老年膝骨关节炎患者膝关节肌肉力量和本体感觉的临床观察

曲冰,郑洁皎,周靓贇,金晓璇,徐国会,李勇

复旦大学附属华东医院康复医学科,上海 200040

膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis, KOA)是一种常见的老年人慢性退行性关节疾病,可破坏关节软骨、改变膝关节周围组织结构(包括关节囊、肌肉、肌腱等),引起关节疼痛、水肿,肌肉力量丧失以及本体感觉功能障碍等多种病症[1]。目前,全球约有28%的老年人患有KOA[2]。膝关节周围组织的生理结构和关节内部的本体感受器共同参与维持膝关节的稳定[3]。此外,肌梭是提供膝关节本体感觉准确性的重要受体, KOA导致的肌肉无力和肌萎缩可导致肌梭感觉衰退,致使本体感觉功能减退,进一步影响关节稳定性。目前针对KOA患者本体感觉及肌肉力量的影响已有研究,但采取的测试方法及使用仪器各不相同导致结果存在差异。

因此,本研究拟采用Biodex等速肌力测试系统对KOA患者进行膝关节等速向心肌力和本体感觉位置觉(joint position sense, JPS)评估。研究老年KOA患者膝关节屈伸肌群肌力、 JPS的临床特点,进而探讨KOA对膝关节稳定性的影响,以期为KOA患者的康复治疗及预防跌倒提供参考依据。

1 资料与方法

1.1一般资料本研究选取2021年3月—2022年9月就诊于华东医院康复医学科的19例非急性期老年KOA患者,年龄65～77岁,平均年龄(69.26±4.19)岁,选取同年龄段健康对照组15人,年龄65～75岁,平均年龄(67.73±3.77)岁, 2组受试者基本资料无统计学差异。所有患者均知情同意。受试者基本情况见表1。

1.2纳入标准和排除标准纳入标准： (1)符合美国风湿病协会1986年修订的KOA诊断标准[4],诊断为单侧或双侧膝骨关节炎患者; (2)年龄≥65岁; (3)疼痛视觉模拟评分[5](visual analogue score, VAS)小于5分; (4)患侧膝关节Kellgren/Lawrence分级≤Ⅲ级[6]。符合以上全部标准的病例纳入本研究。排除标准： (1)既往行下肢外科手术者; (2)合并扭挫伤或其他创伤者; (3)伴有类风湿性关节炎、痛风性关节炎等其他膝关节疾病者; (4)下肢严重畸形、疼痛及骨肿瘤者; (5)伴有中枢及外周神经系统疾病者; (6)伴有严重的高血压、糖尿病等内科疾病影响下肢平衡功能者; (7)认知功能障碍,不能理解、完成评测者。具备以上任意1项标准的病例不纳入本研究。

1.3测试方法

1.3.1 肌肉力量测试 采用美国Biodex system4 型等速测试系统,对KOA组的患侧和对照组的优势侧膝关节进行屈伸肌群等速肌力测试。选取膝关节组件,患者取坐位,膝关节转动轴心与仪器动力轴对齐,固定躯干和受试测股骨环节,以防屈髋代偿。测试前首先设定受试者膝关节活动范围,对受试侧下肢进行去重力化矫正,并告知患者测试流程。正式测试以膝关节屈90 °为起始位,分别在角速度60 °/s和120 °/s(向心-向心)模式下,嘱受试者进行膝关节最大收缩屈伸活动。测试测量5次,取平均值。记录受试者的相对峰值力矩(relative Peak Torque, rPT)、膝关节屈/伸肌(腘绳肌/股四头肌)肌力比(Hamstring/Quadriceps, H/Q)。

1.3.2 膝关节本体感觉评定 采用美国Biodex system4型等速肌力测试系统中的本体感觉测试模块进行JPS被动还原测试。受试者体位摆放与肌力测试一致。告知患者测试流程。以膝关节屈曲90 °为起始位, 2 °/s 的恒定速度被动带动受试者肢体于目标角度(膝关节屈45 °)停留5 s后返回起始位置。再以2 °/s 的恒定速度被动带动受试者进行伸膝运动,受试者闭眼感知,当自觉肢体达到目标角度时,停止。受试者在测试开始前预试一次,熟悉测试流程,减小误差。记录患者自觉定位角度与目标角度之间差值的绝对值,测试3次,取平均值。差值绝对值越小表示受试者的本体感觉被动还原位置觉越精准。

2 结果

2.12组等速肌力测试结果比较等速肌力测试结果如表2～表3、图1所示,与对照组相比, KOA组在2种速度下的屈、伸肌群相对峰值力矩均低于对照组,伸肌肌群(股四头肌)在2种速度下均具有显著性差异(60 °/s 时,P=0.014; 120 °/s 时,P=0.018),屈肌肌群在120 °/s 时,具有显著性差异(P=0.013); H/Q值无显著性差异。

2.22组本体感觉测试结果比较本体感觉测试结果如表4所示,在45 °的目标位置, KOA组患者JPS差值绝对值(°)明显大于对照组,且具有显著性差异(P=0.042)。

表1 受试者基本信息表

表2 2组膝关节60°/s角速度下屈、伸肌群等速向心肌力测试结果比较

表3 2组膝关节120 °/s角速度下屈、伸肌群等速向心肌力测试结果比较

注： *表示P<0.05。图1 2组膝关节屈、伸肌群等速向心肌力测试结果比较

表4 2组膝关节本体感觉位置觉差值绝对值结果比较

3 讨论

骨性关节炎是一种由炎症因子作用,生物力学结构改变导致的机械性疾病,而KOA是骨关节炎中最常见的一种。与KOA相关的膝关节生物力学影响因素包括骨骼对线异常、肌肉功能障碍、本体感觉丧失以及步态过程中的异常负荷等[7]。识别KOA导致的结构性、功能性障碍有助于康复治疗方案的制定。

膝关节周围肌肉力量对维持下肢运动控制起关键作用,日常生活中如爬楼梯、坐起站立等动作都需要膝关节周围肌肉向心、离心收缩来参与完成。膝关节活动主要表现为关节屈伸,参与关节活动的主要肌群是股四头肌和腘绳肌。本研究采用等速肌力测试系统测试膝关节在向心-向心模式下的相对峰值力矩,结果显示KOA患者膝关节屈伸rPT明显小于对照组,尤其是伸肌肌群,提示KOA患者股四头肌肌力下降明显,这也与以往的研究结果一致[8-9]。相对于其他肌群, KOA患者股四头肌肌力减退程度十分显著,其肌力仅保留同龄健康人的60%[10]。强健的股四头肌有助于吸收关节负荷,减缓行走过程中地面反作用力的冲击及关节软骨磨损,有助于维持关节稳定。而随着肌力的降低,半月板将承受更多的负荷来维持膝关节的稳定。关节磨损引起关节疼痛,而因疼痛减少关节活动将进一步导致肌力减退。研究[8-9, 11-12]显示, KOA疼痛与股四头肌无力密切相关。针对下肢肌无力的运动干预可减轻疼痛,减缓KOA的病程进展[13-16]。

研究常使用H/Q比值,即恒定角速度下膝关节活动的腘绳肌向心收缩峰值力矩与股四头肌向心收缩峰值力矩比值,作为评估关节肌力的平衡和关节稳定性的指标[17]。以往研究显示KOA患者H/Q显著高于正常健康人[8],这可能与KOA患者股四头肌萎缩或股四头肌力臂缩短有关。H/Q比率一般在0.6至0.8之间,且随着等速角速度的增加而增加[18]。本研究中测试时KOA患者股四头肌肌力明显弱于对照组,但2组H/Q值虽无显著性差异。推测可能因膝关节的屈伸肌肌力相对于对照组均呈下降趋势,并且本研究中H/Q值在高角速度(120 °/s)模式下均值大于对照组。提示患者已存在关节不稳的趋势。

本体感觉是由刺激关节内组织中的特殊神经末梢和机械感受器引发的[19],外部感受机械刺激后生成感觉信息传递至中枢神经系统,经脊髓、脑干及大脑皮层的加工处理后生成运动指令传出至骨骼肌肉系统,生成运动。膝关节本体感觉除确保关节稳定、协调运动控制之外,还可减缓极限运动创伤对关节的损害,预防跌倒[20]。而KOA引起的骨赘、关节软骨破裂、关节积液等膝关节病理变化将导致关节软骨和关节囊中的机械感受器损伤,并且影响关节周围关节囊、韧带、肌肉和肌腱中机械感受器的正常功能[21]。机械感受器的损伤程度可以使用本体感觉测量方法来检测,如位置觉(JPS)和关节运动觉(threshold to detect passive motion, TTDPM), 2种方法分别测试本体感觉的不同成分[21]。JPS测试依赖于活跃的肌肉收缩和来自肌肉、关节囊、韧带和皮肤力学的反馈。本研究采用JPS中的被动关节复位重现(reproduction of passive joint repositioning, RPP)屏蔽了肌肉收缩因素。另外,膝关节屈曲的角度与肌梭传入的位置觉信息呈正比,且严重的KOA患者甚至存在伸膝凝滞,因此,本研究取中间角度45 °RPP的方法来评估KOA患者的JPS[22]。

本研究结果显示, KOA组患者自主达到位置与目标角度明显大于对照组,提示KOA患者与同龄人相比,本体感觉严重受损,与以往研究结论相同[22-23]。KOA患者JPS测试中本体感觉降低可能是由关节局部器质性变化以及肌肉力量衰退导致的[24],而由KOA引起的本体感觉降低同样可能导致骨关节炎的发生发展。当本体感觉出现功能障碍,神经肌肉反射的传入信号缺失,可导致肌肉活动减少、关节稳定性降低,关节负荷增加。此外, Mani等[20]的研究提示KOA除影响膝关节的JPS之外,还会对髋关节和距下关节的本体感觉造成不利影响,提示KOA造成的膝关节生物力学结构和负荷的改变将影响整个下肢的运动控制。

本研究探讨KOA对老年人膝关节肌力和本体感觉的影响,结果发现KOA患者膝关节本体感觉位置觉和股四头肌肌力衰退程度明显大于正常老年人。因此,为了提升老年KOA患者关节稳定性、延缓KOA的进展,在进行强化下肢肌肉力量的锻炼外,宜注重本体感觉的训练,提升姿势稳定。后续研究将扩大样本量,并进一步深入研究KOA患者健侧以及邻近的髋、踝关节的生物力学改变。