膝关节骨关节炎不同阶段肌肉共激活模式与步态、肌肉力量和症状的关联

《Knee Surgery & Related Research》：Associations of muscle coactivation patterns with gait, muscle strength, and symptoms across different stages of knee osteoarthritis

　　

摘要：本研究旨在探讨膝关节骨关节炎（KOA）不同阶段神经肌肉激活模式、症状、肌肉力量和步态参数之间的关联。在这项横断面研究中，165名单侧KOA患者和32名健康对照者接受了同步步态分析、等速力量测试、表面肌电图（sEMG）检查，并完成了西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数（WOMAC）问卷。肌肉共激活量化为步态阶段和等速收缩过程中拮抗肌与主动肌的归一化肌电（EMG）比率。组间比较采用单因素方差分析（one-way ANOVA）并进行Bonferroni校正。采用Spearman相关分析和多元线性回归模型检验肌肉激活、生物力学参数和WOMAC评分之间的关系。结果显示，与对照组相比，KOA患者随着K-L（Kellgren-Lawrence）分级的增加，步态模式和力量表现逐渐恶化（p<0.05）。研究人员发现了一种独特的代偿性神经肌肉模式，其特征是腘绳肌（尤其是外侧腘绳肌）和股外侧肌的过度共激活（p=0.002–0.048）。这种模式与膝关节屈曲力矩（KFM）降低和膝关节内收力矩（KAM）升高显著相关（p=0.004–0.038）。这些变化从K-L II级开始出现，并在晚期KOA（K-L≥III）中变得更加明显，且与更高的WOMAC疼痛、僵硬和功能评分相关（p<0.001–0.046）。患侧与对侧肢体之间存在显著的肢体间不对称性（不对称指数[ASI]=1.72–13.84；肢体对称指数[LSI]=56.3–92.7%）。结论：KOA与一种适应性神经肌肉策略相关，其特征是腘绳肌的过度共激活。虽然这种模式可能旨在稳定关节，但它与生物力学效率低下、症状恶化和功能衰退相关。这种共激活模式可能作为一种有前景的生物力学标志物，有助于更好地理解KOA的临床表现，并值得作为潜在的治疗靶点进行进一步研究。

**膝关节骨关节炎不同阶段肌肉共激活模式与步态、肌肉力量和症状关联的论文解读**

**研究背景与问题**

膝关节骨关节炎（KOA）是一种以慢性疼痛、功能障碍和肌肉无力为特征的退行性关节疾病。股四头肌无力是其核心功能障碍之一，源于肌肉萎缩和神经激活缺陷，并可能早期出现，影响疾病进展。随着KOA病程发展，股四头肌激活下降常伴随着腘绳肌共激活的增加。肌肉共激活是步态中正常的稳定机制，但在KOA中，尤其是中重度阶段，腘绳肌共激活可能变得过度。区分适应性（早期代偿性稳定关节）和适应不良性（晚期导致关节负荷增加、症状加重）的共激活至关重要。既往研究多集中于晚期KOA（K-L III和IV级），对早期阶段的变化特征描述不足。步态生物力学易受速度、疼痛和肥胖等因素影响，可能掩盖其与结构变化的相关性。因此，有必要采用步态和标准化力量测试相结合的双模态方法，系统评估不同疾病阶段的神经肌肉控制，以期为制定有效的早期康复策略提供依据。本研究旨在探讨KOA不同阶段的步态、肌肉力量、肌肉激活模式和患者报告结局，分析这些生物力学参数与患者报告结局之间的关联，并探索肌肉激活与步态及力量参数的关系，从而更全面地理解KOA进展中的神经肌肉控制。

**研究方法概述**

本研究是一项横断面研究，共纳入197名参与者，包括165名严格单侧（有症状且影像学证实）KOA患者和32名健康对照。KOA患者根据K-L分级分为I至IV级四组。所有参与者均接受了同步的步态分析、等速（60°/s）肌力测试、表面肌电图（sEMG）检查，并完成了WOMAC问卷。步态分析在自选舒适速度下进行，使用运动捕捉系统和测力台采集时空参数、运动学和动力学数据，并计算不对称指数（ASI）和动态稳定裕度（MoS）。等速肌力测试评估平均峰值扭矩（APT）、峰值扭矩角度（PTA）、达峰时间（TPT）、平均功率（AP）以及腘绳肌/股四头肌（H/Q）比值和肢体对称指数（LSI）。sEMG同步记录步态和肌力测试中股内侧肌（VM）、股外侧肌（VL）、内侧腘绳肌（MH）和外侧腘绳肌（LH）的激活信号，计算归一化激活水平以及特定的激活比值，如外侧腘绳肌/股外侧肌（LH/VL）、内侧腘绳肌/股内侧肌（MH/VM）和股内侧肌/股外侧肌（VM/VL）比值，以评估膝内外侧肌肉激活平衡。统计分析采用单因素方差分析、Spearman相关分析和多元线性回归模型。

**研究结果**

**步态分析结果：** 与健康对照组相比，KOA组在速度、步频、步长、跨步长和各关节活动度（ROM）上均显著降低（p<0.001），双支撑期时间延长（p<0.001–0.003）。患者的膝关节屈曲力矩（KFM）显著降低（p=0.001–0.007），而膝关节内收力矩（KAM）及其冲量显著增加（p<0.001–0.007）。这些改变在女性和K-L III级及以上患者中更为明显。随着K-L分级增加，动态稳定裕度（尤其是前后向MoS-AP）呈下降趋势（p<0.001–0.006），而不对称指数（ASI）逐渐增加。

**肌肉力量测试结果：** 与对照组相比，患者在膝关节屈曲和伸展时的平均峰值扭矩（APT）、峰值扭矩角度（PTA）和平均功率（AP）均降低（p<0.001–0.043），而达峰时间（TPT）和H/Q比值增加（p<0.001–0.046）。这些差异随K-L分级升高而加剧。对侧肢体也观察到类似但较轻的趋势。肢体对称指数（LSI）在所有KOA组均高于对照组。

**同步步态分析的sEMG结果：** 在步态早期、中期、晚期支撑相和晚期摆动相观察到显著的肌肉共激活。KOA患者在所有四个步态阶段均表现出股四头肌和腘绳肌共激活增加，尤其是在早期支撑相和晚期摆动相，外侧肌群（LH和VL）的共激活最为明显。患者的外侧共激活比值（LH/VL）在所有阶段均升高，且K-L分级越高升高越显著（p=0.002–0.048）。股内侧肌/股外侧肌（VM/VL）比值在早期和晚期支撑相升高（p=0.002），但在中期支撑相和晚期摆动相降低（p<0.001和p=0.023）。前肌群和后肌群的归一化激活水平均随K-L分级升高而增加。LH激活始终高于MH激活。

**同步肌力测试的sEMG结果：** 在膝关节伸展时，KOA患者的VM/VL比值显著降低，且随K-L分级升高降低更明显（p=0.007）。后肌群与前肌群的激活比值（MH+LH/VM+VL）以及MH和LH的归一化激活比值在患者组中升高。在膝关节屈曲时，患者的VM/VL和MH/LH比值显著降低，而前肌群与后肌群的激活比值（VM+VL/MH+LH）和VL的归一化激活升高。

**相关性分析与回归模型：** WOMAC疼痛评分与早期支撑相的峰值KAM、KAM冲量和LH/VL比值呈显著正相关。僵硬评分与膝关节活动度（ROM-knee）和峰值KFM呈显著负相关。功能评分与速度和膝关节活动度呈显著正相关。早期支撑相的LH/VL比值与峰值KAM和KAM冲量正相关。多元线性回归模型显示，包括速度、峰值KAM、膝关节活动度在内的多个参数与WOMAC各子评分显著相关。此外，从步态和肌力测试数据中构建的回归模型也识别出多个与sEMG参数显著相关的生物力学指标。

**讨论与结论**

**讨论部分总结：**
本研究证实单侧KOA患者在肌肉激活、步态模式和肌肉力量上存在显著的双侧改变，且大多数生物力学参数表现出明显的肢体间不对称性，这些特征随疾病严重程度增加而加剧，并与患者报告结局相关。疼痛、僵硬和功能限制随K-L分级进展而加重，女性症状更严重。随着疾病进展，步态和力量参数逐步恶化，女性异常更明显。特征性步态表现为KAM增加和KFM降低，且峰值KAM与疼痛评分正相关。回归分析表明，升高的峰值KAM、疼痛和增强的腘绳肌共激活（尤其是LH激活）相互关联。过度LH激活可能与胫骨外旋增加和内侧间室负荷有关，峰值KAM是内侧间室负荷的敏感指标，这似乎揭示了一个关于共激活增加、内侧间室应力升高、疼痛和KOA严重程度的恶性循环。KFM降低与前、后肌群共激活增加相关。

同步步态的sEMG显示患者在所有四个步态阶段股四头肌和腘绳肌共激活增加，这种代偿性激活在早期支撑相和晚期摆动相尤其明显。在KOA早期，这可能是一种牺牲肌肉激活效率以获得更大关节稳定性的代偿策略。然而，支撑相增加的共激活与速度降低、步频减少、支撑期延长等步态参数相关，也与疼痛和僵硬症状相关，表现为典型的“僵硬膝”步态模式，可能延缓应力卸载并削弱推进期的净推进力。晚期摆动相的过度共激活与步长缩短、膝关节活动度减少和前后向稳定裕度（MoS-AP）变窄相关，这是一种足跟触地前的稳定策略，虽可增加关节刚度以对抗重力负荷，但限制了肢体前进和关节活动度。严重KOA患者常在晚期摆动相躯干前倾以部分代偿，但这可能损害姿势稳定性并降低稳定裕度，增加跌倒风险。

H/Q比值是评估关节周围肌肉平衡的重要指标，本研究发现患者H/Q比值增加，表明腘绳肌与股四头肌力量失衡。sEMG进一步证实，在膝关节伸展时，患者不同K-L分级中MH、LH及合并腘绳肌相对于股四头肌的激活增加。同时，研究还发现了膝关节屈曲时VL和VM作为拮抗肌的共激活增加。这两种共激活模式的目的可能不同：伸膝时腘绳肌激活增强可能增加抵抗胫骨前移的能力，从而在需要时增强矢状面关节稳定性；而屈膝时股四头肌激活增加可能与避免屈曲诱发疼痛的策略有关。两者都可能反映了牺牲激活效率以换取稳定性和症状缓解的策略。此外，研究人员观察到股四头肌收缩平衡可能发生改变：健康受试者伸膝时VM激活占主导，而KOA患者可能转变为VL激活占主导，这种模式在屈膝时持续存在。这种失衡与步态早期支撑相的疼痛相关，但其是否 solely 归因于KOA尚不确定，髌股关节病理状态可能是重要因素。回归分析表明，力量参数（如APT、PTA、TPT、AP）与共激活增加相关，推测过度的拮抗肌共激活部分抵消了主动肌产生的扭矩，从而降低了净肌肉输出。

次要发现包括：患者报告结局除与上述激活模式相关外，还与速度、APT和膝关节活动度相关；sEMG参数未显示显著性别差异，肌肉激活的性别相似性提示生物力学表现的差异可能源于肌肉骨骼系统形态和生理差异，而非神经驱动差异；在K-L II级患者中仅有4项指标与对照组有显著差异，而在K-L III级患者中多达26项指标有显著差异，提示从II级到III级可能是功能恶化的加速阶段，强调了在此阶段之前启动早期针对性预康复的重要性。

本研究存在局限性：横断面设计建立了神经肌肉参数与KOA严重程度之间的关联，而非绝对因果关系；实验室测试可能降低生态效度；sEMG反映的是神经驱动，而非直接的机械输出。

**研究结论翻译：**
膝关节骨关节炎不仅以步态异常和肌肉力量下降为特征，还可能与其适应性神经肌肉策略相关。该策略主要由腘绳肌（尤其是外侧腘绳肌）与股外侧肌的过度共激活所定义。虽然这种共激活最初可能是对关节不稳定和结构退变的代偿反应，但它与步态异常、肌肉力量下降和症状恶化相关。肌肉共激活可能作为一种有前景的生物力学标志物，以增强我们对膝关节骨关节炎临床表现的理解。