首页 > 论文范文 > 医药卫生论文 > 外科论文 > 骨关节论文 > 超重对膝骨性关节炎患者登梯下肢生物力学的影响

超重对膝骨性关节炎患者登梯下肢生物力学的影响

2024-10-24 67 上传者：管理员

摘要：目的:采用三维步态分析观察超重膝骨性关节炎(KOA)患者和正常体重KOA患者登梯时空参数与动力学参数的差异,分析超重对KOA患者登梯下肢生物力学的影响。方法:将32例KOA患者根据体质量指数分成正常体重组(18.5≤BMI<24)和超重组(24≤BMI<28)各16例,进行登梯步态检测,分析上、下梯时空参数与动力学参数的差异。结果:在登梯时空参数及足偏角方面,超重组上梯时跨步长及足偏角大于正常体重组,差异有统计学意义(P<0,05)。在登梯动力学参数方面,上梯时超重组踝关节跖屈肌峰力矩和伸膝肌峰力矩显著大于正常体重组(P<0.05);下梯时超重组踝关节跖屈肌峰力矩、屈伸膝肌峰力矩及膝内收力矩峰值1均显著大于正常体重组(P<0.05);上梯超重组的足偏角大于正常组(P<0.05)。结论:超重患者相对于体重正常患者,登梯时下肢生物力学已有明显的变化,主要表现在膝和踝关节的矢状面和额状面的关节负荷的增加,尤其下梯时可能更明显。提示KOA患者控制体重以减轻关节负荷,延缓病程的发展的重要性。

关键词：
动力学参数
时空参数
生物力学
登梯
膝骨性关节炎
加入收藏

体重增加是膝骨性关节炎（knee osteoarthritis,KOA）发病的高危因素，会导致膝关节内压力负荷的增加及关节软骨退化的加速[1-2]，因此肥胖患者KOA的发病率比正常体重者高出4倍[3]。鉴于目前人口老龄化发展迅速，再加上人群肥胖和超重的患病率逐年上升[4-5]，预计KOA的发病率在未来十年内将会迅速增加。登梯是维持人在社会及家庭生活中独立性必不可少的活动[6]，对老年人而言，登梯是一项挑战性的日常功能活动，摔倒常常是在登梯时踏空或绊倒时产生[7]。超重导致关节负荷压力增加，这一现象在登梯时表现更为明显[8-9]。与平地步行比较，登梯活动时下肢髋、膝、踝关节等需要更大的活动度和力矩，其运动难度明显加大，KOA患者常表现为登梯困难。此外，体质指数（body mass in‐dex,BMI）越高者，其上下梯难度越大[10]，目前研究多局限在肥胖与KOA步态等方面，超重作为肥胖的前期阶段，下肢生物力学可能也已发生变化。步态分析作为动态生物力学的研究方法，可帮助深入了解超重对登梯这一日常生活的影响，为KOA患者的康复干预方案提供客观参考依据。因此，本研究采用三维步态分析系统比较超重KOA患者和正常体重KOA患者登梯步态的时空参数与动力学参数的差异，了解超重对KOA患者登梯步态的影响，同时也为早期干预KOA患者的风险因素提供量化依据。

1、资料与方法

1.1一般资料

课题组于2016年7月至12月从福州市鼓楼区各社区及福建中医药大学附属康复医院门诊招募并筛选出符合诊断标准的KOA患者，依据《中国成人超重和肥胖症预防与控制指南》[11]，选择符合纳入标准的32例KOA患者（男5例，女27例），分为正常体重组（18.5≤BMI<24）和超重组（24≤BMI<28）各16例，两组患者性别、年龄、病程、Kellgren/Lawrence(K/L）分级及WOMAC评分差异均无统计学意义（P>0.05），具有可比性，见表1。

1.2诊断标准

符合2010年中华医学会风湿病学分会起草的《骨关节炎诊断及治疗指南》的临床诊断标准：(1)近1个月大多数时间有膝关节疼痛；(2)有骨摩擦音；(3)晨僵时间≤30min;(4)年龄≥38岁；(5)有骨性膨大。满足第(1)+(2)+(3)+(4)条或第(1)+(2)+(5)条或第(1)+(4)+(5)条者可诊断为KOA。

1.3纳入与排除标准

1.3.1纳入标准

(1)符合KOA临床诊断标准者；(2)影像学诊断膝关节骨赘形成者；(3)年龄38～80岁；(4)Kellgren/Law‐rence(K/L）标准定为2或3级，无需帮助能自己在平地行走至少6 m及上下四级台阶者；(5)自愿参与本研究且签署知情同意书者；(6)正常体重组18.5≤BMI<24；超重组24≤BMI<28[11]。

1.3.2排除标准

(1)存在各种急性化脓性或传染性疾病、严重肺结核等疾病者；(2)其他由于肌肉骨骼系统或神经系统的疾病影响步态者，如类风湿性关节炎、脑卒中等；(3)对医用酒精及医用胶布过敏者。

1.3.3剔除标准

(1)出现严重不良事件或严重不良反应者；(2)由于不符合纳入标准而被误入本研究者；(3)不愿意参加本研究，中途主动提出退出者；(4)研究人员认为有其他情况而应该终止者。

1.4研究方法

1.4.1荧光标记物的放置

依据CAST下肢模型[12]要求，在患者身上放置好各部位的反光标记点（marker，直径为10 mm），包括：左右侧髂前上棘、髂后上棘、股骨大转子、大腿外侧中段、股骨内上髁、股骨外上髁、小腿外侧中段、内踝、外踝、足跟、第一趾骨头背侧缘、第二趾骨头背侧缘、第五趾骨头背侧缘。

1.4.2登梯数据采集

运用Cortex 2.1三维运动分析系统（Motion Analysis Corporation,美国）的工作站对8部Eagle-4红外摄影机（美国，采样频率为100 Hz）进行校准后开始进行数据采集，患者熟悉实验室走道及登梯台阶之后开始正式记录数据。要求患者以自我感觉舒适的步速在平地行走约4 m后，进行三级定制台阶登梯试验（美国AMTI stairs），每级高度177.8mm，深度267.0 mm，患者在上下梯过程中不允许两只脚同时踩在同一级台阶上或越级，要求每侧腿分别需要上下两级台阶，上梯和下梯需每次各采集6次有效数据。

1.4.3登梯数据分析

数据采集完毕后，先通过Cortex2.1.0软件选取登梯过程中的动、静态数据文件，定义相应marker的名称，三次样条插值法对动态数据过程中出现的由于遮挡等原因导致丢失的点进行补点操作，以保证每条有效数据均不存在marker缺失现象（静态数据预处理过程不允许存在丢点现象，否则全部重新进行动静态数据的采集工作）。随后使用Cortex系统中自带的低通滤波器（Butterworth，四阶6 Hz）对动态数据进行平滑处理。接着将由于反光等原因导致Cortex系统采集到的伪点进行删除，随后保存文件，并导出C3D文件格式，用于导入数据分析软件Visual 3D(C-Motion，美国）进行下肢静态骨骼模型构建和数据分析。

1.5结局指标

1.5.1时空参数和足偏角

其中时空参数包括步速、步宽、跨步长、步长、步长时间、步行周期、支撑时间、摆动时间、步频、首次双支撑时间。

1.5.2动力学参数

通过测力台获取上下梯站立期时的数据，通过逆向动力学（inverse dynamics）原理计算矢状面上髋关节、膝关节、踝关节屈伸肌群峰力矩，冠状面上膝关节内收力矩（external knee adduction moment,EKAM）。所有的关节力矩均为内力矩（肌力矩，muscle moment），包括最大伸髋肌力矩、最大屈伸膝肌力矩、最大踝跖屈肌力矩，膝关节冠状面上第一、第二内收峰力矩（peak external knee adduction mo‐ment,PEKAM1/2）。文中所示伸髋肌力矩、屈伸膝肌力矩、踝跖屈肌力矩均为患者步态周期中支撑相中的最大内力矩。

1.6统计方法

采用SPSS 28.0软件进行数据分析。计量资料以均值加减标准差表示，两组间均值比较采用两独立样本t/t′检验，自身前后对照均值比较采用配对t检验。无序计数资料以频数（f）、构成比（P）表示，采用χ2检验。两样本等级资料比较，采用秩和检验。以α=0.05为检验水准。

2、结果

2.1时空参数和足偏比较

在登梯时空参数及足偏角方面，超重组上梯时跨步长及足偏角大于正常体重组，差异有统计学意义（P<0.05），其余参数组间差异无统计学差异（P>0.05），见表2。

2.2动力学参数比较

在登梯动力学参数方面，上梯时超重组踝关节跖屈肌峰力矩和伸膝肌峰力矩显著大于正常组（P<0.05），下梯时超重组踝关节跖屈肌峰力矩、屈伸膝肌峰力矩及PEKAM1均显著大于正常组（P<0.05），其余参数组间差异无统计学意义（P>0.05）。表中数值均为步态周期中支撑相中的最大内力矩，见表3。

表1 两组患者一般资料比较（f,

表2 登梯时空参数结果及足偏角比较

表3 登梯动力学参数结果比较（Nm,

3、讨论

有研究显示，在时空参数方面，与健康成年人比较，KOA患者登梯过程中的步速降低，步长、跨步长减小，单支撑相、摆动相缩短，首次双支撑相、支撑相延长，步宽増加，这表明KOA患者登梯效率的下降[13]。本研究登梯时空参数仅显示出跨步长的变化（P<0.05），可能是因为左右步长差异叠加显示出的统计学差异，但由于台阶的深度是固定的，因此此距离参数暂无特殊意义。步速、步宽、步长、步长时间、支撑时间、摆动时间、支撑时间、步行周期、步频、首次双支撑时间这些时空参数均未见显著性差异（P>0.05），这提示超重KOA患者与正常体重KOA患者相比较，其登梯效率无明显下降。有研究表明，步速会影响KOA患者的动力学参数，步速增加可能导致关节负荷的增加[14]，且以矢状面的关节力矩为著，因此在登梯过程中，肥胖者可能会采取降低步速的策略来减小地面反作用力和关节内力矩[15]。本研究结果表明，超重组和正常组KOA患者在上、下梯过程中的步速均未见显著性差异（P>0.05），可能是由于本研究中纳入的对象仅为超重，未达到肥胖，因此暂不需要采取降低步速的步态补偿策略来减小膝关节力矩。

足在着地时，地面反应力作用于膝关节内侧，产生一个内翻趋势的力矩，称为膝内收力矩（Exter‐nal knee adduction moment,EKAM），其与KOA的疼痛与僵硬、躯体功能下降有关[16]。KOA好发于膝内侧间室，EKAM可作为衡量膝关节负荷的指标，其与KOA的发病风险的大小与病程进展快慢明显正相关[17]，常常是KOA研究的热点。据报道，EKAM每增加一个百分单位，发展为膝内侧间室骨性关节炎（osteoarthritis,OA）的风险将会增大6.5倍。KOA病情越严重，则EKAM的增加愈明显[18]。相关研究[1,19]提示肥胖者易发KOA且其病程进展速度加快。本研究表明，超重组的KOA患者下梯时的PEKAM1较正常体重组KOA患者显著增加（P<0.05），反映了下梯过程中KOA患者超重组膝关节所承受的压力显著高于正常体重组，且下梯关节负荷大于上梯，因此在超重者中已经反映出关节负荷EKAM的增加。当KOA患者采用加大足偏角的姿势进行登梯时，在上梯时PEKAM2显著下降[20]；同时有研究表明肥胖者会采取加大足偏角的运动模式[21]，因此本研究中超重者上梯时的PEKAM2未显示出组间差距（P>0.05），超重组在上梯时足偏角较正常体重组增大（P<0.05），因此可能是因超重组采取了加大足偏角等代偿策略来降低PEKAM2，使上梯时两组PEKAM2未出现组间差异。

KOA患者与正常人相比呈现一种僵硬的步态模式，且大多存在股四头肌肌力下降的现象，从而出现伸膝力矩的下降，进一步导致膝关节稳定性的下降[22]。有研究显示，BMI越高者，其关节稳定性越差[23]，因此在步行时需要增加屈伸肌群的协同收缩来提高步行稳定性，因此这种僵硬的步态模式可能表现为支撑期膝关节屈曲力矩的增大[24]。本研究中上下梯时超重组膝伸肌峰力矩，下梯时膝屈肌峰力矩均显著大于正常组（P<0.05,P<0.05），说明两组肌群的协同收缩可能大于正常体重者，这与相关研究一致[15,25]。

为了降低膝关节力矩，KOA患者采取髋或踝代偿策略，有研究显示高活动功能水平者更依赖踝策略来保障步行的能力[26]。踝跖屈峰力矩是膝关节内压力的最大预测因子，其大小与膝关节内压力呈正相关，本研究上下梯时超重组踝关节跖屈肌峰力矩显著大于正常组（P<0.05），说明超重组的膝关节内压力可能显著大于正常组。相关研究表示，KOA患者会采取增大踝跖屈力矩的方式以增加其动态稳定性，当具有较高的动态稳定性控制力的KOA患者在进行下梯运动时，其身体重心会前移，提示KOA患者会通过增大踝关节背屈角度的方式进而增大踝关节跖屈肌力矩[27]。本研究中的超重组KOA患者在上下楼梯时可能同样采取增加踝跖屈力矩的方式以增加其动态稳定性。但上下楼梯的髋伸肌群峰力矩未显示出组间差异（P>0.05），说明可能超重组KOA患者相对于正常体重组仅采取了踝代偿策略，尚未采取髋代偿策略，代偿尚局限，控制能力及活动水平尚好。

由于超重者体表面积相对较大，身体组织相对增加，因此在测试过程中标记点在皮肤产生位移导致的误差可能较大，但目前尚无研究显示超重者与正常体重者在此方面有差异。同时，本研究仅涉及步态时空参数及动力学参数，未来还需要结合运动学数据及表面肌电图观察肌肉活动情况，进一步探讨超重对KOA患者的登梯活动的影响。同时，时空参数尚未体现明显组间差异，可能是由于本研究样本量较小，结果可能有待进一步考证，因此在未来的研究中，可以进一步扩大样本量进行研究。

综上所述，本研究结果表明超重对KOA患者生物力学影响较大，超重KOA患者相对于体重正常KOA患者，登梯时下肢生物力学已有明显的变化，主要表现在膝和踝关节的矢状面和额状面的关节负荷的增加，且对下梯的影响可能更明显。肥胖是KOA的风险因素，提示KOA患者控制体重以减轻关节负荷，延缓病程的发展的重要性。

参考文献:

[4]中国营养学会肥胖防控分会,中国营养学会临床营养分会,中华预防医学会行为健康分会,等.中国居民肥胖防治专家共识[J].中国预防医学杂志,2022,23(5):321-339.

[5]中国居民营养与慢性病状况报告(2020年)[J].营养学报,2020,42(6):521.

[11]中国肥胖问题工作组.中国成人超重和肥胖症预防与控制指南(节录)[J].营养学报,2004,(1):1-4.

基金资助:国家自然科学基金(81273819,81774384);福建省科技厅科技平台建设项目(2015Y2001);福建省科技厅引导性项目(2017Y0046);

文章来源:喻娇,王芗斌,侯美金,等.超重对膝骨性关节炎患者登梯下肢生物力学的影响[J].中医康复,2024,1(11):6-10.