膝骨关节炎患者膝内收力矩特征变化临床应用分析

刘世忠　刘皓月　宋乐　万春晓

【摘 要】 膝骨关节炎是临床上常见的骨关节退行性疾病，因其病因尚不明确且受影响因素较多，目前尚无非常完善的分级标准及根治方法。在诸多影响因素中，肌骨力学变化影响为其主要因素，其中，较高的膝内收力矩（KAM）是疾病进展的重要危险因素之一，然而其变化与临床症状及运动功能变化是否具有一致性还需进一步研究。从膝内收力矩发生变化的原因，不同影像学膝骨关节炎分级的膝内收力矩变化特征，及其与疼痛和步态变化等临床特征的关联，探讨其在膝关节炎临床治疗评估及力学辅具制作开发中的意义。

【关键词】 膝骨关节炎;膝内收力矩;步态分析;疼痛

膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）也称为膝关节退行性病变，是一种多因素导致的常见慢性骨关节疾病。目前，KOA的病因及发病机制尚不十分明确，临床症状主要表现为疼痛、功能障碍、僵硬等[1-6]。这一系列症状使患者步行、站立等受到严重影响，大大降低了患者的生活质量，由此导致的肥胖、心脑血管疾病进一步增加了其危害性[1，7]。因此，如何有效防治KOA是急需解决的问题。目前，临床上诊断KOA主要依靠临床症状及影像学检查。其中影像学主要依据X线片上膝关节间隙是否变窄、关节边缘是否骨质增生、软骨下骨是否硬化和囊性变进行诊断，常用标准大多采用Kellgren-Lawrence（K-L）方法进行分级[8]。但由于膝关节周围非骨组织等其他因素对疼痛、步态的干扰，放射学KOA与临床症状常存在不一致的变化，即疼痛程度很高，影像结构分级较低或出现相反情况[9-10]。在诸多影响因素中，老龄化及体质量改变导致的下肢生物力学变化被认为是其主要影响因素[11]。因此，近年来越来越多的治疗及评估更加注重KOA患者整个下肢力学的研究，其中膝内收力矩（KAM）为常用参考指标[12]。然而，KAM变化与临床症状及运动功能变化是否具有一致性目前尚无定论。鉴于此，本文通过分析KOA患者KAM发生变化的原因，不同影像学KOA分级KAM的变化情况，及以疼痛与步态为代表的KOA临床特征的关联状况，旨在为将KAM作为KOA临床治疗评估指标提供参考。

1 KAM变化的原因（与骨形态的关系）

KAM是指人体在站立或行走的过程中由向内的地面反作用力作用于膝关节中心所产生的力矩。KAM与KOA患者的关节附近骨形态变化有关[2-3]。

有研究表明，KAM与股内侧中央区域的软骨变化联系最密切，该区域是软骨损失最大的子区域[13]。而较高的KAM与胫骨内侧近端骨尺寸较大相关[14]。

可以认为，KAM的变化是骨形态变化与其他因素相互作用的结果，而生物力学的改变又会反过来影响KOA患者的影像学特征，这种相互影响关系促使KOA进程发展。

KAM相关参数主要为峰值与冲量。在病程发展中，较高的基线KAM冲量与2年内软骨内侧缺损相关[13]。BUTLER等[14]也提到，KAM的峰值与膝关节内侧腔的负荷相关。较大的KAM会将较高的压缩载荷集中在胫骨股内侧腔上，进而增加内腔的负荷[3，15-17]。这就可以解释，内腔KOA患者由轻度（K-L 2级）发展至中度（K-L 3级）过程中，KAM越大，胫骨内侧软骨缺损越严重[18]。KAM冲量与关节软骨缺损的严重程度和患病率都有关，而KAM峰值仅与关节软骨缺损的严重程度有关[14]。KOA患者的KAM冲量与胫骨内侧平台骨面积呈正相关，KAM峰值则没有发现这种相关性[19]。因此，KAM的峰值与冲量在评价特定骨形态变化时具有选择性。另有研究指出，生物力学负荷以及炎症影响的骨侵蚀被认为是KOA的根本因素[20]，关节负荷与软骨缺损和胫骨形态变化有很大的关联，而KAM在步态研究中经常是内腔负荷的替代量度[4，16]。由此可知，关节负荷与骨形态变化形成恶性循环，在步态分析中表现为KAM的变化。

此外，KOA患者膝关节的加载频率，即关节负荷的发生频率，也会改变关节软骨和软骨下骨[21]。

在步态的整个站立阶段，胫股关节均处于接合状态并承重，而髌股关节在行走过程中不承重，因而对于胫股关节软骨缺损的患者来说，步行可能是一种更能引起KOA症状的活动，而对于髌股关节软骨缺损的患者来说，爬楼梯或蹲下等活动更容易引起症状[22]。在膝关节内外腔发病率上，因内腔支撑着大约70%的关节负荷[23]，因此，内腔关节炎的患病率高于外腔。有研究表明，膝内腔关节炎患者的KAM峰值高于外腔KOA患者，而健康人通常介于外腔和内腔KOA之间[14]。与健康人相比，膝内腔KOA患者内腔负荷增加;膝外腔KOA患者可能会减少内腔的负荷，更多的负荷分布在外腔中[18]。因此，临床中也通常利用楔形垫、鞋垫、膝关节支具等纠正相应腔室的压力负荷，进而达到改善KOA患者疼痛和病情发展的目的[22]。

2 在步态分析中不同K-L分级的KAM变化情况

KAM在人体步態过程中具有相对固定的变化模式，KAM峰值和KAM冲量作为评价标准区分KOA患者具有较高可靠性。相关研究表明，KAM冲量的组内相关系数（ICC）评分更高于KAM峰值[18，23]。因此，在步态分析中将KAM相关参数与放射学KOA等级结合起来，具有辅助分类更为合理判断分级的作用。

在早站立期，任何K-L分级的KOA组之间均未观察到KAM峰值或KAM冲量的差异[24]。有症状的K-L 2级组比无症状的K-L 2级组具有更多的内翻畸形[25]。

在中站立期，K-L 2级有症状组与K-L 2级、K-L 0～1级无症状组比较，KAM峰值和KAM冲量均更高。K-L 2级无症状组与K-L 0～1级无症状组比较，没有KAM峰值或KAM冲量的差异[24-25]。

在末站立期，中度（K-L 3级）KOA患者的KAM冲量大于轻度（K-L 2级）和无明确影像学疾病（K-L 0～1级）的受试者，但KAM峰值比较，差异无统计学意义（P > 0.05）;中度（K-L 3级）KOA患者的KAM峰值大于无明确影像学疾病（K-L 0～1级）的受试者[10，24]。在中站立期和末站立期，第1个KAM峰值都高于正常水平，而第2个峰值仅在更严重的KOA患者中高于正常水平[17，26]。见表1。

由表1可知，在任何步行阶段，重度（K-L 4级）KOA患者的KAM峰值与冲量均大于其他K-L分级的患者，且在中站立期和末站立期，OA等级与KAM冲量最相关。这与HALL等[10]指出的在任何步行阶段重度（K-L 4级）和中度（K-L 3级）患者的KAM冲量与峰值均大于轻度（K-L 2级）的患者类似。

对患者步态进行分析在康复医学中有广泛的应用，但在步态分析中KAM或所有KAM参数不是所有情况的最优分析手段，比如患者在要求更高的单腿抬高任务中，膝关节的KAM峰值比步态周期中的峰值对变化更为敏感[27]。而表1可知，KAM冲量可能是基于K-L进行KOA研究比较敏感的步态参数，当检查KOA个体的步态模式时，比传统使用的KAM峰值提供更多信息。此外，与健康人和轻度患者相比，中度（K-L 3级）KOA患者在坐姿到站立伸展阶段（第3阶段）中在矢状面内髋关节力矩的贡献较高，而膝关节力矩的贡献较低[28]。虽然KAM的峰值与冲量并未能完全代表以K-L分级为代表的放射学KOA严重程度，但如表1所示，KAM与K-L分级变化的高度一致性仍在较大层面上体现了放射学KOA的相关特征，这为分析KOA放射学变化与其他功能变化及临床症状评估提供了一个有效的中间纽带，且在一定程度上比单纯的放射学KOA分级更加具有研究价值和评估意义。

3 KAM变化和疼痛的关系

疼痛与KAM变化具有较大的联系。KOA患者下肢肌群肌力变化会影响以KAM为代表的下肢生物力学结构，进而造成关节负荷分布以及骨形态的变化，导致局部损伤刺激，从而出现疼痛炎症。疼痛又可能会降低大腿肌肉的力量，疼痛较严重的参与者表现出较低的伸肌和屈肌力量，对腿部力矩也有很大的影响[29]。在疼痛过程中，KAM的2个峰值都明显降低，最大伸肌力矩明显降低，屈肌力矩峰值也明显减少[5，30]。BOYER等[30]研究发现，已经调整步态以减轻膝关节负荷的患者，不太容易出现运动引起的疼痛。同样的，有研究表明，接受6个月步态再训练的患者与对照组相比，KAM降低，关节疼痛和功能均有明显改善[31]。也有研究表明，中度KOA患者中，疼痛程度更高的患者在整个姿势中可以更稳定地激活外侧腓肠肌，这可能是人体在步态周期中抵消高内腔关节负荷的机制[32]。

不同K-L等级患者的KAM相关参数与疼痛的关系不同。轻度KOA（K-L 2级）患者的任何KAM相关参数与疼痛或身体机能之间均未观察到显著相关性，但在中度（K-L 3级）患者中发现较高的KAM冲量会导致疼痛加剧，而KAM峰值与疼痛或功能之间未有显著相关性。对于严重疾病（K-L 4级），较高的膝关节KAM冲量与减轻疼痛有关[10]。据此可知，KOA等级越高，KAM相关参数的解释力越小，而KAM相关参数与疼痛的关系取决于放射学KOA严重程度。注射缓解疼痛的药物后，虽然膝关节活动度没有明显变化，但KAM显著增加，步态趋于正常，由此可以看出，疼痛可通过对KAM的影响进而改变对患者步态的影响。但是，注射缓解疼痛的药物对患者进行上下楼梯活动的疼痛程度没有较明显的作用[33]。

针对KOA患者步态训练及单纯疼痛缓解相关研究表明，连续步行导致疼痛显著增加，而间歇性步行条件下的疼痛变化很小。超过30 min的步行运动锻炼可能会导致不良的关节负荷并增加疼痛，而多次练习代替连续一次练习相同的运动量可能对限制膝关节疼痛有益[34]。此外，膝关节疼痛缓解（如注射缓解药物）引起的膝关节负荷增加可能会导致软骨退变[23，33]。由此可知，通过单纯止痛（止痛药物注射）的方式对KOA进行防治，虽疼痛有所缓解，但并不会改善KAM甚至会导致其进一步增大。因此，在缓解KOA疼痛的同时，需进一步改善以KAM为代表的下肢生物力学改变状况，才能在既缓解疼痛症状的同时又能减缓KOA软骨退变，进而从根本上防止KOA的发生与发展。

综上可知，KAM变化与疼痛的关系分为两类，一类是疼痛通过刺激相关肌肉，抵消高内腔负荷，促使KAM降低，可认为是人体对高内腔负荷影响相关骨结构的保护机制;另一类是通过外部措施或步态锻炼使KAM降低，可观察到疼痛的明显改善。但是，高KAM冲量代表的高关节负荷的积累也会致使关节软骨损伤，从而加剧疼痛，推测这个通路在较低K-L等级的KOA患者中起主要作用，而疼痛刺激肌肉使得KAM参数降低的通路只在高K-L等级的KOA患者中起主要作用，K-L等级越高，KAM相关参数的解释力越小。

4 临床应用意义

相关研究表明，放射学分类具有局限性，无法找到放射学变化与自我报告功能之间的关系，无法显示骨赘或狭窄与残疾之间的显著相关性。早期KOA患者的功能（如残疾程度）与放射学变化之间可能存在更强的关系[35]。没有显著相关性的原因可能是，射线影像仅显示骨骼，而其他结构（尤其是肌肉和韧带）可能是更重要的功能決定因素。因此，当前普遍认为，KOA的严重程度及临床治疗效果评估，不能单纯依赖影像学标准判断，更多需要结合肌肉变化模式及疼痛改善情况加以评估和判断[36]。KAM作为反映膝关节负荷变化的参数，既能有效结合下肢影像学变化情况，又受肌肉收缩模式及疼痛的影响。因此，本文探讨了KAM参数变化与关节形态结构变化的关系，并总结了在步态分析中不同K-L分级的KAM变化情况及与疼痛的相关变化情况，指出了KAM将单纯影像学评估、下肢运动功能及疼痛变化有机结合，能较好地评估KOA患者下肢变化情况，且指出了其中的相关关系，可供临床更好地评估应用。但由于KAM对肌肉活动产生的关节负荷影响反应较弱，因此，可能低估了KOA患者的实际负荷[15]。在后期临床应用过程中，可进一步借助表面肌电、步态分析、超声、磁共振等相关技术，准确评估KOA患者的结构变化与临床特征的相关影响及联系，为KOA的评估及治疗提供更科学全面的依据。

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收稿日期：2021-01-15;修回日期：2021-02-10

作者單位：1.天津医科大学总医院，天津 300052;2.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072

通信作者：万春晓 天津市和平区鞍山道154号，wcx2226@163.com，（022）60817328