膝骨关节炎对女性老年人步行动态稳定性的影响

梁雷超，黄灵燕，伍 勰，王 勇，刘 宇



膝骨关节炎对女性老年人步行动态稳定性的影响

梁雷超，黄灵燕，伍 勰，王 勇，刘 宇

研究目的：对比女性老年膝骨关节炎患者与无膝骨关节炎的健康老人行走当中前-后、内-外侧方向上的动态稳定性差异。研究对象：选取性别、身高、体重等身体条件相匹配的女性膝骨关节炎患者及健康老人各10名。研究方法：采用Vicon红外高速运动捕捉系统、Kistler三维测力台系统同步采集两组受试者以日常习惯速度行走当中的运动学和地面反作用力数据。通过动态稳度(Margin of stability,MoS)指标对受试者行走当中的动态稳定性进行量化评定。研究结果：行走的速度、步长、步宽等步态参数，两组间差异不具有显著性(P>0.05)。脚跟触地时刻，两组前-后方向上的MoS差异不具有显著性(P>0.05)；内-外侧方向上膝骨关节炎患者组的MoS显著小于健康对照组(P=0.014)。研究结论：在速度相当的条件下，女性老年膝骨关节炎患者与健康老人相比前-后方向上的动态稳定性一致，而内-外侧方向上的稳定性较差，因而在该方向上发生跌倒的风险高于健康老人。

膝骨关节炎；动态稳定性；女性；老年人

1 前言

膝骨关节炎(Knee osteoarthritis,OA)是全球范围内引起肌骨系统出现不适症状的主要流行病之一，约30%～40%的65岁以上老人受其影响[27]。在中国某些地区60岁以上男性当中的发病率为21.5%，女性为42.8%[11,32]。膝骨关节炎的常见症状如疼痛、关节僵硬、肌肉力量下降、关节活动范围受限[5,6，16]等病理性变化会引起姿势摇摆程度的增加，降低其平衡稳定性[4，12]。有研究证实，膝骨关节炎患者与健康对照人群相比稳定性明显下降，其日常活动能力和运动能力受到限制，发生跌倒的风险也较高[12,13]。

骨性关节炎患者稳定性常用的评定方法包括：量表、晃动记录仪(Swaymeter)等[13,17]，然而这些测试更多的是对患者的站立稳定性进行评定。矫形外科医师则多采用关节松动(Joint laxity)的方法评定稳定性，但有研究显示，膝骨关节炎患者自述的不稳定情况与关节松动没有联系性[25,30]。另外，上述的评定方法可能无法反映出患者日常行走当中的动态稳定水平。因此，找到一种行之有效的对膝骨关节炎患者动态稳定性进行客观评定的方法十分必要。行走的稳定性可以反映出个体应对外部(不规则的地面)和内部(肌力)干扰而不发生跌倒的能力[1，10]。了解老年膝骨关节炎患者行走当中的稳定性变化，是客观测试、评价老年膝骨关节炎患者潜在跌倒风险的有效方法。

有关人体站立的稳定性理论认为，人体质心(Center of mass,CoM)在地面的投影应保持在支撑面(Base of support,BoS)内[26,29]。但需要注意的是，在动态情景下此方法不够合理。因为，在某些动态情境下，尽管质心的投影仍位于BoS内，但由于CoM超出了BoS的范围，想要保持平衡

是不可能的，所以质心速度也是一个需要考虑的因素[1,14]。Hof等人基于人体行走的倒钟摆模型，将这种方法推广至动态的情景当中：质心在地面的垂直投影位置加上其速度与因子(ω0)的比值应保持在支撑面内。他将此项定义为外推质心位置(Extrapolated centre of mass position,CM)， CM到BoS边界的最小距离定义为动态稳度(Margin of stability,MoS)，用该指标量化行走当中人体的动态稳定性可以反映出支撑面、质心位置以及速度因素之间的即时性差异[14]。对某一支撑面边界而言，动态稳度为正值表明由倒钟摆模型表示的人体是稳定的；动态稳度为负值则说明人体是不稳定的，需要一些补偿性动作保持平衡[3,31]。由于该方法可以对动态的人体稳定性进行客观的量化评定，已有多个研究用此方法对健康老年人、中风后偏瘫患者、假肢使用者等人群行走的动态稳度进行了检测[15,18,23,24]。而关于老年膝骨关节炎患者的动态稳度研究较为少见，因此，本研究的目的在于对比女性老年膝骨关节炎患者与无膝骨关节炎的健康老人行走当中前-后、内-外侧方向上动态稳定性差异。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

通过电话、宣讲等方式在学校附近的几个社区招募所需的受试者。骨性关节炎的诊断由具有专业资质的医师按照2005年美国风湿病协会对膝关节炎的临床诊断标准[2]，同时根据影像学检测表现及3个月以上的疼痛症状进行筛选，定级标准为膝关节炎X线Kellgren & Lawrence(K&L)分级标准[20]。考虑到身高、体重等因素对研究结果的影响，本研究共招募与上述因素相匹配的膝关节炎患者及健康人各10名作为研究对象(表1)。

表1 本研究受试者信息统计结果一览表

2.2 测试方案

49个红外反光Marker点(直径14 mm)依据Vicon 动作捕捉系统操作手册提供的全身标志点方案被安置于身体相应部位的骨性标志点上。采用16个高速红外摄像头(Vicon Motion System，英国)对目标动作进行捕捉，采样频率为100 Hz。同步的地面反作用力数据通过2 块Kistler 三维测力台(长×宽×高：90×60×10 cm；奇石乐公司，瑞士)进行采集，采样频率为1 000 Hz。

受试者以日常习惯速度行走，同步采集受试者穿过测力台阶段的运动学和地面反作用力数据。受试者两只脚分别踏上一块测力台中间位置时的行走记为一次成功的测试，每名受试者需采集3次成功的数据。

2.3 数据处理

Marker点运动学数据和测力台数据通过Vicon Nexus处理软件和Visual 3D分析软件(C-Motion，美国)完成处理、计算等。对所有Marker点的运动学数据和测力台数据采用巴特沃斯四阶低通滤波器滤波，截止频率分别为8 Hz和50 Hz[22]。步长(Step length,SL)、步宽(Step width,SW)通过受试者脚上Marker点的坐标位置计算得出。将脚跟触地时刻，前、后脚脚跟Marker点前-后方向的距离定义为步长，内-外侧方向的距离定义为步宽[9]。行走速度通过人体质心的速度表示，质心的位置和速度由Visual 3D软件根据全身Marker点的坐标位置计算得出。压心位置(Center of pressure,CoP)依据测力台数据获得。将脚跟触地时刻定义为测力台测得的Z轴方向上的地面反作用力F≥20 N的时刻[19]。

动态稳度由下式进行计算[14]：

(1)

(2)

MoS=Bmax-CM

(3)

据Hof等人的研究显示，在平地行走当中，脚跟触地时的动态稳度最小[14,15]，因此，本研究选取右脚着地时刻的动态稳度进行分析(图1)。

图1 动态稳度示意图

2.4 统计学处理

3 研究结果

膝骨关节炎患者组(OA组)与健康组年龄虽然呈显著差异，但两组受试者的平均年龄相差在3岁范围内，且受试者年龄基本处于60～65岁之间，属于同一年龄段；两组身高、体重、身体质量指数(Body Mass Index,BMI)方面差异均不具有显著性(P>0.05)。膝骨关节炎组受试者的Lequesne & Mery(L&M)严重指数为5.2±2.49，达到了确诊的标准；健康组为0，说明该组受试者无膝骨关节炎(表1)。

统计显示，OA组与健康组行走的单步长分别为0.611±0.032 m、0.603±0.037 m，步宽分别为0.077±0.034 m、0.091±0.031 m，速度分别为1.309±0.119 m/s、1.340±0.119 m/s，身体倒钟摆模型固有频率分别为3.377±0.060 s-1、3.378±0.073 s-1，两组间差异均不具有显著性(P>0.05，表2)。

由表3可知，脚跟触地时刻，前-后方向上OA组与健康组的质心位置，质心速度，支撑面的前边界均不具显著性(P>0.05)。由图2可知，前-后方向上外推的质心位置两组均超出了支撑面的前边界，OA组(0.990±0.079 m)与健康组(0.998±0.064 m)间差异不具有显著性(P=0.815)；前-后方向上的动态稳度两组均为负值，健康组为-0.193±0.062 m，OA组为-0.177±0.044 m，组间差异不具有显著性(P=0.815)。

表2 右脚触地时刻膝骨关节炎组与健康组的步态时空参数一览表

表3 右脚触地时刻膝骨关节炎组与健康组的前-后方向上动态稳定参数一览表

图2 右脚触地时刻膝骨关节炎组与健康组前-后及内-外侧方向上动态稳定参数对比示意图

由表4可知，在脚跟触地时刻，内-外侧方向上质心的投影位置，OA组(0.497±0.032)大于健康组(0.441±0.083)，但组间差异不具有显著性(P=0.058)；质心速度指向身体右侧，OA组略大于健康组，组间差异无统计学意义(P>0.05)；外推的质心位置，OA组较健康组更靠近于身体左侧，但组间差异不具有显著性(P=0.079，图2)；OA组与健康组的压心位置分别为 0.428±0.052 m、0.326±0.066 m，组间具有非常显著性差异(P<0.01，图2)；内-外侧方向上的动态稳度OA组为-0.044±0.027 m，健康组为-0.091± 0.047，两组间具有显著性差异(P=0.014，图2)。

表4 右脚触地时刻膝骨关节炎组与健康组的内-外侧方向上动态稳定参数一览表

4 讨论

通过研究发现，女性老年OA组内-外侧方向上的动态稳度小于健康组，前-后方向上两组间不存在差异。

采用动态稳度指标量化行走当中人体的动态稳定性对速度较为敏感[9]。本研究结果发现，受试者的日常习惯行走速度两组间差异不具有显著性(表2)，因此排除了速度因素对动态稳度的可能影响。Yakhdani等人的研究发现，膝骨关节炎患者的行走速度与健康对照组相比明显下降[30]，这与本研究的结果不一致，可能是由所选受试者的患病程度有所差异造成。Yakhdani等人的研究所选取的受试者患病程度较重，在前测完成后进行了膝关节置换的手术治疗，而本研究所选的受试者患病程度相对较轻，能保持日常活动。

Arampatzis等人的研究认为，当CoM在地面投影落于BoS内时，稳度区域越大表明个体调整CoM保持在BoS内的能力越好，稳定程度越好[3]。本研究结果显示，触地时刻，内-外侧方向上推算的质心位置处于前后脚的支撑面内，OA组内-外侧方向上的动态稳定性要差于健康组。Young等人的研究发现，步长或者步宽的增加均可以导致支撑面的增加，是影响动态稳度的重要因素。步长对前-后方向的动态稳度有显著性的影响，而对内-外侧方向没有影响；增大步宽可同时导致内-外侧动态稳度的增大和前-后方向动态稳度的减小[31]。Kao等人对脑中风引起的轻度偏瘫患者行走当中动态稳度研究也显示，脚跟触地时内-外侧方向上的动态稳度要小于健康对照组，患者的步宽也较大，因此认为，患者趋于采用增大步宽的方法来增加内-外侧方向的动态稳定性[18]。而在本研究中，发现两组之间的步长和步宽均不存在显著差异，这说明两组人群在以相近的速度行走时，步态模式一致，其较小的动态稳度说明，OA组对质心进行调整使其保持在支撑面内的能力要差于健康组。另外，已有研究显示，膝骨关节炎患者与同龄段的健康人相比存在股四头肌肌力下降，膝关节本体感觉下降，疼痛、关节痉挛等症状[5,6，16]，姿势摇摆幅度增大的现象[4，12]，这提示膝骨关节炎患者的下肢关节病变可能是引起其内-外侧稳定性下降的原因。

在前-后方向上，研究发现，尽管在脚跟触地的双支撑时相，外推的质心位置仍然超出了支撑面的前边界，这与Bierbaum等人的研究结果一致。其研究发现，外推的质心位置在整个步态周期当中一直处于支撑面之外，但在脚跟触地时刻达到最小[7]。说明行走当中，人体通过不断地调整前-后方向上的支撑面前界来获取新的平衡。本研究采用压心位置表示支撑位置，这与Hof提出动态稳度的概念时所采用的方法一致[14]，但也有研究由于缺乏测力台数据，采用脚上的Marker点位置表示支撑面[7，31]，尽管有研究证实了两种方法的有效性[8，21]，但两种方法所计算的动态稳度值存在一定的差异。

本研究并没有发现两组人群在前-后方向上动态稳定性的差异。在此之前，较多的研究证实膝骨关节炎患者站立时，无论是睁眼还是闭眼，前-后方向上的稳定性较健康人差[12,28]，但这些研究都是对膝骨关节炎患者站立时的稳定性进行的测试。动态条件如行走当中的测试，Hsieh采用ICF(International Classification of Functioning,Disability and Health)的方法对比了膝骨关节炎患者与年龄相匹配的人群在日常生活中的姿势不稳定性，发现前者的得分较高，稳定性较差[4]。ICF方法尽管简便易用，但无法细化地量化受试者的动态稳定性。本研究采用动态稳度的方法，并没有发现两组人群矢状面上的动态稳定性存在显著差异，说明，膝骨关节炎疾病本身没有对行走当中前-后方向的稳定性造成过大的影响。

5 结论与展望

本研究显示，在速度相当的条件下，女性老年膝骨关节炎患者与健康老人相比前-后方向上的稳定性一致，而在身体内-外侧方向上的动态稳度较小，说明膝骨关节炎患者在侧向上对身体的控制能力较差，该方向上发生跌倒的风险较健康老人高。这提示，老年膝骨关节炎患者在日常生活及运动当中更应该注意防止侧向跌倒的发生；从业者在进行相应的干预锻炼或者康复治疗时，应注重加强膝骨关节炎患者身体侧向的稳定性。

速度是影响稳定性的重要因素，本研究没有对受试者的速度进行控制，以对比受试者在不同速度条件下可能出现的稳定性差异。另外，不同的膝骨关节炎患病程度，对个体的稳定性也有一定影响，对比不同患病程度人群之间的差异，对于了解膝骨关节炎的病程发展所带来的对人体动态稳定性的影响具有意义。

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Effects of Knee Osteoarthritis on Dynamic Stability during Walking in Elderly Women

LIANG Lei-chao,HUANG Ling-yan,WU Xie，WANG Yong,LIU Yu

The purpose of this study was directly quantify walking stability in elderly female patients with knee osteoarthritis(OA) and healthy elder.Ten female patients with knee OA and ten control subjects (matched by height,mass,and gender) walked on the overground at a self-selected comfortable speed.A motion capture system and two force plates were used to determine locomotion.Dynamic stability during walking was investigated by using the margin of stability.There was no significant difference in speed,step length,step width between the patients with knee OA and normal subjects (allP>0.05).Both groups displayed similar anterior-posterior MoS(P>0.05) at foot contact.The patients with knee OA had a significantly reduced medio-lateral MoS compared to normal subjects(P=0.014).Our findings indicate that OA individuals walked with similar stability in anterior-posterior direction,but greater instability and risk of falls in medio-lateral direction compared to normal subjects.

kneeosteoarthritis;dynamicstability;female;elderpeople

1000-677X(2016)03-0061-06

10.16469/j.css.201603007

2015-12-10；

2016-02-10

国家自然科学基金项目(81572213)；上海市科委重点支撑项目(12490503200)；上海体育学院研究生教育创新计划(yjscx2015008)。

梁雷超(1986-)，男，河南洛阳人，在读博士研究生，主要研究方向为运动生物力学，E-mail：liangleichao2010@163.com；黄灵燕(1984-)，女，浙江临海人，博士，主要研究方向为运动生物力学，E-male：alice37yn@163.com；刘宇(1959-)，男，河北张家口人，教授，博士，主要研究方向为运动生物力学理论与方法、体育工程，E-mail：yuliu@sus.edu.cn。

上海体育学院 运动健身科技省部共建教育部重点实验室，上海 200438 Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China.

G804.5

A