reaction force decreased significantly（P < 0.05）.The peak value of knee linear acceleration in patients was negatively correlated with the second peak value of vertical reaction force（r = -0.43，P < 0.05）.The decrease of the second peak value of vertical reaction force was the influencing factor of the increase of peak value of knee linear acceleration in such patients（P < 0.05）.In the process of descending stairs，the co-activation index of lateral femoral muscle and biceps femoris muscle in patients increased significantly（P < 0.01），and the second peak of vertical reaction force decreased significantly（P < 0.05）.Conclusion：In the process of ascending stairs，the stability of the knee joint in patients with knee osteoarthritis decreases，and the decrease of the second peak of vertical ground reaction force is a risk factor affecting the stability of the knee joint.

【Keywords】knee osteoarthritis;joint stability;linear acceleration;muscle co-activation;ground reaction

跌倒是中老年人意外受傷的最常見原因[1]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，10%的中老年人跌倒發(fā)生在上下梯的過程中[2]。膝骨關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）是常見的肌肉骨骼疾病[3-4]，我國KOA患病率為8.5%[5]。與無KOA癥狀者相比，KOA患者上下梯能力更差，跌倒風(fēng)險(xiǎn)更高[6]。維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性是防止KOA患者跌倒的重要因素[7]。KOA患者由于下肢力線不齊、肌力下降及膝關(guān)節(jié)韌帶松弛，膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性降低[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%的患者自述存在膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)[9]，12%的KOA患者存在跌倒經(jīng)歷[10]。與平地行走相比，上下梯需要更大的肌肉和關(guān)節(jié)控制能力，對(duì)維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)更大。

研究表明，膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性與膝關(guān)節(jié)加速度呈負(fù)相關(guān)，在運(yùn)動(dòng)科學(xué)中膝關(guān)節(jié)線加速度值反映膝關(guān)節(jié)受力的變化，更大的數(shù)值代表膝關(guān)節(jié)受到更大的沖擊或緩沖能力減弱，膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性降低[11-12]。研究發(fā)現(xiàn)KOA患者在步行及單腿支撐過程表現(xiàn)出更高的膝關(guān)節(jié)線加速度[13-15]，提示KOA患者平地行走存在膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，但目前關(guān)于KOA患者上下梯過程中膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的研究較少。

自我感覺存在膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定的患者在步行過程會(huì)采用減小地面反作用力[13]和增加膝關(guān)節(jié)周圍肌肉共激活[16]的步態(tài)策略，其目的是為穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)。研究表明，相比優(yōu)勢(shì)側(cè)下肢，KOA患者非優(yōu)勢(shì)側(cè)下肢穩(wěn)定性更差[7]，而與平地步行相比，上下梯是一項(xiàng)更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。故探討KOA患者上下梯過程中非優(yōu)勢(shì)側(cè)腿支撐期膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性及其與患者下肢肌肉共激活、地面反作用力之間的關(guān)系，有助于明確KOA患者上下梯易跌倒的原因。

1 臨床資料

1.1 一般資料 選取2019年5月至2020年1月在福建中醫(yī)藥大學(xué)周邊社區(qū)招募并篩選出符合納入、排除標(biāo)準(zhǔn)的KOA患者24例作為KOA組，患者雙側(cè)膝關(guān)節(jié)病變程度、疼痛水平基本一致。無KOA癥狀受試者16例作為對(duì)照組，受試者身高、體質(zhì)量、年齡與KOA患者相匹配。詳見表1。本研究經(jīng)福建中醫(yī)藥大學(xué)附屬康復(fù)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，倫理批件號(hào)2018KY-006-1。

1.2 診斷標(biāo)準(zhǔn) 按照《骨關(guān)節(jié)炎診療指南（2018年版）》的臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)[17]。

1.3 納入標(biāo)準(zhǔn) ①符合上述診斷標(biāo)準(zhǔn)，為雙側(cè)KOA患者;②影像學(xué)診斷膝關(guān)節(jié)骨贅形成，雙側(cè)病變程度基本相同;③年齡50～80歲;④Kellgren-Lawrence（K-L）標(biāo)準(zhǔn)定為Ⅱ或Ⅲ級(jí)，無需幫助能上下四級(jí)梯;⑤自愿參加并簽署知情同意書。

1.4 排除標(biāo)準(zhǔn) ①合并各種急性、傳染性疾病，內(nèi)臟功能不全者;②合并其他神經(jīng)系統(tǒng)或肌肉骨骼系統(tǒng)疾病者;③單側(cè)KOA患者或雙側(cè)病變程度相差超過1級(jí)的患者;④嚴(yán)重認(rèn)知障礙（蒙特利爾認(rèn)知評(píng)測(cè)< 18分）者。

2 方 法

2.1 數(shù)據(jù)采集 根據(jù)校準(zhǔn)解剖系統(tǒng)技術(shù)（CAST）[18]方案在受試者的相應(yīng)位置粘貼或捆綁55個(gè)直徑14 mm的熒光標(biāo)記物，標(biāo)記點(diǎn)部位包括骨盆（雙側(cè)髂前上棘、髂后上棘），大腿（雙側(cè)股骨大轉(zhuǎn)子、大腿中部、股骨內(nèi)外上髁），小腿（雙側(cè)小腿中部、內(nèi)外踝）及足部（雙側(cè)第5趾骨背側(cè)緣、第2趾骨背側(cè)、第1趾骨背側(cè)緣、足跟）。表面肌電的采集方式根據(jù)歐盟Seniam表面肌電圖標(biāo)準(zhǔn)方案進(jìn)行肌肉傳感器的定位和貼放。表面肌電采集選取雙側(cè)股內(nèi)側(cè)?。╒M）、股外側(cè)?。╒L）、股二頭肌外側(cè)頭（BF）、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭（MGH）。

要求受試者以常速在平地行走4 m后，在定制3級(jí)梯上來回行走，通過三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（Qualisys，Oqus 700+，100Hz，瑞典）同步2塊AMTI測(cè)力臺(tái)（BP400600，1500 Hz，美國）及無線表面肌電系統(tǒng)（Delsys，2000Hz采樣率，美國）記錄至少3次上下梯有效數(shù)據(jù)。測(cè)試最后依次進(jìn)行每塊肌肉的最大自主等長肌力（MVIC）的測(cè)試，用作后續(xù)肌電幅值的標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2.2 數(shù)據(jù)分析 動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)通過建模軟件Visual 3D（專業(yè)版6，C-Motion Inc.，美國）進(jìn)行分析，內(nèi)容為上下梯過程中非優(yōu)勢(shì)側(cè)腿支撐期的垂直地反力第一峰值（VGRF）、垂直地反力第二峰值（VGRF）。

運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)也通過軟件Visual 3D進(jìn)行分析，內(nèi)容為上下梯過程中非優(yōu)勢(shì)側(cè)腿支撐期的膝關(guān)節(jié)前后方向線加速度峰值（LAP）。線加速度的計(jì)算方式為膝關(guān)節(jié)質(zhì)心線速度的一次微分。

肌電數(shù)據(jù)通過EMGworks?Analisys（Delsys，美國）信號(hào)分析軟件，分析內(nèi)容為上下梯過程非優(yōu)勢(shì)腿支撐期肌電信號(hào)，具體流程如下：對(duì)原始肌電信號(hào)進(jìn)行基線校正、濾波處理、全波整流，然后進(jìn)行振幅和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化處理。根據(jù)公式Co-actication Index=（EMG+EMG）*EMGL/EMG[19]（EMG：激活程度較低的肌肉;EMG：激活程度較高的肌肉）計(jì)算肌肉共同激活指數(shù)，包括VL與BF、VM與MGH、VL與VM。

2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料符合正態(tài)分布采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，以表示;不符合正態(tài)分布采用Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)，并以中位數(shù)（四分位間距）[M（P25，P75）]表示;計(jì)數(shù)資料采用χ檢驗(yàn)，使用頻數(shù)描述;相關(guān)性分析采用Pearson或Spearman相關(guān)性分析法。以P < 0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié) 果

3.1 2組上下梯過程中垂直地反力峰值、線加速度比較 在上梯過程中2組在VGRF（P < 0.05）、LAP（P < 0.01）和VL/BF（P < 0.05）方面比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，KOA組VGRF低于對(duì)照組，而LAP和VL/BF高于對(duì)照組。在下梯過程中2組在VGRF（P < 0.05）和VL/BF（P < 0.01）方面比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，KOA組VGRF低于對(duì)照組，KOA組VL/BF高于對(duì)照組。見表2。

3.2 KOA組上下梯過程中膝關(guān)節(jié)加速度峰值與垂直地反力峰值及下肢肌肉共激活指數(shù)相關(guān)性分析 在上梯過程中，膝關(guān)節(jié)LAP與VGRF呈中度線性負(fù)相關(guān)（P < 0.05），LAP與VGRF相關(guān)性差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P > 0.05）。下梯過程LAP與VGRF及VGRF相關(guān)性差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P > 0.05）。上下梯過程LAP與下肢肌肉共激活指數(shù)相關(guān)性差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P > 0.05）。見表3。

3.3 上梯過程中KOA組膝關(guān)節(jié)加速度峰值與地反力第二峰值回歸分析 對(duì)LAP與VGRF進(jìn)行線性回歸分析，因LAP不滿足正態(tài)性，對(duì)其進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后滿足正態(tài)性，分析結(jié)果表示上梯過程中VGRF是LAP的影響因素（P < 0.05）。見表4。

4 討 論

本研究通過分析KOA患者與無KOA癥狀者上下梯過程中膝關(guān)節(jié)前后方向線加速度差異，探討KOA患者上下梯過程中膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，并分析垂直地反力峰值、下肢肌肉共激活指數(shù)與膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)KOA患者上梯過程中膝關(guān)節(jié)LAP、VL/BF共激活指數(shù)較對(duì)照組顯著增高，VGRF顯著降低，LAP與VGRF呈負(fù)相關(guān)，VGRF是LAP的危險(xiǎn)因素。KOA患者下梯過程中VL/BF共激活指數(shù)顯著增高，VGRF顯著降低。

與無KOA癥狀相比，KOA患者LAP增高，更高的LAP反映KOA患者上梯過程中膝關(guān)節(jié)在前后方向更不穩(wěn)定[14]。本研究膝關(guān)節(jié)LAP比其他研究較大[20]，原因可能是本研究探討的是上下梯過程，而其他研究多是探討平地行走。KOA患者更大的膝關(guān)節(jié)加速度可能與下肢肌力降低有關(guān)[21]，KOA患者因股四頭肌無力[22]，膝關(guān)節(jié)受力時(shí)維持膝關(guān)節(jié)空間位置困難，從而造成KOA患者膝關(guān)節(jié)在活動(dòng)中不穩(wěn)定。

另有研究表明，KOA患者在面對(duì)有挑戰(zhàn)性的功能活動(dòng)時(shí)，主動(dòng)肌與拮抗肌的高激活狀態(tài)是維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定的步態(tài)策略[23]，本研究發(fā)現(xiàn)在上梯過程中KOA患者表現(xiàn)出了更高的股外側(cè)肌與股二頭肌共激活，但未發(fā)現(xiàn)KOA患者LAP與肌肉共激活指數(shù)之間存在相關(guān)性，其原因可能在于下肢肌肉共激活雖然是一種增加膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性代償策略，下肢肌肉高共激活水平以額外的肌肉力量為代價(jià)，導(dǎo)致更大的關(guān)節(jié)負(fù)荷和組織應(yīng)力-應(yīng)變，但對(duì)維持膝關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性并不是特別有效[24-25]，KOA患者上梯過程中更高的下肢肌肉共激活是否能維持膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定需進(jìn)一步探究。

本研究發(fā)現(xiàn)，KOA患者上梯過程的LAP峰值與VGRF存在負(fù)相關(guān)，通過進(jìn)一步的回歸分析發(fā)現(xiàn)，KOA患者VGRF減小是膝關(guān)節(jié)LAP增大的影響因素，說明上梯過程中KOA患者VGRF越低，膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性越差。股四頭肌收縮產(chǎn)生的VGRF是上梯過程中足蹬離地產(chǎn)生推動(dòng)人體向上向前的主要作用力[26]，在上梯過程中，KOA患者為降低膝關(guān)節(jié)負(fù)荷，采取了減小股四頭肌收縮的步態(tài)策略[27-28]，導(dǎo)致患者VGRF降低[29]。研究表明，KOA患者為代償上梯過程股四頭肌力量的降低，可能會(huì)采取軀干前傾，髖關(guān)節(jié)屈曲角度增加及足底壓力更集中在前腳掌的步態(tài)策略[30-31]。身體前傾與足底壓力中心集中分布于前腳掌會(huì)改變?nèi)梭w的質(zhì)心位置，使人體質(zhì)心偏移到身體前側(cè)，而KOA患者身體質(zhì)心的移動(dòng)與膝關(guān)節(jié)的加速度具有相關(guān)性[14]，在重力作用下產(chǎn)生更大的前后方向的力作用在支撐腿，從而產(chǎn)生更大的膝關(guān)節(jié)前后方向加速度，增加了膝關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定。

本研究發(fā)現(xiàn)，KOA患者下梯過程VGRF降低，VGRF發(fā)生于雙支撐期的前足接觸地面時(shí)，下梯過程中，相比前腿，KOA患者會(huì)更多的利用后腿對(duì)雙支撐期進(jìn)行過渡，患者將更多身體重量放于后腿，造成患者前足著地時(shí)受力降低，進(jìn)而導(dǎo)致VGRF降低[32]。

本研究發(fā)現(xiàn)，下梯過程存在股外側(cè)肌和股二頭肌共激活指數(shù)增高的現(xiàn)象，有研究表明，下梯過程中KOA患者增加膝關(guān)節(jié)主動(dòng)肌與拮抗肌的共激活目的是維持膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定[33]，但股外側(cè)肌和股二頭肌共激活增加會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨流失。本研究未發(fā)現(xiàn)下梯過程中股外側(cè)肌和股二頭肌與膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性存在相關(guān)性，其原因可能與上梯類似，KOA患者下梯過程中更高的肌肉共激活對(duì)維持膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性的作用需進(jìn)一步探究。

本研究的缺陷與不足為小樣本預(yù)探索研究，非嚴(yán)格意義上的病例對(duì)照研究;使用加速度等參數(shù)探討膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，但沒有結(jié)合患者的自我穩(wěn)定性評(píng)估報(bào)告，下一步研究需要結(jié)合KOA患者的主觀感受，對(duì)自我感受有膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定的患者及無膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定的患者進(jìn)行進(jìn)一步生物力學(xué)分析。

5 結(jié) 論

本研究發(fā)現(xiàn)，KOA患者上下梯過程中均采用了降低地面反作用力及增加下肢肌肉共激活的步態(tài)策略。相比無KOA癥狀者，KOA患者上梯過程中膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性較差，VGRF降低是KOA患者上梯過程膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的危險(xiǎn)因素。KOA患者上下梯過程中都表現(xiàn)出更高的下肢肌肉共激活，但本研究沒有發(fā)現(xiàn)下肢肌肉共激活與LAP具有相關(guān)性，下肢肌肉共激活指數(shù)增加與膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的關(guān)系需進(jìn)一步驗(yàn)證。

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