從下肢生物力學來解析膝骨關節(jié)炎①

樂意，金榮疆，陽楊，寇洋洋

退行性骨關節(jié)炎(osteoarthritis)是一種與年齡、肥胖、創(chuàng)傷、應力失衡、內(nèi)分泌、軟骨代謝、免疫異常、遺傳等多種因素相關，以關節(jié)軟骨變性和丟失及關節(jié)邊緣和軟骨下骨質(zhì)增生為特征的慢性關節(jié)炎疾病[1]。臨床上以膝關節(jié)發(fā)病最常見，也最具代表性。在眾多因素當中，生物力學的原理最為清楚。生物力學因素(尤其是下肢)在骨關節(jié)炎的發(fā)生與發(fā)展中起到的綜合作用得到了廣泛的認同[2]。

1 膝關節(jié)的解剖生理特點

骨關節(jié)炎是發(fā)生在關節(jié)軟骨的病變，雖然化學、酶和代謝因素能夠降低關節(jié)軟骨的強度，但要使軟骨磨損剝脫卻需要機械力[3]。膝關節(jié)是由股骨下端、脛骨上端及軟骨組成，主要有外側副韌帶、內(nèi)側副韌帶、前交叉韌帶、后交叉韌帶附著于其上，重要肌肉有股四頭肌、腘繩肌。韌帶主要起引導關節(jié)活動的作用，而周圍肌肉則可穩(wěn)定關節(jié)的靜態(tài)和動態(tài)姿勢。半月板增加了脛骨和股骨內(nèi)外側軟骨的接觸面積，這種雙髁結構使膝關節(jié)對急性和慢性機械環(huán)境的改變尤其敏感。因此在雙髁關節(jié)施加一內(nèi)收或外展力矩，會把實際關節(jié)接觸點轉移至一面，從而增加單側關節(jié)面上的負荷[4]。

Pelletier等通過組織形態(tài)學研究認為，軟骨下骨丟失和軟骨下骨吸收與骨關節(jié)炎軟骨病變發(fā)生有關[5]。有動物實驗證明，軟骨下骨組織的厚度與關節(jié)軟骨退化程度是一致的，并且隨年齡增加而進一步增厚[6]。Anderson-MacKenzie通過X線檢查發(fā)現(xiàn)，在倉鼠膝骨關節(jié)炎(knee osteoarthritis,KOA)模型中，軟骨下骨形態(tài)改變的發(fā)生先于軟骨退變的發(fā)生[7]。這是由于當關節(jié)負重時，軟骨變形，拱形纖維結構承受沿膠原纖維方向傳導的壓力,并將壓力分散到軟骨下骨[8]。過量的負荷會使軟骨下骨的骨小梁微骨折。KOA患者軟骨下骨微骨折后骨小梁重塑，重塑的骨小梁使骨硬度增加，進而減弱了軟骨對沖擊的吸收能力；同時在負荷下軟骨發(fā)生變形，使得作用力集中于某一處，繼發(fā)性引起軟骨的損傷[9]。因次，膝關節(jié)局部負荷過大，或由于負重區(qū)域太小，或兩者兼有均可造成局部張應力的集中而發(fā)生軟骨的損害。例如前交叉韌帶斷裂造成膝關節(jié)不穩(wěn)的實驗就可以證明此點。由于前交叉韌帶可以承受旋轉及前后方向的外力，若是前交叉韌帶受損或斷裂，向前的外力可以導致膝關節(jié)向前移動，造成關節(jié)不穩(wěn)，膝關節(jié)軟骨負重不均。Behets將狗前交叉韌帶離斷，通過對骨形態(tài)學研究發(fā)現(xiàn)所有離斷前交叉韌帶的動物模型都出現(xiàn)關節(jié)軟骨退變及軟骨下骨的重塑加速，并均呈現(xiàn)出KOA癥狀[10]。

2 肌力

2.1 膝關節(jié)肌力下降是引起KOA的重要因素

肌力的改變在KOA進程中有重要意義。由于關節(jié)疼痛和活動受限導致的廢用性萎縮以及肌肉保護性抑制反應，均可導致肌力下降[11]。肌肉是重要的震動吸收裝置，附著于關節(jié)周圍，有利于穩(wěn)定關節(jié)；肌力下降可導致關節(jié)穩(wěn)定性下降。KOA伴隨的關節(jié)疼痛、活動受限，使膝周肌腱、韌帶等組織的強度降低，進一步引起關節(jié)穩(wěn)定性下降[12]。膝關節(jié)穩(wěn)定性不良導致脛股關節(jié)、髕股關節(jié)面應力分布異常，增加膝周圍組織的磨損，促進炎性反應，加重疼痛促進KOA的發(fā)生或惡化。

屈伸是膝關節(jié)最重要的運動，腘繩肌和股四頭肌正是分別參與膝屈、伸運動的主要肌肉；許多研究都發(fā)現(xiàn)KOA患者股四頭肌肌力變?nèi)?，即使是有影像學支持但無癥狀的KOA患者股四頭肌肌力比正常人下降15%，下降的程度還與關節(jié)不適的程度有關[13-14]。Messier、吳毅等采用等速測力方法，發(fā)現(xiàn)KOA患側膝屈、伸肌均有顯著性減弱，尤以慢速運動測試下降最為明顯；且患膝的屈膝肌力和伸膝肌力比值與對照組無明顯差異，說明在KOA患者中屈伸膝肌肉萎縮程度接近[11,15]。

2.2 股四頭肌肌力訓練是KOA康復的基石

由于股四頭肌與腘繩肌是參與膝關節(jié)矢狀面上運動的主要肌肉，決定著膝關節(jié)矢狀面穩(wěn)定性，因此增強股四頭肌與腘繩肌肌力，提高膝矢狀面的穩(wěn)定性，緩解關節(jié)攣縮和疼痛是治療KOA的重要運動方法[16]。訓練股四頭肌及腘繩肌可有效地提高肌力和耐力、減輕疼痛，并能使患者室內(nèi)行走、登樓梯、坐位立起3個項目的依賴程度、困難程度和疼痛程度明顯減輕，提高患者的行為能力[17]。國際骨關節(jié)炎學會在2009年的膝骨關節(jié)炎防治指南中提出鼓勵患者堅持進行有規(guī)律的有氧運動、肌力鍛煉和增加活動范圍的訓練，以改善下肢KOA的癥狀。Roddy等通過對1966年～2003年間發(fā)表在Medline、PubMed、Embase、CINAHL和Pedro等數(shù)據(jù)庫上與KOA運動療法相關的論文進行系統(tǒng)回顧分析，得出有氧步行運動與股四頭肌訓練均可以有效緩解KOA的疼痛并改善功能，但兩者之間的效果并無明顯差異[18]。俞曉杰等將45例受試者分為向心訓練組、離心訓練組和對照組，向心訓練組與離心訓練組均接受為期8周的等速肌力訓練，用Biodex等速肌力測試訓練系統(tǒng)評價KOA患者訓練前后的膝關節(jié)伸肌和屈肌的峰力矩改變，用視覺模擬評分法和Lequesne指數(shù)評價KOA患者疼痛和功能障礙的改變，發(fā)現(xiàn)等速向心和等速離心肌力訓練方案在KOA的治療中均有效。在等速向心和等速離心訓練之間未觀察到顯著性差異[19]

3 膝關節(jié)內(nèi)收力矩

膝關節(jié)是由內(nèi)側間室、髕股間室、外側間室組成。KOA通常是從內(nèi)側間室軟組織和軟骨的退化開始，然后發(fā)展為髕股間室或外側間室關節(jié)炎。在日?；顒又?，膝關節(jié)承受的負重為自身體重的2～4倍，其中又有接近2/3的負重是由內(nèi)側間室承擔，這就是KOA主要發(fā)生在內(nèi)側間室的生理原因[20]。

從病理上來說，KOA的發(fā)生主要與膝關節(jié)的力線畸形有關。正常負重線：髖關節(jié)中心與踝關節(jié)中心的連線通過膝關節(jié)中心。膝內(nèi)翻：重力線至膝中心向內(nèi)偏移0.5 cm以上；膝外翻：重力線至膝中心向外偏移0.5 cm以上。也就是說，如果重力線向內(nèi)偏，則內(nèi)側間室的壓力會增大；反之，則外側間室的壓力增大。有膝內(nèi)翻力線異常的患者常有疾病進一步發(fā)展的危險[21]。但是由于負重線在實際操作中不易得到，因此研究者們選取與之息息相關的最能表達內(nèi)翻力線的膝內(nèi)收力矩來說明膝內(nèi)外側間室的負重。大量研究表明，膝關節(jié)內(nèi)收力矩是衡量內(nèi)側間室負荷的良好指標。有研究指出每增加1個單位的內(nèi)收力矩就會增加6.5倍的惡化風險[22]。又因內(nèi)收力矩可以在步行試驗中以非侵入的檢測方式得到，基于以上兩點，內(nèi)收力矩普遍地被用作測量內(nèi)側間隙負重的替代指標[22]。

內(nèi)收力矩主要是由向內(nèi)的重力反作用產(chǎn)生的。重力反作用力大小、重力反作用力與膝關節(jié)中心的力臂，以及下肢的重量和加速度都能影響膝關節(jié)內(nèi)收力矩大小。如果力臂增大或者重力反作用力增大或兩者均增大，則膝關節(jié)內(nèi)收力矩也隨之而增大。由于膝關節(jié)軟骨的退化以及軟組織的松弛，內(nèi)側間室KOA患者的膝關節(jié)對線向內(nèi)側偏移，即重力反作用力的壓力中心向內(nèi)側偏移，增加了重力反作用力的力臂。增加的膝關節(jié)內(nèi)收力矩直接使膝關節(jié)內(nèi)側間室壓增高[23]。實驗研究證明，相比正常人群，內(nèi)側間室KOA患者的膝關節(jié)內(nèi)收力矩往往有明顯增高[24]。通過膝內(nèi)收力矩峰值檢測膝內(nèi)側的動力負重，其升高程度與KOA的嚴重程度、膝關節(jié)的疼痛及疾病的進展有密切的關系[25]。Hunt等通過測試站立和行走時膝關節(jié)內(nèi)收力矩、額狀面力臂以及額狀面重力反作用力大小得出膝關節(jié)骨性炎患者的膝內(nèi)收力矩和重力反作用力在站立時與正常人有明顯不同，但額狀面的力臂大小在站立時差別不大[26]。此外，研究還顯示，KOA患者膝內(nèi)收力矩的峰值和額狀面力臂明顯大于正常人；而額狀面重力反作用力卻明顯低于正常人，由此得出額狀面力臂與膝內(nèi)收力矩峰值的相關性高于額狀面重力反作用力與膝內(nèi)收力矩峰值的相關性[26]。

Pollo等運用4°外翻支具增加額外的外翻力矩以達到降低內(nèi)側間室負重和減輕疼痛的目的[27]。實驗中11例受試者均使用外翻支具并運用三維步態(tài)分析儀分析步態(tài)。所有佩戴外翻支具的患者關節(jié)疼痛和活動度都有明顯的改善；三維步態(tài)儀測試顯示使用外翻支具可以降低內(nèi)收力矩以及內(nèi)側間室負重，在步行中受試者的凈內(nèi)翻力矩平均下降13%，內(nèi)側間室的負重平均下降11%[27]。Gaasbeek等同樣運用外翻支具對15例受試者進行6周的治療，發(fā)現(xiàn)支具的使用可以提高功能和改善疼痛，降低膝的內(nèi)收力矩峰值，尤其是對原發(fā)性膝內(nèi)翻畸形患者的意義更為顯著[28]。除此以外，外翻支具還可以降低行走時內(nèi)翻力矩的峰值，輕度減少膝關節(jié)擺動相末期的伸展，提高步行的速度[28]。

由于人在行走中60%～80%的負荷經(jīng)膝內(nèi)側傳遞[29]，所以骨關節(jié)炎中又以內(nèi)側間室骨關節(jié)炎最為常見，其發(fā)病率大約是外側間室的10倍[24]。膝關節(jié)動力學的研究顯示，正常人體在行走過程中膝關節(jié)冠狀面在足跟首次著地時出現(xiàn)一極小的外翻力矩，隨后出現(xiàn)一個持續(xù)較大的內(nèi)翻力矩，即使是膝關節(jié)外翻畸形的患者也不例外，這也解釋了為什么膝關節(jié)內(nèi)側間室骨關節(jié)炎的發(fā)病率遠遠高于外側間室。KOA患者往往內(nèi)收力矩增大，在步態(tài)周期的站立相中，膝內(nèi)收力矩將脛骨向內(nèi)旋轉，增大了內(nèi)側間室的壓力[30]。張旻等通過研究膝關節(jié)內(nèi)側間室關節(jié)炎的生物力學發(fā)現(xiàn)，相比正常組，患病組在步行支撐相前期與支撐相末期的膝內(nèi)收力矩均明顯升高，這客觀反映了KOA患者在步行過程中膝關節(jié)所承受的壓力明顯高于正常人群[24]。

針對步行的特點，有學者采用足外展步態(tài)來治療KOA。因為足外展步態(tài)可以將重力反作用力線向膝關節(jié)中心靠近，即通過減少內(nèi)收力臂來降低內(nèi)收力矩。結果證明足外展步態(tài)可以減緩KOA的進程[31]。Guo測量不同步態(tài)的KOA患者在行走及上下樓時內(nèi)收力矩峰值大小，實驗中將測試者分為兩組，對照組以自己慣有的足前行角度行走，而實驗組則是在自己慣有的足前行角度上足趾外展15°行走，實驗發(fā)現(xiàn)在步行時實驗組內(nèi)收力矩第二最大峰值比對照組有明顯增高，但最大內(nèi)收力矩峰值確無差異；上樓時，實驗組的最大力內(nèi)收力矩峰值比對照組的大，但在第二峰值時明顯小于對照組；在下樓時，不論是最大峰值還是第二峰值差異不大，結果顯示足趾外展的步態(tài)對膝關節(jié)內(nèi)側間室關節(jié)炎患者可能有好處[32]。

Toriyama等運用膝關節(jié)非負重支具觀察19例有膝關節(jié)內(nèi)側間室骨關節(jié)炎患者在步行時膝和髖矢狀面及額狀面上的動力動態(tài)學，結果發(fā)現(xiàn)裝有支具一側的髖在1%～49%站立相時內(nèi)收角度平均下降2.58°[33]。通過三維步態(tài)分析儀的測量實驗還發(fā)現(xiàn)，在佩戴支具情況下，站立相時骨盆向擺動腿一方傾斜，而軀干向站立腿方傾斜，這種步態(tài)可以在站立相時減少膝內(nèi)收力矩和髖外展程度，從而減少膝關節(jié)的機械壓力[33]。Toriyama等指出，單側膝關節(jié)非負重支具可以在步行時某個特殊時間點改變對側膝內(nèi)收角度。除此以外，膝關節(jié)支具還可以對同側髖的額狀面運動及對側髖的額矢狀面運動產(chǎn)生影響[33]。

4 髖踝關節(jié)

4.1 踝關節(jié)

下肢是一個整體的運動單元，任何一個部位的變化都會引起整個下肢的變化，髖踝足的力學也影響了膝關節(jié)在步態(tài)中的負重。有實驗證實單膝關節(jié)炎患者雙下肢所有關節(jié)的活動度都有下降。因此關注整個運動鏈是保護膝關節(jié)的要點[34]。由于KOA的發(fā)生與下肢的內(nèi)收力矩增大有很大關系，因此，只要減少下肢內(nèi)收力矩便能減輕癥狀，有效控制KOA的進展?；谶@個理論，Kerrigan等運用5°和10°的外側楔形鞋墊治療KOA，研究發(fā)現(xiàn)兩種外側楔形鞋墊不僅僅起到減緩步行速度和減震作用，還可以有效降低步行中的內(nèi)翻力矩。兩種鞋墊對減少內(nèi)翻力矩的效果差別不大[35]。Crenshaw等運用5°的外側楔形鞋墊來治療膝關節(jié)內(nèi)側間室骨關節(jié)炎，并運用三維步態(tài)分析儀對17名健康受試者穿鞋墊前后進行分析。在時間參數(shù)和空間參數(shù)上，踝、髖、膝關節(jié)角或膝髖動力學上都沒有太大的差別。但是穿鞋墊后內(nèi)翻力矩和內(nèi)側間室壓力比不穿鞋墊時有明顯的下降。由此猜測穿外側楔形鞋墊KOA患者功能的改善可能與穿鞋墊后內(nèi)收力矩和內(nèi)側間室壓力降低有關[36]。

4.2 髖關節(jié)

McGibbon等測出KOA的發(fā)生與髖關節(jié)的生物力學有關[37]。實驗發(fā)現(xiàn)，與健康的年齡相仿老年人相比，KOA患者伸膝向心力下降，伸髖離心力升高，與此同時有報道發(fā)現(xiàn)KOA患者髖關節(jié)的外展肌群肌力下降[38]，有研究人員由此猜測髖外展活動可能對疾病的進展有影響。髖外展肌群與髖內(nèi)收力矩相關，外展肌群力量減弱則髖內(nèi)收力矩減小，而減小的髖內(nèi)收力矩會加速KOA的惡化[38]。另有研究也指出KOA病情越嚴重，髖內(nèi)收力矩就越小，膝關節(jié)內(nèi)收力矩就越大[39]。

盡管髖的內(nèi)收及外展肌群對內(nèi)側膝關節(jié)負重影響的機制還不明確，但是這可能與他們參與骨盆和軀干在額狀面上的穩(wěn)定性有關[40]。一項為期18個月的觀察研究顯示，髖內(nèi)收力矩減小會增加膝內(nèi)側間室結構惡化的風險。為了解釋這一現(xiàn)象，Chang等提出減弱的髖外展肌力(與髖內(nèi)收力矩降低相關)在患肢站立時會導致對側擺動腿的骨盆進一步下沉，使身體重心向擺動腿側偏移，增加患肢的力臂，使得膝關節(jié)內(nèi)側間室壓力增加，加重關節(jié)的磨損，從而加速關節(jié)炎的進程[38]。有預實驗通過4周的髖外展肌力訓練使膝內(nèi)收力矩降低9%，并可明顯地減輕疼痛[41]。

Bennell等將89例患有膝關節(jié)內(nèi)側間室骨關節(jié)炎的患者隨機分為2組，治療組給予髖內(nèi)收外展肌力訓練及膝關節(jié)肌力訓練，而對照組只給予膝關節(jié)肌力訓練。結果顯示，治療組髖關節(jié)外展肌力平均增加13%，髖關節(jié)訓練在緩解疼痛和改善功能方面有顯著的作用，但這種訓練對髖內(nèi)收力矩及膝內(nèi)收力矩的影響并不顯著[42]。

5 KOA研究中存在的問題及展望

5.1 現(xiàn)階段研究中存在的問題

在KOA的所有發(fā)病原因中，生物力學的改變是最為公認的因素。隨著對生物力學研究的深入，KOA的運動療法也越來越受到重視，但在有些機制研究與療法中還存在著一些不足。

首先，有關膝關節(jié)肌力訓練，大多都首推膝關節(jié)矢狀面上的運動，如股四頭肌肌力訓練。但是膝關節(jié)除了需維持矢狀面上的穩(wěn)定也需要保持冠狀面上的穩(wěn)定，那么參與構成膝關節(jié)冠狀面上的肌肉群在KOA的發(fā)生當中起到了怎樣的作用？在訓練當中該如何提高它們的肌力？另外隨著等速訓練儀器的引進和普及，越來越多的研究者傾向于運用儀器來做訓練。如果用等速訓練儀器來提高膝屈伸運動的肌力，等速離心訓練及等速向心訓練的效果誰優(yōu)誰劣，兩種訓練模式各有何弊端？這類的研究還略顯不足。

第二，隨著研究的深入，越來越多的學者意識到下肢運動鏈的整體性?，F(xiàn)在國外有些學者將目光投向了髖關節(jié)對KOA的影響。在研究髖外展肌力對KOA的影響時，有學者認為提高髖外展肌力可以減少膝內(nèi)收力矩[41]。而有的學者則認為提高髖外展肌力可以緩解癥狀但不能影響膝內(nèi)收力矩。欲求證這兩種說法除了運用三維步態(tài)儀外還需要運用如MRI這類可直接觀察結構改變的方法[42]。但就目前而言還并未有實驗運用此方法來進行觀察和驗證。

另外，盡管研究者認為髖內(nèi)收力矩反映了髖外展肌群的力量。但是這一說法有一定的問題，因為這兩者之間的關系有一定的復雜性。內(nèi)收力矩是通過逆動力學測得的，是一種凈力矩，不能歸因于任何單一的肌肉群，它代表的是在外展和內(nèi)收方向上力矩產(chǎn)生者的整體效應。除此以外，力矩會受到骨盆及軀干運動的影響。髖外展肌力及髖內(nèi)收力矩之間不一定有良好的相關性[43]。Henriksen等以正常人為實驗對象，發(fā)現(xiàn)髖內(nèi)收力矩下降和實驗中人為產(chǎn)生的疼痛所導致的髖外展肌力下降并沒有使膝關節(jié)內(nèi)收力矩升高，反而使內(nèi)收力矩下降[44]。以上這些實驗和觀點對髖關節(jié)肌力訓練可以降低膝內(nèi)收力矩這一說法提出有力的質(zhì)疑。

與此同時，與髖外展功能相比，人們對髖內(nèi)收肌群的關注要少得多。Yamada等發(fā)現(xiàn)與同年齡段的人比較，KOA患者的髖內(nèi)收肌力更高。如果KOA情況越重，髖內(nèi)收肌力也就越高[45]。從現(xiàn)在的國內(nèi)外文獻來看，很少有人對這一現(xiàn)象做出解釋，更少有人研究髖內(nèi)收肌群在KOA的發(fā)生和發(fā)展中所起的作用。另一值得深入探討的問題是髖的訓練是否對具有某種特性的KOA患者效果更明顯？對這一類患者來說髖關節(jié)肌力訓練可能就是改善癥狀最有效的方法[46]。

5.2 未來治療和預防趨勢

下肢是一個整體，髖、膝、踝三者關系密切。髖和踝的生物力學對KOA的發(fā)病有深遠影響，所以在針對于膝關節(jié)的訓練時也應對踝關節(jié)和髖關節(jié)的生物力學加以糾正。根據(jù)以上問題，在未來KOA的研究中，研究者會更多地關注踝、髖甚至軀干部對膝關節(jié)的影響；在治療方面，除了傳統(tǒng)的自我訓練外，還可使用各種輔助器具來糾正異常的力線。力線的改變是一個漫長的過程，與短暫的臨床治療相比，醫(yī)者更應重視患者長期的自我教育與訓練。比如讓有KOA的高危人群在日常生活中重視股四頭肌及腘繩肌的訓練，并有意識地鍛煉自己的髖外展肌群，糾正步態(tài)，積極地使用楔形鞋墊，必要時也可運用非負重膝支具等方法來長期有效地管理和控制疾病，這可能是未來治療與預防KOA的一個趨勢。

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