摘要
目的 探索髌股关节痛(patellofemoral pain,PFP)人群坐站运动(sit-to-stand,STS)过程中肢体协调模式及能量流动策略,为PFP患者的发病机制及后续制定治疗康复方式提供理论依据。方法 招募36名受试者进行STS测试,依据髌股关节疼痛肢体数目将受试者分为单侧髌股关节疼痛组(单侧组)、双侧髌股关节疼痛组(双侧组)及对照组。使用红外动作捕捉系统和三维测力台进行动作采集。采用Visual 3D和Matlab软件,分别计算躯干与骨盆的角度、角速度、线速度及近端和远端关节力。同时,计算下肢髋、膝、踝关节的角度、力矩、关节力及大腿和小腿的角速度与线速度数据。采用矢量编码计算耦合角表示协调模式,环节净能量积分计算各阶段环节中的能量流。结果 额状面协调模式中,屈曲动量阶段骨盆-髋协调模式单侧组近端协调模式频次多于双侧组(P=0.024);动量传递阶段躯干-骨盆协调模式单侧组同相协调模式频次多于双侧组(P=0.023),而远端协调模式频次单侧组少于对照组(P=0.032);膝-踝协调模式中单侧组、双侧组远端协调模式频次多于对照组(P=0.025,P=0.005)。环节能量流动中,屈曲动量阶段骨盆肌肉功率中双侧组传出能量高于对照组(P=0.021)。结论 PFP人群影响STS过程中能量流动模式及额状面的运动协调模式。单侧髌股关节疼痛人群可能通过骨盆和踝关节的侧向运动进行动态代偿髌股关节压力,而双侧髌股关节疼痛人群则为增加骨盆区域能量输出和更复杂的全身协调模式以弥补PFP所导致的膝关节功能不足。
关键词:
髌股关节痛
坐站运动
协调模式
能量流动
髌股关节痛(patellofemoral pain,PFP)是一种慢性肌骨系统疾病,影响人群广泛至青春期到老年期 。研究发现,PFP在普通人群中的年患病率为22.7% ;50%以上的患者在今后5年或更长时间内仍然存在膝关节功能障碍,同时也会造成患者体力活动受限,从而进一步影响生活质量 。PFP的特征是膝关节前部发生疼痛,并且会因坐站运动、上下楼梯、下蹲等重复性和髌股关节高负荷的活动而加重 。因此,PFP的病因被认为可能是髌股关节负荷增加和下肢力学异常的结果 。
研究表明,采用略微前倾的躯干姿势可以降低髌股关节负荷 。但是PFP 人群与对照组之间的矢状面躯干姿势在动态活动中并没有发现差异,而患有PFP女性通过调整躯干和下肢的协调模式,以倾斜躯干的方式将更大的负荷重新分配到髋关节,减少膝关节和髌股关节的负荷 。该结果说明,孤立的关节运动时间序列在提供关于底层节段如何协调以产生肢体姿势和在肢体上分配负荷的信息方面是有限的,而通过评估躯干和下肢的协调模式,可以更深入了解躯干和下肢相互作用的状态,从而反映环节之间的运动如何组织起来。
要了解环节之间的相互作用,不仅要知道其相互作用的状态,还需探究这种状态是如何实现。从能量理论的角度来看,环节之间的相互作用是通过主动力(即神经肌肉的作用)和被动力(即运动依赖的力)相互协调应用产生身体各环节之间的能量传递而实现 。Pablo等 研究认为,在膝关节屈曲60°～90°下肢神经肌肉的异常模式是造成髌股关节负荷增加主要原因,能量理论中神经肌肉的异常模式作用于环节间主动力协调能量流模式。能量流是研究人员量化身体各环节之间机械能传递的一种方法,高效的能量流动模式与降低受伤风险和提高运动表现紧密相关 。PFP人群是否会因改变协调模式而改变能量流动策略尚不清楚。
在各种动态任务中,坐站运动(sit-to-stand,STS)作为一项日常生活中常见的功能性任务 ,产生的髌骨-股骨关节反作用力接近体重的7倍,是PFP人群常见的疼痛反应动作。本文以STS为例,深入分析STS过程中PFP人群的肢体协调模式及能量流动效率,为PFP人群的发病机制及后续制定治疗康复方式提供理论依据。
招募36名在读大学生,根据疼痛部位数目分为单侧髌股关节疼痛组(单侧组)、双侧髌股关节疼痛组(双侧组)及对照组。髌股关节疼痛组纳入标准为:测试前3个月内髌股关节疼痛程度在视觉模拟疼痛量表(VAS)评分达到 3分及3分以上。本研究已获得北京体育大学运动科学实验伦理委员会的批准(2024120 H)。受试者基本信息见 表1
在北京体育大学运动康复医学中心采用8镜头红外动作捕捉系统(采样频率200 Hz,Qualisys公司,瑞典)、4块三维测力台(采样频率1 kHz,Kistler公司,瑞士)进行数据采集。要求受试者穿着紧身衣裤和赤脚进行测试。专业人员依据体表骨性标志在受试者头部、上肢、躯干(第7颈椎棘突、颈静脉切迹、第10胸椎棘突、剑突)、骨盆(髂前上棘、髂后上棘、骶骨)、下肢(大腿点、股骨内外侧髁、胫骨粗隆、内外踝尖、足跟、第2、5跖骨远端)粘贴反光点。
1 . 2 . 1 测试流程 将1把无扶手、无靠背、可调节高度的椅子放在两个测力台上,将座椅高度调整为受试者小腿长100%。要求受试者双手放于腹侧,躯干与地面垂直,双脚踩在两块测力台,距离与髂前上棘同宽,足尖外展15°,踝关节背屈75 °。坐深为大腿长度50%,与座椅前缘对齐。正式测试时受试者保持稳定坐姿5 s后,经测试人员口头指示站起,要求受试者以自选速度以舒适自然的方式站起,站起过程中不准移动双足。共采集5次有效数据。
1 . 2 . 2 动作阶段划分 将STS分为3个阶段,分别是屈曲动量阶段、动量传递阶段和伸展阶段(见 图1 )。其中,屈曲动量阶段(flexion momentum phase,FMP)为从开始运动时开始(以躯干屈曲速度大于0.1 m/s为起点)到臀部离座前结束(以椅子下方测力台的GRF为0为止点);动量传递阶段(momentum transfer phase,MTP)为从离座开始,到达到最大踝关节背屈时结束;伸展阶段(extension phase,EP)为在踝关节最大背屈后开始,在躯干完全伸展后结束(以躯干伸展速度小于0.01 m/s为止点)。
1 . 2 . 3 数据处理 使用Qualisys Track Manager 2023.3识别标记点空间坐标,并采用四阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波,截止频率为 6 Hz。导出C3D数据,在Visual 3D 4.0(C-Motion公司,美国)中建立人体模型,其中躯干和骨盆为两个独立的刚体,依据反光标记点的位置确定各段的坐标系,分别计算躯干与骨盆的角度、角速度、线速度,以及近端和远端关节力。同时,计算下肢髋、膝、踝关节的角度、力矩、关节力及大腿和小腿的角速度与线速度数据。
运动协调数据处理:耦合角是根据角度-角度图上两个连续数据点之间的结果相对于水平面所形成的角度,耦合角时使用改进的矢量编码技术计算 [12-13] 。对于标准化的坐站周期中每帧( i )数据,耦合角( γ [
{
"name": "text",
"data": "i"
}
] )通过连续的近端节段角度( θ D , θ D( )和连续的远端节段角度( θ P , θ P( )计算:
其中 γ [
{
"name": "text",
"data": "i"
}
] 的限定条件为:
耦合角 ( γ [
{
"name": "text",
"data": "i"
}
] ) 经过校正后,其值介于 0°～ 360°之间:
运用MATLAB 2020a(MathWorks公司,美国)自编代码根据公式计算下肢髋-膝、膝-踝、髋-踝关节耦合角,其中耦合角计算采用圆形统计法。
协调模式根据身体节段之间的连续间隔的耦合角分为同相、反相、远端和近端协调模式 。具体协调模式分类如 表2 。其中,每种协调模式在动作中的使用频率计算为在各阶段出现的百分比 [1,12] 。
能量流动数据处理:功率是单位时间内从一个环节传递到另一个环节的能量流动,表示能量传递的速率。人体中每个环节的总功率流由环节近、远端的主、被动机制组成 。其中,被动功率流代表的是关节反作用力和关节平移速度,而主动功率流则代表肌肉做功产生的能量流。正环节功率表示能量被传入该环节,负环节功率表示能量被传出该环节。其中,环节能量流动计算为动作各阶段所做功的积分,然后以体重进行标准化 [8,16] ,具体如下。
关节力对环节做功的速率为关节功率( P J ),其表示能量通过关节被动传入(正功)或传出(负功)相邻节段的大小,计算公式为:
式中: F J 为关节力; v J 为相应关节中心线速度。
肌肉功率( P M )为关节力矩与相应节段角速度的标量乘积:
式中: M J 为关节力矩; ω s 为相应环节角速度。
能量输入或输出的环节净功率( P S )为关节功率和肌肉功率在环节近端和远端所做功的能量之和:
P S = P J-d + P J-p + P M-d + P M-p
式中: P J-d 、 P J-p 为分别为远端、近端关节功率; P M-d 、 P M-p 为分别为远端、近端肌肉功率。
1 . 2 . 4 统计学分析 协调模式、协调频次及JP、MP、SP数据均采用Shapiro-Wilk进行正态性检验,正态分布的数据采用单因素方差分析,非正态分布的数据采用Kruskal-Wallis检验,并使用Bonferroni事后检验对各阶段进行两两比较,显著性水平设定为0.05。所有统计分析均在SPSS 22.0中完成。
不同组间协调模式的出现频次在矢状面内无显著差异,但是在额状面的差异有统计学意义。其中,屈曲动量阶段中,骨盆-髋协调模式单侧组近端协调模式频次多于双侧组( P =0.024);动量传递阶段中,躯干-骨盆协调模式单侧组同相协调模式频次多于双侧组( P =0.023),远端协调模式频次少于对照组( P =0.032);膝-踝协调模式单侧组、双侧组中远端协调模式频次多于对照组( P =0 . 025, P =0.005),见 图2
由身体各环节的标准化总功率模式可见,3组总的能量流动模式相似,但不同组别在不同环节的能量流动存在差异(见 图3 )。
屈曲动量阶段,骨盆肌肉功率双侧组传出能量高于对照组 ( P =0.021)。动量传递阶段、伸展阶段中各环节能量流动相似,差异没有统计学意义(见 图4 )。
STS是一项使用频次高且对下肢负荷要求较强的日常活动。然而,单纯的运动学分析容易限制对人体各环节如何协调动作姿势及负荷分配的理解。因此,本文采用运动协调结合能量传递方式,分析PFP人群在进行STS时的环节间协调策略及能量流动模式。
髌股关节痛的功能限制往往集中在关节屈伸和内收外展变化中,故本文主要关注矢状面和额状面运动协调模式变化。本文发现,各组间矢状面协调模式和协调变异性上没有明显的统计学差异,但主导的协调模式差异反映了髌股关节疼痛对运动模式的影响。在屈曲动量阶段,髋-膝协调模式中,对照组以近端协调为主,表明健康个体依赖髋关节力量来主导下肢运动,以有效完成STS早期阶段 。单侧组和双侧组则表现出反相协调模式,反映出髋膝运动方向的不一致,提示疼痛引发了更复杂的代偿性运动策略 。在动量传递阶段,髋-膝协调模式中,对照组表现出同相和远端协调,表明其通过髋关节和膝关节的同步运动支撑站立过程。在膝-踝协调模式中,对照组以近端协调为主,说明其主要通过膝关节主导力量输出和姿势控制。相比之下,双侧组相比于对照组则增加了同相协调,这种模式虽有助于维持双侧平衡,但也可能导致膝关节负荷增加 。而单侧组在髋-膝协调模式中,单侧组只表现出同相协调,可能通过髋膝同步运动来稳定身体重心,从而减轻疼痛侧膝关节的负担 。
本文结果表明,额状面内组间协调模式出现频次具有差异,表现在骨盆-髋协调模式中,屈曲动量阶段单侧组近端协调模式出现频次多于双侧组及趋势性多于对照组( P =0.074)。STS过程中,PFP人群在躯干前倾的同时,大腿出现相对于躯干的外展现象 ,单侧髌股关节疼痛者,由于疼痛只集中在一侧,个体可能会不自觉地在该侧进行代偿,尤其是通过骨盆代偿来减少患侧的负荷 。但长期反复进行STS,健侧肢在额状面上进行代偿性外展运动,增加髌股关节向外的合力 ,从而导致髌股关节接触压力增大,健侧肢髌股关节痛风险进一步增加。膝-踝协调模式动量传递阶段中,单侧组、双侧组远端协调模式频次显著多于对照组,表明膝关节的功能受限使单侧组和双侧组无法有效地通过膝关节来控制侧向运动或平衡,更多依赖踝关节的运动来控制侧向稳定性。有研究认为,股骨远端与胫骨在额状面上的异常运动,容易导致髌股关节负荷增大 。本文也发现了现膝-踝协调模式中差异,额状面远端协调模式的增多,反映PFP患者的代偿策略,特别是在膝关节功能受限时,踝关节被迫承担更多的运动控制任务。
能量流动理论中,肌肉功率代表环节中主动力,即神经肌肉作用力,双侧组在离座前骨盆肌肉传出功率明显高于对照组,表明在屈曲动量阶段,双侧组人群骨盆区域能量输出更多。能量输出增加表明需要募集更多骨盆处肌群用以维持动作模式。有研究认为,骨盆稳定肌群和大腿内收肌群的肌力不平衡是造成PFP疼痛的重要原因 。本文结果也印证该观点,STS过程中,骨盆稳定肌群肌力失衡,导致骨盆处能量流动效率降低,需要调动更多骨盆处的肌群,用以维持躯干稳定,减小膝关节处因疼痛导致身体重心不稳定现象。
本研究局限性如下:① 双侧组、单侧组纳入PFP人群较少,且疼痛量表分值整体较低,后续研究应增加样本量与疼痛量表分值较高人群;② 数据缺乏肌电数据来反映STS过程中肌肉活动差异,从而进一步分析PFP的动作特征。
PFP人群影响STS过程中能量流动模式及额状面的运动协调模式;其中,单侧组人群可能通过骨盆和踝关节的侧向运动进行动态代偿髌股关节压力;而双侧组人群则为增加骨盆区域能量输出和更复杂的全身协调模式以弥补PFP所导致的膝关节功能不足。建议单侧组人群制定康复方案中应加强髋关节、踝关节侧向稳定性训练,从而减轻髌股关节的负担;双侧组人群制定康复方案中应加强骨盆区域控制力训练,如核心肌群和髋部稳定性训练,以优化能量的传输和利用,进而改善整个下肢的功能。
作者贡献声明： 李磊负责论文选题、数据统计和论文撰写;柳璇负责数据分析方法和论文修改;李晨、倪新迪、黄龙负责数据采集与分析;刘晔负责研究设计、论文指导和修改。
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