平衡与力量联合训练对膝骨关节炎患者下肢能量流动的影响及生物力学机制研究

本研究探讨了为期六月的平衡与力量联合训练对轻中度膝骨关节炎（KOA）患者下肢生物力学能量流及自我报告结局的改善效果。通过步态分析和WOMAC评分，发现干预后疼痛、僵硬和身体功能均显著改善（p<0.05），同时髋、膝、踝关节的能量流入、流出及吸收模式发生积极改变，表明该训练可优化能量传递效率、减轻关节负荷，为KOA的非手术康复提供重要依据。

　　

引言

膝骨关节炎（KOA）是全球范围内导致疼痛和功能障碍的主要原因之一，其病理改变会破坏髋、膝、踝关节之间的机械能量传递，导致运动效率下降、关节负荷异常及疼痛加剧。运动康复作为KOA管理的核心非侵入性手段，通常包含力量与平衡训练，以提升肌力及神经肌肉控制能力，但此类干预对能量流动模式的具体影响尚未被系统研究。本研究旨在通过三维运动捕捉与测力台技术，结合Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index（WOMAC）评分，分析六个月联合训练对轻中度KOA患者下肢能量流的影响。

方法

研究设计与参与者

研究采用纵向单组前后测试设计，纳入23名60–85岁轻中度KOA患者（平均年龄62.4±9.1岁，女性占69.57%），均无严重影响步态的其他疾病或近期接受过相关治疗。样本量通过G*Power软件基于先前大效应量（d=1.92）估算，实际样本量远高于最低要求以减少Ⅱ类错误风险。研究获Suranaree University of Technology伦理委员会批准（EC-62-0094），所有参与者签署知情同意书。

干预方案

干预为家庭化联合平衡与力量训练，每周3次、每次30–60分钟，持续六个月。训练内容基于神经肌肉控制和姿势稳定性原则设计，包括热身、多平面下肢力量练习（如前后抬膝、侧抬髋、坐站转移）及平衡组件（如串联行走、单腿站立、后退行走）。强度通过组数与重复次数渐进调整，注重低冲击动作以减轻关节压力，并通过每周电话随访和训练日志提升依从性。

数据采集与处理

步态分析流程

使用六摄像头Qualisys Miqus光学运动捕捉系统（200Hz）和两块Kistler 9286BA测力台（200Hz）同步采集步态数据。参与者佩戴35个反光标记，依据标准化解剖位点布置，完成静态校准和自然步速下的行走试验。数据处理通过Visual3D软件（v2021.11.3）进行，基于14段26自由度模型计算关节力、力矩、角速度等参数。

能量流计算

通过以下公式量化关节水平能量动态：

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  关节力功率（JFP）= F_j · V_j
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  分段扭矩功率（STP）= T_j · ω_s
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  分段功率（SP）= JFP_d + JFP_p + STP_d + STP_p
  其中F_j为关节反作用力，V_j为线性关节速度，T_j为关节力矩，ω_s为分段角速度，下标d和p分别代表远端与近端。

结局指标与统计分析

采用WOMAC 3.1版评估疼痛、僵硬和身体功能，该量表信度良好（Cronbach’s α >0.90）。使用SPSS 27进行配对t检验、效应量计算（Cohen’s d），并对24个能量流变量进行主成分分析（PCA）和系统聚类（Ward联接、平方欧式距离），以提取能量流动的核心模式与集群特征。

结果

人口学与临床结局

参与者平均BMI为25.79±2.88 kg/m²。WOMAC总分从75.00降至48.52（平均差26.48，p=0.009，d=0.60），疼痛（p=0.022，d=0.52）、僵硬（p=0.005，d=0.65）和身体功能（p=0.013，d=0.56）子评分均显著改善。

能量流变化

踝关节能量流入增加（平均差-0.137 W/kg，p<0.001，d=0.88）、流出减少（平均差0.295 W/kg，p<0.001，d=4.99）；膝关节能量流入、流出、吸收和生成均显著下降（p<0.001，d=2.18–7.13）；髋关节能量流入和吸收亦减少（p<0.001，d=1.19和1.07），生成略有下降（p=0.02，d=0.52）。

主成分与聚类分析

PCA提取4个主成分（累计方差90.71%）：

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  PC1（37.82%）：髋-踝能量协同，反映近远端关节在能量传递中的协调性；
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  PC2（32.33%）：膝关节吸收主导，凸显其减震作用；
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  PC3（11.83%）：多关节能量生成差异；
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  PC4（8.72%）：个体化吸收变异。

聚类分析识别三大集群：

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  集群1：髋与踝的能量流入/流出（干预前后）；
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  集群2：膝关节能量吸收；
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  集群3：干预前能量生成模式。

讨论

联合训练显著改善了下肢生物力学效率与患者报告结局。WOM评分提升与能量流优化高度相关：疼痛减轻对应膝关节吸收减少，僵硬改善促进关节间能量协调，功能增强体现于能量再分配（如髋代偿增加、踝推进增强）。PCA和聚类结果进一步揭示，KOA患者存在从膝中心能量模式向髋踝协同模式的适应性转变，表明训练可重塑神经肌肉策略、减轻病变关节负荷。

临床意义与展望

能量流参数可作为KOA康复疗效的客观 biomarkers，指导个体化训练方案设计（如强化髋踝力量、优化膝部负荷）。未来需扩大样本量，结合更多动力学指标（如足底压力）、延长随访期，并探索该模型在其他运动障碍中的应用。

结论

六个月平衡与力量联合训练可有效改善KOA患者的下肢能量流动，减轻疼痛、增强功能，其机制涉及髋-膝-踝能量协同的重构与关节负荷优化。生物力学能量分析结合多变量统计方法，为深入理解运动干预的作用机制提供了有力工具。