髋关节肌康复训练治疗膝骨关节炎机制的研究进展

周甜甜，安丙辰，郑洁皎

复旦大学附属华东医院康复医学科，上海市 200040

膝骨关节炎(knee osteoarthritis,KOA)是以关节软骨破坏为特征的关节退行性疾病[1]。KOA 的患病率高，我国症状性KOA 的患病率为8.1%，女性多于男性[2]。人体行走过程中60%～80%的负荷经由内侧间室传递，所以KOA 又以内侧间室常见，内侧间室发病率大约是外侧间室的10 倍[3-4]，目前临床相关研究多集中于内侧间室KOA。运动疗法[5]以其效果好、不良反应少、可操作性强越来越受到人们的重视，运动疗法方式的多样性也提高了KOA患者的依从性[6]。近些年来，相关研究表明髋关节肌训练能有效改善KOA 症状[7]，这为KOA 的临床康复提供了新的方向，但相关机制尚未定论。本文就髋关节肌训练治疗KOA的机制进行综述。

1 髋关节肌训练治疗KOA的研究

髋关节肌根据其功能分为髋外展肌、内收肌、内旋肌、外旋肌、前屈肌和后伸肌。Meta 分析显示[8]，中等强度的证据表明，与对照相比，KOA患者髋外展肌肌力下降7%～24%。髋外展肌的生物力学作用主要是维持站立时额状面的稳定性[9]。Tevald等[9]选取35例KOA患者，对受试者的肌力与功能水平之间的相关性进行研究，结果表明，髋外展肌肌力可以被手提式测力计可靠地测量，并且与KOA 患者的功能表现密切相关。同时，非常低强度的证据表明，与对照组相比，KOA 患者髋内收肌肌力无差异；低到中等强度的证据表明，KOA 患者髋关节前屈肌、后伸肌、内外旋肌肌力减退[8]。KOA 患者普遍存在髋关节肌肌力减退的现象，其中以髋关节外展肌减退最为常见，因此，增强髋关节外展肌肌力可能是KOA 保守治疗的一个新的靶点，髋关节肌训练治疗KOA逐渐引起人们的关注[8,10]。

1.1 缓解KOA症状

一项纳入331 例KOA 患者的系统综述表明[7]，髋关节肌训练在改善膝痛、提高功能以及增强髋关节肌肌力方面有明显效果。另有Meta分析提示[10]，比起单纯股四头肌训练，髋关节肌抗阻训练联合股四头肌训练能显著改善KOA 患者的症状，提高功能。Singh等[11]将30例KOA 患者随机分为髋外展肌训练组和常规训练组，结果显示，髋外展肌训练组的髋部肌力、耐力、6 分钟步行试验和西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数(Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index,WOMAC)评分均有显著改善。Hoglund 等[12]对10 例症状性KOA患者和年龄、性别与之相匹配的10例健康人群进行为期6周的随机对照研究，结果显示，进行6 周髋关节肌训练和核心肌群稳定训练的试验组在疼痛、功能、生活质量等方面有显著改善，其中计时起立-行走测试在6 周时有明显改善。Lun 等[13]分别对37例和34例KOA患者进行为期12周的股四头肌和髋关节肌的肌力训练，结果表明，股四头肌训练和髋关节肌训练都可以改善KOA 患者的疼痛和生活质量，两者间无明显差异。Thorp 等[14]对6 例KOA 患者进行4 周的髋外展肌力训练，结果显示WOMAC评分降低78%，显著优于膝关节伸屈肌群的肌力训练。Sled等[15]对40例KOA 患者采用家庭髋外展肌训练方案，结果显示，与对照组相比，试验组髋外展肌力显著改善，疼痛症状显著缓解，坐-站测试显示患者的下肢功能水平也显著提高。Bennell 等[16]的研究也发现，12 周的髋外展和内收肌训练可以有效缓解膝关节疼痛症状。

这些研究均证实髋关节肌训练可以有效缓解KOA 患者的症状，而且还可能优于膝关节屈伸肌群训练。但其机制的研究结果尚不统一。

1.2 保护膝关节软骨退化

KOA 的主要病理改变是关节软骨破坏。正常承重时，关节软骨发生形变以分散和传导负荷；当负荷过大时，关节软骨不能发生正常形变，应力集中在关节软骨面接触的地方，最终导致关节软骨损坏[17]。目前关于髋关节肌训练对膝关节软骨影响的研究尚少。Chang 等[18]研究髋关节肌肌力与膝关节软骨结构变化以及功能改变之间的关系，结果显示，基线时髋关节外展肌肌力每增加0.1 N▪m/kg，2 年后内侧髌股关节和外侧胫股关节间室的关节软骨损坏恶化风险降低17%～20%，5年后功能和残疾结局变差的风险降低6%～9%。这也表明强的髋关节外展肌能降低关节软骨恶化风险，改善膝关节应力集中，延缓KOA 疾病进程，但其机制尚需进一步研究。髋关节肌训练能增强髋关节肌肌力，从而保护软骨，缓解KOA症状。

2 生物力学模拟

2.1 膝关节内收力矩

髋关节肌训练的首要目标是改善膝关节受力，目前公认最能代表膝关节内侧间室受力的指标是膝关节内收力矩(knee adduction moment,KAM)。Thorp 等[14]对6 例内侧 间室KOA 患者进行4 周的髋外展肌力训练，发现KAM 下降了9%。Snyder等[19]的研究也发现6 周的髋外展肌和外旋肌训练显著降低健康女性的KAM。但Sled等[15]对40例KOA 患者采用家庭髋外展肌训练方案，KAM 无显著变化。Bennell 等[16]的研究也发现，12周的髋外展和内收肌训练对KAM 无显著影响。造成这种矛盾的结果可能是髋关节肌训练的调整幅度较小，另外膝关节内侧间室的受力不仅与KAM 相关，还与膝关节屈曲力矩(knee flexion moment,KFM)密切相关[20-22]。

2.2 膝关节间室应力集中的其他替代指标

传统认为KAM 是膝关节内侧间室应力集中的替代指标，但有研究[20]表明KAM 不能直接代表内侧间室负荷，还应考虑KFM。同时该研究也提示，内侧膝关节接触力的峰值与KAM的峰值和KFM 的峰值绝对值的组合有最佳相关性，但这两种力矩所占的比例该研究并未给出。因此未来可对两者所占比例的最佳组合进行研究。另一项研究也表明[21]，当肌肉存在过度定向收缩时，仅依靠KAM 来推断内侧负荷存在局限性。Marouane 等[23]应用肌肉骨骼模型，计算无症状个体的膝关节生物力学反应(即肌肉和韧带产生的力)和内/外侧接触压力分布比与膝关节内收角、KAM 变化的敏感性；结果表明，KAM 与内侧间室负荷的相关性较差，反而膝关节内收角和膝关节力线对齐应该成为代表膝关节负荷分布的主要指标。以上研究表明，KAM 不能直接代替膝关节内侧接触压力，在进行KOA 生物力学分析时，还需要引入其他辅助指标。

Valente等[24]应用肌肉骨骼模型的方法揭示步行期间弱的髋关节外展肌使关节接触压力的第一和第二峰值升高，分别是体重的0.2倍和0.5倍，这也表明弱的髋关节外展肌会增加膝关节负荷。作为额状面的稳定肌，更强的髋外展肌可以帮助胫股间室内侧和外侧之间的负荷正常化分布，从而防止胫股软骨的破坏。因此，增强髋关节外展肌肌力是KOA 治疗的一个方向。近年来，磁共振定量技术为软骨病变提供了一种新的研究方法，其中以T1ρmapping 和T2mapping 成像技术应用最为广泛[25]。该技术是通过测量组织的T1ρ值和T2值(其中T1ρ值可用于观察KOA 患者软骨基质的变化，T2值可用于评估KOA 患者软骨组织成分及超微结构)，能发现早期软骨变性，监测软骨病变进展及治疗后改变[26]。van Rossom 等[27]结合3D 步态分析和磁共振定量技术评估软骨厚度与行走期间膝关节负荷之间的关系，对15 例健康受试者的测试结果显示，局部软骨厚度与对应股骨髁的接触压力显著相关；平均T1ρ和T2值与最大接触力相关，增加的T1ρ值与增加的剪切负荷相关，T1ρ和T2值的减少与增加压缩力和压力相关，这表明膝关节间室负荷与软骨厚度之间存在相关性。未来可将磁共振定量技术用于髋关节肌训练治疗KOA 的研究，从软骨水平监测髋关节肌训练对KOA 的影响。

3 肌电信号

3.1 髋关节肌训练对膝关节周围肌群的影响

KOA 患者均存在不同程度的股四头肌肌力下降[1]，那么髋关节肌训练对KOA 患者膝关节周围肌群是否有影响呢？Thorp等[14]对6例KOA患者进行髋外展肌训练，并测量股四头肌和腘绳肌肌力，4 周后，股四头肌和腘绳肌肌力均有不同程度的增加，结果并无统计学意义，可能与样本量过少、所测肌力并非最大肌力(步态期间肌肉不会收缩至最大程度，因此测量出的肌力不是最大肌力)有关。Bennell等[16]将89例KOA患者分为髋关节肌训练组和对照组，12周的训练后，与对照组相比，髋关节肌训练组不仅髋外展和内收肌肌力明显升高，股四头肌肌力也明显升高。Hoglund 等[12]对10 例KOA 患者进行研究，经过6周的髋关节肌训练，患者的股四头肌肌力均有增加的趋势。这些研究表明，髋关节肌训练能增强膝关节屈伸肌群的肌力，从而提高膝关节稳定性，改善膝关节受力。

3.2 膝关节周围肌群肌电信号的研究

KOA 患者存在明显股四头肌无力，这一方面是由于肌肉萎缩，另一方面是由于神经抑制阻断股四头肌被完全激活，这一过程称为关节源性肌肉抑制(arthrogenous muscle inhibition,AMI)[28]。AMI 会加重肌肉萎缩，影响肌肉收缩的协调性，妨碍康复治疗效果。在临床上，常采用表面肌电图(surface electromyography,sEMG)来研究肌肉激活以及肌肉收缩的协调性。sEMG 用表面电极采集肌肉活动时产生的电活动信号，具有非损伤性、实时性、多靶点测量等优点[29-30]。师东良等[31]应用sEMG和等速肌力测定方法比较KOA患者与正常人股四头肌的协调性改变，测量了股内侧肌、股直肌和股外侧肌的sEMG 和股四头肌肌力，包括肌肉激活启动顺序和股内侧肌/股外侧肌神经肌电比值；结果显示，与正常人相比，KOA 患者在等速180°/s 伸膝运动时股内侧肌相对于股外侧肌启动延迟；在膝屈10°等长伸膝运动时，股内侧肌/股外侧肌神经肌电比值降低，这表明KOA 患者患侧股四头肌的协调性减退。Robbins 等[32]的研究也表明，与健康人相比，KOA 患者步态期间肌肉激活模式改变。

均方根值(root mean square,RMS)是肌电信号时域分析的常用指标之一，它在时间维度上反映sEMG 信号振幅的变化特征，但是极易受局部组织特性的影响，如皮肤及皮下脂肪的厚薄、温度等[29]。Rutherford 等[33]为避免局部组织的影响，测量KOA患者外侧与内侧腘绳肌RMS的比值，发现在KOA患者行走过程中，外侧腘绳肌激活较内侧多。

以上研究表明，KOA 患者膝关节周围肌群存在肌电信号的改变，并能很好地被sEMG 检测到。目前关于髋关节肌训练治疗KOA 的机制尚不清楚，3D 步态分析联合sEMG 或许是其机制研究的一个方向。未来可将sEMG 用于髋关节肌训练治疗KOA 的研究，从肌电信号方面监测髋关节肌训练对KOA 的影响，以期为髋关节肌训练治疗KOA提供理论支撑。

4 小结

综上所述，髋关节肌训练能改善KOA 患者膝痛，提高功能，为患者带来益处。它能增强膝关节周围肌群肌力，降低KOA 患者膝关节间室负荷，强的髋关节外展肌还能降低关节软骨恶化的风险，阻断疾病进一步进展。髋关节肌训练作为KOA 的一种经济有效的治疗方法，值得临床推广与应用。为了更好地阐述髋关节肌训练治疗KOA 的机制，未来可将3D 步态分析技术与sEMG 甚至磁共振定量技术结合起来，以准确评估髋关节肌训练对膝关节间室负荷、膝关节周围肌群肌电信号以及关节软骨的影响，为髋关节肌训练治疗KOA 提供理论支撑。