關節動力學因素誘發膝關節骨性關節炎的探討①

何志強 劉海斌 叢培信 蔡探探

(大連理工大學體育教學部 遼寧大連 116024)

膝關節骨性關節炎(Knee Osteoarthritis,KOA)是指由于膝關節軟骨變性、骨質增生而引起的一種慢性骨關節疾患,又稱為膝關節增生性關節炎、退行性關節炎及骨性關節病等。膝關節炎在30歲以上人群發病率為6%,65歲以上人群發病率為11%[1]。女性膝關節炎發病率為男性2倍,膝關節置換術也為男性2倍。但髖關節炎發病率男性與女性幾乎相同[2]。

Kerrigan[3]等人從髖、膝、踝關節矢狀面內運動學與動力學角度對健康青年群體進行了步態研究,結果為女性比男性髖關節活動度更大,骨盆更前傾,更少的膝伸展角度,更大的膝關節屈曲力矩,更小的步寬,額狀面與水平面內膝關節活動的包羅軌跡更大。但Ferber[4]通過試驗證明男女之間的下肢骨骼解剖學因素如Q角度不是男女之間產生膝關節炎發病率差異的原因。近些年,我國學者已從關節運動學、運動學和足底壓力分布等角度對膝關節炎患者步態特征進行了深入研究。

下肢關節力矩可作為揭示人體骨骼肌系統退變的一項重要指標[5-6]。近些年來,人們已開始從不同角度探討關節力矩特征與人體走路機制之間的關系[7-9]。研究發現,人體走路機制可能是產生骨性關節炎的重要原因[1-2,7,10-11]。但多數有關膝關節力學負荷的研究多集中于老年人或是已經帶有了某些下肢關節疾病的人群,而研究青年人群正常步態狀態下的膝關節力學關系的卻很少。

因此,本文利用逆向動力學法計算,比較與分析人體走路過程中膝關節所承受的力矩負荷,進而探討關節力矩與骨性關節炎誘發的可能性。

1 研究方法

1.1 研究對象

共招募24名志愿者作為試驗對象,男性12名:年齡(25.8±4.3)歲 ,身 高(170.8± 5.2)cm,體 重(68.5± 6.3)kg;女 性12名 ;年 齡(24.4± 3.1)歲 ,身 高 (165.8± 6.4)cm,體 重 (56.5± 7.3)kg,均 無 神 經 系統和運動系統疾病。

1.2 實驗設備

運動學數據由Vicon Nexus運動捕捉/分析系統獲得,系統只對貼于人體表面的反光球進行自動識別與數字化處理。兩臺AMTI三維測力平臺測量足底壓力。

1.3 實驗過程

實驗采用Helen Hayes模型,15個反射球分別帖于試驗對象下肢解剖學標記點。然后,要求試驗對象赤足、沿地面坐標系方向正常行走步速走過8m長通道,攝像機和測力平臺同時記錄下受試者行走時的步態信息。

1.4 數據處理

所有數據整理與統計均在SPSS 17.0(美國)環境內完成,采用獨立t值進行假設檢驗,P＜0.05為差異顯著,P＜0.01為差異非常顯著。所有參數均除以本人體重:N.m/kg。

2 研究結果

2.1 矢狀面內膝關節力矩變化特征

膝關節矢狀面內伸展力矩與屈曲力矩各2個峰值,分別出現在3%,17%,35%和55%時相。男性和女性在峰值出現時相上均沒有統計學差異。伸展力矩2個峰值均表現為男性小于女性,但均沒有顯著性差異(0.40±0.09vs.0.49±0.11,P>0.05;0.31±0.08vs.0.35±0.07,P>0.05)。屈曲峰值1,男女基本相同(0.18±0.09vs.0.18±0.08,P>0.05)。屈曲峰值2,男性大于女性,但沒有統計學上的差異(0.24±0.09vs.0.16±0.08,P>0.05)。

2.2 額狀面內膝關節力矩變化特征

膝關節額狀面內共有2個內收力矩峰值,分別出現在18%和50%時相。男性和女性在峰值出現時相上均沒有統計學差異。峰值1和波峰2,男性均小于女性,但均沒有統計學上的顯著性差異(0.32±0.08vs.0.35±0.11,P>0.05;0.48±0.12vs.0.51±0.15,P>0.05)。

2.3 水平面內膝關節力矩變化特征

膝關節在水平面內有2個外旋力矩峰值和1個內旋力矩峰值分別出現在6%,55%和68%時相。男性和女性在峰值出現時相上均沒有統計學差異。外旋力矩峰值,男性與女性之間均沒有顯著性差異(0.02±0.01vs.0.02±0.01,P>0.05;0.02±0.01 vs.0.02±0.01,P>0.05)。內旋力矩峰值,男性非常顯著的小于女性(0.10±0.03vs.0.13±0.02,P＜0.01)。

3 討論

正常人體平面行走支撐期內,股骨髕面和髕骨關節面構成的股髕關節可以承受2.6倍的體重。由于地面反作用力矢量一直在膝關節內側。因此,膝關節內側承受的關節力矩大于外側。膝關節內收力矩可有效的平衡人體膝關節的機械負荷。研究表明[8]膝關節內側關節炎癥狀嚴重性和其內收力矩的大小呈正相關。本文研究結果顯示,雖然不具有顯著性差異,但矢狀面與額狀面內力矩特征基本表現出男性小于女性的總體趨勢。該研究結果與Kerrigan[3]的實驗結論基本相同。

可能是實驗儀器所限或是其它原因,Kerrigan并沒有研究膝關節水平面內的力矩變化規律。因此,有關膝關節力矩性別差異的結論是不完整的。本文對膝關節水平面力矩研究結果證明:膝關節水平面內最大力矩占矢狀面和額狀面內最大力矩1/5。支撐期55%時相,女性比男性內旋力矩峰值大30%,且呈非常顯著性差異。

從理論上講,女性膝關節韌帶較男性松弛。另外,動物實驗得出嚴重關節韌帶松弛會導致股性關節炎的發生,并改變關節的力學結構。膝關節炎會影響膝關節,確切的說是脛股關節的內側關節囊,導致關節軟骨功能漸失。

學者們在研究身體活動能否誘發骨性關節炎時得出了相互矛盾的結論。原因可能是在他們的研究中實驗對象穿著了不同類型的鞋子。鑒于此,Bennell對男性穿著不同類型的運動鞋進行了比較與分析后得出:鞋的不同類型對人體髖、膝、踝關節,特別是膝關節會產生不同的沖擊力。所以,為了減小不同鞋子對人體行走過程參數的干擾,此次研究選擇了赤足。

Ferber認為女性髖關節的Q角度不是男女膝關節炎發病率差異的解剖學原因。文獻資料顯示,女性額狀面與水平面內膝關節活動的包羅軌跡比男性更大[7,]。也就是說,性別因素產生了女性膝關節水平面內旋力矩大于男性。這種由性別差異產生的膝關節水平面內重復性力矩負荷會對膝關節軟骨或韌帶產生負面影響。隨年齡的增長,這種負荷會呈不斷加重的趨勢。如與其它因素如內分泌、滑液、創傷等共同作用,進而誘發膝關節炎。

4 結語

男女常速行走過程中膝關節矢狀面與額狀面力矩特征沒有差異,水平面青年女性內旋力矩顯著性的大于青年男性。性別差異產生的膝關節水平面內重復性力矩負荷會對膝關節軟骨或韌帶產生負面影響。隨年齡增長,這種負荷的侵蝕作用會逐漸顯現。因此,膝關節水平面內重復性內旋力矩負荷大可能是女性較男性更易誘發膝關節骨性關節炎的因素之一。

[1]Asay, J.L.,K.A. Boyer,etal.Repeatability of gait analysis for measuring knee osteoarthritis pain in patients with severe chronic pain[J].Journal of Orthopaedic Research,2013,31(7):1007-1012.

[2]Schiphof, D.Factors for pain in patients with different grades of knee osteoarthritis[J]. Arthritis care & research,2013,65(5):695-702.

[3]Kerrigan,D.C.Knee joint torques:a comparison between women and men during barefoot walking[J].Archives of physical medicine and rehabilitation,2000,81(9):1162-1165.

[4]Ferber,R.,I.McClay Davis, eral.Gender differences in lower extremity mechanics during running[J]. Clinical Biomechanics,2003,18(4):p.350-357.

[5]Chakravarty,E.F.Long distance running and knee osteoarthritis:a prospective study[J].American journal of preventive medicine,2008,35(2):133-138.

[6]Freedman Silvernail,J.The influence of body mass index and velocity on knee biomechanics during walking[J].Gait &posture,2013,37(4):575-579.

[7]Nigg, B.M.Gender differences in lower extremity gait biomechanics during walking using an unstable shoe[J].Clinical Biomechanics,2010,25(10):1047-1052.

[8]Amin, S. Knee adduction moment and development of chronic knee pain in elders[J].Arthritis Care & Research,2004,51(3):371-376.

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[11]李萍美.膝關節骨關節炎三維步態分析研究及其在運動醫學中的應用[J].中國運動醫學雜志,2009(2):226-228.