肖 军 樊碧发

（1 首都医科大学三博脑科医院疼痛科，北京100093；2 中日友好医院疼痛科，北京100029）

1886 年，英国的John K Spender 首次提出了骨性关节炎 (osteoarthritis, OA) 的概念，用来描述膝关节的退行性改变导致关节疼痛和活动受限[1]。几百年来，人们对于OA的发病机制仍在探索中。中国《骨关节炎诊疗指南（2018 版）》和国际骨关节炎研究协会2019 年《OARSI 非手术治疗膝、髋及多关节骨关节炎临床实践指南》等国内外相关指南认为：骨性关节炎是一种与损伤有密切相关不可逆性的退行性改变疾病，机械过负荷是其中的一种亚型。OA多发生于膝关节；膝骨性关节炎 (knee osteoarthritis, KOA) 始于膝关节的软骨面病理改变。有研究表明，生物力学因素在KOA 发病中起到了瀑布效应[2]，本文从生物力学的角度来解读KOA 疼痛的发病机制、临床诊治和康复等问题，以期为膝关节炎疼痛的早期预防、治疗和管理方面提供帮助。

一、 膝关节生物力学

1. 膝关节下肢力线和负荷

膝关节稳定性和下肢的力学轴线和解剖轴线相关，下肢力学轴线由股骨头中心经胫骨平台中心至踝关节中心。膝关节在正常负荷情况下，通过解剖轴向下均匀传导，任何改变膝关节轴线关系的病理状态都可能导致膝关节受力增大。膝内翻时，力线内移，胫股平台内侧受力增加，膝外翻时，外侧胫股平台受力增加；机械负荷加速了关节退行性改变，异常力线一旦形成，会使局部负荷加重并和力线异常形成恶性循环，导致膝关节产生炎症。

膝关节通常被认为是铰链关节。包括胫股关节和髌股关节，股骨内外侧髁大小不等，类似凸轮结构。膝关节的运动范围自过伸10o到屈曲130o，功能范围为0o～90o（下蹲为117o），旋转运动范围随不同的屈曲程度而变化，在屈膝90o时，外旋可达45o，内旋可达10o～30o。运动负荷也随之而改变，行走时胫股关节承受的力是体重的3 倍，而上楼梯时可达体重的4 倍；在下蹲或跑步时可升至体重的7 倍。 当各种负荷传达关节面时，在膝滑膜关节面产生应力，膝关节受到的应力是压力，但对周围的软组织、韧带、关节囊、肌肉则产生张力。当关节的负荷固定时，滑膜关节的接触面越大，平均压力就变小，对关节软骨面和其下的骨质影响就变小[3]。

2. 膝关节的力学稳定

膝关节的稳定来源于三个方面：由关节面和半月板的形状提供了结构稳定性，韧带和关节囊提供了静态稳定性，周围的肌肉提供了动态稳定性。尽管骨的构形在稳定膝关节方面有一定的作用，但膝关节的稳定性主要依靠关节周围的韧带和肌肉来维持。这些肌肉参与膝关节活动并对抗膝关节的外在负荷和稳定膝关节。膝骨性关节炎与周围肌肉的改变有着明显的相互作用，在0o～45o的屈膝动作过程中，股四头肌提供了一个向前方半脱位的力，由于股骨解剖轴线与胫骨解剖轴线呈向外开放的170o角，髌骨在角上，故有向外脱位的趋势，尤其在屈曲位、胫骨外旋、髌骨外移，由于股骨外髁的阻挡及股内侧肌的牵引，才能保持稳定状态，但也增加了股骨外髁的应力。

3. 膝关节生理和病理

适当的机械负荷对维持膝关节的生理平衡提供必要刺激，而过度的机械负荷却导致KOA 发生。膝关节的运动特点是由构成其关节的骨骼及韧带的作用所决定的，活动中最主要的运动模式是屈伸运动，除了屈伸运动外还有滚动、滑动、侧移和轴位旋转等复杂多自由度运动模式。正常情况下，骨形态和韧带结构正常，膝周的肌肉收缩就可以产生正常的各种运动。如果韧带和肌肉的结构及功能发生改变，膝关节骨的原有的力学轨迹也随之改变。膝关节内应力的改变导致膝骨关节发生滑膜炎，表现为滑膜细胞的增生和组织的肥大，受伤的滑膜细胞向关节腔内释放炎症介质和基质降解酶，从而使关节进入一种反馈性、进行性的关节退变。膝关节的外周感受器可能通过滑膜炎和软骨下骨损失等病理改变而发生敏化，持续而剧烈的伤害性感受可导致中枢敏化，继而导致中枢疼痛传导神经元可塑性改变形成神经病理性疼痛[4]。

1986 年Radin[5]等提出KOA 发病中软骨下骨的改变先于关节软骨退变，异常诱因或应力引起的骨转换和骨吸收异常可造成软骨下骨密度改变，其保护关节软骨的作用同时也继发性地引起软骨结构完整性的改变。膝关节内应力改变对关节间的压强产生了新的变动，并导致软骨下骨的重建失常。在KOA 的动物模型研究中发现，软骨下骨的骨重建失常是骨性关节炎的重要病理变化，软骨下骨的改变先于关节软骨退变[5]。

在KOA 发病早期，软骨下骨的骨重建以骨吸收为主，局部骨质疏松形成。病程后期软骨下骨的骨重建以骨形成为主，最终出现软骨下骨硬化、骨赘形成，最终其保护关节软骨的作用下降，继发性地引起关节软骨进行性变性和消失、滑膜慢性炎症及反应性增生等。

4. 胫股关节炎引起的疼痛

膝关节各关节面的软骨厚度不一，胫股关节软骨为全身最厚的软骨，胫骨外侧平台软骨较厚，内侧软骨相对较薄。胫股关节水平面的旋转运动是以内侧髁为中心。这种活动使膝关节内侧易损伤，临床所见KOA 病变往往以内侧较严重，甚至出现典型的内侧单腔室骨性关节炎。张英泽院士的膝关节“差异性沉降”理论[6]认为：胫骨平台内侧相对于外侧更容易出现骨质疏松后微骨折，微骨折导致内侧出现沉降现象，膝内侧间隙变窄导致膝内翻，最终发展为KOA，膝关节差异性沉降是KOA 发生发展的重要始动因素和关键因素。“差异性沉降”理论解释了KOA 病人关节疼痛、畸形的机制，并且已获得影像学及生物力学等多方面的支持[7,8]，这种差异性沉降会导致膝关节周围软组织逐渐失去平衡、牵拉骨膜、导致膝关节疼痛和活动受限。其典型膝关节负重位X 线片显示内侧间隙明显变窄，差异性沉降导致膝骨关节疼痛也被命名为膝关节失衡综合征。膝关节失衡导致的持续牵拉使其形成了一个弓弦状结构，腓骨向外弧形突出，而腓骨截骨术就是破坏了弓弦结构，重建膝关节的平衡，因此能够迅速缓解膝骨关节疼痛。

胫股关节内力的传递和应力分布与正常的半月板和关节软骨的功能密切相关。在膝关节的运动和受力相中，由于具有黏弹特性半月板随着关节活动的相对位移，使关节间的压强变化趋于缓和。半月板和关节软骨的多因素和多靶点损伤均可导致膝关节力的分布和传导的改变；而膝关节内应力的改变会引发膝骨关节发生滑膜炎，表现为滑膜细胞的增生和组织的肥大，受伤的滑膜细胞向关节腔内释放炎症介质和基质降解酶，从而使关节进入一种反馈性、进行性的病理改变。膝关节的外周感受器可能通过滑膜炎和软骨下骨损失等病理改变而发生敏化，持续而剧烈的伤害性感受可能导致中枢敏化继而导致中枢疼痛传导神经元改变形成神经病理性疼痛[9]。骨性关节炎的蛋白标记物也提供了重要的证据，如C 反应蛋白和红细胞沉降率以及炎症介质：白介素、肿瘤坏死因子、前列腺素、环氧化酶、一氧化氮等的变化[10]。

5. 髌股关节炎导致的疼痛

自1971 年Kaufer 发表了有关髌骨生物力学的研究报道后，人们才逐渐改变了以往对髌骨的错误认识。在这以前，许多人认为髌骨是一块可有可无的附属结构，甚至有一些学者还认为髌骨在伸膝机制中起着负面的作用。

髌骨和股骨滑车面形成髌股关节，髌股关节为一滑动装置，以股四头肌及髌韧带为拉力带，屈伸膝关节时由髌骨的内侧和外侧关节面滑行于股骨髁间形成的滑车沟及两侧关节面上，髌骨的两侧有稍厚的支持带限制髌骨的侧方活动；髂胫束也有一部分纤维连接于髌骨外上方，对髌骨有一定的约束。髌骨活动受到股四头肌控制，髌骨脱位往往发生于股四头肌的内外侧肌力不平衡，并且在外侧髌股支持带及髂胫束紧张、内侧髌股支持带松弛、股四头肌内侧头尤其是斜头萎缩、外旋时胫骨粗隆将髌韧带拉向外方等情况下。髌骨的运动轨迹发生改变后其内下缘和股骨外髁之间形成剪力，导致髌股关节对位不良，在髌股关节间产生很大的接触压力，最终形成髌股骨关节炎（也叫髌骨软化症），其在正常人群患病率为36.2%。叶启彬等[11]对病变区的软骨及软骨下骨标本进行超微结构研究和免疫组化分析发现：关节软骨坏死与所受到的异常压力负荷成正比，而局部软骨细胞的修复能力则与病变程度及所受压力成反比。髌股骨关节炎是由于髌股关节的生物力学紊乱，髌骨半脱位或侧倾，髌股外侧小关节压力过度集中和磨损，而内侧缺乏应力刺激，从而导致髌股关节面的软骨出现水肿、软化，进而碎裂脱落，软骨下骨质裸露、增生硬化。晚期软骨结构遭到完全破坏，无自身修复能力。

二、膝骨性关节炎的生物力学矫治

随着下肢生物力学研究的进展，生物力学疗法逐渐被临床重视，其治疗KOA 的方式主要包括物理疗法、运动疗法和微创介入疗法，目的是减轻疼痛、恢复膝关节的正常功能，通过纠正膝关节周围肌力不平衡、关节失稳来解除膝关节疼痛。

1.物理疗法

物理疗法可解除肌肉痉挛，有助于改善缺血状态，减轻KOA 肿胀。将物理因子作用于膝关节后，通过神经体液系统引起的应答反应来促进骨、关节、肌肉周围神经或中枢神经系统引起的运动功能的恢复；主要有电刺激疗法、生物反馈技术、水疗和磁疗等；郭开今等[12]采用选择性股内侧肌电刺激治疗髌骨软化症，通过选择性电刺激股四头肌内侧头使肌力增强，缓解症状及矫治髌骨半脱位。该疗法用于髌骨软化症的非手术治疗，其有效率达90%。田民等[13]采用康复支架治疗KOA，可有效改善临床症状和膝关节的稳定性。肌电生物反馈疗法可增强股四头肌肌力和抗疲劳能力[14]，能有效减轻KOA病人膝痛，改善静态平衡能力。冲击波疗法[15]主要松解KOA 粘连，并使靶点组织周围的化学介质发生改变，启动机体的自我修复程序，使KOA 的慢性炎症得到控制。

2. 运动疗法

运动疗法主要通过加强肌力训练改善膝关节活动度、增加膝关节周围肌肉力量，膝关节周围肌肉协调能力得到改善，从而减轻膝关节负荷，缓解疼痛症状。患侧膝关节长时间制动和废用会使已受损的关节生物力学平衡进一步失衡，导致有氧能力、肌肉力量、肌肉容积的降低和依赖性的增加，最终导致软骨损坏加重及功能障碍。股四头肌肌肉力量是决定膝关节运动功能的主要因素，多篇文献研究报道，除年龄因素外，股四头肌、小腿肌群和臀部肌群明显受损与KOA 相关，林剑浩等[16]认为运动疗法因其安全性、有效性和经济性，应该被广泛应用于膝骨性关节炎的一线治疗。Hiyama 等[17]针对KOA 病人进行了一项长达4 周的步行训练，试验组每天增加行走步数，至试验结束增加3000 步以上，结果表明，试验组无论是步速还是关节功能都显著提高。有确凿的证据显示，规范的运动可短时间内减轻KOA 病人的疼痛和改善关节功能，长期运动训练可以获得更好地疗效；医师应建议病人运动锻炼，有规律地轻度到中度身体活动对KOA 的预防和治疗均有作用。在临床管理中，应为病人提供个体化的运动疗法处方[18]。

3. 针刺疗法

针刺治疗膝关节疼痛有悠久的历史，除了针刺产生内源性吗啡镇痛外，针刺对膝周软组织炎症的组织修复作用是当前的一个科研热点；临床上浮针疗法[19]治疗膝骨关节疼痛的靶目标为患肌的激痛点，通过快速解除关节周围肌肉紧张、痉挛，缓解膝关节疼痛，改善活动范围，增加患肌的血流量，消除膝痛根源。银质针疗法[20]可促进病变区血液循环，加速致痛物质的排除，通过缓解股内、外侧肌群甚至臀肌的肌痉挛来解除膝骨关节疼痛；解除内、外侧副韧带的粘连，恢复膝关节的正常力学状态，消除无菌性炎症。

4. 微创介入及手术治疗

根据“生物力学”理论，通过纠正膝骨性关节炎病人膝关节的力学异常，恢复下肢力线，达到缓解疼痛、恢复膝关节功能的治疗目的。其理论在改善影像学特征、缓解疼痛等方面已获得医学界广泛认可，并且在推迟膝关节置换时间上也获得肯定。其中微创截骨术是Jackson 于1960 年首次报道，通过胫骨高位截骨术治疗KOA[21]，手术方法亦经过多次改良和演变，较常用的术式为外侧闭口楔形截骨术和内侧开放楔形截骨术；腓骨截骨术是2014 年由张英泽等[6]提出并用来治疗KOA，以“差异性沉降”理论为基础，通过单纯截除骨近端纠正胫骨平台不均匀沉降，解除膝内侧压力和炎症，缓解膝关节疼痛。马同敏[22]等采用前瞻性研究，将32 例严重KOA 病人分为腓骨截骨组和神经阻滞 + 玻璃酸钠注射治疗组，结果表明，单纯腓骨近端截骨术可有效缓解临床症状，松解膝关节外侧软组织张力，减轻疼痛，病人术后即刻负重行走，缩短卧床时间，进一步减少并发症的发生。近几年国内外学者采用膝周痛点射频热凝治疗KOA 疗效较好[23]，比神经阻滞治疗效果更持久，有望成为治疗顽固性KOA的有效手段。

三、挑战与未来

KOA 和人们的劳动、生活密切相关。膝关节周围肌力下降、关节失稳和疼痛三者之间容易形成恶性循环；膝关节生物力学的应用一直是临床研究焦点，近期的筋膜学研究也推动了临床运动医学和疼痛诊疗医务人员对生物力学疗法的重视；由于临床上不同KOA 病人的膝关节解剖结构存在一定差异，因此相较于单一药物治疗，生物力学疗法因为更注重个体化治疗而表现出更多的优势[24]，Felson[25]研究认为，相较于应用非甾体消炎镇痛药，生物力学疗法能够更为持久地减轻疼痛、恢复关节活动功能，这些证据均有力地说明了生物力学疗法未来治疗KOA 中的重要地位。

KOA 病因多、机制复杂，早期诊断、预防和管理是治疗KOA 的主要目标；生物力学矫治是KOA 早期诊疗的一个思路和方法；为了更好的指导基于生物力学机制来治疗KOA，需要国内外学者参与到KOA 的生物力学机制研究中，进一步整合现有的微创治疗技术，提高科研设计严谨性，使更多慢性膝骨关节疼痛的病人受益。