膝骨關節炎生物力學參數的研究進展

復旦大學附屬華東醫院，上海市 200040

生物力學因素是膝骨關節炎(knee osteoarthritis,KOA)發生發展的重要影響因素[1-2]。膝關節受力與關節形態、下肢生物力線、外部負荷、軟組織牽拉、肌肉的主動收縮等因素密切相關。鑒于體內直接測量關節負荷受到倫理的限制，基于運動分析技術的逆向動力學參數被廣泛應用于KOA 的相關研究。本文對常用的膝關節內收力矩(external knee adduction moment,KAM)、膝關節內收沖量(knee adduction moment impulse,KA-MI)、膝關節屈曲力矩(external knee flexion moment,KFM)、膝關節內翻延伸等參數的研究進行綜述。

1 KAM

基于逆向動力學計算的冠狀面KAM 是最常用于反映膝關節內側負荷的動力學參數[3-4]。在一個步態周期的支撐相內，隨時間演進的KAM 通常表現為兩個峰，分別發生于支撐相早期和晚期。第一峰值通常為全支撐相最高峰，其大小與地反力、地反力力矩臂(以膝關節中心為支點)以及下肢質量和加速度有關。

KAM 峰值與疾病進展和膝關節疼痛[6-7]正相關，且與膝關節骨、軟骨改變相關。無癥狀人群中，內側半月板撕裂的存在和嚴重程度與KAM 峰值正相關[8]。KOA患者中，基線KAM 峰值與5 年以上股骨軟骨厚度正相關[9]。Roberts 等[10]發現，KAM第一峰值與骨密度密切相關，KAM 第二峰值和內收沖量也與內-外側骨密度比值相關。關節鏡下半月板清理術后患者快速步行時KAM 峰每增加1%，軟骨缺損發生或加重的風險就增加2倍以上[11]。

Prodromos 等[12]最早通過研究脛骨高位截骨患者術前、術中和術后KAM 峰值與相關癥狀變化情況，提出KAM 與KOA預后有關，高KAM 峰值患者有更高的內翻畸形復發率。Schipplein 等[13]進一步發現，膝關節內翻畸形患者以調整步態產生更高的KAM峰值，通過增加膝內側負荷提高步態穩定性，提出KAM峰是反映膝關節內側負荷的重要參數。

KAM 能否代表膝關節內側負荷，一直以來都受到一定爭議。Zhao 等[14]通過向膝關節內植入壓力傳感器，直接測量1 例患者不同行走狀況(正常步速、快步、慢步、足外偏)下內側間室負荷，結果表明KAM 與膝關節內側負荷呈線性關系。有悖于先前研究的是，該研究并未發現KAM 峰值和內側負荷峰值的統計相關性。Kutzner 等[15]增加了患者數量，并將植入傳感器的數量由4個增至6個，結果發現KAM峰值與內側負荷峰值在支撐相早期有較好的相關性，但在后期只有中等的相關性，并有較高的個體間差異。

KAM 還受行走速度、鞋履等的影響[4]。數據處理時膝關節中心的定義，包括肌肉骨骼模型的選擇等，也會影響測算結果。Saxby 等[3]用步態生物力學和處理過的肌電圖來校準并執行肌電圖驅動的模型，計算肌肉和脛股的負荷，以觀察健康個體在步行、跑步和側向跨步等更劇烈的步態任務下KAM 與膝關節內側負荷的相關關系，結果表明在跑步和側向跨步中KAM 對內側負荷的預測性差；可能是因為在較劇烈的步態任務中，肌肉對內側負荷的相對貢獻增加，而外部負荷的影響減少所致。Zhao 等[14]和Kutzner 等[15]也發現在平衡膝關節冠狀面負荷上，肌肉起著至關重要的作用，肌肉共同收縮水平可能顯著增加內側負荷。這在一定程度上解釋了應用膝關節支具[16-17]、足矯形器[18-19]、定制鞋及鞋墊[20]以及步態調整等[21-22]方法改變KAM峰值或均值，治療KOA的療效差異。

盡管KAM尚需要進一步研究，但KAM峰值仍是最能反映膝關節內側間室負荷的步態參數。另外，除了瞬時力矩峰值外，還應當考慮力的時間累積效應對于膝關節的影響，因此沖量的研究逐漸受到了關注。

2 KAMI

KAMI 是KAM 在支撐相的時間積分值[23]，代表支撐相膝關節內側間室累積的負荷集中情況。近年發現KAMI一定程度上比KAM能更好預測KOA的病情變化[24-26]。

KAMI 與關節軟骨、半月板、軟骨下骨的變化密切相關。KAMI 越高的KOA 患者內側半月板損傷越大，股骨外側軟骨越厚、股骨內側/外側軟骨厚度比值越低[27-28]。Bennell等[29]發現基線的KAMI越大，隨訪時軟骨的損失越多；相比KAM，KA-MI 更能反映脛骨內側軟骨體積與膝關節內側負荷的關系，且KAMI 與脛骨內側和股骨內側軟骨下骨髓水腫密切相關[30]。考慮到影像學嚴重程度對KOA 患者KAMI 的影響[31]，有學者直接比較KAM 峰值與KAMI和KOA 嚴重程度的關系，結果表明這兩個參數均與軟骨下骨髓水腫的出現有關，但KAMI 比KAM 峰值更能反映KOA 影像學的嚴重程度[25]。可能是因為KAMI 不僅考慮負荷集中的大小，還考慮負荷集中的累積時間，更加充分地體現膝關節負荷集中情況。

KOA 患者KAMI升高與負重活動(如步行)時疼痛的增加有關[7,32]。在區分KOA 嚴重程度這一影響因素后，Henriksen 等[33]研究發現輕度KOA 患者(Kellgren/Lawrence ≤2)疼痛程度與KAM、KAMI改變呈負相關；重度患者(Kellgren/Lawrence>2)疼痛程度與KAM 峰值無明顯相關性，但與KAMI 改變呈正相關。而Hall 等[34]的研究則表明，在輕度患者(Kellgren/Lawrence 2 級或Joint Space Narrowing 1 級)中，KAM、KAMI 變化與癥狀無相關性；中度患者(Kellgren/Lawrence 3級)中較高的KAMI與較大的疼痛相關。而嚴重患者(Kellgren/Lawrence 4級)KAMI越大則預示疼痛的減輕和功能增強。考慮到兩項研究均為橫斷面性質，并不能確定相關性的因果關系，對于嚴重KOA 患者，KAM 升高可能是疼痛緩解的后果，而不是原因。且不同影像學嚴重程度的患者之間疼痛度差異明顯，可能由于KOA 在發展過程中除了異常的膝關節負荷外，其他因素在決定膝關節疼痛方面也發揮著重要的作用，需要進一步研究。

單一KAM、KAMI 的測量與內側負荷之間已呈現高度相關[3,14-15]，而在多元回歸模型中結合多個外部測量值已被證明可以改善這些關系的強度[3]。盡管目前循證醫學證據有限，但減少KAMI的保守治療方法，如外側楔形鞋[18,35-36]、主動反饋步態再訓練[37]等，均被證明是緩解患者疼痛、延緩疾病進展的有效方法。

3 KFM和沖量

KFM 是膝關節矢狀面上的外力矩。為了平衡步行過程中地反力的作用，股四頭肌收縮會產生膝關節伸展的內力矩。除了伸展外，相關肌群收縮還能產生內收或外展力矩臂，因此同樣能使膝關節內或外側間室產生負荷集中[38-39]。

Noyes[40]等通過肌肉骨骼模型研究前交叉韌帶缺如患者最大內側膝關節負荷和力矩之間的關系，結果顯示的最大屈力矩和最大內收力矩均與膝關節內側負荷峰值顯著相關。Walter等[24]和Trepczynski等[41]通過植入物直接測量內側膝關節負荷與動力學指標進行回歸分析表明，KAM 峰值減少并不一定存在膝關節內側負荷峰值的減少，而將KAM 的峰值與KFM 的峰值絕對值相結合可以更好地反映內側負荷的峰值。Manal 等[42]收集10 例前交叉韌帶重建受試者以自選速度行走，用逆向動力學方法計算膝關節力矩，并用肌電圖模型計算膝關節內側負荷，用先輸入KAM 的線性回歸方法，分離出KFM 對內側負荷峰值的獨特貢獻；結果表明KFM 峰值與KAM 峰值均與內側負荷峰值存在良好相關性，KFM 峰值和KAM 峰值聯合使用比單獨使用KAM峰值更能準確反映膝關節內負荷峰值。

KFM 峰值和沖量與KOA 的進展和軟骨損傷也高度相關。Teng 等[43]研究99 例髕骨關節炎疼痛綜合征患者和健康人群膝關節MRI，發現KFM 峰值和KFM 沖量的增加與髕骨關節軟骨健康惡化有關，這種聯系在淺層軟骨和有形態學損傷的軟骨中更為明顯；支撐相后半段的KFM第二峰值及沖量與1年后疾病的進展相關[44]。另外，通過運動療法降低KFM 峰值和沖量，也可以有效緩解KOA患者疼痛，提高功能和步行速度[45]。

在支撐相后期，膝關節內側負荷峰值略高于支撐相早期[15,22]。盡管KAM 和KFM 均為膝關節內側負荷第一峰值的預測因子，但不少研究表明[15,22,46]，KAM 和KFM 均對內側負荷第二峰值的預測作用有限。這可能與更多的肌肉參與共同收縮，以及當前肌肉骨骼模型的敏感性較差有關。另外，下肢力線的改變在一定程度上也會影響膝關節內負荷的分布。

4 膝關節內翻延伸

膝關節內翻延伸是一種易于評估的膝關節冠狀面動態力線異常，是步態周期支撐相出現的膝關節內翻或已有內翻的加重，這種內翻能在擺動相恢復[47]。

膝關節內翻延伸代表動態下肢力線的異常及膝關節失穩，是影響KOA 進展的重要因素[48]。研究表明膝關節內翻延伸與內側間室KOA、膝關節后角損傷[49]和腓側副韌帶損傷[50]等密切相關。調整年齡、性別、體質量指數、內翻對齊和疼痛程度后，內翻延伸與病情進展仍相關[51]。

目前，較為常用的量化內翻延伸的方法[52]是在冠狀面大轉子、膝關節外側關節線和外踝上放置皮膚標記點，三個標記點之間形成的角度代表髖-膝-踝關節角(hip-knee-ankle angle,HKA角)。計算足觸地與第一次膝內翻峰值之間的HKA 角的差值，作為內翻延伸。近年來也有學者認為，內翻角度的差值不能充分代表動態下肢力線，與膝關節內翻峰值角相比，膝關節內翻峰值角速度與可視化內翻延伸更接近，而且膝關節內翻角速度不僅體現了運動的方向，還體現了運動的速度，可能是更適合捕捉內翻延伸動態特性的指標[53]。

從生物力學作用的結果來說，內翻延伸所造成的膝關節內側負荷增加可能會導致軟骨退化、骨髓損傷和半月板損傷[54]，這種損害對于KOA 進展的影響可能比靜態內翻畸形更大[55]。此外，在負重活動中內翻延伸與膝關節疼痛和僵硬有更強的相關性，這也可能與軟骨損傷和骨髓水腫存在一定關聯[47]。Wink等[56]的研究表明，有內翻延伸的膝關節發生疼痛的概率明顯增高，內翻延伸是發生膝關節疼痛及疼痛惡化的危險因素。Lo等[57]則證明，無論患者在內翻延伸時是否同時存在內翻畸形，均與膝關節疼痛相關[58]。

考慮到內翻延伸對于疼痛和KOA 進展的影響，以矯正動態內翻為靶點的治療，在一定程度上可以預防KOA 患者膝關節疼痛的發展或惡化。保守治療的方法，如步態調整策略[59]、楔形鞋墊[60-61]等都被用來改善膝關節內翻延伸。脛骨高位截骨術是一種常用于改變機械承重軸和膝關節負荷的手術方式，可以改善膝關節內翻延伸[62]。全膝關節置換[63]也能達到長期改善膝關節內翻延伸的作用。

內翻延伸只能反映內收力矩、內收沖量的力臂的大小，沒有考慮力的大小；而Vanwanseele 等[28]研究表明，KAM 越大，內側半月板越容易損傷，損傷程度越重，脛骨內側軟骨下骨面積比值也越大；但股骨和脛骨的軟骨厚度和剝落區域與KAM無關。這說明生物力學變化對膝關節不同組織結構的影響不同，這不僅與組織的結構強度有關，而且還涉及機體對力學反應的力學生物學特性，其機制尚需進一步研究。

5 小結

KAM、KAMI、KFM 和內翻延伸等，能在一定程度上反映膝關節內側負荷，但均不能簡單等同于膝關節內側負荷。因此，如何建立合適的生物力學模型，尋找恰當的測試指標，考慮不同自由度運動學參數以及持續時間負荷對內側間室負荷的影響，并基于此進一步探索膝關節受力與KOA 發生發展及癥狀的關系，有助于進一步明確力學因素影響KOA 的機制，并有助于通過生物力學方法治療KOA的推廣。