成年男性增負荷后的步態及膝關節運動參數特征研究

李楠,李雪彬,王歡,王虎軍,郄淑燕

(首都醫科大學,1.附屬北京康復醫院康復診療中心;2.北京康復醫學院,北京 石景山 100144)

增負荷行走是日常生活中常見的出行方式,如背包、提重物等,但這種外加負荷作用于人體,會改變身體和重物總質心的位置,會改變正常的步態[1]。為了維持身體的平衡,人體會相應的調整步態和身體姿勢。不同的負重方式,不同的負荷對人體姿勢會產生不同影響,也會產生不同的姿勢適應[2-3],從而影響骨骼肌肉系統,導致疼痛和關節病變。其中,膝關節就是疼痛高發部位之一[4-7]。步行過程中需要依靠膝關節來實現力的傳導,使地面的反作用力順利傳導到骨盆和軀干,因此有著很高的運動頻率。20世紀90年代后期以來,我國膝關節疼痛患者與日俱增,膝關節炎發病率為8%,病例數高達8 000萬,更是出現了年輕化趨勢。膝關節的屈伸運動,對人體步行的協調和穩定起著重要作用。以往研究[8]表明,隨著屈膝角度的增大,半月板,股骨軟骨的應力峰值呈相對增大趨勢,這些證據表明膝關節產生的應力集中及接觸面積的改變是影響膝關節整體失衡的主要原因。還有研究[9]發現,骨關節炎患者步行時的步態和膝關節運動學特征和健康人有明顯區別,如膝骨關節炎患者支撐相屈膝角度明顯較大。但是對于負重期間膝關節產生了怎樣的姿勢適應還存在分歧,是否和關節炎患者行走時有類似的運動特征還有待研究。因此,仍需要大量實驗來證明負重對膝關節運動特征的改變,進而避免損傷,減少關節疾病和關節炎的潛在風險。

因男女膝關節周圍肌群肌力不同、關節囊及韌帶松弛度不同,若男女均納入,可能會對結果產生干擾。在負重頻率、時間和程度方面,成年男性較女性有更大幾率從事各種負重活動故女性絕經期后膝關節受雌激素水平影響較大,所以本研究只對男性進行觀察,分析價值更大。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2022年6月至2023年4月就讀于首都醫科大學附屬北京康復醫院的82名男性大學生為研究對象。納入標準:(1)身體健康;(2)無骨骼和神經系統疾病;(3)體質量指數(BMI)為(21.42±1.67);(4)實驗前24 h內未從事劇烈活動;(5)下肢及足部半年內無明顯損傷。排除標準:有明顯疾病史和損傷史者。兩組受試者的年齡、體重、身高比較,差異均無統計學意義(P>0.05)。本研究符合《赫爾辛基宣言》要求。

1.2 方法

1.2.1 實驗儀器 受試者步態參數通過Vicon Nexus 1.5.2 三維光學運動捕捉系統(英國OML)聯合全方位遠紅外攝像機組、多個Marker(標記點)和測力板進行采集,使用數據轉換器以及分析軟件進行數據的處理和分析。為方便數據采集,受試者需穿緊身短褲,按照Plug-in gait 步態模型標記Marker;為防止或減小誤差,由一位經專業培訓、經驗豐富的研究人員進行位置標記;為采集數據的平均性,進行步態數據采集之前,受試者需先進行自然、舒適行走以適應場地。

1.2.2 數據采集 實驗中,在受試者左右側下肢各加貼8個白色塑料半球標志點(直徑35 mm),分別位于髂前上棘、髂后上棘、膝關節外側中點、外踝、小腿外側中點、大腿外側中點、跟腱及第二趾骨,其中跟腱和第二趾骨的標志點處于同一水平面。受試者聽到指令后開始行走,在進入圖像采集區域前至少完成兩步行走,離開圖像采集區域后繼續行走兩步以上,保證受試者在圖像采集區域為正常行走過程中的步態,而非起步或停止。0% BW組受試者進行正常狀態下的步行;15% BW組受試者先進行正常狀態下的步行,然后在其背部增加其體重的15%的負重。在實驗開始之前,要求受試者在步道上行走幾次以熟悉環境。實驗中,要求受試者對每種載荷情況至少完成3次,每次行走間歇1 min,疲勞因素未在實驗中考慮。

1.3 統計學分析

2 結果

2.1 不同負荷重量行走時時空參數比較

兩組負荷重量行走時的步長和步寬均無統計學差異(P>0.05)。兩組步頻、支撐相及擺動相比較,15% BW組步頻和擺動相高于0% BW組,支撐相低于0% BW組(P<0.05)。見表1。

表1 不同負荷重量行走時右側步態時空參數比較

2.2 不同負荷重量行走時運動學、動力學參數比較

不同負荷重量行走時運動學、動力學參數比較,負荷重量為15% BW時,矢狀面角度最大值(屈膝最大角度)和最大力矩均增大(P<0.05);矢狀面角度最小值(屈膝最小角度)和最小力矩均減少(P<0.05)。見表2。

表2 不同負荷重量行走時右側膝關節動力學參數

3 討論

人們在行走過程中要保持平衡,但是因為質心的不同會使得固有的不穩定性增強,保持平衡也會相對困難[10]。成年男性增負荷后,人體的總質心的位置發生改變,隨著背部負重的不斷增加,更是增加了地面對足底的沖擊力和維持平衡的難度。人體為了保持平衡,步態和膝關節會在中樞神經的控制下,做出一系列調整,通過分析這些調整,我們可以推斷出人體的補償機制和負重行走造成膝關節損傷的原因。

本研究中,15% BW負荷下行走的步頻發生明顯改變,這表明在負重狀態下,人體很難保持固有頻率,這將增加身體的能量消耗。這一結果和關于負重步態的研究[11]結果基本一致。步頻的變化主要是為了增加行走的穩定性。因總質量發生變化,下肢需要更大的工作能力來帶動身體運動,身體的穩定性也會因為人體增負荷而降低。而擺動腿在擺動過程中無法起到支撐作用,為了減輕支撐腿的負擔,擺動腿會更快的著地進入初始著地期,從而導致了步頻變長,這與文獻[12]的結果基本一致。

增負荷后,支撐相和擺動相所占的百分比隨著負荷的增加發生變化,前者增大,后者隨著負荷的增加而減小,與文獻[13-14]的結果一致。這是因為擺動期的穩定性不如支撐期,負荷增加后造成原有平衡被打破,人體為了維持穩定性,自然會選擇更多的支撐相。

在本研究中,15% BW負重時膝關節最大角度相比0% BW負重時增大,這與文獻[15]結果一致,說明膝關節在增負荷后為了使重心不受過大影響會通過關節角度的改變來維持行走過程中的平衡功能。膝關節屈曲的第一個峰值是支撐相的承重反應期,膝關節的屈曲會隨著負荷的增加而增大。這是由于在初始著地期,腳跟和地面接觸后必然會產生更大的地返力。這種沖擊力如果不能進行有效的緩解,不僅會對關節造成傷害,也有可能沿肢體上傳對大腦造成沖擊,所以在支撐中期,膝關節會通過更加屈曲來緩解沖擊。不僅是膝關節,髖關節和踝關節在負重狀態下也會有相應的運動學改變。

屈膝角度增大時,半月板、股骨軟骨和脛骨軟骨上的Mises應力峰值及Tresca應力峰值呈相對增大趨勢[16],這將導致關節內部負載平衡打破造成關節軟骨退變風險增加,促使膝骨關節炎病變加劇。與此同時,有研究[17]表明,步態在屈膝時異常關節負荷會加速骨關節軟骨的退變從而引發不可逆損傷。這說明負荷增大不僅改變膝關節的最大屈曲角度,增大了膝關節的應力峰值,還會增加膝關節的關節負荷造成損傷。

對比膝骨關節炎患者步態中的膝關節運動學變化發現,膝骨關節炎患者在支撐相時的膝關節運動學改變和人體增負荷狀態下的膝關節運動學改變相同,都是在足跟著地后矢狀面角度有明顯增大[18-19]。因此,負荷狀態下步行會通過改變關節角度和關節負荷誘發膝關節炎的產生。

矢狀面膝關節的力矩反映了支撐階段推進身體前進和擺動階段抬腿和向前邁腿的能力。外部的力量要使膝關節屈曲時,膝關節的內部會產生一個相對較大的伸膝力量進行抵抗,與關節的運動方向相反,膝關節周圍的伸膝肌肉吸收能量做負功,膝關節的最大伸膝力矩便會隨之增大,膝關節的負功也就隨之增大。研究[8]認為步行過程中,負荷的增加與股四頭肌拉力負荷成正比,同時會造成膝關節力矩也隨之增大,隨著負荷的增大髕腱的張力也會增加,髕骨關節的壓力也增加。研究[20]顯示,髕骨關節的壓力每減少1 MPa,膝關節痛就會減少56%。

綜上,成年男性增負荷后步態特征產生改變。負重后平均步頻增大,支撐相占比增大,擺動相占比減小。為了減少增負荷后對膝關節的損傷,在支撐中期,膝關節會采取增大屈曲角度來吸收沖擊。但增大屈曲角度會增大膝關節的力矩和應力峰值。負重又會導致關節異常負荷,加重膝關節炎的發病率。因此,從臨床康復角度看,膝關節炎患者不提倡增負荷行走。