老年膝骨關節炎患者膝關節肌力與骨密度相關性分析

奚婧 張情 王麗 于翔

1．蘇州大學附屬第一醫院神經內科，江蘇蘇州215006

2．蘇州大學醫學部護理學院，江蘇蘇州215006

膝骨關節炎(knee osteoarthritis，KOA)又稱膝關節骨性關節病、增生性關節炎、退化性關節炎，是骨性關節炎中較常發生的一種［1］。據調查，我國KOA的發病率為5.7%～10.3%［2］。KOA的發病情況與年齡、性別、肥胖、應力失衡、肌肉力量下降、遺傳等多種因素相關，其中肌肉力量下降在KOA病程中具有重要意義［3-4］，有關研究已經表明KOA患者下肢肌力明顯低于正常人群［5］。此外，骨骼肌質量減少是衰老的重要特征之一，因此肌肉力量下降程度在老年KOA患者中表現的更為嚴重。

骨密度(bone mineral density，BMD)是指單位體積或面積的骨礦物質含量。骨密度可以很好地體現骨量的多少，也可以作為預測骨折危險的重要依據［6］。目前已有研究將肌肉力量作為預測骨密度風險的因子，認為肌肉力量與其解剖起止點的骨密度有一定關系，表現出骨骼對肌肉拉力的適應性［7］。對于老年KOA患者而言，膝關節肌肉力量與骨密度之間是否存在一定的關系，目前尚不清楚。

本研究通過測量老年KOA患者膝關節肌肉力量以及骨密度，并分析它們之間的相關關系，從而為老年KOA患者采取針對性力量訓練來改善骨密度、預防骨質疏松癥提供理論依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

在蘇州市區舉行的免費義診和宣傳活動中招募研究對象，所有研究對象均是蘇州大學附近社區的居民。

1.1.1 納入標準:①符合中華醫學會骨科學分會2010年發表的 KOA診斷標準［8］，疼痛癥狀出現3個月以上;②根據膝關節X線Kellgren-Lawrence(KL)分級標準選擇1～4級患者;③年齡≥60歲;④理解正常，知情同意。

1.1.2 排除標準:①一個月內進行過針對KOA的藥物及物理治療;②西安大略和麥克馬斯特大學骨關節炎指數問卷疼痛維度得分大于40分;③關節置換術后以及嚴重關節畸形;④3個月內發生過由運動誘發或不可控的心絞痛;靜息狀態下呼吸困難;不可控制的高血壓;嚴重心、肝、腎功能不全者;⑤其他存在各種運動禁忌證者;⑥患有痛風、糖尿病、甲狀腺疾病等內分泌科疾病以及服用糖皮質激素的患者。

1.2 研究程序與方法

對所有符合條件且自愿參加的受試者，充分解釋實驗的目的和可能存在的風險，每名受試者在接受檢測前簽署知情同意書。本研究已獲得蘇州大學附屬第一醫院倫理委員會的審查批準，倫理號為2017023。所有受試者在完成一般資料填寫和測量后，分別完成膝關節肌肉力量測試和骨密度測試。

1.2.1 膝關節肌肉力量測試:囑咐患者在檢測前一日和檢測當日遵循常規生活習慣，避免劇烈運動，避免在檢測當日飲茶、咖啡或酒等。

膝關節肌力測試的儀器為多關節等速力量測試與訓練系統(Biomechanical Test and Training Systems:CON-TREXTM，CH-8046，Zurich，Switzerland)。選擇等長和等速兩種模式評估患者雙側股四頭肌(反映伸膝肌群)和腘繩肌(反映屈膝肌群)肌力水平。

測試時，用布袋將患者的肩部以及髖關節固定于測試椅上，使測力系統的旋轉軸與患者膝關節解剖旋轉軸同步，同時使杠桿臂與小腿外側緣平行。此外，在受試者踝關節上方2～3 cm處固定好測力系統的動力臂末端的阻力墊。測試前，指導患者試行屈伸2～3次，確定膝關節的安全活動范圍。正式測量時，向受試者說明測試注意事項，指導其預測試一次，以熟悉程序。先測等長模式，再測等速模式時的肌力;先測主患側，再測對側肌力，若雙側嚴重程度相似，先測右側肌力。

進行等長肌力測試時，設置屈膝45°，持續收縮時間8 s，間隔時間60 s，囑患者盡最大力伸膝、屈膝，重復測量3次。等長模式測試后休息5 min，進行等速肌力測試。設定速度為120°/s，每組間隔1 min，重復5次伸膝、屈膝運動，共測量3組。記錄峰力矩(peak torque，PT)、相對峰力矩(peak torque to body weight ratio，PT/BW)。

1.2.2 骨密度測試:使用美國GE Lunar IDXA雙能X線骨密度儀進行檢測。測試時，囑受測者身著輕薄單衣，脫掉鞋子同時取下金屬飾品和手表等物品。患者仰臥位平躺于掃描床，同時足尖向上，依次掃描脊柱、雙髖關節。

1.3 統計學分析

資料分析均采用IBM SPSS 19.0軟件進行統計學分析。采用Shapiro-Wilk檢驗判斷數據是否服從正態性。正態分布的計量資料以均數±標準差、非正態分布的計量資料以中位數(四分位間距)表示，計數資料以頻數(百分比)表示。比較老年KOA患者主患側與對側下肢肌力以及骨密度時，符合正態分布的計量資料采用配對樣本t檢驗，不符合正態分布的計量資料采用配對樣本Wilcoxon秩和檢驗。進行老年KOA患者下肢肌力與骨密度相關分析時，符合正態分布的資料，采用Pearson相關分析;不符合正態分布的資料，采用Spearman相關分析。檢驗水準取0.05。

2 結果

2.1 老年KOA患者一般資料

本研究共納入研究對象42例，其中男性13例(31.0%)，女性29例(69.0%)。根據老年 KOA患者雙膝正側位X線影像學資料，K-L分級為1級的患者10人(23.8%)、2級8人(19.1%)、3級15人(35.7%)、4級9人(21.4%)。老年KOA患者一般資料見表1。

表1 老年KOA患者一般資料(珋x±s)Table 1General information of elderly KOA patients(珋x±s)

2.2 老年KOA患者下肢肌肉力量水平

正態性檢驗結果表明，除等長模式下屈膝肌群相對峰力矩與等速模式下伸膝肌群相對峰力矩呈正態分布外，其余各指標均為非正態分布。研究結果顯示，等長與等速模式下，患者主患側伸膝肌群峰力矩、相對峰力矩均顯著低于對側(P＜0.05);屈膝肌群方面，雙側下肢肌力各指標差異無統計學意義(P＞0.05)。見表2。

表2 老年KOA患者雙側膝關節肌力水平［珋x±s，M(P25，P75)］Table 2Bilateral knee joint muscle strength level in elderly KOA patients［珋x±s，M(P25，P75)］

2.3 老年KOA患者骨密度測量結果

老年KOA患者L1-L4 BMD為(1.06±0.24)g/cm2。雙側髖關節 BMD 為(0.89±0.16)g/cm2，雙側股骨頸BMD為(0.80±0.14)g/cm2。老年KOA患者主患側與對側髖BMD以及股BMD均無顯著差別。見表3。

表3 老年KOA患者骨密度測量結果(珋x±s)Table 3Results of bone density measurements in elderly KOA patients(珋x±s)

2.4 老年KOA患者下肢肌肉力量與骨密度的相關關系

2.4.1 老年KOA患者雙側下肢肌肉力量與骨密度的相關關系:將雙側髖關節BMD、股骨頸BMD以及L1-L4 BMD分別與等長、等速模式下雙側伸膝以及屈膝肌群的峰力矩以及相對峰力矩作相關分析。結果發現，與雙側髖關節 BMD呈相關性的指標為:等長等速模式下，伸膝肌群峰力矩以及屈膝肌群峰力矩;與雙側股骨頸 BMD呈正相關的指標為:等長、等速模式下，屈膝肌群峰力矩;與L1-L4 BMD呈正相關的指標為:等長、等速模式下伸膝以及屈膝肌群峰力矩。見表4。

表4 老年KOA患者雙側膝關節肌肉力量與骨密度的相關關系Table 4 Correlation between bilateral knee joint muscle strength and bone mineral density in elderly KOA patients

2.4.2 老年KOA患者主患側下肢肌肉力量與骨密度的相關關系:將老年KOA患者主患側髖關節、股骨頸以及L1-L4 BMD分別與等長、等速模式下主患側下肢伸膝以及屈膝肌群的峰力矩以及相對峰值力矩作相關分析。結果發現，與主患側髖關節BMD呈正相關的指標為:等速模式下屈膝肌群峰力矩以及相對峰力矩;與主患側股骨頸BMD呈正相關的指標為:等速模式下屈膝肌群峰力矩以及相對峰力矩;與L1-L4 BMD呈正相關的指標為:等長、等速模式下伸膝以及屈膝肌群峰力矩。見表5。

表5 老年KOA患者主患側膝關節肌肉力量與骨密度的相關關系Table 5 The correlation between knee joint muscle strength and bone density at the main affected side in elderly KOA patients

3 討論

3.1 老年KOA患者下肢肌肉力量水平分析

膝關節最重要的活動方式是屈伸，參與屈伸活動的主要肌肉是股四頭肌和腘繩肌［9］。本研究評估了老年KOA患者下肢股四頭肌以及腘繩肌的肌肉力量。許多文獻資料均已明確證實，KOA患者下肢肌肉力量顯著低于正常健康老年人。俞捷等［10］報道了健康老年人伸膝肌群［男性:(1.35±0.43)Nm/kg，女性:(0.98±0.18)Nm/kg］與屈膝肌群［男性:(1.13±0.36)Nm/kg，女性:(0.76±0.26)Nm/kg］的等速肌力水平，本研究老年 KOA患者等速模式下的肌力水平明顯低于該水平。Tan等［11］在研究中同樣證實KOA患者屈膝、伸膝肌群等長及等速峰力矩均顯著下降，肌力下降的原因與膝關節病變導致的體力活動減少和肌肉衰減有關。本研究結果顯示，老年KOA患者主患側伸膝肌群無論是在等長模式和等速模式下的峰力矩和相對峰力矩較對側均明顯降低，這說明癥狀更為嚴重的一側伸膝肌群相比對側肌力減弱，這一結果與王劍雄等［12］及潘曉雨等［13］的研究結果是一致的。但本研究并未發現主患側和對側屈膝肌群肌力水平的差異，考慮原因可能與老年KOA患者伸膝肌群與屈膝肌群肌力下降不同步有關，伸膝肌群肌力下降幅度明顯大于屈膝肌群，即KOA癥狀對于伸膝肌群的影響更為嚴重。Patsika等［14］也報道了這種“不同步現象”，KOA 患者屈膝肌群與伸膝肌群峰力矩的比值(H/Q)顯著高于正常健康人，H/Q通常被用來評價關節肌力的平衡，從而反映膝關節的穩定性。因此，伸屈膝肌群肌力下降幅度不同將造成關節穩定性顯著下降。

3.2 老年KOA患者膝關節肌肉力量與骨密度的相關分析

目前，國內外研究者在探討骨骼肌與骨密度之間的關系時，主要以整個關節鏈(如下肢鏈)［15］或整體部位(如全身)為主［16］。此外，骨密度的定量檢測是診斷骨質疏松的最好方法，骨密度的測量部位通常包括腰椎、兩髖以及股骨頸［17］。本研究以膝關節為主，探討了老年KOA患者伸膝以及屈膝肌群肌力與腰椎、髖關節以及股骨頸骨密度的相關關系。

研究結果表明，老年KOA患者髖關節以及L1-L4 BMD與雙側屈膝肌群以及伸膝肌群肌肉力量呈顯著正相關，而股骨頸 BMD僅與雙側屈膝肌群呈正相關。此外，本研究還分析了老年KOA患者主患側膝關節肌力與骨密度的關系。研究發現，老年KOA患者主患側髖關節以及股骨頸BMD與等速模式下屈膝肌群峰力矩以及相對峰力矩呈正相關，L1-L4 BMD與伸膝以及屈膝肌群峰力矩呈正相關。從運動解剖學來看，參與屈膝活動的主要是腘繩肌，腘繩肌參與下肢離心收縮，通過機械能的吸收對膝髖兩關節起保護作用［18］。參與伸膝活動的主要是股四頭肌［9］。伸、屈膝時，髂腰肌收縮，而髂腰肌起點主要附著在腰椎、髂骨和部分胸椎骨上［6］。王昭琦等［19］認為肌肉收縮會對骨骼產生壓力負荷，并通過壓電效應增強成骨細胞活性，使骨生成增強，從而增加肌力，促進成骨生長，優化骨骼結構，進而增加骨密度。因此，腘繩肌以及股四頭肌收縮產生的肌力可能促進髖關節以及腰椎骨密度增加。此外，有研究表明，股骨頸骨密度與肌力和攝氧量有關［20］，老年KOA患者較易出現膝關節肌群肌力下降，肌力下降時骨骼呈負平衡代謝狀態，骨吸收大于骨形成，導致骨組織量減少，從而導致股骨頸骨密度降低［21］。以上結果提示，老年KOA患者伸膝以及屈膝肌群肌肉力量與骨密度之間存在相關性。因此，為了提高老年KOA患者骨密度，改善該類患者骨質疏松的狀況，要加強老年KOA患者伸膝以及屈膝肌群肌肉力量的訓練。此外，在制定力量訓練方案時，不僅要考慮患者主患側膝關節肌群的訓練，也要加強對側膝關節的訓練，同時，訓練方案不僅聚焦于主要負責伸膝活動的股四頭肌的訓練，還應兼顧大腿后部屈膝肌群如腘繩肌等其他肌肉的鍛煉。

4 小結

本研究通過對老年KOA患者膝關節肌肉力量以及骨密度進行測試，發現老年KOA患者膝關節肌肉力量顯著低于正常老年人，且主患側相比對側肌力下降更明顯。老年KOA患者膝關節肌力與骨密度呈顯著相關性。因此，為了提高老年KOA患者骨密度，應加強雙側膝關節肌力訓練，同時訓練方案不僅要聚焦于伸膝肌群的訓練，還應兼顧大腿后部屈膝肌群如腘繩肌等其他肌肉的鍛煉。