不同速度下台阶对膝关节压力的影响

陶 珊，曲 峰

从生物力学角度看，下台阶时下肢各关节的运动幅度、关节负荷以及肌肉活动等均与在平地上行走有差异。下台阶过程中，膝关节作为起主要承重和缓冲作用的关节，会承受更大的负荷，更容易造成损伤的发生。故对下台阶时膝关节动力学和运动学参数进行研究，为预防运动损伤和指导健身提供依据是很有必要的。

有关上下台阶时动力学参数有大量的研究。耐力性运动如自行车、登山、上下台阶等运动时，膝关节受到的压力远大于平地上行走时所承受的力[1-4]，由于膝关节长期承受较大的负荷而最终造成膝关节的慢性劳损或者骨关节病，从而影响健身者的生活质量[5,6]。故研究上下台阶时膝关节所承受的压力对于预防骨关节病、膝关节假肢、矫形器和膝关节置换具有很重要的意义[7-9]。

Paul[10]研究了慢速行走、快速行走、上楼梯、下楼梯时的膝关节上的受力，分别为 2.7 BW、4.3 BW、4.4 BW 和 4.9 BW。Komistek 等[11,12]发现不同形式下台阶时膝关节的力矩有差异，膝关节屈伸力矩、内外翻力矩以及股四头肌收缩强度均按正面一脚一阶、正面两脚一阶、横面两脚一阶、斜面两脚一阶的顺序逐渐减小[13]。研究不同速度下台阶时膝关节受力大小的变化，以及以不同方式下台阶时膝关节受力方式的差异，对于防治长期因较大压力或不良力线而导致的骨关节炎[14]等具有重要的意义。

许多运动学方面的研究表明，上下台阶时膝关节的运动幅度较平地上行走大很多[9]。Hoffman[15]等人的研究显示，上下楼梯时膝关节屈曲达830，较平地上行走时多将近120，膝关节内的压力会随着屈曲角度的增加而增加[16]，髌骨所受到的压力亦会增加，这会增加髌骨横断的风险[17]。故研究不同速度下台阶时膝关节角度和角速度等运动学指标的变化，对于有效减少膝关节损伤具有一定的指导价值。

膝关节的健康问题困扰着许多人，大多数的中老年人均出现过不同程度的膝关节疼痛。据统计，50 岁以上的人群中，50%患有骨关节病，65 岁以上的人群中，90%的女性和 80%的男性患有此病[18]。目前，随着经济的发展，生活水平的日渐提高，骨性关节病也开始趋向低龄化，越来越多的人将会受到骨性关节病的困扰[19,20]。所以对上下台阶时膝关节的生物力学参数进行分析，用于指导科学健身，减少运动损伤的发生是有必要的。

1 研究方法

2.1 测试台阶

本实验采用自制木质台阶，共5层，每一级台阶的规格为：长90 cm、宽28 cm、高18 cm（见图1）。

图1 实验所用台阶Figure 1 Stairs Used in this Study

1.2 受试者

10名在校男大学生，未进行过系统的体育锻炼，近期无下肢损伤，实验前48 h内未从事剧烈运动（见表1）。

表 1 研究对象的基本信息 （N=10）TableⅠ Basic Information of the Subjects (N=10)

1.3 数据采集与处理

受试者着泳裤，贴反光标志点。通过三维测力台（Kistler 9281CA，Switzerland，1000 Hz）、8镜头红外高速运动捕捉系统（Motion Analysis Raptor-4，USA，200Hz）同步采集运动学和动力学数据。受试者跟随节拍器的节奏，分别以48步/分、60步/分、72步/分、84步/分、96步/分、108步/分、慢速跑、中速跑、快速跑（3种跑速为自觉速度），共9种速度下台阶。最后一步落在测力台上。在每种速度下，左右脚各采集3次有效数据。

1.3.1 标志点的名称与位置

采用海伦海耶斯模型，在受试者身上贴19个反光标志点。采集的所有标志点三维坐标采用Butterworth低通滤波法进行平滑，截断频率为10 Hz。根据标志点坐标建立大腿坐标系、小腿坐标系、足坐标系，其中髋关节中心根据Bell[21]的研究计算，膝关节的转动中心为股骨内外侧髁中心，踝关节转动中心为内外踝中心。采用欧拉角的方法计算膝关节的三维角度。标志点位置如表2。

1.3.2 统计分析

不同速度间的参数采用单因素重复测量方差分析（oneway repeated measures ANOVA）进行比较，后续两两比较采用LSD法。同一速度，左右侧间的参数采用配对T检验进行比较。显著性水平定为一类误差概率不大于0.05。

2 结果与分析

2.1 不同速度膝关节峰值力的比较

2.1.1 不同速度膝关节垂直方向峰值力的比较

如表3所示，随着下台阶速度的增大，膝关节垂直方向的峰值力不断增加。当以快速跑的速度下台阶时，左膝关节所受的峰值力为2.12 BW，与前面的各速度下台阶时膝关节所受峰值力相比显著增大。当以中跑速度下台阶时，右膝关节所受峰值力为2.13 BW，相比较于前面各速度下台阶时膝关节所受的峰值力增加有显著性差异。以快跑的速度进行下台阶时，膝关节所受峰值力均大于2倍的体重[22,23]，这与前人所做的研究相符合。随着下台阶速度增加，膝关节受到的垂直方向的峰值力不断增加，并且峰值力的作用时间会随着速度的增加而减小，当碰撞力发生在的50 Ins内时，骨骼肌肉系统来不及产生反应，吸收碰撞力，从而对人体造成伤害[23,24]，这样膝关节关节腔内的组织因为无法吸收所受到的较大的撞击力和挤压力，所以比较容易造成膝关节内半月板、关节面软骨的磨损和破裂。长期可能会导致半月板的剥脱，最终形成关节鼠，由于关节鼠的存在会导致膝关节的绞索感，影响健身者的生活质量[25]。此外，还有可能造成膝关节腔内滑膜、滑囊等软组织的急性和慢性炎症，影响健身者的生活质量。

表 2 标志点的名称和位置TableⅡ Names and Position of the Markers

受试者以不断增大的速度下台阶，84 步/分时膝关节所受压力的峰值力小于72 步/分时膝关节所受压力的峰值力。造成该现象的原因可能是由于个别受试者的异常数据，因为72 步/分时膝关节所受压力的峰值力的标准差较大。但个别受试者的数据对于伤病等的防治有重要意义，所以需要对造成该差异的原因，进一步研究和探讨。

但由于人体在进行下台阶运动时，左右腿的速度基本一致，所以在指导运动时，应以中跑的速度进行，这样不会因为膝关节所受的着地时刻的峰值力太大而引起损伤，又能获得较好的运动效益。

2.1.2 不同速度膝关节前后方向峰值力的比较

表4中的峰值力为Y轴所受的峰值力，Y 轴为膝关节所承受的前后方向的力。如表4所示，随着下台阶速度的增加，膝关节所受的前后方向的峰值力逐渐的增加。当以快跑的速度下台阶时，左膝关节所受的前后方向的峰值力为0.89BW.,相比较于以前面各速度下台阶时膝关节所受的峰值力显著增大。当以慢跑速度下台阶时，膝关节所受的前后方向的峰值力为0.56BW, 相比较于以前面各速度下台阶时膝关节所受的标准峰值力增加亦具有显著性差异。

表 3 不同速度下台阶膝关节垂直方向峰值力一览表（N=10）TableⅢ Vertical Peak Force of Knee Joints in Different Downstairs Speed (N=1100))

表 4 不同速度下台阶膝关节前后方向峰值力一览表（N=10）TableⅣ Horizontal Peak Force of Knee Joints in Different Downstairs Speed (N=10))

下台阶时，股骨和胫骨不仅绕着膝关节的X轴（左右方向）做屈伸运动，膝关节屈曲时，股骨还会在胫骨平台上沿Y轴向前滑动。随着下台阶速度的增加，膝关节所受的前后方向的峰值力不断增加，使股骨向前的滑动趋势增大。为了防止股骨过度前移，需要膝关节内前交叉韧带来维持稳定[26]。Y轴方向的力增加使得防止股骨前移的前交叉韧带的负荷增加。长期较大或频繁的负荷施加在前交叉韧带上，可能造成前交叉韧带的拉伤或者断裂。有研究表明一旦前交叉韧带损伤，该患者罹患骨关节炎的风险显著增大，这主要是由于前交叉韧带断裂后，关节内所承受的压力和运动轨迹的变化而引起的[27,28]。这样会严重影响健身者的生活质量。

此外，随着下台阶速度的增加，膝关节所受前后方向的力不断增加，股骨前移的趋势不断增加，股四头肌需要强力收缩来阻止该趋势。但是股四头肌收缩力的增加，会使得施加在髌骨表面的压力增加，长期有可能会导致髌骨的横断[29]，或者髌骨软化症[23,30,31]。

为了预防前交叉韧带和髌骨的损伤，在进行指导训练时，应以慢速跑的速度下台阶，这不仅可以获得较好的运动效益，并且膝关节着地时的峰值力不会太大，从而避免了膝关节在运动中可能造成的损伤。

由表3、表4可以看出，以同一速度下台阶时，左右膝关节所承受的同一方向上的峰值力，多为右膝关节大于左膝关节。但使用SPSS13.0对数据进行配对T检验，无显著性差异。造成该现象的主要原因是本实验受试者的优势腿均为右腿，由于长期惯用右腿，所以右侧腿的肌力均较强，在完成站立、支撑等动作时优势腿承担较多的体重，所以多为右侧的峰值力大。同时也在提醒我们右侧膝关节损伤的风险较左侧膝关节大，应注意防护。

2.2 不同速度膝关节垂直方向峰值力时刻膝关节角度比较

2.2.1 不同速度膝关节垂直方向峰值力时刻膝关节屈曲角度的比较

从表5可以看出，随着下台阶速度的增加，膝关节达到峰值力时刻的膝关节屈曲角度呈现不断地增加的趋势。当以中速跑的速度下台阶时，左膝关节达到垂直方向峰值力时刻的膝关节的屈曲角度为18.91°，较前面各速度膝关节达峰值力时刻的膝关节屈曲角度显著增大。当以快速跑的速度下台阶时，右膝关节达到垂直方向峰值力时刻的膝关节的屈曲角度为27.81°，较前面各速度膝关节达峰值力时刻的膝关节角度显著增大。

表 5 不同速度下台阶膝关节垂直方向峰值力时刻膝关节屈曲角度一览表（NN=1100）TableⅤ Knee Flexion Angles in Different Downstairs Speed (N=10)

对下台阶运动进行动作阶段划分，可将其分为：支撑相和摆动相。此处所研究的膝关节屈曲角度为由支撑相开始逐渐进入摆动相，膝关节由伸展位开始屈曲，膝关节所屈过的角度。随着下台阶速度的不断增加，膝关节达峰值力时刻的屈曲角度也在不断地增加。对膝关节所受的合力进行正交分解，膝关节所受到的水平方向的分力会不断增加，在一定程度上增加了施加在髌骨上的压力。加之，随着下台阶速度的增加，膝关节所受的峰值力合力亦不断增加。两重因素共同造成髌骨受到的水平方向的力增加。长期则会增加髌骨劳损,髌骨软化等疲劳性损伤的发生几率。

3 结论与建议

3.1 结论

随着下台阶速度的增加，膝关节所承受的负荷在增加。膝关节屈曲幅度随着下台阶速度的增加而增加。同一速度下台阶时，右膝关节负荷大于左膝关节，但不具备统计学差异。

3.2 建议

日常下台阶时，最好不要超过慢跑的速度，这样对于膝关节所造成的压力不会太大。下台阶时，右膝关节所承受的压力较左膝关节大，所以应加强对右膝关节的防护。

[1] ANDRIACCHI T, ANDERSSON G, FERMIER R, et al. (1980).A study of lower-limb mechanics during stair-climbing [J]. J Bone Joint Surg Am, 62(5): 749-757.

[2] MORRISON J. (1970). The mechanics of the knee joint in relation to normal walking [J]. Journal of biomechanics, 3(1): 51-61.

[3] KUSTER M S, SPALINGER E, BLANKSBY B A, et al. (2000).Endurance sports after total knee replacement: a biomechanical investigation [J]. Medicine and science in sports and exercise,32(4): 721-724.

[4] COSTIGAN P A, DELUZIO K J, WYSS U P. (2002). Knee and hip kinetics during normal stair climbing [J]. Gait & Posture,16(1): 31-37.

[5] CASARTELLI N C, ITEM-GLATTHORN J F, BIZZINI M, et al. (2013). Differences in gait characteristics between total hip,knee, and ankle arthroplasty patients: a six-month postoperative comparison [J]. BMC musculoskeletal disorders, 14(1): 176.

[6] ASTEPHEN J L, DELUZIO K J, CALDWELL G E, et al. (2008).Gait and neuromuscular pattern changes are associated with differences in knee osteoarthritis severity levels [J]. Journal of biomechanics, 41(4): 868-876.

[7] JOHNSON G, FERRARIN M, HARRINGTON M, et al. (2004).Performance specification for lower limb orthotic devices [J]. Clin Biomech (Bristol, Avon), 19(7): 711-718.

[8] GUO Y, ZHANG X, AN M, et al. (2012). Determination of quadriceps forces in squat and its application in contact pressure analysis of knee joint [J]. Acta Mechanica Solida Sinica, 25(1):53-60.

[9] GUO Y, ZHANG X, CHEN W. (2009). Three-dimensional fi nite element simulation of total knee joint in gait cycle [J]. Acta Mechanica Solida Sinica, 22(4): 347-351.

[10] PAUL J. (1976). Force actions transmitted by joints in the human body [J]. Proceedings of the Royal Society of London Series B Biological Sciences, 192(1107): 163-172.

[11] KOMISTEK R D, STIEHL J B, DENNIS D A, et al. (1997).Mathematical model of the lower extremity joint reaction forces using Kane’s method of dynamics [J]. J Biomech, 31(2): 185-189.[12] DEVITA P, LASSITER T, HORTOBAGYI T, et al. (1998).Functional knee brace effects during walking in patients with anterior cruciate ligament reconstruction [J]. The American journal of sports medicine, 26(6): 778-784.

[13] 刘建华, 丸山仁司, 胜平纯司. 上下台阶方法的生物力学研究[J]. 中国康复理论与实践, 2003

[14] SHI D-L, YAO Z-J. (2011). Knee function after anterior cruciate ligament reconstruction with patellar or hamstring tendon: a metaanalysis [J]. Chinese medical journal, 124(23): 4056-4062.

[15] CHAO E, LAUGHMAN R, SCHNEIDER E, et al. (1983).Normative data of knee joint motion and ground reaction forces in adult level walking [J]. J Biomech, 16(3): 219-233.

[16] NORDIN M, FRANKEL V H. (2001). Basic biomechanics of the musculoskeletal system [M]. Wolters Kluwer Health.

[17] SINGERMAN R, BERILLA J, KOTZAR G, et al. (1994). A sixdegree-of-freedom transducer for measurement of patellofemoral contact forces [J]. J Biomech, 27(2): 233-238.

[18] WENG M-C, LEE C-L, CHEN C-H, et al. (20090. Effects of different stretching techniques on the outcomes of isokinetic exercise in patients with knee osteoarthritis [J]. The Kaohsiung Journal of Medical Sciences, 25(6): 306-315.

[19] MIYAZAKI T, WADA M, KAWAHARA H, et al. (2002). Dynamic load at baseline can predict radiographic disease progression in medial compartment knee osteoarthritis [J]. Ann Rheum Dis,61(7): 617-622.

[20] MAURER B T, STERN A G, KINOSSIAN B, et al. (1999).Osteoarthritis of the knee: isokinetic quadriceps exercise versus an educational intervention [J]. Archives of physical medicine and rehabilitation, 80(10): 1293-1299.

[21] BELL A L, BRAND R A, PEDERSEN D R. (1989). Prediction of hip joint centre location from external landmarks [J]. Human Movement Science, 8(1): 3-16.

[22] 许玉林, 孙允高, 张春林. 膝关节动力学模型的研究进展 [M].2004.

[23] CHAN M-S, HUANG C-F, CHANG J-H, et al. (2009). Kinematics and kinetics of knee and hip position of female basketball players during side-step cutting with and without dribbling [J]. Journal of Medical and Biological Engineering, 29(4): 178-183.

[24] ZHANG M, QU P-Y, FENG M-L, et al. (2012). Effectiveness of different orthoses on joint moments in patients with early knee osteoarthritis: Lateral wedge versus valgus knee bracing [J].Journal of Shanghai Jiaotong University (Science), 17(505-510.[25] DE MARIA M, BARBIERA F, LO C A, et al. (1996).Biomechanical correlations of lesions associated with traumatic diseases of the anterior cruciate ligament. Analysis with magnetic resonance] [J]. La Radiologia medica, 91(6): 693.

[26] ANDRIACCHI T P, DYRBY C O. (20050. Interactions between kinematics and loading during walking for the normal and ACL de fi cient knee [J]. J Biomech, 38(2): 293-298.

[27] LOHMANDER L, ÖSTENBERG A, ENGLUND M, et al. (2004).High prevalence of knee osteoarthritis, pain, and functional limitations in female soccer players twelve years after anterior cruciate ligament injury [J]. Arthritis & Rheumatism, 50(10):3145-3152.

[28] SCANLAN S F, CHAUDHARI A M, DYRBY C O, et al. (2010).Differences in tibial rotation during walking in ACL reconstructed and healthy contralateral knees [J]. J Biomech, 43(9): 1817-1822.

[29] TAYLOR W R, HELLER M O, BERGMANN G, et al. (2004).Tibio‐femoral loading during human gait and stair climbing [J].Journal of Orthopaedic Research, 22(3): 625-632.

[30] BJ RKSTR M S, GOLDIE I F. (1980). A study of the arterial supply of the patella in the normal state, in chondromalacia patellae and in osteoarthrosis [J]. Acta Orthopaedica, 51(1-6): 63-70.

[31] JACK C, RAJARATNAM S, KHAN H, et al. (2012). The modified tibial tubercle osteotomy for anterior knee pain due to chondromalacia patellae in adults A five-year prospective study[J]. Bone and Joint Research, 1(8): 167-173.