基于生物力学理论探讨膝骨关节炎的针灸治疗机制*

罗喜喜，姚小强，李健健，吕 璐，胡春娥

（1.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000；2.甘肃中医药大学附属医院，甘肃 兰州 730000）

膝骨关节炎（Knee osteoarthrifis,KOA）类属中医“痹证”，中老年人多见[1]。老年人正气亏损，易受外邪袭扰，外邪阻于膝部，膝部经络不通，不通则痛。现代研究认为，力学失衡是KOA发病的机制之一[2]。生物力学是研究生命体的现代科学，既可宏观，又可微观，局部生物力学状态对局部组织具有重要影响，力学状态异常必然会对局部组织产生一定影响，恢复膝关节的力学平衡可有效的延缓关节软骨的破坏[3]。KOA的中医治疗机制尚未完全阐明，但达到力学平衡在其治疗过程中具有重要意义，西医治疗以药物与手术治疗为主，药物治疗副反应较多，软骨保护剂尚未得到公认，手术治疗经济负担大，且远期疗效不确定[2]。针灸治疗KOA历史悠久，效果明确。但其治疗机制尚未阐述清楚，故本文基于生物力学角度解释KOA的发病，及针灸疗法干预生物力学平衡的机制方面进行探讨与总结。

1 KOA的发病与生物力学的关系

1.1 膝关节的结构及生物力学特点

1.1.1 关节软骨、半月板与生物力学 关节软骨以软骨细胞和细胞外基质为主，无血管供应营养，也无神经支配，其只能与关节液进行物质交换，关节运动使得关节软骨受到力学载荷，从而实现物质交换，关节软骨富有弹性并且光滑，既能联结关节，又能够传递载荷、缓冲震荡[4]。软骨退变是造成KOA的主要原因。在软骨退变过程中，软骨组织的形态自我恢复能力以及承担负荷的能力会降低，胶原纤维的定向角增大伴随胶原含量降低，血液中血浆葡萄糖浓度含量也会降低。膝关节关节软骨的退变会使膝关节关节软骨和关节力学性能发生改变，这一改变会导致关节软骨发生更严重的破坏，最终以软骨层的破坏与软骨下骨的暴露为结局[5]。许西凡等[6]通过实验研究得出关节软骨不同层区的力学回弹性能不仅与载荷大小有关，而且与载荷持续时间长短有关，载荷越大、时间越长，回弹性能越差。关节软骨如果长时间在不平衡的应力状态刺激下，力学信号便会转为细胞生物学信号，改变局部组织代谢状态，造成骨关节炎的发生[7]。也有研究表明[8]，关节软骨的某一部位承受高于正常水平应力时，不仅会出现软骨磨损，而且会出现厚度不一，最终出现关节稳定性下降，应力集中更加明显，软骨磨损更加严重。由此可见，关节软骨的破坏主要是应力过大，载荷不均衡所致，长期如此，便会发展为膝骨性关节炎。

半月板由胶原纤维（主要为圆周取向纤维与部分径向纤维）、蛋白多糖与糖蛋白组成，各个方向的胶原纤维相互交连成网，使内外侧半月板得以作为一个独立单元发挥作用[9]。主要功能为满足膝关节承重及运动，其生物力学的各向异性和不均一性是满足功能的基础[10]。研究表明[11]半月板如果出现损伤，异常的生物应力会使软骨发生更加严重的磨损，导致炎性递质的释放，进一步加重骨关节炎进展，形成恶性循环。关节软骨及半月板的损伤，会使膝关节应力状态及内外侧关节承载负荷失衡，加重或诱发KOA的发生发展。

1.1.2 韧带、肌肉与生物力学 膝关节的稳定对于膝骨关节炎的发病具有重要意义，其稳定要依靠骨性构造，还要依靠前后交叉韧带、内外侧副韧带的制约，以及肌肉组织的协调。在膝关节的力学平衡中，除了骨组织的作用，韧带也很重要，韧带既要承受力又要传递力[12]。膝关节周围肌肉肌力及肌张力状态也与KOA的发生发展关系密切。刘静等[13]通过实验，成功复制KOA模型，主要是切断关节内韧带，模拟关节失稳导致应力失衡，并且通过各种具体指标的检测，得出机械应力失衡是骨关节炎发生的重要因素。也有研究表明[14]影响肌力的生物力学因素包括肌纤维的排列、肌肉长度、肌肉收缩速度等。如果肌力减弱，必然会造成关节不稳，肌力线失衡，加重关节磨损、破坏。我国人口老龄化严重，随着年龄增加，肌肉萎缩，肌力下降，膝关节失稳，关节软骨遭到不同程度破坏，引发KOA[15]。综上所述，韧带及肌力的正常，可延缓KOA的发生发展。

1.2 不同载荷对膝关节及相关结构的影响 不同体重的人，自身重力和地面的反作用力作用于膝关节的负荷是不同的，体重适中的人，膝关节可以很好的适应，而体重过重者与肥胖人群使膝关节关节面应力增加，承受慢性过度负荷，造成KOA的发生与发展。有研究表明[16-17]，肥胖超重个体患KOA的风险是正常体重的两倍，肥胖人群可进一步增加这一风险。肥胖使机械负荷超过负重膝关节的生理能力，改变了局部代谢和体液的分布，导致脂肪细胞因子水平升高和相关促炎反应，影响了正常的生物力学。Devyani Misra[18]等通过纳入患有KOA风险的患者，使用二项回归和方差分析，研究了身体成分与KOA发生的关系，得出KOA的发生与肥胖有关，并提出KOA的减肥策略应侧重于肥胖和肌肉减少性肥胖。徐荣等[19]认为肥胖是诱发KOA的重要危险因素，体重较重者较体重较轻者而言更容易患KOA。

1.3 下肢力线改变对生物力学的影响 下肢力线是由股骨头、胫骨平台、踝关节中心构成的一条线，此线发生改变，会使膝关节内侧外侧间室的负荷发生变化，从而加速KOA的发生发展。膝关节内外翻会使膝关节内外侧间室应力失衡，发展成KOA[20]。韩学全等[21]通过研究得出，被覆软骨的退变和骨关节炎的发生，多由于胫骨平台软骨下骨小梁的显微结构改变和骨重建活性降低进而加重。由此可见，力线改变使下肢生物力学发生改变，加快关节软骨的磨损与退变，形成膝骨性关节炎。

2 针灸疗法治疗机制

2.1 普通针刺 普通针刺具有舒筋通络、调节阴阳的作用，针刺局部穴位可有效缓解膝部疼痛及局部肌紧张，提高局部肌肉肌力水平，对局部生物力学起到一定的调整作用，有效延缓KOA的发生。曹永成等[22]认为针刺能够缓解肌痉挛以及深层小肌肉紧张，使患者膝关节处于一种微妙的力学平衡状态，从而缓解KOA患者的疼痛不适。王玉满等[23]纳入78例老年KOA患者，随机分为对照组（七步推拿法治疗）与观察组（对照组基础上配合针刺），经过为期4周的治疗，观察组生物力学参数改善明显好于对照组，具有广阔的应用前景。宁凯等[24]将运动性膝关节损伤患者随机分为对照组（康复训练）与观察组（针刺配合康复训练），各组40例，经4周治疗后发现观察组疗效明显优于对照组，认为针刺主要通过提高膝关节周围肌肉肌力水平，改善其参与膝关节活动的生物力学参数而发挥效应。

综上，普通针刺可以有效调节局部力学状态，使之恢复新的平衡，对KOA起到治疗作用，但是针刺以后对局部肌肉肌张力、肌力大小的影响没有定量的研究，并且不同手法对局部肌力的影响是否一致，也需要进一步研究。

2.2 推拿 推拿具有理筋整复的作用，通过按摩局部，可以调整膝关节内外侧肌肉紧张度，影响膝关节的生物力学性能。李远栋等[25]通过探讨并结合临床观察，得出手法治疗早期KOA的的主要机理是通过手法放松，可以加快局部组织的血液循环，改善局部软组织的张力，有利于局部组织力学的再平衡，进而缓解KOA的临床症状。丁旭童等[26]基于“脊－盆－膝”整体诊疗模式的推拿手法观察对KOA患者关节僵硬程度的缓解，得出推拿手法可纠正下肢力线，减轻膝关节僵硬及疼痛程度，增加关节屈伸度。汤程等[27]认为膝部动力性、静力性和腰膝稳态能够通过以推拿手法调节肌肉激活模式、恢复韧带软骨功能、治腰调膝从而达到治疗KOA目的。推拿对KOA患者关节稳定性作用的生物力学作用机制可能是增强其肌肉力量，纠正重力线及运动轨迹，改善其力学及形态学特性，从而改善膝关节生物力学环境，提升了膝关节稳定性，但是对其生物力学的研究只是止步于理论层面，或者基于有限元分析，缺少高质量的临床研究支撑。

2.3 艾灸 艾灸具有活血通络的作用，通过艾灸的温热可以使膝部的循环改善，间接影响局部的生物力学。华芳慧等[28]通过研究得出，艾灸可以改变关节软骨的代谢，促进局部炎症物质的吸收，改变软骨细胞活性，从而改变局部的微环境，由此为膝关节的生物力学状态的正常维持创造有利条件。李哲等[29]纳入120例KOA患者，观察组在对照组（超激光治疗）基础上配合膝三针、艾灸治疗，治疗后发现观察组治疗方法能够改善患者膝关节屈伸角度、肌肉屈伸力矩参数，促进下肢生物力学平衡功能的恢复。这也从一定角度说明了艾灸对下肢生物力学的调整作用。

2.4 针刀 针刀既可以发挥针的作用，疏通经络，又可发挥刀的作用，松解局部粘连，继而调整了膝部的应力状态，对KOA起到一定的治疗效果。王彤等[30]通过研究发现，针刀可以改变屈伸肌群肌力，使膝关节力学失衡状态恢复，这可能是针刀治疗KOA的机制之一。王丽娟[31]观察针刀对KOA兔股四头肌肌腱生物力学的影响，造模后KOA兔行为学、股四头肌肌腱形态学及生物力学均出现了改变，而针刀干预后，行为学及形态学状况得到改善，生物力学性能也整体呈恢复的趋势，说明针刀干预可以通过调节股四头肌肌腱生物力学性能达到治疗KOA的目的。付昕怡等[32]认为KOA可通过针刀松解骨骼肌粘连、瘢痕、挛缩，使得局部肌肉张力发生改变，改善局部血液循环和力学微环境而发挥治疗作用。

综上，针刀可改变局部的应力状态，一定程度上治疗KOA，但是对于局部力学状态改变的参数的检测缺乏，临床研究也较少，从力学改变的大小研究针刀的治疗机制可能会是新的研究方向。

3 小结

中医认为KOA的治疗，关键在于筋骨并重、阴阳平衡，但缺乏现代科学依据。从生物力学理论出发，可以更清楚的认识针灸等中医特色疗法的作用机制，首先，针灸疗法可改变局部力学微环境，即针刺可改善局部微循环，提高肌力，改变力学状态；推拿可改变膝关节内外侧肌肉紧张度，使膝关节的力学状态达到再平衡；艾灸可以使局部的代谢状态改变，从而改善力学状态；针刀通过松解粘连，改善局部应力状态，从而改变力学参数，其次，可改变关节负荷，肥胖会使机械负荷超过负重膝关节的生理能力，改变局部代谢和体液的分布，针刺通过减肥，会改变下肢关节负重，影响膝关节负荷，这些方法都可使力学状态发生改变，下肢力学再平衡，从而延缓KOA的发生与发展。

但是目前这方面的研究还较少，并且不能全面给出合理的解释，运动分析仪及表面肌电技术可以提供一定的信息，有限元分析及下肢生物力学参数测定也可以提供一定参考，但人体是一个复杂结构，不同肌肉产生力量的大小、以及产生的合力大小很难得到测量，并且在针刺、艾灸、推拿等中医治疗手段的治疗过程中，对力的影响的检测也存在一定困难，所以KOA的针灸治疗机制，还需要进一步的研究与探讨。