膝骨关节炎患者上下梯过程中膝关节的稳定性特征分析

刘本科　陈博　熊凤　侯美金　姚如婕　林紫玲　李镇辉　傅升星　杨凤娇　王芗斌

【摘 要】目的：通過研究膝骨关节炎患者与无膝骨关节炎症状者上下梯过程中膝关节加速度的差异，分析其与垂直地面反作用力、肌肉共激活指数之间的关系，探寻膝骨关节炎患者上下梯易跌倒的原因。

方法：通过三维运动分析系统，采集与分析24例膝骨关节炎患者及16例无膝骨关节炎症状受试者在上下梯过程中支撑期膝关节矢状面线加速度峰值、垂直地面反作用力第一峰值、第二峰值;通过无线表面肌电图同步采集上下梯过程中股外侧肌/股内侧肌、股外侧肌/股二头肌、股内侧肌/腓肠肌内侧头的共激活指数。结果：上梯过程中，膝骨关节炎患者膝关节线加速度峰值、股外侧肌与股二头肌共激活指数显著增高（P < 0.01），垂直地反力第二峰值显著降低（P < 0.05）;膝骨关节炎患者膝关节线加速度峰值与垂直地反力第二峰值呈负相关（r = -0.43，P < 0.05），垂直地反力第二峰值降低是膝骨关节炎患者膝关节线加速度峰值增高的影响因素（P < 0.05）。下梯过程中，膝骨关节炎患者股外侧肌与股二头肌共激活指数显著增高（P < 0.01），垂直地反力第二峰值显著降低（P < 0.05）。结论：在上梯过程中，膝骨关节炎患者的膝关节稳定性降低，垂直地反力第二峰值降低是影响膝骨关节炎患者膝关节稳定性的危险因素。

【关键词】 膝骨关节炎;关节稳定性;线加速度;肌肉共激活;地面反作用力

Analysis of Stability Characteristics of Knee Joint in the Process of Ascending and Descending Stairs in Patients with Knee Osteoarthritis

LIU Ben-ke，CHEN Bo，XIONG Feng，HOU Mei-jin，YAO Ru-jie，LIN Zi-ling，LI Zhen-hui，FU Sheng-xing，YANG Feng-jiao，WANG Xiang-bin

【ABSTRACT】Objective：To study the difference of knee acceleration between patients with knee osteoarthritis and those without such symptom，analyze its relationship with vertical ground reaction force and muscle co-activation index，and explore the reason why patients with knee osteoarthritis are easy to fall up and down the stairs.Methods：Through the three-dimensional motion analysis system，twenty-four patients with knee osteoarthritis and 16 subjects without symptoms of knee osteoarthritis were collected，analyzing the peak value of sagittal linear acceleration of knee joint and the first，second peak values of vertical ground reaction force during support period while ascending and descending stairs.Through wireless surface electromyography，the coactivation indexes of lateral femoral muscle/medial femoral muscle，lateral femoral muscle/biceps femoris muscle and medial femoral muscle/medial head of gastrocnemius muscle were synchronously collected.Results：In the process of ascending stairs，the peak value of linear acceleration of knee joint and the co-activation index of lateral femoral muscle and biceps femoris in patients with knee osteoarthritis increased significantly（P < 0.01），and the second peak value of vertical reaction force decreased significantly（P < 0.05）.The peak value of knee linear acceleration in patients was negatively correlated with the second peak value of vertical reaction force（r = -0.43，P < 0.05）.The decrease of the second peak value of vertical reaction force was the influencing factor of the increase of peak value of knee linear acceleration in such patients（P < 0.05）.In the process of descending stairs，the co-activation index of lateral femoral muscle and biceps femoris muscle in patients increased significantly（P < 0.01），and the second peak of vertical reaction force decreased significantly（P < 0.05）.Conclusion：In the process of ascending stairs，the stability of the knee joint in patients with knee osteoarthritis decreases，and the decrease of the second peak of vertical ground reaction force is a risk factor affecting the stability of the knee joint.

【Keywords】knee osteoarthritis;joint stability;linear acceleration;muscle co-activation;ground reaction

跌倒是中老年人意外受伤的最常见原因[1]，据统计，10%的中老年人跌倒发生在上下梯的过程中[2]。膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是常见的肌肉骨骼疾病[3-4]，我国KOA患病率为8.5%[5]。与无KOA症状者相比，KOA患者上下梯能力更差，跌倒风险更高[6]。维持膝关节稳定性是防止KOA患者跌倒的重要因素[7]。KOA患者由于下肢力线不齐、肌力下降及膝关节韧带松弛，膝关节稳定性降低[8]。据统计，60%的患者自述存在膝关节不稳[9]，12%的KOA患者存在跌倒经历[10]。与平地行走相比，上下梯需要更大的肌肉和关节控制能力，对维持膝关节稳定性的挑战更大。

研究表明，膝关节稳定性与膝关节加速度呈负相关，在运动科学中膝关节线加速度值反映膝关节受力的变化，更大的数值代表膝关节受到更大的冲击或缓冲能力减弱，膝关节稳定性降低[11-12]。研究发现KOA患者在步行及单腿支撑过程表现出更高的膝关节线加速度[13-15]，提示KOA患者平地行走存在膝关节不稳定，但目前关于KOA患者上下梯过程中膝关节稳定性的研究较少。

自我感觉存在膝关节不稳定的患者在步行過程会采用减小地面反作用力[13]和增加膝关节周围肌肉共激活[16]的步态策略，其目的是为稳定膝关节。研究表明，相比优势侧下肢，KOA患者非优势侧下肢稳定性更差[7]，而与平地步行相比，上下梯是一项更具挑战性的任务。故探讨KOA患者上下梯过程中非优势侧腿支撑期膝关节的稳定性及其与患者下肢肌肉共激活、地面反作用力之间的关系，有助于明确KOA患者上下梯易跌倒的原因。

1 临床资料

1.1 一般资料 选取2019年5月至2020年1月在福建中医药大学周边社区招募并筛选出符合纳入、排除标准的KOA患者24例作为KOA组，患者双侧膝关节病变程度、疼痛水平基本一致。无KOA症状受试者16例作为对照组，受试者身高、体质量、年龄与KOA患者相匹配。详见表1。本研究经福建中医药大学附属康复医院伦理委员会批准，伦理批件号2018KY-006-1。

1.2 诊断标准 按照《骨关节炎诊疗指南（2018年版）》的临床诊断标准[17]。

1.3 纳入标准 ①符合上述诊断标准，为双侧KOA患者;②影像学诊断膝关节骨赘形成，双侧病变程度基本相同;③年龄50～80岁;④Kellgren-Lawrence（K-L）标准定为Ⅱ或Ⅲ级，无需帮助能上下四级梯;⑤自愿参加并签署知情同意书。

1.4 排除标准 ①合并各种急性、传染性疾病，内脏功能不全者;②合并其他神经系统或肌肉骨骼系统疾病者;③单侧KOA患者或双侧病变程度相差超过1级的患者;④严重认知障碍（蒙特利尔认知评测< 18分）者。

2 方 法

2.1 数据采集 根据校准解剖系统技术（CAST）[18]方案在受试者的相应位置粘贴或捆绑55个直径14 mm的荧光标记物，标记点部位包括骨盆（双侧髂前上棘、髂后上棘），大腿（双侧股骨大转子、大腿中部、股骨内外上髁），小腿（双侧小腿中部、内外踝）及足部（双侧第5趾骨背侧缘、第2趾骨背侧、第1趾骨背侧缘、足跟）。表面肌电的采集方式根据欧盟Seniam表面肌电图标准方案进行肌肉传感器的定位和贴放。表面肌电采集选取双侧股内侧肌（VM）、股外侧肌（VL）、股二头肌外侧头（BF）、腓肠肌内侧头（MGH）。

要求受试者以常速在平地行走4 m后，在定制3级梯上来回行走，通过三维运动捕捉系统（Qualisys，Oqus 700+，100Hz，瑞典）同步2块AMTI测力台（BP400600，1500 Hz，美国）及无线表面肌电系统（Delsys，2000Hz采样率，美国）记录至少3次上下梯有效数据。测试最后依次进行每块肌肉的最大自主等长肌力（MVIC）的测试，用作后续肌电幅值的标准化处理。

2.2 数据分析 动力学数据通过建模软件Visual 3D（专业版6，C-Motion Inc.，美国）进行分析，内容为上下梯过程中非优势侧腿支撑期的垂直地反力第一峰值（VGRF）、垂直地反力第二峰值（VGRF）。

运动学数据也通过软件Visual 3D进行分析，内容为上下梯过程中非优势侧腿支撑期的膝关节前后方向线加速度峰值（LAP）。线加速度的计算方式为膝关节质心线速度的一次微分。

肌电数据通过EMGworks®Analisys（Delsys，美国）信号分析软件，分析内容为上下梯过程非优势腿支撑期肌电信号，具体流程如下：对原始肌电信号进行基线校正、滤波处理、全波整流，然后进行振幅和时间标准化处理。根据公式Co-actication Index=（EMG+EMG）*EMGL/EMG[19]（EMG：激活程度较低的肌肉;EMG：激活程度较高的肌肉）计算肌肉共同激活指数，包括VL与BF、VM与MGH、VL与VM。

2.3 统计学方法 采用SPSS 25.0软件进行统计分析。计量资料符合正态分布采用两独立样本t检验，以表示;不符合正态分布采用Wilcoxon符号秩检验，并以中位数（四分位间距）[M（P25，P75）]表示;计数资料采用χ检验，使用频数描述;相关性分析采用Pearson或Spearman相关性分析法。以P < 0.05为差异有统计学意义。

3 结 果

3.1 2组上下梯过程中垂直地反力峰值、线加速度比较 在上梯过程中2组在VGRF（P < 0.05）、LAP（P < 0.01）和VL/BF（P < 0.05）方面比较，差异有统计学意义，KOA组VGRF低于对照组，而LAP和VL/BF高于对照组。在下梯过程中2组在VGRF（P < 0.05）和VL/BF（P < 0.01）方面比较，差异有统计学意义，KOA组VGRF低于对照组，KOA组VL/BF高于对照组。见表2。

3.2 KOA组上下梯过程中膝关节加速度峰值与垂直地反力峰值及下肢肌肉共激活指数相关性分析 在上梯过程中，膝关节LAP与VGRF呈中度线性负相关（P < 0.05），LAP与VGRF相关性差异无统计学意义（P > 0.05）。下梯过程LAP与VGRF及VGRF相关性差异无统计学意义（P > 0.05）。上下梯过程LAP与下肢肌肉共激活指数相关性差异均无统计学意义（P > 0.05）。见表3。

3.3 上梯过程中KOA组膝关节加速度峰值与地反力第二峰值回归分析 對LAP与VGRF进行线性回归分析，因LAP不满足正态性，对其进行对数转换，转换后满足正态性，分析结果表示上梯过程中VGRF是LAP的影响因素（P < 0.05）。见表4。

4 讨 论

本研究通过分析KOA患者与无KOA症状者上下梯过程中膝关节前后方向线加速度差异，探讨KOA患者上下梯过程中膝关节的稳定性，并分析垂直地反力峰值、下肢肌肉共激活指数与膝关节稳定性的关系，发现KOA患者上梯过程中膝关节LAP、VL/BF共激活指数较对照组显著增高，VGRF显著降低，LAP与VGRF呈负相关，VGRF是LAP的危险因素。KOA患者下梯过程中VL/BF共激活指数显著增高，VGRF显著降低。

与无KOA症状相比，KOA患者LAP增高，更高的LAP反映KOA患者上梯过程中膝关节在前后方向更不稳定[14]。本研究膝关节LAP比其他研究较大[20]，原因可能是本研究探讨的是上下梯过程，而其他研究多是探讨平地行走。KOA患者更大的膝关节加速度可能与下肢肌力降低有关[21]，KOA患者因股四头肌无力[22]，膝关节受力时维持膝关节空间位置困难，从而造成KOA患者膝关节在活动中不稳定。

另有研究表明，KOA患者在面对有挑战性的功能活动时，主动肌与拮抗肌的高激活状态是维持关节稳定的步态策略[23]，本研究发现在上梯过程中KOA患者表现出了更高的股外侧肌与股二头肌共激活，但未发现KOA患者LAP与肌肉共激活指数之间存在相关性，其原因可能在于下肢肌肉共激活虽然是一种增加膝关节稳定性代偿策略，下肢肌肉高共激活水平以额外的肌肉力量为代价，导致更大的关节负荷和组织应力-应变，但对维持膝关节的动态稳定性并不是特别有效[24-25]，KOA患者上梯过程中更高的下肢肌肉共激活是否能维持膝关节的稳定需进一步探究。

本研究发现，KOA患者上梯过程的LAP峰值与VGRF存在负相关，通过进一步的回归分析发现，KOA患者VGRF减小是膝关节LAP增大的影响因素，说明上梯过程中KOA患者VGRF越低，膝关节稳定性越差。股四头肌收缩产生的VGRF是上梯过程中足蹬离地产生推动人体向上向前的主要作用力[26]，在上梯过程中，KOA患者为降低膝关节负荷，采取了减小股四头肌收缩的步态策略[27-28]，导致患者VGRF降低[29]。研究表明，KOA患者为代偿上梯过程股四头肌力量的降低，可能会采取躯干前倾，髋关节屈曲角度增加及足底压力更集中在前脚掌的步态策略[30-31]。身体前倾与足底压力中心集中分布于前脚掌会改变人体的质心位置，使人体质心偏移到身体前侧，而KOA患者身体质心的移动与膝关节的加速度具有相关性[14]，在重力作用下产生更大的前后方向的力作用在支撑腿，从而产生更大的膝关节前后方向加速度，增加了膝关节的不稳定。

本研究发现，KOA患者下梯过程VGRF降低，VGRF发生于双支撑期的前足接触地面时，下梯过程中，相比前腿，KOA患者会更多的利用后腿对双支撑期进行过渡，患者将更多身体重量放于后腿，造成患者前足着地时受力降低，进而导致VGRF降低[32]。

本研究发现，下梯过程存在股外侧肌和股二头肌共激活指数增高的现象，有研究表明，下梯过程中KOA患者增加膝关节主动肌与拮抗肌的共激活目的是维持膝关节的稳定[33]，但股外侧肌和股二头肌共激活增加会导致关节软骨流失。本研究未发现下梯过程中股外侧肌和股二头肌与膝关节稳定性存在相关性，其原因可能与上梯类似，KOA患者下梯过程中更高的肌肉共激活对维持膝关节的稳定性的作用需进一步探究。

本研究的缺陷与不足为小样本预探索研究，非严格意义上的病例对照研究;使用加速度等参数探讨膝关节的稳定性，但没有结合患者的自我稳定性评估报告，下一步研究需要结合KOA患者的主观感受，对自我感受有膝关节不稳定的患者及无膝关节不稳定的患者进行进一步生物力学分析。

5 結 论

本研究发现，KOA患者上下梯过程中均采用了降低地面反作用力及增加下肢肌肉共激活的步态策略。相比无KOA症状者，KOA患者上梯过程中膝关节稳定性较差，VGRF降低是KOA患者上梯过程膝关节稳定的危险因素。KOA患者上下梯过程中都表现出更高的下肢肌肉共激活，但本研究没有发现下肢肌肉共激活与LAP具有相关性，下肢肌肉共激活指数增加与膝关节稳定性的关系需进一步验证。

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