膝骨性关节炎患者在“云手”和“步行”两种步态中下肢生物力学特征的比较

齐大路，林紫玲，侯美金，王芗斌,3

膝骨性关节炎(Knee osteoarthritis，KOA)是以关节软骨病变为主要特征的慢性退化性骨关节病。据流行病学调查显示，目前全球膝骨性关节炎的患病率为3.8%，而我国的患病率高达 8.8%。生物力学因素对促进身体健康具有重要作用，中度的接触应激会改善软骨多糖和细胞外基质中胶原和蛋白的生成，而长期的超载负荷会导致软骨的损坏。有研究证实 KOA 的发生与下肢关节生物力学的改变密切相关，由于下肢运动学和动力学、负荷模式等异常的改变，引起肌肉功能障碍、本体感觉缺损和下肢力线异常等，这些功能障碍直接影响患者的生活质量，甚至导致老年患者丧失独立生活能力。

太极拳作为一种有氧运动，是中国优秀传统功法之一，具有缓慢、柔和的运动特点，可为人体提供一个理想的生物力学环境，改善关节软骨的生理状态，增加关节活动度和减少关节面的应力。研究已证实太极拳可以改善 KOA 患者的下肢本体感觉和肌肉力量，缓解膝部疼痛，遏制炎症发展，其功效的主要生物力学机制就是增强KOA患者下肢肌力，减少膝关节内侧间室负荷。美国风湿病学会就将太极拳作为 KOA 患者非药物治疗的手段之一。但不同的太极拳招式具有不同的生物力学特征，有的动作在练习过程中往往容易出现错误动作，使膝关节负荷加大，增加关节受伤风险。据目前相关的生物力学研究发现，在太极“云手”(以下简称云手)中，膝关节受到的地面反作用力相对较小，尤其适合 KOA 患者作为康复性运动。然而，在云手过程中，膝关节要始终保持微屈下蹲状态，这种负荷状态对于 KOA 患者是否适宜，目前还未明确。步行作为一种日常活动，经常用来与太极拳比较，由于步行可以降低 KOA 患者的风险，因此，可作为安全标准来对比分析云手。

综上，云手对膝骨性关节炎患者下肢运动学、动力学参数的影响尚未明确，且云手动作中屈膝和侧行的生物力学效应仍存在争议。因此，我们提出假设，相比于步行，KOA 患者在云手动作中膝关节屈曲角度和髋外展角度增大的同时，膝关节的负荷和生物力学特征指数还低于步行，那就说明云手动作的步态特征不会造成额外的膝关节负荷。从正面理解，肯定可以认为云手动作对 KOA 患者是足够安全的，从侧面理解，或许可以认为云手动作会对 KOA 患者具有增强下肢肌力，协助肌体康复的作用。基于此，本研究将收集和分析 KOA 患者分别在云手和步行两种不同步态中的下肢生物力学参数，以此检验云手动作对 KOA 患者锻炼的安全性，以期帮助 KOA 患者对练习云手动作的正确认识，并使之达到更好的运动效应。

1 测试对象与方法

1.1 测试对象

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-006-03)。于 2018年 11月-2020 年 1 月在福建中医药大学屏山校区周边社区招募 26 例女性 KOA 患者，年龄最大68岁，最小 57 岁。采集 26 例受试者的基线资料(见表1)，包括性别、年龄、体质量指数、认知和平衡评分及优势腿，除年龄外，受试者一般资料均无显著性差异(P>0.05)。

表1 KOA患者基本资料表

1.1.1 纳入标准

(1)符合 2018 年中华医学会骨科分学会发表的《骨关节炎诊疗指南(2018 年版)》中 KOA 的诊断标准：①近 1 个月大多数时间有膝关节疼痛；② X线片显示示骨赘形成；③关节液检查符合骨性关节炎；④年龄大于或等于 60 岁；⑤晨僵≤30min；⑥有骨摩擦音。满足①+②条或①+③+⑤+⑥条或①+④+⑤+⑥条者可诊断为 KOA；(2)年龄范围：60-69岁；(3)双侧膝关节 Kellgren-Lawrence 分级：II或/和III级者；(4)无合并其他慢性疾病(腰痛、糖尿病等)；(5)可以进行太极云手动作的练习和测试；(6)自愿参加本次测试并签署知情同意书者。

1.1.2 排除标准

(1)存在其他可能引起步态异常的全身骨骼肌肉疾病或功能障碍者；(2)长期规律运动及从事重体力劳动者；(3)严重的心脑血管疾病及心理和精神异常者；(4)孕期、哺乳期妇女；(5)认知功能障碍(蒙特利尔认知评估量表，Montreal Cognitive Assessment, MoCA<18分)；(6)平衡功能明显障碍(伯格平衡量表，Berg Balance Scale, BBS<40分)；(7)双下肢长度差距>2cm；(8)身体结构存在明显异常者；(9)对医用胶布及医用酒精过敏者；(10)不能进行太极云手动作的练习和测试。

1.2 数据采集

1.2.1 测试仪器 采用三维运动分析系统(Cortex 2.1, Motion Anal-ysis Corporation, 美国)，8 部摄影机(Eagle-4，Motion Analysis Corporation，美国)，对系统进行校准后采集数据，采集频率为 100Hz，滤波采用低通滤波器(Butterworth，四阶 6Hz)对数据进行平滑处理，去除不需要的数据频率。同步 2 块AMTI测力台(BP400600，美国，采样频率 1500Hz)进行下肢生物力学数据采集。采用建模仿真分析软件 (Visual 3D Professional V6, C-Motion Incorporation，美国)处理原始采集的所有反光标志点坐标和地面反作用力，对采集的步态数据进行分析。力矩皆使用身高和体重的乘积做标准化。

1.2.2 测试流程 本研究是在安静整洁、温度适宜的密闭环境中测试，受试者穿着紧身衣裤，赤足。测试前，由专业的太极拳老师指导 26 位受试者学练云手动作，先前经过肌肉拉伸等准备活动。因实验对象均为患者，所以没有规定统一的学练时间及运动强度，而是依据每人动作基础、病情高低、接受程度等不同情况区别对待，最后以统一的动作标准进行评判，演练得分 ≥80 分者才可进入实验室数据采集(学练时间和演练得分见表 2)。受试者均为当天学练，当天测试，学练达标后至少休息 30 分钟后，才可进行数据测试，26 例受试者前后分 10 次不同时间进行学练和测试，每位受试者均保持统一的测试场地、测试标准、测试流程和测试人员。

表2 KOA患者学练云手动作的时间及演练得分

进行三维步态分析前，在受试者身上按照 CAST方案的放置要求贴直径 16mm 的荧光标记点，用双面胶贴附于身体皮肤表面的关节凸起处，以便获取关节活动轨迹的数据，全身共贴有 54 个荧光标记点(见图1)。具体位置如下：(1)头部：左右侧头前、头后点；(2)躯干：第七颈椎棘突、胸骨上切迹点，左右侧肩前、肩后、肩峰点；(3)上肢：左右侧肱骨内上髁、肱骨外上髁、桡骨茎突、尺骨茎突、第二掌指关节、上臂中部、前臂中部点；(4)骨盆：左右侧髂前上棘、髂嵴最高点、髂后上棘点；(5)下肢：左右侧股骨大转子、大腿中部、股骨内外上髁、小腿中部、内外踝、第 5 趾骨头背侧缘、第 2 趾骨头背侧缘、第1趾骨头背侧缘、足跟点。

图1 受试者在测试时，全身荧光标记点的位置图

正式测试开始前，受试者先熟悉实验室场地器械，掌握测试流程和测试要求。测试第一步，受试者站立在力板上，维持 3s，首先进行静态数据采集，时间约 5min；测试第二步，受试者以舒适的速度在 8m 的走道上直线行走，至少记录 5 趟有效数据，每趟步行后休息 30～45s，步行测试时间约 20min；测试第三步，受试者以所授规范的速度在采集区域内演练云手动作(如图 2 所示)，每次做完 3 个左云手和 3 个右云手即可停止，每个受试者至少收集3次有效动态数据，次间休息 1min，云手测试时间约 20min。测试总时间约 50min，在整个测试期间配备医护监督，没有发生不良事件。

图2 受试者云手动作演示图(Visual 3D)

1.3 主要测试指标

选取左足步态周期进行分析，步态周期定义为：左侧足着地到左侧足再次着地。

1.3.1 时空参数 步速和左足支撑时间。

1.3.2 运动学参数 踝关节的矢状面活动度均值，膝关节屈曲活动度均值，膝关节内收活动度均值，髋关节矢状面和额状面的活动度均值。

1.3.3 动力学参数 膝关节力矩和冲量、膝内收外力矩和内收冲量。

1.4 统计学方法

由于步速本身是步态特征的影响因素，故采用协方差分析以排除步速因素的影响。步态变异性计算采用变异系数，采用双侧检验，P<0.05 为差异具有统计学意义。

2 测试结果

2.1 KOA患者在云手与步行中时空参数的差异

如表 3 所示，云手与步行在步速上有显著差异(P<0.01)。两者的左足支撑期时间也具有统计学差异(云手：7.15s vs 步行：2.2s，P<0.01)，云手的支撑期时间约是步行的 3～4 倍。

表3 26例KOA患者云手与步行时空参数的结果表

2.2 KOA患者在云手与步行中下肢运动学指标的差异

如表 4 和图 3 显示，经步速协方差校正后，与步行相比，KOA 患者在云手中的踝背屈角度均值显著增大(P<0.05)，而踝跖屈角度均值在两种动作下并不具有统计学差异(P>0.05)。在膝关节参数上，云手的膝屈曲角度均值显著大于步行(P<0.01)， 膝关节内收角度均值则不具有统计学差异(P>0.05)。

表4 26例KOA患者云手与步行运动学参数的结果表

注：横坐标：步态周期(0-100%)；纵坐标：左图代表踝关节活动度(°)，右图代表膝关节活动度(°)；云手表示为红色，步行表示为蓝色；实线代表平均值，虚线代表每个完整步态数据，阴影部分代表标准差图3 左下肢踝关节、膝关节运动学参数图

两组在髋屈曲均值、髋内收和外展均值皆有显著差异(P<0.01)，云手的髋屈曲和外展活动度均大于步行，内收活动度小于步行。

2.3 KOA患者在云手与步行中膝关节动力学指标和力矩冲量的差异

如表 5 和图 4 显示，经步速协方差校正后，在矢状面，两组的膝关节屈曲力矩均值具有统计学差异 (P=0.05)，相比于步行(0.01N. m.s/kg)，云手的屈曲力矩均值较大(0.96N. m.s/kg)；膝屈曲的力矩冲量在云手中也较步行大(云手：1.81N. m.s/kg；步行：0.07N. m.s/kg)。而在额状面，内收外力矩均值和力矩冲量均无统计学差异(P>0.05)。

表5 26例KOA患者云手与步行膝关节动力学参数和力矩冲量的结果表

注：横坐标：步态周期(0-100%)；纵坐标：左图代表膝关节内收外力矩(N.m/kg)，右图代表膝屈曲力矩(N.m/kg)；云手表示为红色，步行表示为蓝色；实践代表平均值，虚线代表每个完整步态数据，阴影部分代表标准差图4 左下肢膝关节动力学参数图

3 讨 论

本研究的目的是分析云手动作对 KOA 患者下肢生物力学的影响。为了量化生物力学特征，将云手与步行进行了比较，计算运动过程中下肢的时空参数、运动学、动力学。与步行相比，在云手动作中，KOA 患者具有较大的踝背屈活动度和膝屈曲活动度，膝关节屈曲力矩均值和冲量也大于步行，但膝关节内收外力矩和力矩冲量与步行并无差异。因此，我们假设云手并不会增加膝关节内收外力矩，膝屈曲和髋外展角度比步行增大的假说成立。

由于云手过程中膝关节需要始终维持屈曲的状态，因此，踝关节背屈和膝关节屈曲角度明显大于步行是显而易见的结果。Ge Wu 等人的结果也同样表明，太极在支撑期时膝关节最大屈曲角度较步行增大。也有研究表明，适当的膝关节屈曲角度可以减少内收力矩，有利于激活下肢肌群，增强股四头肌的肌力,达到稳定作用。但若在太极云手动作中，髌骨位置超过同侧足尖，膝关节在矢状面和冠状面的受力则会显著增加。因此，为避免 KOA 患者在云手运动中出现膝关节外力矩即关节负荷过大，保持合适的膝屈曲角度就显得尤为重要。有研究发现，当膝关节在伸直 0° 到屈曲 45° 时所受到的外力矩较小，应该建议 KOA 患者在云手运动中注意膝关节屈曲的角度，避免产生额外的膝关节负荷。

云手的髋关节屈曲、外展和内收角度均与步行有着显著差异，云手表现出更大的髋屈曲和髋外展角度，髋内收角度小于步行。相关研究也观察到太极步态过程中髋关节最大外展角度和最大屈曲角度显著大于步行。结合云手侧向移动的动作特点，髋关节主要以额状面为活动平面，因此，髋外展角度相对于步行会增大。而较大的髋外展角度和侧向位移需要更多髋外展肌群的参与，可有助于提高步行稳定性，预防老年人跌倒。云手动作中较小的内收角度，在一定程度上可以获得较宽的步幅，这可能是 KOA 患者增强侧向稳定性的策略之一。

在膝关节动力学参数上，云手的膝关节屈曲力矩和冲量与步行有显著性差异，这可能与肌肉的共激活有关。据研究显示，腘绳肌和股四头肌的共同激活会直接影响膝关节的屈曲力矩，较高的腘绳肌共激活会产生较大的膝屈曲内力矩。在登梯中也发现 KOA 患者相比于正常人会表现出更大的肌肉共激活，主要为主动肌与拮抗肌的共同收缩，以实现维持关节稳定性的效果。而在正常人中，云手与步行的膝屈曲力矩并无差异。另外，内收外力矩是目前 KOA 研究中膝关节负荷的敏感指标，因此在 KOA 的生物力学研究中更受关注。每增加1个单位的内收外力矩便会增加 6.5 倍的恶化风险，但两种运动在膝关节的内收力矩上没有显著差异，这说明 KOA 患者在云手中虽然因为维持微蹲的姿势使矢状面的膝屈曲力矩增加，但其侧步行走的特点并未增加额状面的力矩而产生额外的关节负荷。可能是云手步态采用足尖着地，且动作缓慢轻柔，使地面冲击力减小的缘故。以上结果说明了云手对 KOA 患者在关节负荷方面的安全性。

云手具有独特的生物力学特征，其相对缓慢柔和的运动特点增加了下肢的单支撑时间，因此在本研究结果中，云手的单支撑期大于步行。NOK-YEUNG LAW 等人也发现，云手的步态周期会比步行长，且步幅更大。Wei Sun 等人的研究结果表明增加的单支撑期时间可以更好的维持太极拳的干预效果。朴美子等人的研究结果证实了太极动作通过维持膝关节的屈曲，使重心在运动过程中保持在一定的高度，且在侧向上保持缓慢的位移速度，使得动作平稳流畅，重心越低时，支撑面积越大，稳定性更高；其次，云手的步态特点是以额状面为主要活动平面，侧向行走的动作特点类似于临床上臀中肌的肌力训练方式，提高髋外展肌力也是有效延缓 KOA 发展的治疗方式。而且在云手的动作中，要求脚趾先着地，这也是一种被证实可以降低地反力和膝关节内收外力矩的方式之一。从 整体来说，云手动作中“身法”要求“含胸、拔背、松腰”，需要周身相随、一动俱动的相互协调的动作规律,已被证实可改善老年人的手眼协调能力。

在正常人中，云手的下肢关节力矩峰值会比步行普遍较小。在地面反作用力上，无论是前后、内外，还是垂直方向，云手也都会比步行明显更小。依据 Law Nok-Yeung 等人先前的研究发现，与本研究结果相比较，KOA 患者与正常人在两种运动下的差异以及下肢各关节的活动度都小于正常人，这可能是由于膝关节的病变，为避免出现膝关节疼痛或步态不稳，KOA 患者则会采用相对保守的步态策略，以维持在两种运动状态下的稳定性。

本研究仍存在不足，局限性主要有以下方面：第一，不仅云手的下肢运动特点与步行不同，其独特的上肢活动和腰椎骨盆活动也可能会影响其下肢的生物力学特征，本研究暂未涉及相应的分析，因此使研究结果的探讨具有局限性；第二，尚未结合表面肌电的数据对下肢肌肉募集和共激活的情况尚未证实，将在后期的科研工作中完善此不足之处。

4 结 论

研究结果表明 KOA 患者在云手中比步行表现出更大的下肢髋膝踝矢状面的关节角度，但不会造成额外的膝关节负荷。膝屈曲力矩和冲量增大可能是维持稳定的肌肉共激活策略，额状面的内收外力矩与步行相比无显著差异。这说明云手对膝关节的负荷是安全的，对 KOA 患者是合适的运动方式。适当的膝关节屈曲和髋外展角度可能会对增强 KOA 患者的下肢肌力，提高膝关节的稳定性，协助肌体康复起到一定的积极作用。因此，在临床诊疗和日常锻炼中，云手可以作为步态训练和 KOA 康复的参考方法，帮助患者进行科学锻炼。