膝关节力感测量方法验证及其在膝骨关节炎患者神经肌肉控制中的应用研究

本研究创新性地验证了一种膝关节力感（force sense）测量系统，采用自制摆锤装置和无线表面肌电图（sEMG），证明其可靠性高（ICC>0.90）。探索发现，身体质量指数（BMI）不影响力感，但击打力（striking force）显著缩短反射收缩潜伏期（p<0.001）；膝骨关节炎（KOA）患者力感与健康人无差异，揭示其神经肌肉反馈机制完整，为临床评估关节稳定性提供新工具。

　　

1. 引言

膝关节的本体感觉（proprioception）包含三个核心成分：关节位置觉（感知静态位置）、关节运动觉（检测运动和加速度）以及关节力感（通过肌肉反射收缩潜伏期体现）。前两者反映本体感觉的传入能力，而力感则展示传出活动能力，涉及肌肉反射响应和肌张力调节，对维持关节功能稳定性至关重要。膝骨关节炎（KOA）作为一种退行性疾病，会导致关节软骨和骨退化，引发疼痛、僵硬和肿胀，并影响本体感觉。既往研究多聚焦传入能力（如位置觉和运动觉），而力感测量方法缺乏标准化，尤其针对KOA患者。现有技术如目标力再现或肌肉反射潜伏期测量，在踝关节和腕部应用较多，但膝关节应用受限。Bread等人曾用气压装置测量前交叉韧带缺损患者的腘绳肌反射收缩潜伏期（RHCL），但装置易受环境影响且仅适用单一负荷。击打力大小可能影响结果，因关节被动运动速度随击打力增加而加快；同时，肥胖（以BMI衡量）也被报道影响位置觉，但对力感的作用未知。因此，本研究假设击打力和肥胖影响膝关节力感，且KOA会改变力感。目标在于建立可靠测量方法，探索影响因素，并应用于KOA患者。

2. 材料与方法

2.1. 膝关节力感测量方法的验证

为验证膝关节力感测量系统的可靠性，并探讨BMI和击打力的影响，研究采用自制力施加装置（专利号：ZL 2020 1 1268463.8）和无线表面肌电图（sEMG）系统（DELSYS Inc., USA，采样频率2000 Hz）。装置基于摆锤原理，可施加50-200 N的击打力（间隔10 N），通过调节摆锤高度精确控制力量，冲击胫骨近端后侧。sEMG电极按SENIAM指南放置于股二头肌（BF）和半腱肌（ST），并辅以加速度计同步记录冲击时刻。
30名健康男性受试者根据BMI分组：正常组（BMI 18.5–24 kg/m²）、超重组（24–28 kg/m²）和肥胖组（≥28 kg/m²），每组10人。基本数据（年龄、身高、体重、BMI）无组间差异（p>0.05）。实验包括两次测试（间隔时间未指定），使用固定击打力100 N记录BF和ST的反射收缩潜伏期，计算组内相关系数（ICC）评估可靠性（ICC>0.90为优）。同时，探索不同击打力（50、70、100、120、150 N）的影响：按升序施加，每次测试后休息2分钟，各水平重复3次，以肌肉激活顺序中最短的潜伏期为分析指标。
数据处理包括去除sEMG信号偏移、20–500 Hz带通滤波，计算均方根（RMS）以30 ms窗口检测肌肉激活起点；潜伏期定义为冲击时间与激活时间差。统计采用随机效应模型计算ICC，双因素重复测量方差分析（ANOVA）检验BMI（组间变量）和击打力（组内变量）的主效应及交互作用，显著性水平p<0.05（SPSS 23.0）。

2.2. KOA患者的膝关节力感

2.2.1. 参与者

25名KOA患者（年龄50–70岁，来自北京积水潭医院）和20名健康中老年志愿者组成对照组。纳入标准：KOA组需符合手术指征，无风湿病或神经疾病；对照组无膝病史或专业训练。基本数据显示两组年龄和BMI差异显著（p<0.05），但既往研究证明50-60岁间本体感觉无差异，故不影响结果。

2.2.2. 方法

应用前述验证方法，击打力限于50、100、150 N（因50 N在KOA患者中信号混乱，仅分析后两者）。以变异系数（CV）评估最优击打力（CV低表示稳定性好）。记录双侧ST潜伏期，重复测量ANOVA比较组间（健康vs.KOA）和侧别（右/患侧vs.左/健侧）差异，Bonferroni校正（p<0.05）。

3. 结果

方法验证显示，BF和ST的反射收缩潜伏期ICC分别为0.950和0.942（p<0.001），可靠性优；BF潜伏期（30.69 ms）短于ST（37.64 ms），故选用BF作为力感指标。BMI主效应无显著差异（p=0.198），击打力主效应显著（p<0.001），交互作用不显著（p=0.101）。具体数据：不同击打力下BF潜伏期随力增大而缩短（如50 N时46.33±24.25 ms，150 N时12.67±8.32 ms）。
在KOA应用中，ST在所有受试者中激活顺序最短（健康人右侧100 N时227.81 ms，150 N时224.93 ms；KOA患侧100 N时225.28 ms，150 N时236.00 ms），故作为力感参数。CV分析显示150 N时ST潜伏期CV最低（健康人0.076，KOA患者0.097），优于100 N，因此150 N为最优击打力。组间比较：健康人与KOA患者的双侧ST潜伏期无显著差异（p>0.05），双侧肢体间也无差异（p>0.05）。

4. 讨论

本研究成功验证了膝关节力感测量方法，系统可靠且实用。结果挑战了既往认知：BMI不影响力感，但击打力是关键变量，二者无交互作用。这不同于?ift?i和Wang等关于BMI影响位置觉的报告，可能因力感更多依赖肌肉本体感受器而非皮肤机械感受器。KOA患者力感与健康人无异，不支持初始假设，与Jennings的ACLD研究一致，但不同于Bread的结果（可能因击打力差异）。这表明KOA虽损伤关节传入通路，但脊髓反射（传出能力）保持完整，归因于前馈控制机制（如预激活增强肌梭敏感性）。
研究局限包括样本量较小和最优击打力未完全确定。未来可扩大样本，结合肌肉共收缩分析关节稳定性。该方法为临床提供了评估本体感觉传出能力的工具，助力K