老年與青年下肢關節生物力學特征研究

王航輝，宋依芯*，韓為華，朱正飛，李滌塵，靳忠民，劉西紡*，朱文俠

(1.西安交通大學附屬紅會醫院關節外科，陜西 西安 710054；2.西安外事學院，陜西 西安 710077；3.西安交通大學機械工程學院機械制造系統國家重點實驗室，陜西 西安 710054；4.英國利茲大學機械工程學院醫學與生物工程研究所，英國 利茲 LS29JT；5.延安大學醫學院，陜西 延安 716000)

目前在歐洲35～74歲的人中有近5%～15%的人患有膝關節骨關節炎(knee osteoarthritis，KOA)，年齡>45歲的美國成人中至少有19%的人患有KOA[1-5]，我國亦呈現明顯增長趨勢。由于KOA引起的健康問題日益突出，因而給社會造成了嚴重的經濟負擔。世界范圍內的一項大規模的研究表明，KOA仍沒有治愈的方法。因此，目前最好最有效的治療方案就是早期預防與干預。大量的證據表明，KOA是由機械負荷和炎癥對關節組織的破壞而引起的[6-7]。如何在KOA發病之前對老年人、青年人進行有效的力學超前預防成為一個全新的研究熱點。近年來，隨著生物力學研究技術的不斷成熟和發展，越來越多的學者致力于如何通過生物力學矯正方法來預防與治療KOA的研究。而生物力學作為一種新型的干預模式，因其花費較低，無創傷，且能有效地減輕疼痛，目前正被廣泛地運用于KOA的預防與治療中[8-10]。三維步態分析系統能客觀、定量地評定人在運動狀態下關節的受力情況，在臨床發病前期干預中具有重要意義。本研究擬通過對健康老年人、青年人的運動特征研究，從生物力學的角度探究其發生骨關節炎的風險并提供靶向性的活動指導，為超前預防骨關節炎提供理論基礎。

1 資料與方法

1.1 研究對象 老年組為10例健康老年人，青年組為10例健康青年人。根據現代人生理、心理結構上的變化，世界衛生組織(world health organization，WHO)將人的年齡界限作了新的劃分：青年人為18～40周歲，中年人為45～59周歲，老年人為60～89周歲。研究對象的基本信息見表1，基本信息除年齡外，差異均無統計學意義(P>0.05)。納入標準：研究對象下肢各關節無嚴重病變或實施過關節手術，可單獨完成正常行走及日常生活，無神經及功能缺陷，視力良好、行走耐力良好、身體質量指數(body mass index，BMI)<30 kg/m2。排除標準：患有心臟病、糖尿病、高血壓、呼吸系統疾病、脊柱畸形、風濕性及類風濕性疾病、強直性脊柱炎。所有研究對象行步態采集前均被告知研究相關信息并簽署知情同意書。

表1 研究對象基本信息

1.2 三維運動分析系統 三維運動分析系統是由Vicon(Oxford Metrics Inc，UK)運動捕捉系統和第三方設備AMTI(AMTI Corporation，USA)測力臺組成(見圖1)，前者用于捕捉采集對象的運動學參數(行走速度、關節角、角速度等)，后者用于捕捉采集對象與地面的動力學參數(地面反作用力和力矩)。

圖1 三維運動分析系統試驗室布局

1.3 方法 采用帶10個紅外攝像儀的Vicon運動分析系統和AMTI三維測力板采集研究對象水平行走時的步態。測量研究對象身高、體重、肢體長度等常規參數，應用紅外反光標志點小球標記研究對象骨性標志。收集5次踩測力板正常且標志點軌跡連續的步態數據保存備用。

1.4 數據處理 將三維步態c3d文件導入骨肌多體動力學軟件AnyBody(AnyBody Technology A/S，V.6.03，Aalborg，Denmark)，建立研究對象的個性化骨肌模型，進行運動學和動力學分析得到相應的生物力學數據。

2 結 果

2.1 時間-空間參數 老年組：步行周期為(1.24±0.18)s，水平跨距為(1.24±0.35)m；青年組：步行周期為(1.08±0.07)s，水平跨距為(1.50±0.10)m。老年組的步行周期顯著增加，水平跨距減小，水平行走速度下降。青年組步行周期明顯縮短，水平跨距增大，水平行走速度上升。兩組步行周期及水平跨距比較，差異有統計學意義(P<0.05)。

2.2 下肢關節運動學 一個完整步態周期內下肢各關節角度的變化曲線見圖2～4。綠色曲線為青年組，紅色曲線為老年組。關節角圖像：老年組個體的關節角曲線覆蓋范圍較青年組更大，意味著關節角的個體差異在老年組中較為明顯。兩組的膝關節屈伸峰值分別為(64.8±8.6)°、(66.8±2.9)°，兩組之間比較差異無統計學意義(P>0.05)。膝關節屈伸活動度：老年組膝關節屈伸度缺乏典型的“兩峰一谷”特征，主要原因在于第一個波峰不明顯，波谷較平，而青年組膝關節屈伸度呈現典型的“兩峰一谷”特征。

2.3 下肢關節動力學 一個完整步態周期內下肢各關節合力的變化曲線見圖5～7。紅色曲線代表老年組，綠色曲線代表青年組。關節力圖像提示，老年組的髖、膝、踝關節力曲線個體差異較大，且曲線分布較分散，波峰相位差別較大，青年組的關節力曲線相對緊密且平緩；老年組與青年組的踝關節力峰值分別為7.37 BW、6.45 BW，老年組的踝關節力峰值大于青年組(P<0.05)，表明踝關節力峰值的增加可提示老年人罹患膝關節骨關節炎的風險。

3 討 論

3.1 KOA發病及早期生物力學研究的重要性 KOA是最常見的一種可引起關節疼痛和活動受限的退行性關節病，也是慢性疼痛和殘疾的主要來源[1-2]。KOA間接導致社會隔離、工作能力下降、抑郁等，從而造成生活質量下降[3-4]。據統計，骨關節炎的總成本(包括直接和間接成本)約占美國國內生產總值的2.5%(美國疾病的總負擔的80%以上)，相當于4 000多億美元[1]。KOA的早期預防與干預是社會關注的焦點。本研究借助三維步態分析系統采集并分析了老年與青年健康個體水平行走時的運動特征，采用生物力學方式評估了老年與青年健康個體的下肢各關節活動范圍和關節載荷，對于探討日常功能性活動對人的下肢生物力學影響、超早期預防膝關節骨關節炎、指導日?；顒泳哂休^高的價值。

3.2 老年與青年生物力學參數特征 本研究發現，老年組水平行走步態中步行周期顯著增加，水平跨距減小，運動學的個體差異較大，膝關節屈伸度缺乏典型的“兩峰一谷”特征，踝關節力峰值較青年組偏大。正常人水平行走時，兩個波峰分別出現在支撐相和擺動相，支撐相的屈膝波峰在正常人水平行走時的15%步態周期時刻出現，此時人體下肢呈現“支撐足屈膝-降低身體重心-重心側移-伸對側足”的步態行為來實現水平前進。老年組的第一個波峰偏小，接近水平，意味著支撐相屈膝程度較小，導致身體重心下降程度較小，進而導致水平跨距較小。下肢關節運動學研究發現，老年組的髖膝踝關節力曲線分布較分散，青年組則相對緊密、平緩。老年組踝關節力峰值明顯高于青年組，提示膝關節骨關節炎超早期的生物力學改變可能從踝關節開始。關節力曲線的改變與踝關節力峰值的增加可作為下肢關節機械載荷增加的超早期生物力學標記物。

圖2 水平行走時的髖關節屈伸角 圖3 水平行走時的膝關節屈伸角 圖4 水平行走時的踝關節屈伸角

圖5 水平行走時的髖關節合力 圖6 水平行走時的膝關節合力 圖7 水平行走時的踝關節合力

老年人水平行走時的踝關節合力較青年人偏大，增大了其罹患踝骨關節炎風險。臨床研究表明[11]，老年人水平行走時伴隨一定程度的足內翻，可能是導致老年人踝關節力偏大的主要原因。正常水平行走時，踝關節內側受力更大，長期載荷的累積容易導致踝關節內側軟骨的退行性改變，因而中老年人在水平行走時踝關節進行適應性調整，這一策略又進一步加劇內側應力集中，進而發展為骨關節炎。宜在檢測到踝關節力偏大時，即佩戴個性化矯形鞋墊來糾正下肢的受力情況，以期延緩或扭轉骨關節炎的發展。

3.3 本研究的建議 基于本研究，建議如下：a)鑒于老年人時間-空間參數改變及運動學參數，建議中、老年人增加步速，增大跨距，平素增加運動量與有氧運動；b)“兩峰一谷”特征可作為中老年人是否最終發展為KOA超早期的生物力學衡量指標。當缺乏典型的“兩峰一谷”特征時，該類人群可通過步態矯正訓練(gait modification training program，GMTP)，如內外旋步態訓練、視覺反饋步態訓練、足外翻步態訓練、裸足步行訓練等[12]或佩戴3D打印個性化矯形鞋墊[13-17]來預防或阻止KOA的發生與發展；c)關節力曲線的改變與踝關節力峰值的增加可作為下肢關節機械載荷增加的超早期生物力學標記物；d)大于45歲中老年人每1～2年可進行三維步態測試[1]。

3.4 本研究的局限性 本研究的局限性如下：a)樣本含量較少，擬在后續研究中增加樣本含量與不同年齡階段人員；b)性別因素對雙下肢生物力學特征的影響，招募青年組男性較容易，擬在以后的研究中擴展青年女性的相關數據[18]；c)本研究將人體上肢視為相對下肢固定不動的剛體，忽略了運動過程中人體上肢擺動對下肢的影響。因此，在后續的研究中可引入上肢的運動，并將此方法應用于上肢關節的生物力學研究。

3.5 總結與展望 三維步態分析系統在中、老年人罹患KOA與踝骨關節炎的風險有較好的預測價值。老年人水平行走步態的步行周期增加，水平跨距減小，運動學的個體差異較大，膝關節屈伸度缺乏典型的“兩峰一谷”特征，踝關節力峰值較青年組偏大。如何逆轉中、老年人的生物力學特征？KOA發生與發展的生物力學詳細機制？如何開發出風險較小的GMTP訓練方式或接近患者彈性模量的矯形鞋墊仍有待于進一步研究。