負重運動中動態膝外翻發生的可改變因素及防治策略研究進展

韓亞兵,劉洋,李新通,王欣欣,蔡寧寧,賀鵬鵬,潘瑋敏

髕股關節痛(patellofemoral pain syndrome, PFPS)和前交叉韌帶(anterior cruciate ligament, ACL)損傷作為膝關節損傷中常見類型,不僅降低運動員的競技水平,而且增加罹患骨關節炎的風險[1-2]。目前研究已證實動態膝外翻(dynamic knee valgus,DKV)是PFPS和ACL損傷發生的重要危險因素[3-4]。DKV是一種異常的下肢運動模式,主要表現為髖關節內收、內旋、膝關節外展、脛骨外旋和踝關節外翻[5]。考慮到膝關節損傷時常伴隨DKV的出現,人們常用DKV角或膝外展力矩評估膝關節損傷風險。已有研究證實性別[6],年齡和激素等與DKV發生存在相關性[7-8],但是這些因素不可改變。此外,現有關于DKV的研究主要集中于健康人群,對膝關節損傷人群關注較少。因此,識別與DKV發生相關的可改變因素有助于制定防治策略,降低膝關節損傷及再次損傷風險。本文作者在2022年6月以“dynamic knee valgus” “knee abduction” 以及“動態膝外翻”等為檢索詞在Pubmed、Embase、知網、萬方以及中國生物醫學數據庫進行檢索,檢索到相關文獻2241篇。通過總結健康人群及膝關節損傷人群DKV發生的可改變因素,探索相應的防治策略,以期為運動及康復實踐領域提供理論依據。

1 健康人群DKV發生的可改變因素

負重運動中下肢各運動環節相互影響,軀干、髖、膝及足踝關節構成人體運動鏈,某一關節功能異常均會導致DKV出現而運動中關節功能的維持主要受關節動態穩定性和靈活性影響[9-10],因此本文將從肌肉力量、肌肉激活及關節靈活性等角度進行介紹。

1.1 肌肉力量 肌肉力量是維持關節動態穩定性的重要因素,肌力提升可有效抵抗運動中異常的關節位移[11]。DKV是涉及整個下肢運動鏈的異常運動模式,因此相關肌肉力量對于DKV發生具有重要影響。

1.1.1 核心穩定性 核心穩定性是指人體在三維空間精確控制胸腹部區域的能力,在上下肢能量傳遞和運動控制方面起著重要作用[12]。劉曉磊等[13]指出核心穩定性下降會影響身體重心控制,導致下肢關節異常位移增加,這與Hewett等[14]研究結果一致,在負重運動中由于核心穩定不足,軀干易發生側向傾斜,膝關節相對身體重心發生偏移導致DKV出現。核心穩定性取決于核心力量,研究者常用核心力量評估核心穩定性[12, 15]。Stickler等[11]通過側橋支撐評估健康女性核心力量后發現,單腿深蹲(single leg squat, SLS)測試中核心力量越差,DKV角越大。為進一步明確核心力量在DKV發生中的作用,Willson等[16]通過手持測力計分別評估軀干后伸、前屈及側屈肌肉力量,結果發現SLS測試中軀干后伸和側屈肌力均與DKV角存在相關性,而軀干前屈肌力與DKV角無顯著相關性,這可能與SLS測試動作有關。然而,目前關于核心穩定性和DKV相關性的研究較少,測試動作主要圍繞SLS展開,還需要其他測試動作進一步驗證。

1.1.2 髖部肌肉力量 髖部肌肉力量在防治DKV發生中起著關鍵作用,負重運動中臀中肌和臀大肌使髖關節外展外旋進而抵抗DKV的出現。然而,Dix等[17]指出單腿運動中髖部肌肉力量與DKV發生有關,而在雙腿運動中未發現二者相關性。對下肢穩定性要求越高的運動,越需要髖部肌肉參與,因此單腿運動較雙腿運動更需要髖部肌肉力量來穩定骨盆和髖關節。此外,髖部肌肉力量和DKV發生之間存在性別差異,女性DKV發生可能更易受到髖部肌肉力量的影響。34名健康受試者進行SLS和單腿落地(single leg landing, SLL)測試,結果發現女性受試者在SLS和SLL中髖部肌肉力量越弱,DKV角和膝外展力矩越大,而男性在SLS中未發現二者相關性[18]。Baldon等[19]也指出在單腿運動中女性髖外展力量增加導致髖內收內旋角降低,而男性髖外展力量和髖關節運動學之間無相關性。這提示我們在圍繞髖部肌肉力量制定DKV防治策略時需要考慮性別差異。

1.1.3 腘繩肌及股四頭肌力量 腘繩肌和股四頭肌有助于維持膝關節的動態穩定性,二者肌力不足或不平衡均會降低膝關節的動態穩定性導致DKV出現[20]。腘繩肌附著于脛腓骨后上部,限制脛骨前移和旋轉,在SLL中其力量的減弱會導致膝關節在冠狀面穩定性下降誘發DKV。Claiborne等[21]指出在SLS中DKV發生與腘繩肌向心力量呈現負相關,即腘繩肌向心力量越大,DKV角越小。而股四頭肌對DKV的發生具有促進作用,股四頭肌過度收縮降低膝關節屈曲角度,增大膝外展力矩[22]。實際上,負重運動中膝關節的動態穩定是由腘繩肌向心收縮和股四頭肌離心收縮共同完成,二者肌力失衡更容易出現DKV。為了更好地評估大腿肌肉力量與DKV發生的相關性,有學者提出今后研究可以采用腘繩肌向心力量與股四頭肌離心力量的比值,該指標或許能更好地反應二者的平衡狀態及膝外展力矩的變化情況[23]。

1.2 肌肉激活 運動前或運動中的各種刺激引發的肌肉激活可有效提升相應肌肉剛度,增加關節穩定性以緩沖運動中負荷,降低DKV的發生[24]。然而,學者們發現下肢不同部位的肌肉激活與DKV發生之間的相關性不盡相同。Hollman等[25]應用標準化均方根肌電(root mean square, RMS)衡量SLS測試中健康女性臀部肌肉激活,結果發現臀大肌標準化RMS與DKV的發生存在負相關性,而臀中肌激活與DKV發生之間并未發現相關性,分析可能原因是臀中肌外展髖關節的同時有輔助內旋髖關節的作用。另一方面,Ellenberger等[20]發現DKV女性受試者進行雙腿落地測試時股四頭肌標準化RMS和腘繩肌標準化RMS的激活比值較高,提示股四頭肌過度激活而腘繩肌較低激活。同時,有學者利用肌電圖發現DKV發生與肌肉激活之間的相關性也存在性別差異,負重運動中女性較男性具有異常的下肢肌肉激活模式,表現為女性臀部肌肉標準化RMS較低以及股四頭肌和腘繩肌的標準化RMS激活比值較高,這增加了DKV發生風險[20, 26]。

1.3 踝關節活動度 踝背屈活動度(dorsiflexion range of motion, DFROM)受限是常見的運動功能障礙。當踝DFROM受限時,負重運動中人體往往通過足旋前增加距下關節和跗骨間關節活動度代償DFROM不足,由于下肢運動環節的相互影響,足旋前會導致DKV角增大[27]。然而,踝DFROM和DKV發生的相關性主要取決于DKV測試動作和DFROM測量方式。有學者通過負重弓步測量踝DFROM,結果發現在單腿運動中DFROM越大,膝外展力矩越小,而雙腿運動中則無相關性[28-29]。此外,有研究指出無負重伸膝位測量的DFROM與膝外展力矩存在負相關,而無負重屈膝位的DFROM未發現相關性[30],其中伸膝位測量DFROM主要反應腓腸肌和比目魚肌的伸展性,而屈膝位時僅反應比目魚肌的伸展性。腓腸肌在減震運動中對膝關節穩定具有積極作用,而無負重屈膝排除了腓腸肌的作用,這可能是無負重屈膝DFROM與落地時下肢生物力學缺乏相關性的原因。

1.4 足部運動學 足部運動學異常引起膝關節姿勢控制下降進而導致DKV出現,其中異常的足部運動學包括中足活動度增加[27],后足過度外翻以及足部旋轉方向變化等[31-32]。閉鏈運動中脛骨旋轉主要受足部運動學影響,中足活動度增加預示著負重運動時足舟骨下落增大,而內側縱弓隨著足舟骨下落而降低并引起代償性的脛骨外展和旋轉,最終表現出DKV角增大,這與Wyndow等[27]研究結果一致,較高的中足活動度在SLS中表現出較大的DKV角并指出足固有肌訓練是降低中足活動度的有效方法。此外,Kagaya等[31]指出單腿運動時后足外翻的出現同樣可以降低內側縱弓并誘發DKV。負重運動時足部旋轉是影響膝關節生物力學的重要因素,其中足內旋對應腳尖朝內而足外旋為腳尖朝外[32]。有學者認為[33],相比足內旋,在SLL中足外旋將會導致膝外展力矩顯著性增加。與之相反,Sakurai等[34]使用與之不同的SLL方案發現足內旋時DKV角和膝外展力矩最大。盡管尚不明確哪種足部旋轉方向對膝關節負荷影響最大,但可以肯定的是足正中位時膝關節負荷最小。因此,運動員在負重運動中應注意足部旋轉方向,避免膝關節損傷。

1.5 本體感覺與疲勞 本體感覺已被證實在膝關節動態穩定性中具有重要作用[35]。通過感知關節運動和位置變化,本體感覺將信息傳遞到中樞,反射性增加關節周圍肌肉激活進而提高關節的穩定性[36]。膝關節本體感覺下降,導致其神經-肌肉信息傳遞功能異常,引起下肢運動控制能力降低并誘發DKV[37-38],其中疲勞是膝關節本體感覺下降的重要危險因素[38]。疲勞的出現致使本體感覺信息傳入速度減慢,從而導致臀大肌、半腱肌和股直肌等激活延遲,降低膝關節的穩定性,這可能是DKV發生的重要原因[39]。根據產生部位不同,疲勞可分為中樞疲勞和外周疲勞,為進一步證實DKV發生與疲勞的關系,Miura等[38]使用膝關節的屈伸抗阻誘發外周疲勞以及在跑步機上奔跑誘發中樞疲勞,結果顯示僅中樞疲勞后膝關節本體感覺下降。同時,Fidai等[37]通過深蹲和跳躍等組合運動誘發中樞疲勞,結果發現中樞疲勞顯著降低下肢在跳深測試中的穩定性并誘發DKV。然而,Zebis等[40]提出在單腿測試中未發現中樞疲勞對膝外展力矩的影響。現階段,缺乏規范疲勞誘發方案以及DKV測試動作不一致可能是產生不同研究結果的主要原因,而且以上因素在疲勞的研究中可能相互作用,并非單一存在。因此,疲勞對DKV的影響有待深入研究。

綜上所述,健康人群中DKV發生的可改變因素包括核心穩定性、髖部肌肉力量、腘繩肌及股四頭肌力量、下肢肌肉激活、踝背屈活動度、足部運動學以及本體感覺與疲勞,其中女性更易受到髖部肌肉力量和下肢肌肉激活的影響。

2 膝關節損傷人群DKV發生的可改變因素

相比健康人群,膝關節損傷患者,尤其是PFPS和ACL損傷更易出現較大的DKV角和膝外展力矩,增加再次損傷風險[41-42]。Baellow等[43]指出PFPS人群存在異常的下肢肌肉激活及較大的DKV角,表現為雙腿落地中股內側肌標準化RMS增加,而臀大肌和股二頭肌的標準化RMS下降,這也可能是PFPS具有較高復發率的原因。同時,Trulsson等[44]指出ACL損傷后下肢肌肉在SLS和雙腿深蹲中激活程度較健側肢體均下降,表現為股四頭肌和腓骨長肌的肌電平均振幅降低以及股四頭肌和腘繩肌的肌電平均振幅激活比值降低,這證實ACL損傷后DKV的發生可能與肌肉激活模式有關。并有學者發現ACL重建術后患者在SLL前,大腿肌肉預激活時間延長,膝關節長時間僵硬導致落地時膝關節屈曲角減小及膝外展力矩增加[45]。除此之外,ACL損傷后下肢異常的肌肉激活可能與肌肉力量降低有關,而股四頭肌和腘繩肌肌力下降是ACL損傷后典型的癥狀[44]。

綜上所述,針對PFPS和ACL損傷人群DKV的發生,肌肉激活模式和大腿肌肉力量是需要關注的可改變因素。

3 DKV的防治策略

在負重運動中,DKV的防治策略主要圍繞兩方面展開,包括運動控制和反饋訓練,其中下肢近端結構的穩定性是既往研究關注的重點[10]。

3.1 肌肉力量訓練 軀干穩定性是維持膝關節動態穩定的基礎[46]。Sasaki等[47]發現8周核心力量訓練可以顯著降低SLS中膝外翻角和外展力矩。然而,Jamison等[15]未發現在側切測試中核心力量的增加導致膝外展力矩的顯著降低并指出單獨的核心力量訓練可能無法有效改善膝關節負荷。考慮到髖關節在下肢運動鏈中的作用,有學者在核心力量訓練方案中增加臀肌訓練成分,干預8周后發現跳深測試中DKV角顯著減小[48]。由此,我們推測下肢近端結構主要包括髖關節和核心區域,其穩定性可能需要髖部肌肉力量和核心力量共同維持。Herman等[49-50]間接證實這一點,單獨的髖部肌肉力量訓練以及其與大腿肌肉力量訓練相結合均不能有效降低DKV發生。由于DKV發生因素的復雜性,關節的運動控制不僅涉及肌肉力量,肌肉激活也與DKV發生有關。以往肌電圖研究發現[51],在負重運動中發生DKV的人群往往表現出下肢異常的肌肉激活模式,而單純的力量訓練似乎無法有效改善神經肌肉控制能力。

3.2 反饋訓練 感覺信息的輸入對于下肢運動控制具有重要影響[52]。視覺、聽覺等感覺刺激可以調動更多感受器,使機體更準確地感知自身在空間中的姿勢變化,有效提高動作質量。因此,人們嘗試通過感覺反饋來引導下肢運動模式的改善并取得一定的成效。Willy等[52]使用全身鏡進行步態再訓練,通過視覺反饋和口頭指導提示受試者下肢保持正確的對位對線,改善女性運動員跑步過程中的下肢運動模式,結果發現不僅跑步中髖關節的異常運動模式得到顯著性改善,而且這種顯著性的改善也存在于SLS中,受試者可能通過視覺反饋更加關注髖膝關節的運動進而習得新的運動模式。然而,Noehren等[53]研究發現,反饋訓練顯著改善女性運動員SLS中髖內收角但未發現髖內旋角的顯著性變化,這可能與受試者髖內旋角本身過大有關。視覺反饋訓練似乎在防治女性跑步運動員DKV發生中具有顯著性作用。然而,到目前為止人們僅探究視覺反饋對跑步運動員的影響,關于不同人群以及不同感覺反饋訓練的應用效果,還需要進行更多大樣本、高質量的研究。

3.3 神經肌肉訓練 神經肌肉訓練可以增加本體感覺輸入,提高關節動態穩定性從而預防運動損傷的發生。近年來,以髖關節為中心的神經肌肉訓練在DKV的防治中逐漸受到關注,該訓練方案主要針對髖部及核心肌群,在不同位置下(如躺、坐、站)進行各種閉鏈運動,以便通過肌肉共同激活獲得低的、均勻分布的關節面壓力,優化動作模式從而改善關節動態穩定性[54-55]。有研究證實,6周的髖部神經肌肉訓練可以有效減小跑步中髖內收角和膝內旋角[56]。有趣的是,Snyder等[57]對15名女性受試者進行6周髖部神經肌肉訓練,結果發現在跑步中膝外展力矩顯著下降,但髖內收、內旋角等運動學指標未發現明顯改善,提示對于降低DKV發生僅強調運動控制可能存在一定程度的不足。由于反饋訓練在改善下肢運動模式中的積極作用,最新的研究往往將神經肌肉訓練和感覺反饋結合應用。有學者將口頭提示、視覺反饋與髖部神經肌肉訓練相結合應用于PFPS人群,在跳躍測試中不僅發現DKV角顯著下降,而且疼痛和運動功能均得到改善[58]。此外,Omi等[59]將髖部神經肌肉訓練和視覺反饋相結合來預防女性籃球運動員膝關節損傷,結果顯示髖關節動態穩定性的提高可以降低DKV發生,并在賽季期間ACL 損傷率顯著下降。由此可見,防治DKV發生不僅需要提高肌肉激活和力量,還需要統合感覺刺激,提高關節本體感受器對負荷變化的敏感性并增強神經-肌肉聯系,從而使機體能夠不斷地審查和修正姿勢,呈現出整體、協調的運動模式。

4 總結與展望

現有證據表明,健康人群DKV發生的可改變因素多集中于核心穩定性、髖部和大腿肌肉力量、肌肉激活、足踝活動度以及本體感覺與疲勞,而對于膝關節損傷人群來說,肌肉激活和大腿肌肉力量是需要關注的因素。針對DKV發生因素的復雜性,現階段DKV防治策略的制定需要運動控制和感覺反饋相結合。目前,髖部神經肌肉訓練和感覺反饋相結合在預防健康人群膝關節損傷和治療PFPS方面具有積極作用,但其長期效果以及在ACL損傷人群的應用尚缺乏證據支持,一定程度上限制DKV防治策略的完善,未來需要更多高質量臨床隨機對照實驗進行驗證,以更好地降低膝關節損傷的發生。