膝骨性關節(jié)炎患者在“云手”和“步行”兩種步態(tài)中下肢生物力學特征的比較

齊大路，林紫玲，侯美金，王薌斌,3

膝骨性關節(jié)炎(Knee osteoarthritis，KOA)是以關節(jié)軟骨病變?yōu)橹饕卣鞯穆酝嘶怨顷P節(jié)病。據(jù)流行病學調(diào)查顯示，目前全球膝骨性關節(jié)炎的患病率為3.8%，而我國的患病率高達 8.8%。生物力學因素對促進身體健康具有重要作用，中度的接觸應激會改善軟骨多糖和細胞外基質(zhì)中膠原和蛋白的生成，而長期的超載負荷會導致軟骨的損壞。有研究證實 KOA 的發(fā)生與下肢關節(jié)生物力學的改變密切相關，由于下肢運動學和動力學、負荷模式等異常的改變，引起肌肉功能障礙、本體感覺缺損和下肢力線異常等，這些功能障礙直接影響患者的生活質(zhì)量，甚至導致老年患者喪失獨立生活能力。

太極拳作為一種有氧運動，是中國優(yōu)秀傳統(tǒng)功法之一，具有緩慢、柔和的運動特點，可為人體提供一個理想的生物力學環(huán)境，改善關節(jié)軟骨的生理狀態(tài)，增加關節(jié)活動度和減少關節(jié)面的應力。研究已證實太極拳可以改善 KOA 患者的下肢本體感覺和肌肉力量，緩解膝部疼痛，遏制炎癥發(fā)展，其功效的主要生物力學機制就是增強KOA患者下肢肌力，減少膝關節(jié)內(nèi)側(cè)間室負荷。美國風濕病學會就將太極拳作為 KOA 患者非藥物治療的手段之一。但不同的太極拳招式具有不同的生物力學特征，有的動作在練習過程中往往容易出現(xiàn)錯誤動作，使膝關節(jié)負荷加大，增加關節(jié)受傷風險。據(jù)目前相關的生物力學研究發(fā)現(xiàn)，在太極“云手”(以下簡稱云手)中，膝關節(jié)受到的地面反作用力相對較小，尤其適合 KOA 患者作為康復性運動。然而，在云手過程中，膝關節(jié)要始終保持微屈下蹲狀態(tài)，這種負荷狀態(tài)對于 KOA 患者是否適宜，目前還未明確。步行作為一種日?；顒?，經(jīng)常用來與太極拳比較，由于步行可以降低 KOA 患者的風險，因此，可作為安全標準來對比分析云手。

綜上，云手對膝骨性關節(jié)炎患者下肢運動學、動力學參數(shù)的影響尚未明確，且云手動作中屈膝和側(cè)行的生物力學效應仍存在爭議。因此，我們提出假設，相比于步行，KOA 患者在云手動作中膝關節(jié)屈曲角度和髖外展角度增大的同時，膝關節(jié)的負荷和生物力學特征指數(shù)還低于步行，那就說明云手動作的步態(tài)特征不會造成額外的膝關節(jié)負荷。從正面理解，肯定可以認為云手動作對 KOA 患者是足夠安全的，從側(cè)面理解，或許可以認為云手動作會對 KOA 患者具有增強下肢肌力，協(xié)助肌體康復的作用?；诖耍狙芯繉⑹占头治?KOA 患者分別在云手和步行兩種不同步態(tài)中的下肢生物力學參數(shù)，以此檢驗云手動作對 KOA 患者鍛煉的安全性，以期幫助 KOA 患者對練習云手動作的正確認識，并使之達到更好的運動效應。

1 測試對象與方法

1.1 測試對象

本研究經(jīng)福建中醫(yī)藥大學附屬康復醫(yī)院倫理委員會批準(倫理批件號：2018KY-006-03)。于 2018年 11月-2020 年 1 月在福建中醫(yī)藥大學屏山校區(qū)周邊社區(qū)招募 26 例女性 KOA 患者，年齡最大68歲，最小 57 歲。采集 26 例受試者的基線資料(見表1)，包括性別、年齡、體質(zhì)量指數(shù)、認知和平衡評分及優(yōu)勢腿，除年齡外，受試者一般資料均無顯著性差異(P>0.05)。

表1 KOA患者基本資料表

1.1.1 納入標準

(1)符合 2018 年中華醫(yī)學會骨科分學會發(fā)表的《骨關節(jié)炎診療指南(2018 年版)》中 KOA 的診斷標準：①近 1 個月大多數(shù)時間有膝關節(jié)疼痛；② X線片顯示示骨贅形成；③關節(jié)液檢查符合骨性關節(jié)炎；④年齡大于或等于 60 歲；⑤晨僵≤30min；⑥有骨摩擦音。滿足①+②條或①+③+⑤+⑥條或①+④+⑤+⑥條者可診斷為 KOA；(2)年齡范圍：60-69歲；(3)雙側(cè)膝關節(jié) Kellgren-Lawrence 分級：II或/和III級者；(4)無合并其他慢性疾病(腰痛、糖尿病等)；(5)可以進行太極云手動作的練習和測試；(6)自愿參加本次測試并簽署知情同意書者。

1.1.2 排除標準

(1)存在其他可能引起步態(tài)異常的全身骨骼肌肉疾病或功能障礙者；(2)長期規(guī)律運動及從事重體力勞動者；(3)嚴重的心腦血管疾病及心理和精神異常者；(4)孕期、哺乳期婦女；(5)認知功能障礙(蒙特利爾認知評估量表，Montreal Cognitive Assessment, MoCA<18分)；(6)平衡功能明顯障礙(伯格平衡量表，Berg Balance Scale, BBS<40分)；(7)雙下肢長度差距>2cm；(8)身體結(jié)構(gòu)存在明顯異常者；(9)對醫(yī)用膠布及醫(yī)用酒精過敏者；(10)不能進行太極云手動作的練習和測試。

1.2 數(shù)據(jù)采集

1.2.1 測試儀器 采用三維運動分析系統(tǒng)(Cortex 2.1, Motion Anal-ysis Corporation, 美國)，8 部攝影機(Eagle-4，Motion Analysis Corporation，美國)，對系統(tǒng)進行校準后采集數(shù)據(jù)，采集頻率為 100Hz，濾波采用低通濾波器(Butterworth，四階 6Hz)對數(shù)據(jù)進行平滑處理，去除不需要的數(shù)據(jù)頻率。同步 2 塊AMTI測力臺(BP400600，美國，采樣頻率 1500Hz)進行下肢生物力學數(shù)據(jù)采集。采用建模仿真分析軟件 (Visual 3D Professional V6, C-Motion Incorporation，美國)處理原始采集的所有反光標志點坐標和地面反作用力，對采集的步態(tài)數(shù)據(jù)進行分析。力矩皆使用身高和體重的乘積做標準化。

1.2.2 測試流程 本研究是在安靜整潔、溫度適宜的密閉環(huán)境中測試，受試者穿著緊身衣褲，赤足。測試前，由專業(yè)的太極拳老師指導 26 位受試者學練云手動作，先前經(jīng)過肌肉拉伸等準備活動。因?qū)嶒瀸ο缶鶠榛颊?，所以沒有規(guī)定統(tǒng)一的學練時間及運動強度，而是依據(jù)每人動作基礎、病情高低、接受程度等不同情況區(qū)別對待，最后以統(tǒng)一的動作標準進行評判，演練得分 ≥80 分者才可進入實驗室數(shù)據(jù)采集(學練時間和演練得分見表 2)。受試者均為當天學練，當天測試，學練達標后至少休息 30 分鐘后，才可進行數(shù)據(jù)測試，26 例受試者前后分 10 次不同時間進行學練和測試，每位受試者均保持統(tǒng)一的測試場地、測試標準、測試流程和測試人員。

表2 KOA患者學練云手動作的時間及演練得分

進行三維步態(tài)分析前，在受試者身上按照 CAST方案的放置要求貼直徑 16mm 的熒光標記點，用雙面膠貼附于身體皮膚表面的關節(jié)凸起處，以便獲取關節(jié)活動軌跡的數(shù)據(jù)，全身共貼有 54 個熒光標記點(見圖1)。具體位置如下：(1)頭部：左右側(cè)頭前、頭后點；(2)軀干：第七頸椎棘突、胸骨上切跡點，左右側(cè)肩前、肩后、肩峰點；(3)上肢：左右側(cè)肱骨內(nèi)上髁、肱骨外上髁、橈骨莖突、尺骨莖突、第二掌指關節(jié)、上臂中部、前臂中部點；(4)骨盆：左右側(cè)髂前上棘、髂嵴最高點、髂后上棘點；(5)下肢：左右側(cè)股骨大轉(zhuǎn)子、大腿中部、股骨內(nèi)外上髁、小腿中部、內(nèi)外踝、第 5 趾骨頭背側(cè)緣、第 2 趾骨頭背側(cè)緣、第1趾骨頭背側(cè)緣、足跟點。

圖1 受試者在測試時，全身熒光標記點的位置圖

正式測試開始前，受試者先熟悉實驗室場地器械，掌握測試流程和測試要求。測試第一步，受試者站立在力板上，維持 3s，首先進行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，時間約 5min；測試第二步，受試者以舒適的速度在 8m 的走道上直線行走，至少記錄 5 趟有效數(shù)據(jù)，每趟步行后休息 30～45s，步行測試時間約 20min；測試第三步，受試者以所授規(guī)范的速度在采集區(qū)域內(nèi)演練云手動作(如圖 2 所示)，每次做完 3 個左云手和 3 個右云手即可停止，每個受試者至少收集3次有效動態(tài)數(shù)據(jù)，次間休息 1min，云手測試時間約 20min。測試總時間約 50min，在整個測試期間配備醫(yī)護監(jiān)督，沒有發(fā)生不良事件。

圖2 受試者云手動作演示圖(Visual 3D)

1.3 主要測試指標

選取左足步態(tài)周期進行分析，步態(tài)周期定義為：左側(cè)足著地到左側(cè)足再次著地。

1.3.1 時空參數(shù) 步速和左足支撐時間。

1.3.2 運動學參數(shù) 踝關節(jié)的矢狀面活動度均值，膝關節(jié)屈曲活動度均值，膝關節(jié)內(nèi)收活動度均值，髖關節(jié)矢狀面和額狀面的活動度均值。

1.3.3 動力學參數(shù) 膝關節(jié)力矩和沖量、膝內(nèi)收外力矩和內(nèi)收沖量。

1.4 統(tǒng)計學方法

由于步速本身是步態(tài)特征的影響因素，故采用協(xié)方差分析以排除步速因素的影響。步態(tài)變異性計算采用變異系數(shù)，采用雙側(cè)檢驗，P<0.05 為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 測試結(jié)果

2.1 KOA患者在云手與步行中時空參數(shù)的差異

如表 3 所示，云手與步行在步速上有顯著差異(P<0.01)。兩者的左足支撐期時間也具有統(tǒng)計學差異(云手：7.15s vs 步行：2.2s，P<0.01)，云手的支撐期時間約是步行的 3～4 倍。

表3 26例KOA患者云手與步行時空參數(shù)的結(jié)果表

2.2 KOA患者在云手與步行中下肢運動學指標的差異

如表 4 和圖 3 顯示，經(jīng)步速協(xié)方差校正后，與步行相比，KOA 患者在云手中的踝背屈角度均值顯著增大(P<0.05)，而踝跖屈角度均值在兩種動作下并不具有統(tǒng)計學差異(P>0.05)。在膝關節(jié)參數(shù)上，云手的膝屈曲角度均值顯著大于步行(P<0.01)， 膝關節(jié)內(nèi)收角度均值則不具有統(tǒng)計學差異(P>0.05)。

表4 26例KOA患者云手與步行運動學參數(shù)的結(jié)果表

注：橫坐標：步態(tài)周期(0-100%)；縱坐標：左圖代表踝關節(jié)活動度(°)，右圖代表膝關節(jié)活動度(°)；云手表示為紅色，步行表示為藍色；實線代表平均值，虛線代表每個完整步態(tài)數(shù)據(jù)，陰影部分代表標準差圖3 左下肢踝關節(jié)、膝關節(jié)運動學參數(shù)圖

兩組在髖屈曲均值、髖內(nèi)收和外展均值皆有顯著差異(P<0.01)，云手的髖屈曲和外展活動度均大于步行，內(nèi)收活動度小于步行。

2.3 KOA患者在云手與步行中膝關節(jié)動力學指標和力矩沖量的差異

如表 5 和圖 4 顯示，經(jīng)步速協(xié)方差校正后，在矢狀面，兩組的膝關節(jié)屈曲力矩均值具有統(tǒng)計學差異 (P=0.05)，相比于步行(0.01N. m.s/kg)，云手的屈曲力矩均值較大(0.96N. m.s/kg)；膝屈曲的力矩沖量在云手中也較步行大(云手：1.81N. m.s/kg；步行：0.07N. m.s/kg)。而在額狀面，內(nèi)收外力矩均值和力矩沖量均無統(tǒng)計學差異(P>0.05)。

表5 26例KOA患者云手與步行膝關節(jié)動力學參數(shù)和力矩沖量的結(jié)果表

注：橫坐標：步態(tài)周期(0-100%)；縱坐標：左圖代表膝關節(jié)內(nèi)收外力矩(N.m/kg)，右圖代表膝屈曲力矩(N.m/kg)；云手表示為紅色，步行表示為藍色；實踐代表平均值，虛線代表每個完整步態(tài)數(shù)據(jù)，陰影部分代表標準差圖4 左下肢膝關節(jié)動力學參數(shù)圖

3 討 論

本研究的目的是分析云手動作對 KOA 患者下肢生物力學的影響。為了量化生物力學特征，將云手與步行進行了比較，計算運動過程中下肢的時空參數(shù)、運動學、動力學。與步行相比，在云手動作中，KOA 患者具有較大的踝背屈活動度和膝屈曲活動度，膝關節(jié)屈曲力矩均值和沖量也大于步行，但膝關節(jié)內(nèi)收外力矩和力矩沖量與步行并無差異。因此，我們假設云手并不會增加膝關節(jié)內(nèi)收外力矩，膝屈曲和髖外展角度比步行增大的假說成立。

由于云手過程中膝關節(jié)需要始終維持屈曲的狀態(tài)，因此，踝關節(jié)背屈和膝關節(jié)屈曲角度明顯大于步行是顯而易見的結(jié)果。Ge Wu 等人的結(jié)果也同樣表明，太極在支撐期時膝關節(jié)最大屈曲角度較步行增大。也有研究表明，適當?shù)南リP節(jié)屈曲角度可以減少內(nèi)收力矩，有利于激活下肢肌群，增強股四頭肌的肌力,達到穩(wěn)定作用。但若在太極云手動作中，髕骨位置超過同側(cè)足尖，膝關節(jié)在矢狀面和冠狀面的受力則會顯著增加。因此，為避免 KOA 患者在云手運動中出現(xiàn)膝關節(jié)外力矩即關節(jié)負荷過大，保持合適的膝屈曲角度就顯得尤為重要。有研究發(fā)現(xiàn)，當膝關節(jié)在伸直 0° 到屈曲 45° 時所受到的外力矩較小，應該建議 KOA 患者在云手運動中注意膝關節(jié)屈曲的角度，避免產(chǎn)生額外的膝關節(jié)負荷。

云手的髖關節(jié)屈曲、外展和內(nèi)收角度均與步行有著顯著差異，云手表現(xiàn)出更大的髖屈曲和髖外展角度，髖內(nèi)收角度小于步行。相關研究也觀察到太極步態(tài)過程中髖關節(jié)最大外展角度和最大屈曲角度顯著大于步行。結(jié)合云手側(cè)向移動的動作特點，髖關節(jié)主要以額狀面為活動平面，因此，髖外展角度相對于步行會增大。而較大的髖外展角度和側(cè)向位移需要更多髖外展肌群的參與，可有助于提高步行穩(wěn)定性，預防老年人跌倒。云手動作中較小的內(nèi)收角度，在一定程度上可以獲得較寬的步幅，這可能是 KOA 患者增強側(cè)向穩(wěn)定性的策略之一。

在膝關節(jié)動力學參數(shù)上，云手的膝關節(jié)屈曲力矩和沖量與步行有顯著性差異，這可能與肌肉的共激活有關。據(jù)研究顯示，腘繩肌和股四頭肌的共同激活會直接影響膝關節(jié)的屈曲力矩，較高的腘繩肌共激活會產(chǎn)生較大的膝屈曲內(nèi)力矩。在登梯中也發(fā)現(xiàn) KOA 患者相比于正常人會表現(xiàn)出更大的肌肉共激活，主要為主動肌與拮抗肌的共同收縮，以實現(xiàn)維持關節(jié)穩(wěn)定性的效果。而在正常人中，云手與步行的膝屈曲力矩并無差異。另外，內(nèi)收外力矩是目前 KOA 研究中膝關節(jié)負荷的敏感指標，因此在 KOA 的生物力學研究中更受關注。每增加1個單位的內(nèi)收外力矩便會增加 6.5 倍的惡化風險，但兩種運動在膝關節(jié)的內(nèi)收力矩上沒有顯著差異，這說明 KOA 患者在云手中雖然因為維持微蹲的姿勢使矢狀面的膝屈曲力矩增加，但其側(cè)步行走的特點并未增加額狀面的力矩而產(chǎn)生額外的關節(jié)負荷?？赡苁窃剖植綉B(tài)采用足尖著地，且動作緩慢輕柔，使地面沖擊力減小的緣故。以上結(jié)果說明了云手對 KOA 患者在關節(jié)負荷方面的安全性。

云手具有獨特的生物力學特征，其相對緩慢柔和的運動特點增加了下肢的單支撐時間，因此在本研究結(jié)果中，云手的單支撐期大于步行。NOK-YEUNG LAW 等人也發(fā)現(xiàn)，云手的步態(tài)周期會比步行長，且步幅更大。Wei Sun 等人的研究結(jié)果表明增加的單支撐期時間可以更好的維持太極拳的干預效果。樸美子等人的研究結(jié)果證實了太極動作通過維持膝關節(jié)的屈曲，使重心在運動過程中保持在一定的高度，且在側(cè)向上保持緩慢的位移速度，使得動作平穩(wěn)流暢，重心越低時，支撐面積越大，穩(wěn)定性更高；其次，云手的步態(tài)特點是以額狀面為主要活動平面，側(cè)向行走的動作特點類似于臨床上臀中肌的肌力訓練方式，提高髖外展肌力也是有效延緩 KOA 發(fā)展的治療方式。而且在云手的動作中，要求腳趾先著地，這也是一種被證實可以降低地反力和膝關節(jié)內(nèi)收外力矩的方式之一。從 整體來說，云手動作中“身法”要求“含胸、拔背、松腰”，需要周身相隨、一動俱動的相互協(xié)調(diào)的動作規(guī)律,已被證實可改善老年人的手眼協(xié)調(diào)能力。

在正常人中，云手的下肢關節(jié)力矩峰值會比步行普遍較小。在地面反作用力上，無論是前后、內(nèi)外，還是垂直方向，云手也都會比步行明顯更小。依據(jù) Law Nok-Yeung 等人先前的研究發(fā)現(xiàn)，與本研究結(jié)果相比較，KOA 患者與正常人在兩種運動下的差異以及下肢各關節(jié)的活動度都小于正常人，這可能是由于膝關節(jié)的病變，為避免出現(xiàn)膝關節(jié)疼痛或步態(tài)不穩(wěn)，KOA 患者則會采用相對保守的步態(tài)策略，以維持在兩種運動狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

本研究仍存在不足，局限性主要有以下方面：第一，不僅云手的下肢運動特點與步行不同，其獨特的上肢活動和腰椎骨盆活動也可能會影響其下肢的生物力學特征，本研究暫未涉及相應的分析，因此使研究結(jié)果的探討具有局限性；第二，尚未結(jié)合表面肌電的數(shù)據(jù)對下肢肌肉募集和共激活的情況尚未證實，將在后期的科研工作中完善此不足之處。

4 結(jié) 論

研究結(jié)果表明 KOA 患者在云手中比步行表現(xiàn)出更大的下肢髖膝踝矢狀面的關節(jié)角度，但不會造成額外的膝關節(jié)負荷。膝屈曲力矩和沖量增大可能是維持穩(wěn)定的肌肉共激活策略，額狀面的內(nèi)收外力矩與步行相比無顯著差異。這說明云手對膝關節(jié)的負荷是安全的，對 KOA 患者是合適的運動方式。適當?shù)南リP節(jié)屈曲和髖外展角度可能會對增強 KOA 患者的下肢肌力，提高膝關節(jié)的穩(wěn)定性，協(xié)助肌體康復起到一定的積極作用。因此，在臨床診療和日常鍛煉中，云手可以作為步態(tài)訓練和 KOA 康復的參考方法，幫助患者進行科學鍛煉。