老年与青年下肢关节生物力学特征研究

王航辉，宋依芯*，韩为华，朱正飞，李涤尘，靳忠民，刘西纺*，朱文侠

(1.西安交通大学附属红会医院关节外科，陕西 西安 710054；2.西安外事学院，陕西 西安 710077；3.西安交通大学机械工程学院机械制造系统国家重点实验室，陕西 西安 710054；4.英国利兹大学机械工程学院医学与生物工程研究所，英国 利兹 LS29JT；5.延安大学医学院，陕西 延安 716000)

目前在欧洲35～74岁的人中有近5%～15%的人患有膝关节骨关节炎(knee osteoarthritis，KOA)，年龄>45岁的美国成人中至少有19%的人患有KOA[1-5]，我国亦呈现明显增长趋势。由于KOA引起的健康问题日益突出，因而给社会造成了严重的经济负担。世界范围内的一项大规模的研究表明，KOA仍没有治愈的方法。因此，目前最好最有效的治疗方案就是早期预防与干预。大量的证据表明，KOA是由机械负荷和炎症对关节组织的破坏而引起的[6-7]。如何在KOA发病之前对老年人、青年人进行有效的力学超前预防成为一个全新的研究热点。近年来，随着生物力学研究技术的不断成熟和发展，越来越多的学者致力于如何通过生物力学矫正方法来预防与治疗KOA的研究。而生物力学作为一种新型的干预模式，因其花费较低，无创伤，且能有效地减轻疼痛，目前正被广泛地运用于KOA的预防与治疗中[8-10]。三维步态分析系统能客观、定量地评定人在运动状态下关节的受力情况，在临床发病前期干预中具有重要意义。本研究拟通过对健康老年人、青年人的运动特征研究，从生物力学的角度探究其发生骨关节炎的风险并提供靶向性的活动指导，为超前预防骨关节炎提供理论基础。

1 资料与方法

1.1 研究对象 老年组为10例健康老年人，青年组为10例健康青年人。根据现代人生理、心理结构上的变化，世界卫生组织(world health organization，WHO)将人的年龄界限作了新的划分：青年人为18～40周岁，中年人为45～59周岁，老年人为60～89周岁。研究对象的基本信息见表1，基本信息除年龄外，差异均无统计学意义(P>0.05)。纳入标准：研究对象下肢各关节无严重病变或实施过关节手术，可单独完成正常行走及日常生活，无神经及功能缺陷，视力良好、行走耐力良好、身体质量指数(body mass index，BMI)<30 kg/m2。排除标准：患有心脏病、糖尿病、高血压、呼吸系统疾病、脊柱畸形、风湿性及类风湿性疾病、强直性脊柱炎。所有研究对象行步态采集前均被告知研究相关信息并签署知情同意书。

表1 研究对象基本信息

1.2 三维运动分析系统 三维运动分析系统是由Vicon(Oxford Metrics Inc，UK)运动捕捉系统和第三方设备AMTI(AMTI Corporation，USA)测力台组成(见图1)，前者用于捕捉采集对象的运动学参数(行走速度、关节角、角速度等)，后者用于捕捉采集对象与地面的动力学参数(地面反作用力和力矩)。

图1 三维运动分析系统试验室布局

1.3 方法 采用带10个红外摄像仪的Vicon运动分析系统和AMTI三维测力板采集研究对象水平行走时的步态。测量研究对象身高、体重、肢体长度等常规参数，应用红外反光标志点小球标记研究对象骨性标志。收集5次踩测力板正常且标志点轨迹连续的步态数据保存备用。

1.4 数据处理 将三维步态c3d文件导入骨肌多体动力学软件AnyBody(AnyBody Technology A/S，V.6.03，Aalborg，Denmark)，建立研究对象的个性化骨肌模型，进行运动学和动力学分析得到相应的生物力学数据。

2 结 果

2.1 时间-空间参数 老年组：步行周期为(1.24±0.18)s，水平跨距为(1.24±0.35)m；青年组：步行周期为(1.08±0.07)s，水平跨距为(1.50±0.10)m。老年组的步行周期显著增加，水平跨距减小，水平行走速度下降。青年组步行周期明显缩短，水平跨距增大，水平行走速度上升。两组步行周期及水平跨距比较，差异有统计学意义(P<0.05)。

2.2 下肢关节运动学 一个完整步态周期内下肢各关节角度的变化曲线见图2～4。绿色曲线为青年组，红色曲线为老年组。关节角图像：老年组个体的关节角曲线覆盖范围较青年组更大，意味着关节角的个体差异在老年组中较为明显。两组的膝关节屈伸峰值分别为(64.8±8.6)°、(66.8±2.9)°，两组之间比较差异无统计学意义(P>0.05)。膝关节屈伸活动度：老年组膝关节屈伸度缺乏典型的“两峰一谷”特征，主要原因在于第一个波峰不明显，波谷较平，而青年组膝关节屈伸度呈现典型的“两峰一谷”特征。

2.3 下肢关节动力学 一个完整步态周期内下肢各关节合力的变化曲线见图5～7。红色曲线代表老年组，绿色曲线代表青年组。关节力图像提示，老年组的髋、膝、踝关节力曲线个体差异较大，且曲线分布较分散，波峰相位差别较大，青年组的关节力曲线相对紧密且平缓；老年组与青年组的踝关节力峰值分别为7.37 BW、6.45 BW，老年组的踝关节力峰值大于青年组(P<0.05)，表明踝关节力峰值的增加可提示老年人罹患膝关节骨关节炎的风险。

3 讨 论

3.1 KOA发病及早期生物力学研究的重要性 KOA是最常见的一种可引起关节疼痛和活动受限的退行性关节病，也是慢性疼痛和残疾的主要来源[1-2]。KOA间接导致社会隔离、工作能力下降、抑郁等，从而造成生活质量下降[3-4]。据统计，骨关节炎的总成本(包括直接和间接成本)约占美国国内生产总值的2.5%(美国疾病的总负担的80%以上)，相当于4 000多亿美元[1]。KOA的早期预防与干预是社会关注的焦点。本研究借助三维步态分析系统采集并分析了老年与青年健康个体水平行走时的运动特征，采用生物力学方式评估了老年与青年健康个体的下肢各关节活动范围和关节载荷，对于探讨日常功能性活动对人的下肢生物力学影响、超早期预防膝关节骨关节炎、指导日常活动具有较高的价值。

3.2 老年与青年生物力学参数特征 本研究发现，老年组水平行走步态中步行周期显著增加，水平跨距减小，运动学的个体差异较大，膝关节屈伸度缺乏典型的“两峰一谷”特征，踝关节力峰值较青年组偏大。正常人水平行走时，两个波峰分别出现在支撑相和摆动相，支撑相的屈膝波峰在正常人水平行走时的15%步态周期时刻出现，此时人体下肢呈现“支撑足屈膝-降低身体重心-重心侧移-伸对侧足”的步态行为来实现水平前进。老年组的第一个波峰偏小，接近水平，意味着支撑相屈膝程度较小，导致身体重心下降程度较小，进而导致水平跨距较小。下肢关节运动学研究发现，老年组的髋膝踝关节力曲线分布较分散，青年组则相对紧密、平缓。老年组踝关节力峰值明显高于青年组，提示膝关节骨关节炎超早期的生物力学改变可能从踝关节开始。关节力曲线的改变与踝关节力峰值的增加可作为下肢关节机械载荷增加的超早期生物力学标记物。

图2 水平行走时的髋关节屈伸角 图3 水平行走时的膝关节屈伸角 图4 水平行走时的踝关节屈伸角

图5 水平行走时的髋关节合力 图6 水平行走时的膝关节合力 图7 水平行走时的踝关节合力

老年人水平行走时的踝关节合力较青年人偏大，增大了其罹患踝骨关节炎风险。临床研究表明[11]，老年人水平行走时伴随一定程度的足内翻，可能是导致老年人踝关节力偏大的主要原因。正常水平行走时，踝关节内侧受力更大，长期载荷的累积容易导致踝关节内侧软骨的退行性改变，因而中老年人在水平行走时踝关节进行适应性调整，这一策略又进一步加剧内侧应力集中，进而发展为骨关节炎。宜在检测到踝关节力偏大时，即佩戴个性化矫形鞋垫来纠正下肢的受力情况，以期延缓或扭转骨关节炎的发展。

3.3 本研究的建议 基于本研究，建议如下：a)鉴于老年人时间-空间参数改变及运动学参数，建议中、老年人增加步速，增大跨距，平素增加运动量与有氧运动；b)“两峰一谷”特征可作为中老年人是否最终发展为KOA超早期的生物力学衡量指标。当缺乏典型的“两峰一谷”特征时，该类人群可通过步态矫正训练(gait modification training program，GMTP)，如内外旋步态训练、视觉反馈步态训练、足外翻步态训练、裸足步行训练等[12]或佩戴3D打印个性化矫形鞋垫[13-17]来预防或阻止KOA的发生与发展；c)关节力曲线的改变与踝关节力峰值的增加可作为下肢关节机械载荷增加的超早期生物力学标记物；d)大于45岁中老年人每1～2年可进行三维步态测试[1]。

3.4 本研究的局限性 本研究的局限性如下：a)样本含量较少，拟在后续研究中增加样本含量与不同年龄阶段人员；b)性别因素对双下肢生物力学特征的影响，招募青年组男性较容易，拟在以后的研究中扩展青年女性的相关数据[18]；c)本研究将人体上肢视为相对下肢固定不动的刚体，忽略了运动过程中人体上肢摆动对下肢的影响。因此，在后续的研究中可引入上肢的运动，并将此方法应用于上肢关节的生物力学研究。

3.5 总结与展望 三维步态分析系统在中、老年人罹患KOA与踝骨关节炎的风险有较好的预测价值。老年人水平行走步态的步行周期增加，水平跨距减小，运动学的个体差异较大，膝关节屈伸度缺乏典型的“两峰一谷”特征，踝关节力峰值较青年组偏大。如何逆转中、老年人的生物力学特征？KOA发生与发展的生物力学详细机制？如何开发出风险较小的GMTP训练方式或接近患者弹性模量的矫形鞋垫仍有待于进一步研究。