髕股關(guān)節(jié)疼痛對(duì)老年人樓梯行走時(shí)髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征的影響

陳根炎，朱軒民，張金凌，莊世陽(yáng)，周紅妹

(1.集美大學(xué) 誠(chéng)毅學(xué)院，福建 廈門 361000；2.泰國(guó)藝術(shù)大學(xué)，曼谷 10220；3.寧化第六中學(xué)，福建 寧化 365400；4.晉江市僑聲中學(xué)，福建 晉江 362271；5.福建師范大學(xué)，福州 350007)

我國(guó)已進(jìn)入老齡化社會(huì)。關(guān)節(jié)疼痛等退行性疾病是導(dǎo)致老年人跌倒、認(rèn)知功能受損、姿勢(shì)控制能力下降的主要原因之一,給老年人的健康帶來(lái)不利影響[1-2]。其中,髕股關(guān)節(jié)疼痛(patellofemoral pain,PFP)是以髕股關(guān)節(jié)壓力增加為特征的前膝關(guān)節(jié)疼痛,是一種過(guò)度使用的肌肉骨骼疾病。流行病學(xué)調(diào)查顯示,PFP占所有膝關(guān)節(jié)損傷的33%,其發(fā)病率隨年齡增加呈線性增長(zhǎng)[3]。

PFP導(dǎo)致老年人在運(yùn)動(dòng)期間的下肢生物力學(xué)特征發(fā)生變化。髕骨與股骨之間的接觸力稱為髕股關(guān)節(jié)接觸力,單位面積的髕股關(guān)節(jié)接觸力稱為髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力[4]。研究表明,PFP老年人采取降低步行速度的步態(tài)策略,表現(xiàn)出較小的垂直地面反作用力和伸膝關(guān)節(jié)力矩[5],這種謹(jǐn)慎的步態(tài)策略或許可以補(bǔ)償因增齡導(dǎo)致的身體功能下降。與水平行走相比,樓梯行走時(shí)的膝關(guān)節(jié)彎曲角度與伸膝力矩增加了50%[6],因此更具挑戰(zhàn)性。研究顯示,樓梯行走時(shí)的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力比水平行走增加了2～4倍,這可能是膝關(guān)節(jié)力矩和髕股關(guān)節(jié)接觸力增加所致[7]?！敖M織穩(wěn)態(tài)理論”認(rèn)為,任何超過(guò)髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷承受能力的組織穩(wěn)態(tài)改變,都會(huì)導(dǎo)致疼痛及損傷[8]。雖然髕股關(guān)節(jié)接觸力與髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力能有效反映髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷[9],但樓梯行走等高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境或許會(huì)將組間髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷的差異性掩蓋,因此可能需要更靈敏的指標(biāo)來(lái)觀察樓梯行走等高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境下PFP對(duì)老年人髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征的影響。髕股關(guān)節(jié)力與應(yīng)力的沖量為相對(duì)應(yīng)的力與時(shí)間的積分[10],髕股關(guān)節(jié)接觸力與應(yīng)力結(jié)合相對(duì)應(yīng)的沖量可更精準(zhǔn)定位PFP對(duì)髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷的影響。沖量已在走[11]、跑[12]等運(yùn)動(dòng)中被應(yīng)用,但髕股關(guān)節(jié)接觸力沖量及應(yīng)力沖量應(yīng)用于樓梯行走較為少見。

本研究通過(guò)觀察健康老年人和PFP老年人樓梯行走時(shí)的髕股關(guān)節(jié)力學(xué)指標(biāo),探討PFP對(duì)老年人樓梯行走的髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征的影響,為PFP老年人制定合理的干預(yù)治療策略提供理論支撐。本研究假設(shè),與健康老年人相比,PFP老年人在樓梯行走時(shí):①髕股關(guān)節(jié)接觸力增加;②髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力增加;③髕股關(guān)節(jié)接觸力沖量及髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量增加。

1 研究對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象

采用G*power計(jì)算樣本量,根據(jù)前人的文獻(xiàn)[13],將α設(shè)定為0.05、Power設(shè)定為0.8,計(jì)算出所需樣本量為18人。隨機(jī)招募PFP老年人22名,并根據(jù)基本信息匹配招募健康老年人22名,分別納入PFP組和健康組,受試者基本信息見表1。PFP組納入標(biāo)準(zhǔn):①年齡65～75歲;②單膝髕股關(guān)節(jié)疼痛患者,疼痛6個(gè)月以上;③能夠獨(dú)立完成樓梯行走。排除標(biāo)準(zhǔn):①有髕骨脫位或半脫位史;②有膝關(guān)節(jié)骨折或手術(shù)史;③近半年有跌倒損傷史或服用姿勢(shì)控制類藥物。受試者均了解測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)并簽署知情同意書。

表1 受試者基本信息

1.2 測(cè)試流程

受試者來(lái)到實(shí)驗(yàn)室后,先進(jìn)行基本信息采集。然后身著統(tǒng)一的測(cè)試服及測(cè)試鞋,由專業(yè)的工作人員將39個(gè)標(biāo)記點(diǎn)粘貼于受試者的骨性標(biāo)志點(diǎn)上。受試者進(jìn)行5 min熱身后,開始正式測(cè)試。采用Qualisys紅外動(dòng)作捕捉系統(tǒng)(Qualisys Motion Capture System,瑞士)及AMTI三維測(cè)力臺(tái)(AMTI OR6 Series,美國(guó))分別采集運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù),采集頻率分別設(shè)為200 Hz和1 000 Hz。樓梯由5階臺(tái)階組成,臺(tái)階寬為120 cm,深為27 cm,高為15 cm,將測(cè)力臺(tái)置于第3臺(tái)階的凹槽內(nèi)與臺(tái)階持平。受試者以自適應(yīng)步速分別進(jìn)行上、下樓梯行走,每名受試者保證5次有效測(cè)試。將有效測(cè)試記為全程無(wú)停頓、無(wú)標(biāo)記點(diǎn)掉落,并保證優(yōu)勢(shì)腿(健康組)或患側(cè)腿(PFP組)成功踏上測(cè)力臺(tái)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

原始運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采用Qualisys軟件預(yù)處理后,導(dǎo)出Visual 3D進(jìn)行濾波、百分化、步態(tài)周期截取等操作。運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)以時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化,動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)以體重標(biāo)準(zhǔn)化。采用四階巴特沃斯低通濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波,截止頻率分別為6 Hz和50 Hz[14]。將一個(gè)支撐相定義為患側(cè)腿踏上測(cè)力臺(tái)到離開測(cè)力臺(tái),其中包含第1雙支撐相(患側(cè)腿踏上測(cè)力臺(tái)開始到健側(cè)腿離開臺(tái)階結(jié)束)、單支撐相(健側(cè)腿離開臺(tái)階開始到健側(cè)腿再次踏上臺(tái)階結(jié)束)及第2雙支撐相(健側(cè)腿踏上臺(tái)階開始到患側(cè)腿離開測(cè)力臺(tái)結(jié)束)。

1.4 觀察指標(biāo)

將膝關(guān)節(jié)角度定義為遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)的延長(zhǎng)線與近端環(huán)節(jié)的夾角,膝關(guān)節(jié)力矩為采用逆向動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算的膝關(guān)節(jié)周圍肌肉產(chǎn)生的凈力矩[15]。髕股關(guān)節(jié)接觸力與應(yīng)力的沖量則為相應(yīng)的力與時(shí)間的積分[10]。根據(jù)Eijden和Power的模型[16-17]計(jì)算得到受試者樓梯行走時(shí)的髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征。具體計(jì)算過(guò)程如下:

LA=(0.000 000 08×x3)-(0.000 012 9×x2)+(0.000 28×x)+0.046

(1)

(2)

股四頭肌肌力(QF)為膝關(guān)節(jié)伸膝力矩(MEXT)與股四頭肌有效肌力臂(LA)的比值,LA為矢狀面膝關(guān)節(jié)角度(x)的函數(shù)。

(3)

PFJF(x)=K(x)×QF(x)

(4)

髕股關(guān)節(jié)接觸力(PFJF)為以x為自變量的函數(shù)K與QF的乘積。

PFCA(x)=(-0.000 1×x3)-(0.008 2×x2)+(3.507 1×x)+73.81

(5)

髕股關(guān)節(jié)接觸面積(PFCA)為x的函數(shù)。

(6)

髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力(PFJS)為PFJF與PFCA的比值。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布,采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較兩組的髕股關(guān)節(jié)力學(xué)指標(biāo)。顯著性水平設(shè)置為α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 健康組與PFP組上樓梯時(shí)髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征比較

由表2可知,與健康組相比,PFP組在上樓梯時(shí)表現(xiàn)出較小的髕股關(guān)節(jié)接觸力沖量(P=0.030)、髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值(P=0.024)及髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量(P=0.004),而膝屈曲角度峰值、伸膝力矩峰值、髕股關(guān)節(jié)接觸力峰值、平均髕股關(guān)節(jié)接觸面積均未見顯著性差異(P>0.05)。

表2 健康組與PFP組上樓梯時(shí)髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征

2.2 健康組與PFP組下樓梯時(shí)髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征比較

由表3可知,與健康組相比,PFP組在下樓梯時(shí)表現(xiàn)出較大的屈膝角度峰值(P=0.022)及較小的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量(P=0.019),而伸膝力矩峰值、髕股關(guān)節(jié)接觸力峰值、髕股關(guān)節(jié)接觸力沖量、平均髕股關(guān)節(jié)接觸面積、髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值均未見顯著性差異(P>0.05)。

表3 健康組與PFP組下樓梯時(shí)髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征

2.3 健康組與PFP組樓梯行走時(shí)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力曲線比較

由圖1可知,健康組與PFP組在樓梯行走時(shí)的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力曲線基本一致,只是峰值存在一定的差異性。在上樓梯時(shí),兩組的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力先增大,在單支撐相初期達(dá)到第一峰值,然后下降至支撐相的65%左右開始增加,到第2雙支撐相初期到達(dá)第二峰值,最后逐漸減小;在下樓梯時(shí),兩組髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力在第1雙支撐相末期增大至第一峰值隨后下降,至支撐相的50%左右開始增加,到第2雙支撐相初期達(dá)到第二峰值后逐漸減小。

圖1 健康組與PFP組在樓梯行走時(shí)支撐相內(nèi)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

3 討論

3.1 髕股關(guān)節(jié)疼痛對(duì)老年人上樓梯時(shí)髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征的影響

PFP降低了老年人在上樓梯時(shí)的髕股關(guān)節(jié)力接觸力沖量、髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值及髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量。老年人股四頭肌力量衰退,可能導(dǎo)致在上樓梯時(shí)表現(xiàn)出較大的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力變異性及膝關(guān)節(jié)特定的生物力學(xué)變化[18]。Duncan等人的研究顯示,樓梯行走導(dǎo)致較高的髕股關(guān)節(jié)接觸力峰值,是髕股關(guān)節(jié)疼痛的主要原因之一[19]。本研究顯示,與健康組相比,PFP組在上樓梯過(guò)程中的髕股關(guān)節(jié)接觸力峰值略微增加,髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值顯著下降,這可能是髕股關(guān)節(jié)接觸力峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的髕股關(guān)節(jié)接觸面積略微下降造成的。這與研究假設(shè)不一致。研究假設(shè)是基于PFP與髕股關(guān)節(jié)的過(guò)度應(yīng)激高度相關(guān)做出的[20],而在本研究中,PFP組可能會(huì)調(diào)整上樓梯時(shí)的下肢生物力學(xué)特征以減輕PFP。Crossley等人和Baker等人的研究與本研究結(jié)果一致,在上樓梯等高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中,PFP組通過(guò)降低股四頭肌肌力及髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力主動(dòng)降低髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷[21-22],以減輕PFP。本研究發(fā)現(xiàn),PFP組在上樓梯時(shí)表現(xiàn)出較大的膝關(guān)節(jié)屈曲角度,雖未見顯著性差異,但相比于健康組增加了20.4%。Brach等人和Fujikawa等人的研究發(fā)現(xiàn),較大的膝關(guān)節(jié)屈曲角度通過(guò)拉長(zhǎng)股四頭肌以增加其機(jī)械優(yōu)勢(shì),通過(guò)釋放較小的股四頭肌肌力即可保證上樓梯時(shí)下肢的支撐能力,同時(shí)結(jié)合較大的髕股關(guān)節(jié)接觸面積分散髕股關(guān)節(jié)接觸力,降低髕股關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)[23-24]。這兩種適應(yīng)性變化可能是因?yàn)镻FP組上樓梯時(shí)控制其髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力,并在單支撐期主動(dòng)降低髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力以減輕PFP。有研究表明,關(guān)節(jié)軟骨的退行性病變導(dǎo)致其易受壓力變化的影響,髕股關(guān)節(jié)無(wú)法承受較大的應(yīng)力[25]。因此,在上樓梯過(guò)程中,PFP組顯示出較小的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力可能歸因于PFP患者髕股關(guān)節(jié)的退行性病變,導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨無(wú)法正常吸收壓力性變化,從而產(chǎn)生了神經(jīng)肌肉的自我保護(hù)機(jī)制,通過(guò)主動(dòng)降低髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力以減輕PFP。研究顯示,相比于膝關(guān)節(jié)峰值力矩,膝關(guān)節(jié)力矩沖量更能充分準(zhǔn)確反映膝關(guān)節(jié)神經(jīng)肌肉控制和負(fù)荷[26]。因此,沖量可能比力的峰值更靈敏、有效地反映組間關(guān)節(jié)負(fù)荷的差異性。本研究發(fā)現(xiàn),與健康組相比,PFP組表現(xiàn)出較小的髕股關(guān)節(jié)接觸力沖量和髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量,這與假設(shè)不一致。本研究假設(shè)基于較高的髕股關(guān)節(jié)接觸力峰值和髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值導(dǎo)致較高的髕股關(guān)節(jié)接觸力沖量和髕股關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力沖量,本研究結(jié)果的出現(xiàn),可能是因?yàn)镻FP組在上樓梯時(shí)主動(dòng)采取較為謹(jǐn)慎的步態(tài)策略,通過(guò)主動(dòng)降低髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力降低髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷,以減輕PFP。

3.2 髕股關(guān)節(jié)疼痛對(duì)老年人下樓梯時(shí)髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征的影響

PFP降低了老年人在下樓梯時(shí)的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量。研究表明,PFP組比健康組表現(xiàn)出更高的髕股關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力[27]。因此在制定康復(fù)計(jì)劃時(shí),主要選擇以增強(qiáng)下肢肌肉力量為主的運(yùn)動(dòng)方式,同時(shí)降低髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力及PFP[27]。本研究顯示,在下樓梯過(guò)程中,PFP組的膝關(guān)節(jié)屈曲角度比健康組增加15.5%。膝關(guān)節(jié)屈曲角度和髕股關(guān)節(jié)接觸面的減少都會(huì)增加髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力,進(jìn)而導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨損傷[23-24]。因此,PFP組的膝關(guān)節(jié)屈曲角度增加可能歸因于PFP組在下樓梯時(shí)為了降低髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力而主動(dòng)采取的自我保護(hù)策略。研究表明,老年人可能會(huì)通過(guò)增加膝關(guān)節(jié)屈曲角度保證在下樓梯時(shí)下肢的支撐能力,降低跌倒風(fēng)險(xiǎn)[25],這也進(jìn)一步印證我們關(guān)于增加屈膝角度以降低髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力的猜想。下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)度是老年人保證樓梯行走跨過(guò)臺(tái)階而主動(dòng)采取的一種生物力學(xué)適應(yīng)策略[25]。本研究顯示,在下樓梯時(shí),健康組與PFP組的髕股關(guān)節(jié)接觸力峰值和髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值并未出現(xiàn)顯著性差異,這與假設(shè)不一致。猜測(cè)有兩方面的原因,一方面,樓梯行走等高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境可能掩蓋了組間髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征的差異性。Brechter等人的研究表明,與健康組相比,PFP組在上下坡或樓梯行走期間的矢狀面膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)并未表現(xiàn)出差異性。另一方面,可能是本研究選取的受試者PFP程度較輕。Asay等人和Kaufman等人的研究顯示,樓梯行走時(shí)生物力學(xué)特征的組間差異性與患病程度高度相關(guān),關(guān)節(jié)炎程度較重的患者在樓梯行走時(shí)表現(xiàn)出更大的軀干前傾角和更小的膝內(nèi)收力矩以降低膝關(guān)節(jié)負(fù)荷,而程度較輕的患者在樓梯行走時(shí)并未表現(xiàn)出與健康組的差異性[28-29]。本研究顯示,相較于健康組,PFP組的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量降低了46.9%。這可能是因?yàn)镻FP組在下樓梯時(shí)主動(dòng)采取謹(jǐn)慎的步態(tài)策略。較大的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量可能增加單支撐末期髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力,進(jìn)而增加PFP的風(fēng)險(xiǎn)[30]。另外,在下樓梯過(guò)程中,髕股關(guān)節(jié)接觸力峰值、髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值、髕股關(guān)節(jié)接觸力沖量及髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量均表現(xiàn)出略微的下降,這可能會(huì)降低髕股關(guān)節(jié)軟骨承受的負(fù)荷,進(jìn)而減輕下樓梯過(guò)程中的PFP。值得注意的是,雖然下樓梯時(shí)的力及沖量指標(biāo)均表現(xiàn)出略微的下降,但僅有髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量出現(xiàn)顯著性差異,這也進(jìn)一步印證了我們對(duì)于上樓梯時(shí)PFP組表現(xiàn)出較小的髕股關(guān)節(jié)接觸力沖量和髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量的解釋,髕股關(guān)節(jié)接觸力及應(yīng)力峰值雖能有效反映髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷[9],但髕股關(guān)節(jié)接觸力沖量及應(yīng)力沖量可能是觀察髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷更靈敏有效的指標(biāo)。

4 結(jié)論、建議和局限性

PFP老年人在樓梯行走尤其是上樓梯過(guò)程中表現(xiàn)出較小的髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征,這可能是PFP老年人主動(dòng)采取的自我保護(hù)策略。通過(guò)增加屈膝角度保證下樓梯時(shí)下肢提供足夠的支撐能力,降低髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值及髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量達(dá)到降低髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷的目的。因此,PFP老年人在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)可注重下肢肌肉尤其是股四頭肌肌力的鍛煉,同時(shí)采用更靈敏的髕股關(guān)節(jié)接觸力沖量及應(yīng)力沖量評(píng)價(jià)樓梯行走時(shí)的髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷。

本研究的髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征是基于模型計(jì)算得到的,是一種無(wú)創(chuàng)確定關(guān)節(jié)負(fù)荷的方法。雖然Enda等人和Kernozek等人的研究證實(shí)了本研究所采用的方法能較為準(zhǔn)確地反映髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷[31-32],但本模型將膝關(guān)節(jié)角度及力矩作為自變量,并未考慮股四頭肌對(duì)應(yīng)的拮抗肌(如腘繩肌和腓腸肌等)的影響,因此本結(jié)果可能略小于真實(shí)的髕股關(guān)節(jié)力及應(yīng)力。