膝骨关节炎女性伸膝肌力、步态时空参数与峰值膝关节屈曲/内收力矩关系

doi:10.12307/2023.902

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (9): 1354-1358.doi: 10.12307/2023.902

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

膝骨关节炎女性伸膝肌力、步态时空参数与峰值膝关节屈曲/内收力矩关系

李永杰1，付申宇1，夏渊2，张达宽1，刘洪举1

1北京积水潭医院贵州医院，贵州省贵阳市 550014；2武汉体育学院，湖北省武汉市 430079

收稿日期:2022-12-12 接受日期:2023-01-30 出版日期:2024-03-28 发布日期:2023-07-25
通讯作者: 刘洪举，博士，主任医师，北京积水潭医院贵州医院，贵州省贵阳市 550014
作者简介:李永杰，男，1996年生，山西省陵川县人，汉族，2021年武汉体育学院毕业，硕士，康复治疗师，主要从事肌肉骨骼生物力学研究。
基金资助:
2023年贵州省卫生健康委科学技术基金项目(gzwkj2023-124)，项目负责人：付申宇

Correlation of knee extensor muscle strength and spatiotemporal gait parameters with peak knee flexion/adduction moment in female patients with knee osteoarthritis

Li Yongjie1, Fu Shenyu1, Xia Yuan2, Zhang Dakuan1, Liu Hongju1

1Guizhou Hospital, Beijing Jishuitan Hospital, Guiyang 550014, Guizhou Province, China; 2Wuhan Sports University, Wuhan 430079, Hubei Province, China

Received:2022-12-12 Accepted:2023-01-30 Online:2024-03-28 Published:2023-07-25
Contact: Liu Hongju, MD, Chief physician, Guizhou Hospital, Beijing Jishuitan Hospital, Guiyang 550014, Guizhou Province, China
About author:Li Yongjie, Master, Rehabilitation therapist, Guizhou Hospital, Beijing Jishuitan Hospital, Guiyang 550014, Guizhou Province, China
Supported by:
Science and Technology Fund Project of Guizhou Provincial Health Commission in 2023, No. gzwkj2023-124 (to FSY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

步态时空参数：步态分析中常用的基本时空参数包括步长、步幅、步频、步速、步行周期、步行时相，其中步长、步频和步速是步态分析中最常用的3大要素。
力矩：力对物体产生转动作用的物理量，即力和力臂的向量积。

背景：已有研究表明膝骨关节炎患者的膝关节力矩会发生改变，但对于力矩变化与伸膝肌力及步态时空参数之间的相关性报道较少。

目的：探索女性膝骨关节炎患者伸膝肌力及步态时空参数与峰值膝关节屈曲/内收力矩之间的相关性。
方法：选取2022年2-8月在北京积水潭医院贵州医院住院治疗的20例单膝患病女性膝骨关节炎患者作为膝骨关节炎组，另外选取20例无肌肉骨骼疾病的女性健康人作为对照组。利用Biodex等速仪测量60 (°)/s向心伸膝肌力，并采用意大利BTS红外运动捕捉系统和测力台采集步态时空参数和峰值膝关节屈曲力矩和膝关节内收力矩。通过Pearson相关性分析探索肌力、步态时空参数和峰值膝关节内收力矩和膝关节屈曲力矩的关联，并进一步将与膝关节力矩显著相关的变量纳入多元逐步回归分析。

结果与结论：①与对照组相比，膝骨关节炎组60 (°)/s向心伸膝肌力、步速、步频、步长以及峰值膝关节屈曲力矩均更低(P < 0.05)；②Pearson相关性分析结果显示60 (°)/s向心伸膝肌力、步速、步频、步长与峰值膝关节屈曲力矩呈正相关，与峰值膝关节内收力矩呈负相关，差异有显著性意义(P < 0.05)；③多元逐步回归结果显示，步速和60 (°)/s向心伸膝肌力是峰值膝关节屈曲力矩的最强预测因子，其中两因素合计的R2值为0.426，表明可解释该参数方差总变异的42.6%；步长和60 (°)/s向心伸膝肌力是峰值膝关节内收力矩的最强预测因子，两因素合计的R2值为0.602，表明可解释该参数方差总变异的60.2%；④结果提示，伸膝肌力、步速和步长是影响峰值膝关节内收力矩和膝关节屈曲力矩的主要变量；这些变量可用于临床步态监测和指导，以在膝骨关节炎康复期间改变膝关节负荷。

https://orcid.org/0000-0003-0663-4920 (李永杰)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 膝骨关节炎, 肌力, 时空参数, 膝关节力矩, 步态

Abstract: BACKGROUND: Previous studies have shown that knee joint moment changes in patients with knee osteoarthritis, but there are few reports on the correlation of moment changes with knee extensor muscle strength and gait spatiotemporal parameters.
OBJECTIVE: To explore the correlation of knee extensor muscle strength and gait spatiotemporal parameters with peak knee flexion moment and knee adduction moment in female patients with knee osteoarthritis.
METHODS: Twenty knee osteoarthritis female patients with single knee disease hospitalized in Guizhou Hospital, Beijing Jishuitan Hospital from February to August 2022 were selected as the knee osteoarthritis group, and an additional 20 healthy females without musculoskeletal disease were selected as the control group. The knee extensor force at 60 (°)/s was measured with the Biodex isokinetic instrument. The gait spatiotemporal parameters and peak knee flexion moment and knee adduction moment were collected with the Italian BTS infrared motion capture system and force measuring platform. Pearson correlation analysis was used to explore the correlation of muscle strength and gait spatiotemporal parameters with peak knee adduction moment and knee flexion moment, and the variables significantly related to knee joint moment were further included in the multiple stepwise regression analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with the control group, the knee osteoarthritis group had significantly lower knee extensor force, step speed, step frequency, step length, step width, peak knee adduction moment and knee flexion moment at 60 (°)/s (P < 0.05). (2) Pearson correlation analysis showed that the 60 (°)/s centripetal extensor force, step speed, step frequency and step length were positively correlated with the peak knee flexion moment, and negatively correlated with the peak knee adduction moment, with a statistically significant difference (P < 0.05). (3) The results of multiple stepwise regression showed that step speed and 60 (°)/s knee extensor force were the strongest predictors of peak knee flexion moment, and the total R2 value of the two factors was 0.426, indicating that 42.6% of the total variance of this parameter could be explained. Step length and 60 (°)/s centripetal extensor force were the strongest predictors of peak knee adduction moment. The total R2 value of the two factors was 0.602, indicating that 60.2% of the total variance of this parameter could be explained. (4) It is concluded that knee extensor strength, step speed and step length are the main variables affecting peak knee adduction moment and knee flexion moment. Therefore, these variables can be used for clinical gait monitoring and guidance to change knee joint load during knee osteoarthritis rehabilitation.

Key words: knee osteoarthritis, muscle strength, spatiotemporal parameter, knee joint moment, gait

中图分类号:

李永杰, 付申宇, 夏渊, 张达宽, 刘洪举. 膝骨关节炎女性伸膝肌力、步态时空参数与峰值膝关节屈曲/内收力矩关系[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1354-1358.

Li Yongjie, Fu Shenyu, Xia Yuan, Zhang Dakuan, Liu Hongju. Correlation of knee extensor muscle strength and spatiotemporal gait parameters with peak knee flexion/adduction moment in female patients with knee osteoarthritis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(9): 1354-1358.

图/表（结果） 7

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引言

膝骨关节炎作为一种常见的退行性关节疾病，也是导致患者残疾和慢性疼痛发生的主要原因之一[1-2]。多数情况下膝骨关节炎患者始于单侧发病[3]，然而近90%的单侧膝骨关节炎患者在10年内将发展为双侧膝骨关节炎[4]。双侧膝骨关节炎的预后较差，因为其与更差的下肢运动功能、疼痛和生活质量密切相关[5-6]。因此，当前迫切需要制定预防膝骨关节炎由单侧向双侧发展的策略。另外，膝骨关节炎的发展受性别因素影响。流行病学研究表明，7%-17% 的个体会出现膝骨关节炎，其中女性患病率(4.8%)约为男性患病率(2.8%)的2倍，且发病年龄也早于男性[7]。同时一项研究表明中国膝骨关节炎的疾病负担较重，女性患膝骨关节炎后失能时间是男性的1.7倍，显著增加了公共医疗成本[8]。BLACK等[9]提出中老年女性较男性更容易出现膝关节在额状面的外翻错位(X型腿)，其韧带也更为松弛且股四头肌肌力更弱，进而导致膝关节内负荷增高，最终导致膝骨关节炎风险的增加。这提示在膝骨关节炎的防治中，中老年女性群体应受重点关注。
既往研究指出膝骨关节炎的发生与生物、机械和结构改变有关，其中膝关节的关节负荷已被确定为关键因素[10]。膝关节内收力矩(knee adduction moment，KAM)是膝关节负荷的重要生物力学指标，可反映内侧间室的受力状态[11]。多篇文献报告膝骨关节炎患者的KAM在步行过程中较正常人显著增高[12-13]。MIYAZAKI等[14]学者也指出KAM的增长与膝骨关节炎的病情发展呈正相关。此外，膝关节屈曲力矩(knee flexion moment，KFM)的改变也可影响膝骨关节炎的患病风险[15]。WALTER等[16]指出通过KFM也可预测膝关节内侧接触力的变化。综上可得，通过膝关节屈曲和内收力矩可以更好地评估步行过程中的关节负荷。
鉴于膝关节屈曲和内收力矩对于膝骨关节炎的作用，因此在康复期间量化步态过程中的膝关节负荷并确定影响负荷的可改变因素成为研究热点和难点。基于逆动力学原理，关节力矩大小受关节反作用力、力臂以及运动学影响。既往研究表明步态时空参数的改变会调整膝关节力臂以及运动学的变化，影响关节力矩的大小[17]。ALLET等[18]和FAVRE
等[19]研究证实增加步长和步宽分别降低了膝关节屈曲和内收力矩。另外，肌力也是影响关节力矩的重要因素[20]。研究指出股四头肌肌力降低会导致前交叉韧带重建术后患者的KFM降低[21]。以上研究提示改变步态时空参数和肌力可能是调节膝关节负荷的方法。因此，该研究将以单侧女性膝骨关节炎患者为研究对象，探索其伸膝肌力及步态时空参数与峰值膝关节屈曲/内收力矩之间的相关性，明确影响步行过程中峰值KAM和KFM的相关指标，为单侧女性膝骨关节炎患者提供预防膝骨关节炎由单侧向双侧发展的策略。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计病例-对照。两组间数据比较通过独立样本t检验，并进行Pearson相关性分析和多元逐步回归分析。
1.2 时间及地点研究于2022年2-8月在北京积水潭医院贵州医院完成。
1.3 对象选取2022年2-8月在北京积水潭医院贵州医院确诊的20例女性膝骨关节炎患者作为膝骨关节炎组；同时，以受试者年龄为配对条件选取临近社区无肌肉骨骼疾病的20例女性健康人作为对照组。将膝骨关节炎组与对照组按年龄进行1∶1配对。
研究经过北京积水潭医院贵州医院伦理委员会批准通过(批号：LW20220301)。受试者对试验数据的采集完全知情同意，并签署了知情同意书。
膝骨关节炎组纳入标准：①符合中华医学会制定的《中国骨关节炎诊疗指南(2021年版)》诊断标准[22]；②年龄在50-80岁；③单侧膝关节患病；④Kellgren & Lawrence(K-L)分级在2，3级；⑤入组前7 d未接受物理治疗、口服止痛药且未行膝关节腔内药物注射。
对照组纳入标准：①年龄为50-80岁；②既往无膝关节外伤史或手术史；③自愿参加此次研究。
排除标准：①双侧膝关节患病；②有骨折、肌肉损伤等其他肌肉骨骼疾病；③合并有严重的心脑血管或者精神类疾病；④有骨关节肿瘤、结核和风湿类疾病；⑤有外科手术史；⑥因其他疾病导致下肢疼痛或活动受限者，如腰椎间盘突出、半月板损伤等。
1.4 方法
1.4.1 等速肌力测试采用Biodex等速设备(由美国Biodex公司生产，型号为Biodex S4)，对膝关节伸展肌群进行60 (°)/s等速向心测试[23]。测试方法为受试者坐在椅子上，固定躯干、腰部和大腿。先进行重力校准，设置膝关节的活动度为0°-90°，角速度为60 (°)/s，屈曲-伸展交替收缩循环进行，重复运动次数为5次。
1.4.2 步态测试在三维步态分析实验室进行，见图1A。实验室配备BTS红外动作捕捉系统(BTS Bioengineering公司，意大利)和三维测力台(BTS Bioengineering公司，意大利)。其中红外动作捕捉系统由8个摄像头构成，采集频率为250 Hz。三维测力台由4块力台构成，镶嵌在步道中部，采集频率为500 Hz。在正式测试前，向受试者说明测试目的及步骤，并要求受试者穿着紧身泳裤。

根据Davis Heel模型[24]，在受试者身上粘贴22个Mark点，其中分别是第7颈椎、双侧肩峰、双侧髂前上棘、双侧股骨大转子、双侧股骨外侧髁、双侧股骨大转子和股骨外侧髁连线的中点、双侧腓骨外上髁、双侧外踝、双侧腓骨外上髁与外踝连线的中点、双侧跟骨、双侧第5跖骨、第5骶骨，见图1B。

当贴好Mark点，让受试者在步道以正常步速适应性行走。正式测试时，先采集受试者在力台上静止站立的数据，随后让受试者在步道上行走3次，每次采集5个以上的步态周期，取中间5个完整步态周期的平均值，若步态周期用时相差较大，则让受试者休息5 min后重新测试。
1.4.3 数据处理和测试指标对于等速肌力，将5次的膝关节向心伸膝产生的峰力矩记录并求其平均值，用于随后的统计学分析[23]。
(1)时空参数分析[25]：将测试数据导入BTS smart-clinic软件(BTS Bioengineering公司，意大利)，选择Davis Heel模型并建立人体模型，并标记左右下肢对应的力线。然后将每次测试捕捉的步态动作至少划分5个步态周期，随即进行时空参数运算，计算完毕将时空参数结果从软件中导出。时空参数包含支撑相百分比、步速、步频、步长、步宽和足前进角。

(2)动力学分析：动力学分析基于Opensim 4.1仿真软件(斯坦福大学，美国)[26]。Opensim 4.1软件是由美国斯坦福大学开发的一款开源性生物力学仿真软件，可进行人体仿真建模和生物力学分析。首先在BTS smart-clinic中将运动学数据和动力学数据转化trc及mot文件格式，然后导入Opensim中。具体仿真流程如下：①打开Gait2354_Simbody模型，并利用静态运动学数据对该模型进行缩放标定以获取符合受试者的身体尺寸的人体模型；②通过逆运动学仿真获取运动学数据；③通过逆动力学获取此次试验所需的关节力矩数据。关节力矩指标包括峰值KAM和KFM。

1.5 主要观察指标 ①两组肌力、步态时空参数和关节力矩比较；②Pearson相关性分析结果；③多元逐步回归分析结果。
1.6 统计学分析通过SPSS 22.0 版本进行统计学分析。该研究均为连续性变量，故用x±s表示。膝骨关节炎组和对照组肌力、步态时空参数以及关节力矩比较进行独立样本t检验；探索肌力、步态时空参数和峰值KAM和KFM的关联进行Pearson相关性分析；最后，将与膝关节力矩显著相关的变量纳入多元逐步回归分析(变量输入：P < 0.05；变量删除：P > 0.10)中，识别与峰值KAM和KFM关联最强的变量。文章的统计学方法已经过北京积水潭医院贵州医院生物统计学专家审核。

讨论

此项研究旨在探索女性膝骨关节炎患者伸膝肌力及步态时空参数与峰值膝关节屈曲/内收力矩之间的相关性，明确肌力和步态时空参数是否为影响膝关节力矩的潜在可修改变量。在过去的研究中KAM受到了广泛的关注，其被视为内侧间室负重的替代指标，与膝骨关节炎发生和发展存在密切联系[27]。KFM是矢状面上作用于膝关节的力矩，有研究表示该指标变化也会对膝骨关节炎的发生风险造成影响[28]。此研究结果显示，与健康对照组相比，膝骨关节炎组患者的峰值KAM显著增高，而峰值KFM则降低，与既往研究结果一致[29-30]。在正常步态中，总的膝关节三维力矩是相对稳定的，然而其负荷分布是一个动态变化的过程[31]。额状面的内收力矩的增加则伴随着矢状面屈曲力矩的减少，往往呈反比关系，其原因与力臂变化有关[32]。在内收力矩中，膝骨关节炎患者的关节力线向内侧偏移，增加了额状面的力臂长，最终导致膝骨关节炎患者KAM的增高。而在屈曲力矩方面，膝骨关节炎患者的膝关节屈曲角度减少，致使矢状面力臂长缩短，出现膝骨关节炎患者KFM降低的现象。CREABY等[33]研究发现在膝骨关节炎人群中，更大的膝关节屈曲角与更高的矢状面关节负荷(即KFM)相关，进一步揭示了膝关节屈曲对于KFM的意义。另外，此次研究还进行了相关性分析，结果显示60 (°)/s
向心伸膝肌力、步速、步频、步长与膝关节与KAM和KFM呈显著相关。与KFM相比，上述指标与KAM的关联性更强。既往研究报告了通过调整步长、步频、足前进角等步态参数，可达到改善膝关节负荷的目的[34]，这为临床步态纠正工作提供了新的思路。结合此次研究的相关性结果，可推测肌力和步速、步频等时空参数可能是改变KAM和KFM的可修改因素。
为了进一步明确影响峰值KAM和KFM的最主要因素，此次研究对具有相关性的指标进行了逐步回归分析。结果表明步速和60 (°)/s向心伸膝肌力是KFM的最强预测因子，而步长和60 (°)/s向心伸膝肌力则是峰值KAM的最强预测因子，以上结果提示在时空参数方面，步速和步长可能是影响峰值KAM和KFM的主要变量。KAM的降低受益于增加步长可以缩短地面反作用力在额状面中围绕膝关节中心的力臂[35]。 FREGLY等[36]和SCHWAMEDER等[37]学者也通过实验证实增加步长可以减少KAM，与此次研究结果一致。对于步速而言，步速的提高会减少步行过程中下肢支撑相的时间，使膝关节屈曲角度增加，进而促进矢状面的力臂增加，最终导致KFM的升高[38]。LAM等[39]研究了羽毛球运动员极限弓步时膝关节的冲击负荷特征，结果显示运动员的速度越快，其KFM越大。HALL等[40]研究也表明半月板损伤术后患者的KFM随着步速的增加而增加。综上结果，在临床工作中可实施简单的步态调整策略进而改善膝关节力矩：如在地面上设置不同长度刻度的标记，调整步长以改变KAM；或者让膝骨关节炎患者在跑步机上行走，通过操纵速度影响KFM。然而考虑到个体差异、疾病严重程度等因素对可能对关节负荷的潜在影响，因此仍需大量研究探索单个步态变量/多个变量组合的修改是否可以使女性膝骨关节炎患者膝关节负荷正常化。
另外，伸膝肌力是峰值KFM和KAM的共同预测因子，相关性结果显示伸膝肌力与KFM呈正相关，与KAM呈负相关。股四头肌是主要的伸膝肌群，具有稳定膝关节的作用。以往文献和此次研究结果均证实膝骨关节炎患者的股四头肌肌力显著下降，而肌力下降则会影响膝关节稳定性，并进一步导致膝关节负荷分布异常，加剧膝骨关节炎的严重程度。一项临床研究显示股四头肌主要参与矢状面上的运动，其肌力下降会导致离心收缩能力降低，影响膝关节屈曲，进一步导致KFM的降低[41]。另外，PALMIERI-SMITH等[31]研究表明股四头肌肌力的降低也会加剧额状面运动的不稳定性，导致膝关节力线向内偏移，使KAM增高。综上，基于伸膝肌力降低对膝骨关节炎患者KAM和KFM的影响和此次研究的相关性结果，在临床中可通过强化股四头肌肌力以增加KFM，降低KAM，使膝关节负重正常化。受研究类型和样本量等局限性的限制，增强伸膝肌力是否可同时改善KAM和KFM仍需更多研究进一步论证。
结论：研究结果发现伸膝肌力、步速和步长是影响峰值KAM和KFM的主要相关变量。因此，这些变量可用于临床步态监测和指导，以在膝骨关节炎康复期间改变膝关节负荷。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

膝骨关节炎女性伸膝肌力、步态时空参数与峰值膝关节屈曲/内收力矩关系

Correlation of knee extensor muscle strength and spatiotemporal gait parameters with peak knee flexion/adduction moment in female patients with knee osteoarthritis

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