关节动力学因素诱发膝关节骨性关节炎的探讨①

何志强 刘海斌 丛培信 蔡探探

(大连理工大学体育教学部 辽宁大连 116024)

膝关节骨性关节炎(Knee Osteoarthritis,KOA)是指由于膝关节软骨变性、骨质增生而引起的一种慢性骨关节疾患,又称为膝关节增生性关节炎、退行性关节炎及骨性关节病等。膝关节炎在30岁以上人群发病率为6%,65岁以上人群发病率为11%[1]。女性膝关节炎发病率为男性2倍,膝关节置换术也为男性2倍。但髋关节炎发病率男性与女性几乎相同[2]。

Kerrigan[3]等人从髋、膝、踝关节矢状面内运动学与动力学角度对健康青年群体进行了步态研究,结果为女性比男性髋关节活动度更大,骨盆更前倾,更少的膝伸展角度,更大的膝关节屈曲力矩,更小的步宽,额状面与水平面内膝关节活动的包罗轨迹更大。但Ferber[4]通过试验证明男女之间的下肢骨骼解剖学因素如Q角度不是男女之间产生膝关节炎发病率差异的原因。近些年,我国学者已从关节运动学、运动学和足底压力分布等角度对膝关节炎患者步态特征进行了深入研究。

下肢关节力矩可作为揭示人体骨骼肌系统退变的一项重要指标[5-6]。近些年来,人们已开始从不同角度探讨关节力矩特征与人体走路机制之间的关系[7-9]。研究发现,人体走路机制可能是产生骨性关节炎的重要原因[1-2,7,10-11]。但多数有关膝关节力学负荷的研究多集中于老年人或是已经带有了某些下肢关节疾病的人群,而研究青年人群正常步态状态下的膝关节力学关系的却很少。

因此,本文利用逆向动力学法计算,比较与分析人体走路过程中膝关节所承受的力矩负荷,进而探讨关节力矩与骨性关节炎诱发的可能性。

1 研究方法

1.1 研究对象

共招募24名志愿者作为试验对象,男性12名:年龄(25.8±4.3)岁 ,身 高(170.8± 5.2)cm,体 重(68.5± 6.3)kg;女 性12名 ;年 龄(24.4± 3.1)岁 ,身 高 (165.8± 6.4)cm,体 重 (56.5± 7.3)kg,均 无 神 经 系统和运动系统疾病。

1.2 实验设备

运动学数据由Vicon Nexus运动捕捉/分析系统获得,系统只对贴于人体表面的反光球进行自动识别与数字化处理。两台AMTI三维测力平台测量足底压力。

1.3 实验过程

实验采用Helen Hayes模型,15个反射球分别帖于试验对象下肢解剖学标记点。然后,要求试验对象赤足、沿地面坐标系方向正常行走步速走过8m长通道,摄像机和测力平台同时记录下受试者行走时的步态信息。

1.4 数据处理

所有数据整理与统计均在SPSS 17.0(美国)环境内完成,采用独立t值进行假设检验,P＜0.05为差异显著,P＜0.01为差异非常显著。所有参数均除以本人体重:N.m/kg。

2 研究结果

2.1 矢状面内膝关节力矩变化特征

膝关节矢状面内伸展力矩与屈曲力矩各2个峰值,分别出现在3%,17%,35%和55%时相。男性和女性在峰值出现时相上均没有统计学差异。伸展力矩2个峰值均表现为男性小于女性,但均没有显著性差异(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,但没有统计学上的差异(0.24±0.09vs.0.16±0.08,P>0.05)。

2.2 额状面内膝关节力矩变化特征

膝关节额状面内共有2个内收力矩峰值,分别出现在18%和50%时相。男性和女性在峰值出现时相上均没有统计学差异。峰值1和波峰2,男性均小于女性,但均没有统计学上的显著性差异(0.32±0.08vs.0.35±0.11,P>0.05;0.48±0.12vs.0.51±0.15,P>0.05)。

2.3 水平面内膝关节力矩变化特征

膝关节在水平面内有2个外旋力矩峰值和1个内旋力矩峰值分别出现在6%,55%和68%时相。男性和女性在峰值出现时相上均没有统计学差异。外旋力矩峰值,男性与女性之间均没有显著性差异(0.02±0.01vs.0.02±0.01,P>0.05;0.02±0.01 vs.0.02±0.01,P>0.05)。内旋力矩峰值,男性非常显著的小于女性(0.10±0.03vs.0.13±0.02,P＜0.01)。

3 讨论

正常人体平面行走支撑期内,股骨髌面和髌骨关节面构成的股髌关节可以承受2.6倍的体重。由于地面反作用力矢量一直在膝关节内侧。因此,膝关节内侧承受的关节力矩大于外侧。膝关节内收力矩可有效的平衡人体膝关节的机械负荷。研究表明[8]膝关节内侧关节炎症状严重性和其内收力矩的大小呈正相关。本文研究结果显示,虽然不具有显著性差异,但矢状面与额状面内力矩特征基本表现出男性小于女性的总体趋势。该研究结果与Kerrigan[3]的实验结论基本相同。

可能是实验仪器所限或是其它原因,Kerrigan并没有研究膝关节水平面内的力矩变化规律。因此,有关膝关节力矩性别差异的结论是不完整的。本文对膝关节水平面力矩研究结果证明:膝关节水平面内最大力矩占矢状面和额状面内最大力矩1/5。支撑期55%时相,女性比男性内旋力矩峰值大30%,且呈非常显著性差异。

从理论上讲,女性膝关节韧带较男性松弛。另外,动物实验得出严重关节韧带松弛会导致股性关节炎的发生,并改变关节的力学结构。膝关节炎会影响膝关节,确切的说是胫股关节的内侧关节囊,导致关节软骨功能渐失。

学者们在研究身体活动能否诱发骨性关节炎时得出了相互矛盾的结论。原因可能是在他们的研究中实验对象穿着了不同类型的鞋子。鉴于此,Bennell对男性穿着不同类型的运动鞋进行了比较与分析后得出:鞋的不同类型对人体髋、膝、踝关节,特别是膝关节会产生不同的冲击力。所以,为了减小不同鞋子对人体行走过程参数的干扰,此次研究选择了赤足。

Ferber认为女性髋关节的Q角度不是男女膝关节炎发病率差异的解剖学原因。文献资料显示,女性额状面与水平面内膝关节活动的包罗轨迹比男性更大[7,]。也就是说,性别因素产生了女性膝关节水平面内旋力矩大于男性。这种由性别差异产生的膝关节水平面内重复性力矩负荷会对膝关节软骨或韧带产生负面影响。随年龄的增长,这种负荷会呈不断加重的趋势。如与其它因素如内分泌、滑液、创伤等共同作用,进而诱发膝关节炎。

4 结语

男女常速行走过程中膝关节矢状面与额状面力矩特征没有差异,水平面青年女性内旋力矩显著性的大于青年男性。性别差异产生的膝关节水平面内重复性力矩负荷会对膝关节软骨或韧带产生负面影响。随年龄增长,这种负荷的侵蚀作用会逐渐显现。因此,膝关节水平面内重复性内旋力矩负荷大可能是女性较男性更易诱发膝关节骨性关节炎的因素之一。

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[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.

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