髌股关节痛生物力学危险因素的系统评价和Meta分析.pdf

2023年（第22卷）第8期Vol.22，No.8，2023运动人体科学髌股关节痛生物力学危险因素的系统评价和Meta分析杨 辰1，万祥林2，冯 茹1，周志鹏3，刘雨佳4（1.南京体育学院 运动健康学院，江苏 南京 210014；2.北京体育大学 运动人体科学学院，北京100084；3.山东体育学院 运动与健康学院，山东 济南 250102；4.江苏师范大学 体育学院，江苏 徐州 221116）【摘要】：目的：系统评价可能导致髌股关节痛的生物力学危险因素。方法：检索资料库包括PubMed、Embase、Web of Science，以及中国知网、万方、维普，检索时限至2022年5月，筛选与髌股关节痛生物力学危险因素有关的前瞻性研究，提取运动学、动力学和肌电数据，采用Review Manager 5.3进行Meta分析。结果：最终纳入11项研究，总样本量6 587人，其中388人发生髌股关节痛。有限的证据表明较大的膝外翻是髌股关节痛的危险因素I2=97%，SMD=1.32，95%CI（0.36，2.29）。亚组分析显示非常有限的证据表明较大的膝外翻是女性髌股关节痛的危险因素I2=98%，SMD=2.49，95%CI（0.03，4.95），而有限的证据表明较大的膝外翻不是男性髌股关节痛的危险因素I2=81%，SMD=0.43，95%CI（-0.26，1.12）。髌股关节痛发病人群和未发病人群在其他运动学、动力学和肌电特征中未表现出显著性差异。结论：功能性活动中的膝外翻可能是女性产生髌股关节痛的生物力学危险因素，但是支持证据非常有限，且研究间具有较高的异质性。【关键词】：跑者膝；运动学；动力学；肌电；前瞻性研究【中图分类号】：G804.5【文献标志码】：A【文章编号】：2096-5648（2023）08-0054-09髌股关节痛（patellofemoral pain，PFP）是下肢最常见的过劳损伤之一，其最主要的症状表现在伴有膝关节负载的功能性活动中髌骨后方和周围所产生的弥散性疼痛1。髌股关节痛在大众群体中的年患病率约为 22.7%，并多发生于体力活动较多的人群2。据调查，军人群体中髌股关节痛的发病率为22例/1 000人年，且女性发病率约为男性的2倍3。髌股关节痛会造成患者的体力活动受限和生活质量降低4，50%以上的患者在520年后仍存在膝关节的疼痛症状和功能障碍，并可能进一步导致髌股关节炎和残疾5。确定髌股关节痛的危险因素对该损伤的预防和治疗十分关键。一般认为长期的髌股关节负荷增大是导致髌股关节痛的主要原因，而异常负荷可能来源于外在因素（运动装备和环境、运动类型和强度等）和内在因素（肌肉力量、功能性活动中的生物力学特征等）6。研究发现，通过训练干预等方式可以在一定程度上改善功能性活动中异常的下肢关节角度和力矩、肌肉激活等特征7，因此生物力学危险因素又被认为是髌股关节痛重要的可修正因素6。但是也有研究认为当前针对髌股关节痛的干预效果有限，未形成公认有效的干预方式和流程8-9，这是否源于不同研究间髌股关节痛的生物力学危险因素尚无统一定论10。前期为了明确导致髌股关节痛的原因，已有Meta分析调查了性别、年龄、身高、体重、肌力等潜在因素对髌股关节痛的影响，但相关研究并未真正聚焦于生物力学特征，且数据池中较低的效应量也限制了这些结果的临床适用性11-12。考虑到近几年髌股关节痛相关研究数量增加，有必要针对其生物力学危险因素进行进一步的汇总与分析。该研究通过Meta分析方法系统评价髌股关节痛发病人群在功能性活动中所表现出的运动学、动力学和肌电特征，从而确定髌股关节痛的生物力学危险因素，为有效预防和治疗该损伤提供理论支持和方法依据。收稿日期：2023-05-19基金项目：江苏2011计划：“运动与健康工程”协同创新中心一般项目（JSCIC-GP21009）；国家重点研发计划（2020YFC2007002）。作者简介：杨辰，男，河北张家口人，博士研究生，研究方向：运动生物力学。通信作者：刘雨佳，男，山东聊城人，博士研究生，研究方向：运动健康促进。541材料与方法1.1 文献检索策略检索资料库包括 PubMed、Embase、Web of Science，以及中国知网、万方、维普数据库，检索时限为各资料库建库至2022年5月。检索采用主题词与自由词相结合的方式。中文检索词为髌股关节痛、膝前痛、危险因素、前瞻性研究等；英文检索词为 patellofemoral pain、anterior knee pain、risk factor、prospectivestudy等。检索文献的语言和类型不限。以Web of Science为例，其具体检索策略如下：#1 TS=（arthralgia AND knee joint OR anteriorknee pain OR（patell*OR femoropatell*OR femoro-patell*OR retropatell*）AND（pain OR syndrome ORdysfunction）#2 TS=（predictor OR risk factor OR etiology ORrisk OR determinant OR association OR odds ratio）#3 TS=（prospective OR cohort OR observationalOR longitudinal OR follow up）#4#1 AND#2 AND#31.2 筛选标准纳入标准：研究设计：前瞻性研究；研究对象：研究随访期内有健康受试者发生髌股关节痛；结局指标：研究调查了受试者在功能性活动中的生物力学特征。排除标准：重复发表的文献；综述、会议、病例报告等文献；仅有摘要或无法获取全文的文献；无法提取可用结局指标的文献。两名研究人员依据纳入和排除标准独立完成文献筛选，如有分歧则共同讨论后确定。1.3 资料提取提取资料包括第一作者、发表年份、人群、随访时间、总样本量（男性/女性）、患病人数（男性/女性）、测试动作和结局指标等内容。其中，结局指标按照髌股关节痛发病人群（PFP）和未发病人群（Control）提取文献中所涉及的生物力学变量（运动学、动力学和肌电数据）。1.4 质量评价应用纽卡斯尔-渥太华量表（NewcastleOttawascale，NOS）对 所 有 纳 入 文 献 进 行 方 法 学 质 量 评价12-13。NOS共包含8个类别，其中“选择”和“结局”中每个条目最多1颗“”，“可比性”最多2颗“”，总计9分。评分03分为低质量研究，46分为中等质量研究，79分为高质量研究。应用因变量事件数（events per variable，EPV）对纳入文献的偏倚风险进行评价，EPV 10（即发生髌股关节痛的事件数与有统计学意义的变量数之比小于10）定义为高风险偏倚，存在高风险偏倚的高、中等质量研究分别降为中等、低质量研究12。两名研究人员独立完成纳入文献的质量评价，如有分歧则共同讨论后确定。1.5 结局指标运动学数据：下肢髋、膝、踝关节角度与关节角位移/角速度/角加速度等；动力学数据：下肢髋、膝、踝关节力矩与角冲量，地面反作用力、地面反作用力加载率/冲量，足底压力、压力中心位移/速度、达到足底压力峰值时间等；肌电数据：股四头肌等下肢主要肌群的激活时间、积分肌电、均方根振幅等。1.6 统计学分析应用 Review Manager 5.3（The Cochrane Collaboration，Copenhagen，Denmark）完成所有统计学分析。当至少两项纳入研究采用同一生物力学变量时，将其合并进行统计学分析。连续型变量采用标准化均数差（standard mean difference，SMD）和95%置信区间（confidence interval，CI）进行表示。纳入研究间同一生物力学变量的异质性采用卡方检验进行分析，并结合I2统计量判断异质性大小。P 50%，定义为高度异质性。由于相关研究数量较少，且各项研究间在指标计算、测试人群和动作等方面存在较大差异，为减少类误差概率，所有生物力学变量均采用随机效应模型进行统计学分析14。采用亚组分析和敏感性分析进一步研究异质性来源。1.7 证据等级对所有生物力学变量进行定性分析，证据等级依据Van Tulder等15的研究进行定义。较强的证据：至少有3项研究支持该结果，其中至少有2项高质量研究；中等的证据：至少有2项研究支持该结果，其中至少有1项高质量研究；有限的证据：至少有1项高质量研究或2项中、低质量研究支持该结果；非常有限的证据：至少有1项中、低质量研究支持该结果。杨 辰，万祥林，冯 茹：髌股关节痛生物力学危险因素的系统评价和Meta分析 55南京体育学院学报2023年（第22卷）第8期2结果2.1 文献检索结果研究共检索得到相关文献3 918篇，另有2篇文献通过其他途径手工检索获取。剔除重复文献后保留3 017篇，经过阅读标题和摘要排除2 985篇，经过阅读全文最终纳入11篇，全部为英文文献，见图1。图 1 文献筛选流程Figure 1 Literature Selection Process2.2 纳入研究的基本特征纳入研究的基本特征见表1。所有纳入研究的总样本量为6 587人（男性3 731人，女性2 856人），其中2项研究只纳入了男性，3项研究只纳入了女性，5项研究混合纳入了男性和女性，1项研究纳入了男性和女性并分别得出结果。纳入研究所涉及的受试者群体主要包括军人、业余跑者和有运动经历的青少年，测试动作主要为落地起跳和跑，其余各有1项研究分别测试了单腿下蹲、走、站位提脚尖和髌腱反射。所有纳入研究随访时间从1.5个月到48个月，在随访期内共有388名受试者发生髌股关节痛。髌股关节痛总发病率为 5.89%（范围为 3.03%42.86%），其中男性发病率为 5.09%（范围为 3.84%38.46%），女性发病率为6.93%（范围3.75%57.89%）。2.3 纳入研究的质量评价通过评价所有纳入研究的NOS得分和偏倚风险，最终获得高质量研究5篇16，19，21，22，24，中等质量研究6篇17，18，20，23，25，26，见表2。2.4 髌股关节痛生物力学危险因素2.4.1 运动学3项高质量研究调查了受试者在功能性活动中的下肢关节三维角度16，19，21。中等的证据表明髋关节屈曲角度不是髌股关节痛的危险因素I2=63%，SMD=-0.06，95%CI（-0.34，0.22），见图 2A；有限的证据表明髋关节内收角度不是髌股关节痛的危险因素I2=91%，SMD=0.36，95%CI（-0.65，1.37），见图2B；中等的证据表明髋关节内旋角度不是髌股关节痛的危险因素I2=0%，SMD=0.10，95%CI（-0.17，0.37），见图2C。中等的证据表明膝关节屈曲角度不是髌股关节痛的危险因素I2=48%，SMD=-0.14，95%CI（-0.37，0.09），见图2D；中等的证据表明膝关节内旋角度不是髌股关节痛的危险因素I2=49%，SMD=-0.13，95%CI（-0.36，0.10），见图2E。表 1 纳入研究的基本特征Table 1 Basic characteristics of included studies研究Boling，202116Nakagawa，202017Holden，201718Noehren，201319Myer，201020Boling，200921Tiggelen，200922Thijs，200823Thijs，200724Stefanyshyn，200625Witvrouw，200026人群军人军人青少年运动人群业余跑者青少年运动人群军人军人业余跑者军人业余跑者青少年运动人群随访时间（月）481.524249301.52.51.5624样本量（男/女）2 449/1 444127/00/760/4000/145806/51379/013/8965/1941/39151/131患病人数（男/女）94/9414/00/80/150/1416/2426/01/1625/113/311/13测试动作落地起跳单腿下蹲落地起跳跑落地起跳落地起跳站位提脚尖跑走跑髌腱反射结局指标运动学运动学运动学运动学运动学、动力学运动学动力学肌电动力学（足底压力）动力学（足底压力）动力学肌电 56表 2 纳入研究的质量评价Table 2 Quality evaluation of included studies研究Boling，202116Nakagawa，202017Holden，201718Noehren，201319Myer，201020Boling，200921Tiggelen，200922Thijs，200823Thijs，200724Stefanyshyn，200625Witvrouw，200026选择ABCD可比性E结局FGHNOS得分98789898988偏倚风险低高高低高低低高低高高研究质量高中等中等高中等高高中等高中等中等注：A为暴露队列的代表性；B为非暴露队列的选择；C为暴露的确定；D为研究开始前没有研究对象发生结局事件；E为基于设计或分析所得的队列的可比性；F为结局事件的评估；G为随访是否充分；H为随访的完整性。NOS：纽卡斯尔-渥太华量表。图 2 髌股关节痛发病人群（PFP）和未发病人群（Control）下肢关节角度Meta分析森林图Figure 2 Meta analysis forest map of lower limb joint angles in the population with patellofemoral joint pain（PFP）and the population withoutpatellofemoral joint pain（Control）杨 辰，万祥林，冯 茹：髌股关节痛生物力学危险因素的系统评价和Meta分析 57南京体育学院学报2023年（第22卷）第8期2项高质量研究16，21和3项中等质量研究17，18，20调查了受试者在功能性活动中的膝外翻。有限的证据表明较大的膝外翻是髌股关节痛的危险因素I2=97%，SMD=1.32，95%CI（0.36，2.29），见图 3A。亚组分析显示有限的证据表明较大的膝外翻不是男性髌股关节痛的危险因素I2=81%，SMD=0.43，95%CI（-0.26，1.12），见图3B，而非常有限的证据表明较大的膝外翻是女性髌股关节痛的危险因素I2=98%，SMD=2.49，95%CI（0.03，4.95），见图 3C。进一步针对膝外翻有关的5项研究进行敏感性分析发现，剔除Holden等18的研究后显示膝外翻结果不稳定I2=66%，SMD=0.11，95%CI（-0.19，0.41），见图4，说明Holden等18的研究是此项结果出现异质性的原因。图 3 髌股关节痛发病人群（PFP）和未发病人群（Control）膝外翻Meta分析森林图Figure 3 Meta analysis forest map of knee valgus in the population with patellofemoral joint pain（PFP）and the non affected population（Control）图 4 膝外翻敏感性分析Figure 4 Sensitivity analysis of knee valgus2.4.2 动力学1项高质量研究21和2项中等质量研究20，25调查了受试者在功能性活动中的下肢关节三维力矩和地面反作用力等变量。中等的证据表明膝外翻力矩不是髌股关节痛的危险因素I2=0%，SMD=0.08，95%CI（-0.20，0.35），见图5A。1项高质量研究24和1项中等质量研 58究23调查了受试者在功能性活动中的足底压力数据。有限的证据表明到达足跟外侧峰值力时间不是髌股关节痛的危险因素I2=28%，SMD=-0.32，95%CI（-0.72，0.07），见图5B；非常有限的证据表明到达第四跖骨峰值力时间不是髌股关节痛的危险因素I2=74%，SMD=-0.11，95%CI（-0.78，0.56），见图5C。图 5 髌股关节痛发病人群（PFP）和未发病人群（Control）动力学数据Meta分析森林图Figure 5 Meta analysis forest map of dynamic data for patients with patellofemoral joint pain（PFP）and those without disease（Control）2.4.3 肌电1项高质量研究22和 1项中等质量研究26调查了受试者在功能性活动中的表面肌电数据。非常有限的证据表明股内侧肌和股外侧肌激活时刻差值不是髌股关节痛的危险因素I2=98%，SMD=1.81，95%CI（-1.41，5.03），见图6。图 6 髌股关节痛发病人群（PFP）和未发病人群（Control）肌电数据Meta分析森林图Figure 6 Meta analysis forest map of electromyographic data from the population with patellofemoral joint pain（PFP）and the population withoutpatellofemoral joint pain（Control）3讨论该研究调查了11项前瞻性研究中关于髌股关节痛患者在损伤发生前完成功能性活动时所表现出的运动学、动力学和肌电特征，并通过Meta分析系统性地评价了髌股关节痛的生物力学危险因素。研究发现，功能性活动中的膝外翻增大可能是造成女性产生髌股关节痛的原因，但是纳入的研究之间存在较高的异质性。理论上，功能性活动中的膝外翻会造成髌骨相对于髂前上棘和胫骨转子位置向内移动，这可能增大Q角，从而增大髌骨在额状面上受到的向外合力27。同时，膝外翻引起的髌骨外移或外倾也可能导致髌骨与股骨的接触面积减小28。髌股关节受力增大与接触面积的减小会导致局部应力增加，从而造成髌股关节痛的出现10。体外研究也表明在膝屈20的情况下，Q角增大 10会造成髌股关节的接触压力相应增大45%29。因此，功能性活动中较大的膝外翻可能与髌股关节痛的发生存在一定的因果关系。该研究还发现较大的膝外翻可能是导致女性发生髌股关节痛的危险因素，但不会造成男性发生该损伤。髌股关节痛生物力学危险因素的性别特异性可能与男性和女性在身体结构、神经肌肉控制等方面的差异有关30。女性下肢结构相比于男性有更大的骨盆宽度与股骨长度比，这会造成女性 Q 角相比男性更大31。同时，女性髋外展和外旋肌群力量相对薄弱，这杨 辰，万祥林，冯 茹：髌股关节痛生物力学危险因素的系统评价和Meta分析 59南京体育学院学报2023年（第22卷）第8期会造成其在功能性活动中对于髋关节内收和内旋运动的控制下降32，这些因素都可能造成女性更容易出现动态膝外翻的情况33。有研究认为女性比男性更易产生髌股关节痛3，该研究也发现女性发病率（6.93%）要相对高于男性（5.09%）。因此，髌股关节痛的生物力学危险因素可能存在性别特异性，今后相关前瞻性研究应首先按性别将受试者进行区分。该研究发现膝外翻相关研究间存在较高的异质性，敏感性分析显示剔除Holden等18的研究后膝外翻不再是髌股关节痛的危险因素，这表明对于膝外翻的Meta分析结果稳定性较差，将膝外翻作为髌股关节痛危险因素的证据相对有限。研究间较高异质性的来源可能主要与测试动作、指标计算等因素的不同有关。Holden等18的研究通过平面拍摄的方式记录了女性青少年在落地起跳动作中二维膝外翻角位移，该指标通过着地初期到膝外翻最大时刻髋、膝和踝三点坐标所得向量角的差值来表示。Nakagawa等17的研究同样利用平面拍摄记录了男性军人群体的单腿下蹲动作，并通过最大膝屈时刻髋、膝和踝三点坐标所得向量角定义膝外翻。而其余3项研究则是通过欧拉角的计算方法获取膝关节三维角度，并通过落地起跳过程中膝关节外展角度的最大值或特征时刻值来表示膝外翻16，20，21。值得注意的是，Holden和Nakagawa等通过平面拍摄采集膝关节额状面角度时均发现膝外翻是髌股关节痛的危险因素，但通过欧拉角方法计算膝关节三维角度的研究则未发现相同的结果。这可能源于二维的膝外翻实际上结合了膝关节和髋关节在额状面和水平面的运动，受到股骨内收、内旋和胫骨外展、外旋的影响27，而这种综合运动可能才是造成髌股关节痛的主要原因。同时，由于获取二维膝外翻的方法更简单易行，且已被证明具备较高的信度，因此也被推荐用于临床上对髌股关节痛的鉴别34。该研究未发现除膝外翻之外的其他运动学、动力学和肌电特征为髌股关节痛的危险因素。现有前瞻性研究调查了大量功能性活动中的生物力学变量，很多变量也都被认为是髌股关节痛的危险因素11-12。但其中大部分变量都只被某一项研究结果所证实，且一些研究结果之间相互矛盾。这可能与研究设计选取的变量和统计法所造成的类错误增大有关，从而导致一些不重要的生物力学变量被认为是髌股关节痛的危险因素11。解决以上问题的方法是，在今后研究中应适当减少检测的变量数量或调低显著性水平。同时，研究间测试人群和动作、数据采集和计算方法等方面的不同又造成了结果的高度异质性。比如当前尚未形成统一的髌股关节痛纳入和排除标准，这导致对受试者的筛查在不同研究间存在差异11。又如各项研究所选取的生物力学变量也不统一，这就导致在进行Meta分析时可纳入同一数据池中的研究数量极少。今后应进行更多的前瞻性研究来探讨髌股关节痛的生物力学危险因素，且在研究设计上应形成相对统一的标准，以增加研究间的可比性。该研究结果可为髌股关节痛在临床上的预防和治疗提供一定理论基础。Holden等18发现膝外翻角位移10.6预测髌股关节痛的敏感性和特异性分别为0.75和0.85，并认为通过平面拍摄的方式获取的二维膝外翻可以在临床上用于筛查有较高髌股关节损伤风险的女性青少年运动员群体。Gwynne等35则发现二维膝外翻也可以用于鉴别和区分髌股关节痛患者和无损伤人群。因此，二维膝外翻对于筛查髌股关节痛高风险人群和发病人群都具有一定的临床实践意义，并可用于制订更有针对性的髌股关节痛预防与治疗方案。临床上对髌股关节痛的干预一般采取以神经肌肉功能训练为核心，辅助药物、护具、足部矫形器等保守方法36。但是有研究发现训练干预只能在短期内改善膝关节的疼痛和功能，而长期的临床治疗效果不佳，当前也尚未形成统一有效的训练内容和流程，这可能源于现有的干预方法并未有效针对髌股关节痛复杂的生物力学损伤机制37。该研究发现功能性活动中的膝外翻可能是女性髌股关节痛的危险因素，因此对女性的训练干预应着重加强其对动态膝外翻的控制。1例病例报告显示女性髌股关节痛患者通过3周的神经肌肉功能训练和纠正膝外翻的动作学习，其疼痛症状消除，且改善了膝外翻的错误动作模式38。该研究存在一定的局限性：（1）纳入Meta分析中的文献所涉及的受试者均为体力活动较多的群体，如军人、业余跑者和青少年运动员，而研究结果能否应用于大众群体尚不能确定；（2）膝外翻只进行了性别的亚组分析，未考虑研究间群体职业特征或测试动作特征的不同对研究结果的影响，而在不同群体或动作中也可能存在不同的危险因素。以上局限性主要源于当前针对髌股关节痛危险因素的前瞻性研究较少，而不同研究间所调查的生物力学变量有所不同，这也 60导致除膝外翻以外的其他结局指标的数据池中仅纳入了2项相关研究，且研究间存在较高的异质性。4结论功能性活动中的膝外翻可能是女性产生髌股关节痛的生物力学危险因素，而其他动力学与肌电特征可能不是髌股关节痛的危险因素。但由于相关研究数量较少，且研究间异质性较高，因此支持证据非常有限。目前可以考虑将动态膝外翻作为髌股关节痛高风险人群和发病人群的筛查条件，并在干预过程中加入减小膝外翻的训练。今后应开展更多前瞻性研究，并形成相对统一的指标评价体系，来确定髌股关节痛的生物力学危险因素。参考文献：1 CROSSLEY K M，STEFANIK J J，SELFE J，et al.2016 Patellofemoral pain consensus statement from the 4th InternationalPatellofemoral Pain Research Retreat，Manchester.Part 1：Terminology，definitions，clinical examination，natural history，patellofemoral osteoarthritis and patient-reported outcome measuresJ.Br J Sports Med，2016，50（14）：839-843.2 SMITH B E，SELFE J，THACKER D，et al.Incidence and prevalence of patellofemoral pain：A systematic review and meta-analysis J.PLOS ONE，2018，13（1）：e190892.3 BOLING M，PADUA D，MARSHALL S，et al.Gender differencesin the incidence and prevalence of patellofemoral pain syndromeJ.Scand J Med Sci Spor，2010，20（5）：725-730.4 COBURN S L，BARTON C J，FILBAY S R，et al.Quality of lifein individuals with patellofemoral pain：A systematic 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