宽步态、足部内旋及躯干侧倾对健康成人膝关节接触力的影响：基于肌肉骨骼模型的研究

推荐：本研究通过运动捕捉和肌肉骨骼建模，评估了宽步态、足内旋(Toe-in)和躯干侧倾(Lateral Trunk Lean)三种步态调整策略对健康成人膝关节接触力(KCF)的影响。结果显示，Toe-in步态在早期和晚期支撑相均显著降低内侧KCF，且能减少垂直方向负荷，为膝关节骨关节炎(OA)的非药物干预提供了生物力学依据。

　　

膝关节骨关节炎(OA)是全球最常见的关节退行性疾病，仅2022年澳大利亚就有120万患者，其治疗费用占 musculoskeletal疾病总支出的29%。传统治疗依赖药物和手术，但近年来步态调整(Gait Retraining)作为一种无创、低成本且可持续的干预手段备受关注。这种方法的核心理念是通过改变行走模式来降低膝关节内收力矩(KAM)，从而减轻内侧膝关节接触力(KCF)——这正是OA患者软骨磨损的关键力学因素。然而，KAM作为间接指标无法反映肌肉协同收缩等内部力学变化，而侵入式测量KCF又难以临床推广。这一矛盾促使研究人员寻求更精准的评估方法。

为解决这一问题，来自西悉尼大学的研究团队采用肌肉骨骼建模技术，首次系统比较了宽步态(Wide-Stance)、足部内旋(Toe-in)和躯干侧倾(Lateral Trunk Lean)三种步态对健康成人KCF的即时影响。相关成果发表在《Gait & Posture》期刊，为OA的个性化康复提供了重要理论依据。

研究采用随机交叉设计，招募20名健康志愿者(12男/8女，平均年龄27.2±11.7岁)完成自然步态和三种调整步态的行走测试。关键技术包括：1) 8摄像头VICON运动捕捉系统同步4块AMTI测力台采集运动学/动力学数据；2) OpenSim 4.4平台构建包含37自由度的Rajagopal全身模型；3) 静态优化算法计算肌肉激活状态；4) 线性混合模型统计早期(0-33%支撑相)和晚期(66-94%支撑相)的KCF差异。

3.1 早期支撑相KCF
数据显示，仅内侧-外侧方向力受步态调整影响：与自然步态相比，宽步态(Cohen’s d=-0.91)和Toe-in(Cohen’s d=-1.28)均显著降低内侧KCF，其中Toe-in效果更优(p<0.001)。垂直和前后向力未见显著变化。

3.2 晚期支撑相KCF
两种步态调整展现出持续优势：宽步态和Toe-in分别使内侧KCF降低0.275BW和0.582BW(均p<0.001)。值得注意的是，Toe-in还显著减少垂直方向负荷(较自然步态降低0.608BW)，且效果优于躯干侧倾(p<0.001)。

4. 讨论与意义
该研究首次通过计算模型揭示：Toe-in步态通过增加腓肠肌外侧头和内侧腘绳肌激活，产生最优的力重分布效果。这一发现挑战了传统认知——虽然躯干侧倾能改变GRF向量，但对膝关节周围肌群激活影响有限，因此KCF改善不明显。临床转化方面，研究建议将Toe-in作为优先干预策略，但需注意其可能增加髋/踝关节负荷的潜在风险。

局限性在于样本均为健康年轻人，未来需在OA人群中验证长期效果。但不可否认，这项工作为理解步态调整的生物力学机制建立了新范式，其采用的OpenSim建模方法为个体化康复方案设计提供了可靠工具。随着人口老龄化加剧，这种基于生物力学的精准干预策略有望成为OA管理的突破点。