從生物力學的觀點看膝關節炎的物理治療，有效還是沒效(1)？

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SHAWN FARROKHI 楓葉之國話康復 ID fyzghkf123

膝關節生物力學機制的改變以及關節承受過多的應力一直被認為是膝關節炎發生和發展的最重要因素。因此，更好的了解各種治療方法如何影響膝關節的應力環境（loading environment）對於設計更有效的物理治療管理策略具有實踐指導意義。

今天要介紹的是一篇關於膝關節炎患者物理治療的綜述，我們覺得很有啟發，故分3-4期逐一呈現。

此臨床綜述的目的是回顧膝關節炎患者各類治療方法的生物力學支持證據，在這些方法減輕癥狀、改善功能的同時，防止膝關節承受過多的應力，以便更好地長期管理膝關節炎患者。

在進行有效的疾病管理背景下，我們討論各類膝關節卸負（offloading）策略有效性的生物力學以及臨床證據，包括對側手杖（cane）的使用，外側鍥形鞋墊（laterally wedged shoe insoles），各種不同硬度的鞋子，Valgus膝關節支具（bracing）以及步態調節策略等。

除此之外，我們也思考治療性練習（therapeutic exercise）和神經肌肉訓練對於改善膝關節生物機制的潛在作用。

我們也會提到膝關節不穩定以及髕股疾病的治療管理策略。根據本臨床綜述的部分證據，我們認為，在制定膝關節炎患者有效的短/長期管理策略時，需要特別考慮膝關節生物力學和關節過度應力（excessive joint loading）的作用。

正文

骨關節炎（osteoarthritis, OA）是美國最常見的致殘(disability)原因，超過五分之一的成年人受其影響²⁵。近一半的OA患者經歷過嚴重疼痛和殘疾並影響他們的日常工作表現²⁵。膝關節是最常受影響的關節，45%的人群終其一生，至少有一側膝罹患癥狀性OA。由於膝關節OA的高患病率^{51，53，141}，有癥狀的患者往往會尋求物理治療，以管理自己的癥狀和功能受限。傳統上，膝關節OA物理治療的重點一直是通過解決肌肉無力和關節靈活性缺乏來改善疼痛、活動能力和功能性受限等問題^{32,33,54,56,63}。

然而，由於目前缺乏有效的長期關節保護的治療方案，隨著疾病程度和癥狀的加重，往往導致患者選擇關節置換手術¹²⁷。因此，除了提供癥狀緩解和功能改善的策略外，物理治療師還需提供旨在限制患者結構性疾病進展速度的治療方案。膝關節OA缺乏有效的長期物理治療管理策略的一個潛在原因是我們一直沒有考慮關節生物力學改變和關節應力過度的影響。膝關節應力過度會造成關節組織分解和修復之間的失衡，從而導致癥狀和疾病的進展^49，134。雖然遺傳學、炎症介質和關節生物學中與年齡相關的改變在膝關節OA的結構性進展中起著重要作用，但考慮這些系統性風險因素的影響，已然超出了本文的討論範圍。然而，有證據支持關節應力過度與膝關節OA癥狀加重及進程加快存在關聯，這表明關節保護策略可能可以更好的緩解癥狀並加強其長期結果⁴⁹。

因此，本臨床綜述的目的是向物理治療師提供當前膝關節卸負措施的相關知識，這些卸負措施常用於保護膝關節炎患者。

由於很難直接評估關節內應力，所以傳統上通常採用膝關節外部的內收肌力矩(Knee adduction moment ,KAM)作為脛股關節內側間隙所受應力的替代指標。KAM是接觸地面時產生的地面反作用力(GRF)與該向量垂直距離的乘積，即位於冠狀面的該力向量與膝關節旋轉中心的垂直距離，也稱為槓桿臂。在下肢處於中立位對齊時，GRF通常經過膝關節旋轉中心內側，從而形成KAM(圖1A)。

圖1 GRF和KAM

圖1 (A)下肢中立位對齊，GRF(Ground reaticon force)從內側通過，到達膝部旋轉中心，產生一相對較小的KAM(Knee adduction moment)，從而使得更高的壓縮應力集中在脛股關節間隙的內側。當股骨機械軸（從股骨頭中心處到股骨髁間窩中心的虛線）和脛骨機械軸（從踝部距骨中心處到脛骨棘中心處）交叉時的角度為0°時，被認為是中立位。(B)O型腿對位關係，GRF和膝部旋轉中心點（d）的垂直距離增加，則不僅KAM增加，而且脛股關節內側間隙的應力增加。當股骨機械軸（從股骨頭中心處到股骨髁間窩中心的虛線）和脛骨機械軸（從踝部距骨中心處到脛骨棘中心處）交叉時的角度大於0°時，則稱為O型腿對位。垂直對位的黑色箭頭表示在一定KAM情況下，膝關節內側間隙和外側間隙所受應力的大小。跨關節肌肉的協同收縮以及較高的外部膝關節屈曲力矩可能會造成額為的關節應力，這並未在圖中進行表示。

KAM使脛骨在膝關節內翻（varus）方向呈現旋轉的趨勢，因此，較大的KAM使脛骨內側間隙承受了更高的壓縮性應力⁵。由KAM引起的脛股關節應力的不均勻性，在一定程度上導致了內側膝關節炎的高發^{34，113，130}。典型的KAM在步態的stance期（支撐相）顯示出兩個峰值並與垂直GRF的峰值相對應。

較大的初始峰值出現在步態的接受應力階段，第二個峰值出現在支撐相（stance）後期(圖2)⁸⁷。先前有報道稱，內側膝關節炎患者的KAM首次峰值較高^94，138，而更大的KAM與影像學上更嚴重疾病^9，173及疼痛有關^4，191。此外，若基線水平增加1個單位的KAM，則在6年內，內側膝關節疾病進展的速度可能增加6倍¹³⁴。

圖2 步態不同階段時的KAM

圖2 在步態過程中的KAM變化示意圖。在步態的支撐相KAM典型地表現為2個峰值。每個峰值與垂直方向的GRF峰值相對應。第一個較大的峰值出現在步態應力接受階段(步態周期的0%-12%)，第二個較小的峰值出現在支撐相後期(步態周期的50%-62%)。在步態擺動階段(步態周期的62%-100%)，KAM可以忽略不計。

鑒於KAM在膝關節炎患者干預方法的有效性研究中經常作為一種測量結果^{16,61,118,131,181}，因此，它對於物理治療師全面了解KAM影響因素以及其使用局限性方面不可或缺。GRF及其冠狀面（frontal plane）力臂均為獨立變數，且可以通過各種干預方法進行調節，當前減少KAM的臨床方法和卸負干預策略主要就是圍繞這一前提展開的。

GRF為接觸地面時，地面對身體產生的反作用力（牛頓第三運動定律）。GRF的大小，根據牛頓第二運動定律，取決於患者重量和患者重心加速度的乘積。因此，任何減輕患者重量（例如使用手杖減輕支撐相的關節應力）或者減少加速度（例如降低步行速度）的方法均能有效的降低KAM。此外，通過下肢關節重新對位或者應力中心的外側移位縮短冠狀面KAM的力臂長度，也能起到降低KAM的作用。

例如，在靜立位，內側膝關節炎患者的下肢經常呈現O型腿（varus），就被認為導致KAM的增加¹⁷⁴。通常，隨著GRF向量從足底壓力中心向身體重心轉移，O型腿患者的旋轉中心點逐漸往外側移動，這將使得冠狀面的GRF力臂邊長，從而增加KAM(figure 1b)^87,202。理論上，針對減輕O型腿錯誤對位的干預方法，例如valgus支具^{45,46,104,149}或者內側衝擊步態(medial thrust gait pattern,)^{11，66，165}，均能使膝關節旋轉中心點想GRF的離線靠近，由此縮短冠狀面力臂從而降低KAM。

同樣，通過軀體側傾把壓力中心往外側移動，可以使得GRF向量更靠近膝關節旋轉中心點^89，137。或者走路時腳趾往外^{67，100，124}可以縮短冠狀面力臂，從而也能夠有效降低KAM。

KAM在膝關節炎研究中的局限性

儘管KAM指標在膝關節應力研究中經常使用，但仍有諸多局限性。

首先，跨膝關節肌肉(例如股四頭肌，腘繩肌和腓腸肌)的收縮對膝關節內側間隙造成持續應力，但在計算KAM時，並未考慮在內^121.203。考慮到膝關節炎患者中經常存在肌肉協同收縮的增加^{71，117，204}，忽視肌肉活動對關節應力影響的KAM數據可能會低估膝關節患者所承受的實際應力。

第二，矢狀面膝關節屈曲力矩的增加已經表明在KAM無變化的情況下，顯著增加了負重時脛股關節的接觸力。為了平衡外部產生的膝關節屈曲力矩（例如步態的應力期），則需要一個相反方向的膝關節伸展力矩，該力矩可以通過增加股四頭肌收縮力以及提高膝關節接觸力獲得。因此，負重狀態下，忽視矢狀面更大的膝關節屈曲力矩所產生的潛在壓縮性應力，使得我們對於膝關節動態應力變化的認識是不全面的。此外，KAM可能是脛骨面與股骨髁相互間接觸力複雜作用的一個較差替代指標，因為在計算KAM時，並沒有考慮關節幾何形狀、半月板功能和軟骨反應等影響因素。

儘管存在這些局限性，KAM仍舊是觀察膝關節內側間隙所受應力的方便指標。例如，假設外部膝關節屈曲力矩(external knee flexion moment)的協同收縮水平和力度持續存在，減少KAM的干預措施很可能會降低脛骨內側間隙的應力。此外，KAM在識別個體罹患膝關節炎風險時，仍是很好的篩選工具，因為在膝關節炎受試者中，其步態支撐相早期的KAM峰值大於無癥狀受試者⁹⁴，並且更大的KAM峰值與疼痛增加^4，191和疾病快速進展¹³⁴相關聯。

未完待續......

因篇幅原因，參考文獻（略）。

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