老年人下樓梯行走髕股關節動態載荷與BMI相關性研究

何培東

摘 要：目的：比較不同BMI老年人下樓梯行走髕股關節動態載荷并分析兩者相關性。方法：正常、超重、肥胖三組受試者各14名完成下樓梯行走，采用Vicon三維動作捕捉系統與Kistler三維測力系統同步采集受試者行走時人體運動學與動力學數據。通過髕股關節力（PFJF）、股四頭肌肌力（QF）、髕股關節應力（PFJS）、膝關節凈力矩（KM）量化評定髕股關節動態載荷。結果：三組受試者髕股關節載荷指標變化曲線趨勢一致，在單支撐初期與末期分別雙峰值。相比于正常組，肥胖組PFJF、PFJS、QF、KM雙峰值均顯著增大（P<0.05），超重組PFJF、PFJS、QF、KM第一峰值顯著增大（P<0.001）;相比于超重組，肥胖組PFJF（P=0.030）、PFJS（P=0.008）、QF（P=0.038）、KM（P=0.046）第一峰值顯著增大。BMI與PFJF、PFJS、QF、KM第一峰值（r>0.5， P<0.001）、第二峰值（r>0.6， P<0.001）均成正相關。結論： 隨著BMI增大，老年人下樓梯行走在單腿支撐初期髕股關節動態載荷顯著增加，建議老年人下樓梯時手持拐杖或樓梯行走，增大膝關節屈曲角度和軀干前傾幅度，減少髕股關節的動態載荷。

關鍵詞：老年人;樓梯;髕股關節;生物力學;體重指數

中圖分類號：G804

文獻標識碼：A

文章編號：1008-2808（2021）02-0089-08

Abstract：Objective： This study aimed to investigate the influence of BMI on dynamic patellofemoral joint load and the correlation between them among the elderly. Methods： Normal， overweight and obese participants （n=14， respectively） performed stair descent. The Vicon motion capture system and Kistler force platform were synchronized to collect the data of kinematics and kinetics during stair descent. The patellofemoral joint force（PFJF）， patellofemoral joint stress（PFJS）， quadriceps force（ QF） and knee joint moment（KM） were used to assess the dynamic patellofemoral joint load. Results： The curves of dynamic patellofemoral joint load among three groups were similar， and the two peak values were observed during early and late stage of single stance. Compared with normal group， the two peaks of PFJF， PFJS， QF， KM increased significantly in obese group（P<0.05）， and the first peaks increased in overweight group（P<0.001）. Compared with overweight group， the first peak of PFJF（P=0.03）， PFJS（P=0.008）， QF（P=0.038）， KM（P=0.046） increased significantly in obese group. The significant positive correlation were found between BMI and first peak（r>0.5， P<0.001）， second peak（r>0.6， P<0.001） of dynamic patellofemoral joint load. Conclusions： With the increase of BMI， the dynamic load of the patellofemoral joint in the early stage of single-leg support for the elderly walking down the stairs is significantly increased. It is recommended that the elderly walk down the stairs with crutches or stairs to increase the knee joint flexion angle and the torso anterior inclination to reduce the patellofemoral Dynamic load of the hip joint.

Key words：Elderly;Stair; Patellofemoral joint;Biomechanics; BMI

截至2018年底我國60周歲及以上老年人口約2.49億，占總人口數的17.9%，預計到2050年，老年人口總量將超過4億，老齡化水平增至30%[1]。髕股關節病變是一種較多見的影響老年人日常生活質量的膝關節疾病，如髕股關節炎、髕股關節痛及髕骨退行性病變[2]。生物力學研究認為，下肢髕股關節病變的發生可能與運動中關節承受的生物機械負荷過載及其導致的關節運動軌跡異常有關。膝關節內部髕骨與股骨之間因接觸而產生的壓力為髕股關節力（patellofemoral joint force，PFJF），兩者接觸部位單位面積的PFJF稱髕股關節應力（patellofemoral joint stress，PFJS），基于伸膝力矩與股四頭肌有效力臂計算獲知的股四頭肌肌力（quadriceps force， QF）。運動過程中的動態PFJS、PFJS與QF能夠較好地解釋膝關節內部髕骨與股骨受力的關系，是評價髕股關節動態載荷較敏感的指標[3-4]。

樓梯行走是老年人日常生活中無法避免且具有挑戰性的運動行為之一。約26%的跌倒發生在樓梯行走過程中[5]，下樓梯跌倒風險是上樓梯的3倍[6]。研究顯示，膝關節肌骨系統為下樓梯行走提供50%的支撐力矩以維持姿勢控制，吸收超過70%的能量以緩沖振蕩，是承受下肢負荷的主要關節，起主導作用[7]。髕股關節在下樓梯行走中膝關節功能的維持具有至關重要的作用。有研究發現，相比于平地行走，下樓梯行走中較高的PFJF與PFJS是導致髕股關節軟骨磨損、疼痛和退行性病變的主要因素，而關節的退行性病變是導致老年人跌倒風險增加的重要因素[8]。以上可知，下樓梯行走是導致髕股關節載荷過大的外部因素之一。

身體質量指數（body mass index， BMI）是國際上常用的衡量人體肥胖程度的重要指標。 流行病學研究發現，普通成人BMI與下肢關節疾病的發生呈現正相關，其原因可能與肥胖度的增加帶來的下肢關節運動載荷增大有關[9]。正常體重成年人步行時髕股關節接觸力峰值為體重的0.5-1.5倍，而肥胖者承受的接觸力高達體重的2-3倍[3]，肥胖者關節軟骨單位面積承受的應力也顯著增加，其損傷的幾率明顯增加[10]。盡管髕股關節力學特征分析在健康人群的走[11]、跑[12]、騎行[4]等運動中已經被證實，但關于超重/肥胖老年人樓梯行走的研究尚需進一步探討。

本研究旨在對比正常、超重以及肥胖三組老年人髕股關節動態載荷與BMI相關性，為肥胖導致老年人下樓梯行走髕股關節病變提供生物力學數據參考，并為肥胖老年人減輕疾病疼痛和臨床醫生制定康復處方提供數據支撐。本研究假設：（1）相比于正常BMI組，超重與肥胖組老年人下樓梯行走髕股關節動態載荷參數峰值顯著較大;（2）BMI數值與髕骨關節動態載荷參數峰值呈現顯著正相關特征。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取42名社區老年人為研究對象（見表1），根據《中國成年人超重和肥胖癥預防控制指南》，界定體重指數BMI≥28kg/m2為肥胖，24kg/m2≤BMI≤27.9kg/m2為超重，18.5kg/m2≤BMI≤23.9kg/m2為正常，受試者均為右利側。納入標準：（1）年齡65歲以上;（2）下肢關節近半年內無明顯損傷;（3）能夠獨立完成樓梯行走;（4）近1年內無跌倒史;（5）雙眼矯正視力1.0以上。排除標準：（1）嚴重心血管系統、呼吸系統疾病、神經系統疾病以及肌肉骨骼系統疾病;（2）影響姿勢控制的前庭功能障礙;（3）影響姿勢控制的視覺系統疾病。所有受試者均簽訂了知情同意書，并告知注意事項。

1.2 儀器設備

1.2.1 模擬樓梯

根據現行國家標準《建筑設計防火規范》（GBJ16）的規定，確定模擬樓梯的尺寸。模擬樓梯重約2噸，共計6級臺階，長約2m，寬約1.5m，高約1m，每級臺階高約17cm，深29cm，坡度約為30°，符合國家住宅標準。

1.2.2 三維運動學捕捉系統

本研究運動學數據采集應用8個攝像頭的Vicon紅外高速動作捕捉系統（英國，T40），采集頻率設置為100Hz[13-14]。根據Visual3D軟件（美國，C-Motion，V3）人體模型的要求，41個14mm的紅外反光球黏貼在各解剖學標志點[15]，采集人體運動學數據。

1.2.3 三維測力系統

模擬樓梯的第三和第四臺階分別鑲嵌兩臺Kistler測力臺（型號：瑞士，9287C;尺寸：90cm×60cm×10cm），外置信號放大器，采集頻率設置為1 000Hz [13-14]。運動學、動力學數據采集采用Vicon系統同步盒實現兩者的同步采集。

1.3 數據采集

受試者身著統一的測試服與鞋子，進行身體、體重等身體形態學參數的測量。實驗人員為受試者黏貼41個反光球并進行系統校準采集靜態模型，以確定頭、軀干、骨盆、雙側上臂、前臂、手、大腿、小腿、足共15個環節參數。受試者準備工作完成后，充分熟悉測試環境與流程，進行下樓梯行走的動態測試。受試者自第六級臺階15cm處進行無初速度的下樓梯行走，全程采用“一步一臺階”方式，禁止越級跨越臺階，直至行走到距離第一臺階1.5m處停止。為減小誤差確保數據的統一性，受試者下樓梯以優勢腿即右腿先邁步行走，共計完成5次成功的測試，兩次行走間隔5 min。一次成功的下樓梯行走定義為運動學與動力學數據采集完整有效，未發生反光球脫落、中途停頓、踩踏在測力臺外等影響數據有效性的事件。

1.4 數據處理

將Vicon采集的原始運動學與動力學數據經過建模、截取、刪補點等處理后，導入Visual 3D數據處理軟件，分別進行截止頻率為6Hz[15]和10Hz[16-17]的Butter-worth四階數字低通濾波器濾波。

本研究選取的一個下樓梯步態支撐腿在支撐相的數據進行分析，支撐相定義為右腳在第四臺階著地到離地。腳觸地定義為測力臺垂直方向的地面反作用力大于20N[5]。支撐相詳細劃分為第一雙支撐相、單支撐相、第二雙支撐相，詳細劃分如下[18]：第一雙支撐相：右腳著地（right foot touch down， RTD）到左腳離地（left foot take off， LTO）;單支撐相：左腳離地（left foot take off， LTO）到左腳著地（left foot touch down， LTD）;第二雙支撐相：左腳著地（left foot touch down， LTD）到右腳離地（right foot take off， RTO）。

1.5 實驗參數

本實驗選取支撐期內支撐腿體重標準化的膝關節凈力矩（knee joint moment， KM）、髕股關節力（PFJF）、股四頭肌肌力（QF）相對值及髕股關節應力（PFJS）絕對值進行分析。

（1）膝關節凈力矩[19]。

基于逆向動力學方法，采用Visual3D V3版本軟件編寫Scipt，通過選擇關節與環節及對應的參考坐標系，對下樓梯行走過程中下肢膝關節矢狀面的凈力矩進行計算。

（2）股四頭肌肌力[20]。

LA0.036θ+3.0（0≤θ<30）

-0.043θ+5.4（30≤θ<60）

-0.027θ+4.3（60≤θ<90）

2.0（90≤θ）

式中LA（cm）為股四頭肌有效肌力臂，θ（°）為矢狀面的膝關節角度，LA為θ的分段函數[28]。

本研究下樓梯行走中矢狀面凈膝關節力矩正值時為膝關節伸膝力矩[20]，即：

MEXT =MNET

式中（MEXT （N·m））為矢狀面凈膝關節力矩，（MNET （N·m））為膝關節伸膝力矩。

FQ（θ1）=MEXT （θi）/[LA（θi）·0.01]

式中為股四頭肌肌力QF，θi為第幀膝關節屈伸角度[20]。

（3）髕股關節力[20]。

FPF =2FQsin（β/2）

β=30.46+0.53（θ）

式中FPF （N）為PFJF，β（°）為股四頭肌肌力線與髕韌帶拉力線之間的夾角[28]。

（4）髕股關節應力[20]。

髕股與股骨的接觸面積[12]為矢狀面膝關節角度θ（°）的函數，具體計算公式如下：

SPFCA （θi）=0.0781×θ2i+0.6763×θi+151.75

式中為髕股與股骨的接觸面積。

PPFJS （θi）=FPF （θi）/SPFCA （θi）

式中PPFJS （MPa）即PFJS。

1.6 統計學方法

本研究自變量為BMI分組（正常組、超重組、肥胖組），因變量為5次測試KMpeak 、QFpeak 、PFJFpeak 、 PFJSpeak 的平均值。本研究的統計學分析采用統計軟件SPSS20.0（IBMS，NY，USA），所得參數值均用平均值±標準差表示。采用Shapiroe-Wilk和Levenes分別對各組數據進行正態檢驗和方差齊性檢驗。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）觀察不同BMI分組對KMpeak、QFpeak、PFJFpeak、PFJSpeak的影響，采用LSD檢驗進行事后兩兩比

較。采用Pearson相關分析檢驗BMI與KMpeak 、QFpeak 、PFJFpeak 、PFJSpeak 的線性相關度，弱相關（0-0.3），中度相關（0.3-0.5），強相關（0.5-0.8），極強相關（0.8-1.0）[21]。本研究統計分析顯著性水平設置為0.05。

2 研究結果

2.1 髕股關節動態載荷

圖1和表2顯示，相比于正常體重組，超重組KM、PFJS、PFJF、QF第一峰值分別顯著增加了78%（P<0.001）、62%（P<0.001）、92%（P<0.001）、82%（P<0.001）;肥胖組KM、PFJS、PFJF、QF第一峰值分別顯著增加了107%（P<0.001）、98%（P<0.001）、130%（P<0.001）、114%（P<0.001），第二峰值顯著增加了30%（P<0.001）、34%（P=0.004）、29%（P=0.006）、29%（P=0.003）。相比于超重組，肥胖組KM、PFJS、PFJF、QF第一峰值分別顯著增加了16%（P=0.046）、22%（P=0.008）、20%（P=0.030）、18%（P=0.038），KM、PFJS第二峰值分別顯著增加了20%（P=0.005）、30%（P=0.006）。

2.2 髕股關節動態載荷與BMI的相關性

圖2可知，KM、PFJS、PFJF、QF與BMI峰值存在正相關的線性關系，其隨著BMI的增大而增大。表3可知，進一步相關分析結果顯示，BMI與KM（P<0.001）、QF（P<0.001）、PFJF（P<0.001）、PFJS（P<0.001）第一峰值均具有顯著相關關系，與KM（P<0.001）、QF（P<0.001）、PFJF（P=0.001）、PFJS（P=0.001）第二峰值均具有顯著相關關系。

3 討 論

3.1 老年人下樓梯行走髕股關節動態載荷

本研究結果顯示，三組老年人的下樓梯行走KM、PFJF、PFJS以及QF曲線形狀相似，均呈現“雙峰一谷”的趨勢。其中第一峰值出現在25%支撐相時刻，處在單支撐初期，此時下樓梯步態雙支撐時相轉為單支撐時相，身體重量由單腿支撐，進而表現出髕股關節動態載荷指標的顯著增大;第二峰值出現在80%支撐相時刻，處在單支撐末期，此時身體質心受重力作用加速向下，且膝關節具有較大的屈曲角度，右支撐腿此時需要產生更大的KM和QF以控制身體穩定性，表現出較大膝關節動態載荷。

Jacklyn等人的研究顯示，受試者下樓梯髕股關節動態載荷指標KM、PFJF以及PFJS雙峰值均小于本研究結果，研究結果并未一致，其原因可能與不同測試人群有關[11]。本研究選取的受試者為老年人群，而前者受試者年齡為32±7.1歲屬于中青年人群。值得注意的是，本研究老年人表現出的較低髕股關節載荷并不意味著老年人發生髕股關節病變的幾率減小，相反可能與自我保護的神經肌肉控制機制有關。隨著年齡的增大，老年人髕骨軟骨退變[22]、髕骨軟骨體積減小[23]，髕股關節無法承受更大的接觸壓力與應力。因此樓梯行走過程中，老年人采用“小心謹慎”的步態策略，表現出步速降低、地面反作用力以及關節力矩減小等生物力學特征[24-25]，進而造成髕股關節動態載荷降低，可能是對髕股關節結構與功能退化的適應性調整。

由此可知，下樓梯行走單支撐相，特別初期和末期是老年人髕股關節動態載荷增大的關鍵時刻，應做好行走過程中的減負防護，更好的保護髕股關節，減少病變發生的可能。

3.2 髕股關節動態載荷與BMI相關性

本研究結果顯示，相比于正常體重組，超重組髕股關節動態載荷指標的第一峰值和肥胖組髕股關節載荷指標雙峰值均顯著增高;相比于超重組，肥胖組動態載荷指標的第一峰值與KM、PFJS第二峰值顯著增高。相關分析顯示，動態載荷指標與BMI呈顯著正相關，r均在0.5以上，屬于強相關。研究結果較好的驗證了研究假設。

肥胖組老年人表現出較高的KM、PFJF、PFJS、QF雙峰值，樓梯行走時髕股關節載荷顯著增大，可能導致關節面、軟骨的加速磨損，進而誘發關節炎、關節疼痛可能性增大。PFJF與PFJS是評估髕股關節負荷的核心指標，與髕股關節病變發生率呈現正相關[3，11，26]。本研究結果顯示，肥胖老年人下樓梯行走髕股關節PFJF、PFJS峰值是正常體重老年人的1.3～2.3倍，Matthews的研究結果顯示其倍數值在2～4倍[3]，兩者均說明肥胖人群步態動作中髕股關節載荷顯著增大，究其原因可能與肥胖人群行走過程中采用的身體姿態有關。Peggy等研究顯示，肥胖人群下樓梯行走時在支撐相膝關節與軀干表現出較小的屈曲角度，身體姿態較直立[27]。研究發現，下樓梯行走時膝關節屈曲角度減小3°，膝關節KM、PFJF分別顯著增大0.4N/kg、10 N/kg，軀干屈曲角度減小時PFJS峰值顯著增大[28]。此外，肥胖人群股四頭肌相對肌力的減小可能是導致本研究中PFJF、PFJS峰值增大的另一原因。研究發現，相比于體重正常者，超重與肥胖成人盡管脂肪和瘦體重絕對值較大，但是體重標準化下肢肌力顯著降低6%～10%[29]。下樓梯行走股四頭肌做離心收縮，膝關節做負功吸收能量，緩沖振蕩，對股四頭肌肌力要求較高，肥胖帶來的相對肌力減弱不足以完全緩沖下樓梯行走動作沖擊，可能導致髕股關節載荷增加。

值得注意的是，本研究結果發現，與肥胖組表現出的髕股關節載荷特征不同的是，超重組KM、PFJF、PFJS、QF第一峰值表現出超載特征，第二峰值未顯著增高，這與本研究預期相悖，其原因可能與肥胖降低膝關節本體感覺有關。來自本體感覺系統的信息輸入對人體運動姿態和肌肉發力模式的調控貢獻度占比高達56.3%，具有極其重要的意義[30]。上文所述，動態載荷第二峰值出現在單支撐末期，此時刻左擺動腿即將著地，老年人需將更多的注意力與視覺資源用以控制擺動腿足部觸地動作，支撐腿肌肉活動更多的依賴本體感覺信息輸入。研究證實，肥胖老年人膝、踝關節本體感覺靈敏性顯著降低[31]，可能由此而改變支撐腿在第二峰值出現時的肌肉發力模式，造成髕股關節動態載荷的差異，但其深層的神經肌肉控制機制仍需進一步深入探究。

3.3 本研究存在的局限性與后期展望

本研究存在以下局限性：首先，本研究運動學數據的獲取是基于人體表面標記點運動，超重與肥胖人群脂肪相對較多，本研究無法排除脂肪層對數據準確性的影響，后續研究可以采用更合理、更先進的方法進行探討。其次，本研究關于髕股關節動態載荷是基于力學方程計算而得，無法計算運動過程中髕股關節應力及壓力的分布，無法獲知關節局部載荷隨肥胖度增大的變化趨勢，后續研究可以利用有限元研究法進行深入分析。

4 結 論

本研究首次對不同BMI老年人群下樓梯行走髕股關節動態載荷進行生物力學研究。老年人隨著BMI的增大不同階段的髕股關節動態載荷呈現出不同生物力學特征。其中，超重老年人髕股關節載荷超載主要發生在單支撐初期階段，而肥胖老年人髕股關節載荷超載發生在單支撐初期和末期階段。因此，超重老年人下樓梯損傷預防階段重要在單支撐相的初期，而肥胖者在整個單支撐期均應該注意損傷的發生。

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