膝骨關節炎患者股四頭肌功能水平及髖關節步態運動學特征分析

馬淑敏,高謙,徐峰,謝娜,林瑞珠

骨關節炎是全球最常見的肌肉骨骼疾病,而膝蓋是人體最易累及的關節,在中國7.2%(9.8%女性,3.7%男性)的中老年人受到膝骨關節炎(knee osteoarthritis, KOA)的困擾[1],且隨人口老齡化及肥胖率的增加,其發病率日益上升[2]。但目前尚無治愈方法[3],若未盡早干預,疾病末期只能開展手術治療,給患者帶來額外的病痛。因此,意識到KOA患者與正常人之間的差異以便及早干預十分必要。

股四頭肌無力與KOA的發生和發展有密切聯系[4-6]。2022年Berg等[7]發現半月板部分切除術前股四頭肌肌力較弱的患者5年內發展為KOA的風險更高。近年來步態測試已成為某些特定神經和肌骨疾病的先進評估方法[8]。2019年研究發現KOA患者股四頭肌肌力增加后引起了膝關節生物機械特征的微小改變[10],可看出股四頭肌與步態之間有密切聯系,但國內KOA患者股四頭肌神經肌肉功能及肌力與步態相聯系的研究較少,大多單純集中于肌力或者結構[9-10]。髖關節在步行過程中連接軀干與下肢,股四頭肌肌力下降是否與髖關節步行時的運動學特征的改變相關仍未知,但國內對于KOA患者步行過程中髖關節的運動特征未給與充分重視[11],眾多研究僅探討了膝關節的運動特征[12-13]。

因此,本研究目的為對比正常人與KOA患者股四頭肌功能與步行過程中髖關節運動學特征的差異及之間的相關性,研究假設為KOA患者股四頭肌功能水平下降,并且與髖關節運動學特征改變有關,以期為臨床治療KOA提供新思路。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2021年8月～2022年3月來北京大學國際醫院就診的18名KOA患者(KOA組)及無KOA的8名健康人作為對照組。納入標準:符合2021年骨關節炎診療指南[14];K-L影像學分級為2～3級[14],即X線發現關節間隙輕度狹窄,有明顯的小骨贅或明顯的關節間隙狹窄,中等量骨贅,軟骨下骨骨質輕度硬化;膝關節活動度達0～90°;股四頭肌肌力徒手肌力為4/5級;可不借助輔具獨立行走;已簽署知情同意書。排除標準:有嚴重心肺疾患或其他疾病不能步行;嚴重的下肢關節畸形;下肢有皮膚病變、糖尿病足或其他血管病變患者;近一個月進行過關節腔注射等治療。2組一般資料比較差異無統計學意義,見表1。

表1 2組一般資料比較

1.2 方法 2組均進行等速肌力測試、表面肌電測試及步態測試。

1.2.1 肌力測試 采用Biodex System 4等速肌力測試系統,可在角速度恒定的情況下在肌力測試時提供肌肉收縮實際力矩值,以峰力矩(peak torque, PT值)表示,PT值與等速肌力測試系統提供的阻力大小相等,方向相反。測試時用座位上的綁帶固定參與者的軀干和大腿,股骨外側髁與動力軸的軸心對齊,再用力臂的綁帶固定訓練側小腿。測試包括等長收縮和等速收縮兩部分。正式測試前,告知等速肌力測試方法并練習一次。首先患者在膝屈曲45°時等長收縮10s,重復3次取平均值,組間休息30s。等長收縮測試結束后休息2～3min,在全關節活動范圍內完成60°/s 重復5次及180°/s 重復10次屈伸膝等速向心肌力測試,組間休息30s。

1.2.2 表面肌電測試 采用Freedom十通道無線表面肌電設備,在等速肌力測試過程中使用Freedom表面肌電設備同步收集股內側肌(medial vastus muscle, VM)、股外側肌(vastus lateralis muscle, VL)和股直肌(rectus femoris, RF)的表面肌電信號值,等長收縮時的積分肌電值(integral electromyographic, iEMG)和平均功率頻率(mean power frequency, MPF)以及等速收縮時的均方根值(root mean square, EMS)和平均功率頻率(mean power frequency, MPF)。等速肌力測試開始前,暴露參與者優勢側大腿皮膚,并用75%的酒精棉球擦拭,待酒精蒸發后將電極片依次貼在VM(髕骨內側緣上方5cm股內側肌肌腹隆起處[15])、VL(髕骨外側緣上方15cm股外側肌肌腹隆起處[15])、RF(髕骨上緣與髂前上棘連線中點處)。若測試過程中電極片粘貼不牢固,則取下更換一個新的電極片。分別收集參與者等長收縮及60°/s 和180°/s 等速收縮時VM、VL、RF的表面肌電值。

1.2.3 步態測試 2組測試者均使用Gaitboter設備進行步態測試,已有研究表明Gaitboter系統步態測試時空參數結果一致性較好[16],該設備由1個可穿戴步態采集設備和1個步態分析軟件組成,可實時接收步態設備發送的步態數據并進行分析。測試時需穿特制的合適鞋碼的運動鞋及綁上相應的傳感器,5個傳感器分別綁在雙側髕骨上緣及下緣10cm位置以及腰5骶1后方,患者以正常步速直線行走20步左右完成步態測試,重復3次取平均值,選取髖關節矢狀面、冠狀面、水平面運動學特征進行分析,正負值在各平面分別代表髖關節屈曲-伸展,外展-內收,外旋-內旋。

1.3 評定標準 表面肌電指標包括股四頭肌等長收縮5s時的iEMG值、MPF值、等速收縮時的均方根值(mean square root,RMS值)和MPF值。iEMG值是一定時間內單塊肌肉參與活動的運動單位放電總量,RMS值是運動過程中單塊肌肉參與活動時的運動單位放電的平均水平,兩個指標均反映某塊肌肉在活動過程中運動單位募集的多少,即神經興奮性的高低。MPF值可代表某塊肌肉的抗疲勞能力,數值越大,抗疲勞能力越強。肌力大小選取股四頭肌等長收縮以及60°/s和180°/s等速收縮時的PT值進行分析,PT值代表肌肉收縮過程中的最大力量,是等速肌力測試中反映肌肉能力的最佳指標。步態指標包括髖關節矢狀面、冠狀面、水平面峰值角度,并將股四頭肌肌力與髖關節運動學特征進行相關性分析。

2 結果

2.1 VM、VL、RF的表面肌電特征 KOA組等長收縮時VM、VL、RF的iEMG及MPF值與對照組比較差異均無統計學意義;KOA組60°/s等速收縮時VL的RMS值顯著高于對照組(P<0.05),MPF值2組差異無統計學意義。VMO和RF的RMS值和MPF值2組差異無統計學意義;180°/s等速收縮時RF的RMS值顯著高于對照組(P<0.01),MPF值2組差異無統計學意義;VMO和VL的RMS值和MPF值2組差異無統計學意義,見表2～4。

表2 2組等長收縮時2組VM、VL、RF的表面肌電信號值

表3 2組60°/s等速收縮時VM、VL、RF的表面肌電信號值比較

表4 2組180°/s等速收縮時VM、VL、RF的表面肌電信號值比較

2.2 髖關節步態運動學特征 KOA組髖關節冠狀面峰值外展、內收活動度均顯著小于對照組(P<0.01),而髖關節矢狀面峰值屈曲、伸展活動度和水平面峰值內旋、外旋活動度2組差異無統計學意義,見表5。

表5 2組髖關節各水平面峰值活動度比較 °,M(P25,P75)

2.3 股四頭肌等速肌力測試 KOA組等速肌力測試等長收縮和60°/s、180°/s等速收縮時PT值均顯著小于對照組(P<0.05),見表6。

表6 2組等速肌力測試的股四頭肌PT值

2.4 股四頭肌肌力與髖關節運動學特征的相關性分析 KOA組和對照組股四頭肌等長收縮和60°/s、180°/s等速收縮PT值與髖關節屈曲伸展、內收外展、內旋外旋運動學特征差異均無統計學意義,見表7。

表7 髖關節運動學特征與股四頭肌肌力相關性分析

3 討論

KOA患者等長收縮時的表面肌電值與對照組相比無顯著差異,而60°/s等速收縮時KOA組VL表面肌電RMS值顯著高于對照組,180°/s等速收縮時KOA組RF的RMS值顯著高于對照組。表示在爆發力運動時KOA患者較對照組VL募集了更多的運動單位,即激活程度更高;而在耐力性運動中,KOA患者較對照組RF激活程度更高。2009年師東良等[17]已通過表面肌電發現VM、VL和RF在60°/s和180°/s等速收縮時收縮速度減慢。2013年,一篇系統性綜述指出[18]:無論KOA嚴重程度如何,KOA患者行走時VL和RF較正常人激活水平較高,盡管與本研究測試方式不同,但可證明KOA患者在兩種活動過程中VL和RF激活水平均上調,可能與關節源性的肌肉抑制有關[19]。2021年,傅升星等[20]發現女性KOA患者在上下梯活動中肌肉協調收縮異常,應提高肌肉激活效率和肌肉之間的協調收縮。結合該研究結果,認為KOA患者的康復訓練過程中應著重對VL和RF進行放松。

KOA組等長和等速收縮時的PT值均顯著小于對照組。師東良等[17]發現在與本研究同樣角速度等速收縮時,KOA患者股四頭肌力量較對照組減少。2013年Glass等[21]發現股四頭肌力量下降與5年內KOA患者或有已知風險因子的患者膝痛風險增加有關,且該現象僅適用于女性。結合表面肌電結果表明,與對照組相比,KOA患者等長收縮時在運動單位募集無顯著差異的情況下肌力顯著下降,而KOA組在60°/s等速收縮時VL運動單位募集顯著高于對照組以及180°/s等速收縮時RF運動單位募集水平明顯高于對照組的情況下肌力仍顯著低于對照組,表示KOA組VL和RF做功效率顯著降低。結合本研究結果,認為KOA患者有必要針對性的進行股四頭肌力量訓練,特別是VM及適當放松VL和RF。

本研究發現KOA患者峰值髖關節外展、內收角度顯著低于對照組,即髖關節冠狀面活動水平顯著降低。目前為止也有部分針對KOA患者步行過程中髖關節運動特征分析的研究,比如,2005年Chang等[22]發現,較大的髖外展力矩可降低內側脛骨關節炎風險。2008年,Astephen等[23]發現與無癥狀組相比,KOA患者峰值髖內收、伸展力矩均減少。2017年Wellsandt等[24]發現前交叉韌帶損傷5年后發展為KOA的患者與未發展為KOA的患者相比,術前和術后受傷側下肢表現出了較少的髖關節矢狀面和冠狀面角度。2019年Ro等[25]發現KOA患者步行時髖關節冠狀面活動水平小于正常人,并且與膝關節受限角度有密切聯系。以上研究結果均與本研究一致,即髖關節冠狀面活動度下降,且結合本研究結果認為髖關節外展活動度降低更加顯著,提示有必要進行髖周肌力尤其是外展肌力的針對性康復訓練以改善步行中的下肢力線進而提高膝關節功能。此外,2020年Hislop等[26]發現髖周肌力訓練配合股四頭肌訓練改善KOA患者的功能和降低疼痛效果更加明顯,也提示髖周穩定對于KOA患者的重要意義。但本研究發現股四頭肌肌力與髖關節運動學特征無關,可能因為股四頭肌跨膝和髖關節,對于髖關節作用較弱,有更強大的髖周肌肉產生變化掩蓋了股四頭肌的影響,后續研究需進一步探討KOA患者髖周肌群功能與步態的聯系。

本研究樣本量較少,后續研究需擴大樣本量,對研究結果進行驗證。其次,行走是下肢關節多環節的運動,下肢的整體功能不僅與股四頭肌有關,還與髖周內收肌、外展肌等肌肉密切相關,未來需通過表面肌電技術,觀察上述肌肉在KOA患者行走過程中與正常人的差異,并可縱向研究進行康復治療效果評價。

綜上所述,KOA組股四頭肌肌力及神經肌肉支配效率較對照組顯著下降,且步行過程中KOA患者峰值髖關節外展、內收活動度顯著降低。提示對于KOA患者的臨床康復訓練除了增加股四頭肌肌力特別是VM外,還需要重視髖關節周圍肌群的訓練,尤其是髖外展肌力的增強。