Forschungsartikel

Verminderte Lungenfunktion mit abnormer Muskelaktivierung bei Kniearthrose und erhöhtem Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen

DOI:

10.3791/68958

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6. März 2026

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1Key Laboratory of Orthopedics and Traumatology of Traditional Chinese Medicine and Rehabilitation, Ministry of Education, Fujian University of Traditional Chinese Medicine, 2College of Rehabilitation Medicine, Fujian University of Traditional Chinese Medicine, 3Yangzhi Affiliated Rehabilitation Hospital of Tongji University, 4The Third People's Hospital of Fujian Province, 5National-Local Joint Engineering Research Center of Rehabilitation Medicine Technology, 6Faculty of Sports Sciences, Research Academy of Grand Health, Ningbo University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Diese Studie untersucht kardiopulmonale Funktion, körperliche Aktivität und Aktivierung der unteren Extremitäten bei Personen mit Kniearthrose (OA) und erhöhtem Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD). Wir fanden eine negative Beziehung zwischen niedrigerer maximaler freiwilliger Ventilation und stärkerer Aktivierung des Biceps femoris in der Knieartrose mit der CVD-Risikogruppe.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Studie hatte zum Ziel, die kardiopulmonale Funktion, körperliche Aktivität und Aktivierung der wichtigsten Untergliedmaßenmuskeln bei Personen mit Kniearthrose (OA) und erhöhtem Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) zu untersuchen. Insgesamt füllten 21 Personen mit Knieartrose und erhöhtem CVD-Risiko sowie 29 Personen mit isolierter Knieartrose den langformigen International Physical Activity Questionnaire (IPAQ) in einem Interviewformat aus. Die Lungenfunktion wurde durch Messung der erzwungenen Vitalkapazität (FVC) und der maximalen freiwilligen Belüftung (MVV) bewertet. Die kardiorespiratorische Fitness wurde mit einem auf dem Laufband basierenden kardiopulmonalen Trainingstest (CPET) mit einem modifizierten Bruce-Protokoll bewertet. Darüber hinaus wurden Oberflächenelektromyographiedaten (sEMG) von den Hauptmuskeln der unteren Gliedmaßen der symptomatischen Gliedmaße während Treppensteigen mit selbstgewählter, gewohnheitsmäßiger Geschwindigkeit erhoben. Im Vergleich zur Knie-OA-Gruppe zeigte die Knie-OA mit CVD-Risikogruppe signifikante Reduktionen bei intensiver körperlicher Aktivität, maximaler freiwilliger Beatmung (MVV) und einem geringeren Rückgang der Spitzensauerstoffaufnahme. Zusätzlich zeigte die Knieartrose mit erhöhter CVD-Gruppe eine stärkere Muskelaktivierung des Bizeps femoris (BF) beim Treppenauf- und Abstieg. Darüber hinaus wurde eine negative Beziehung zwischen einer niedrigeren MVV und einer stärkeren BF-Aktivierung in der Knieartrose mit der CVD-Risikogruppe beobachtet. Diese Ergebnisse deuten auf zwei Hauptschlussfolgerungen hin. Erstens dient sEMG als wertvolles nicht-invasives Werkzeug, um klinische Merkmale bei Knie-OA-Patienten mit Risiko für CVD zu identifizieren, indem aberrante Muskelaktivierung beim Treppensteigen erkannt wird. Zweitens ist bei diesen gefährdeten Personen die überlegene kardiovaskuläre Funktion mit einem ausgewogeneren Koordinationsmuster der Kniemuskulatur verbunden, was sich in der umgekehrten Beziehung zwischen MVV und Aktivierung des Biceps femoris widerspiegelt.

Einleitung

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Kniearthrose (OA) ist eine der Hauptursachen für Mobilitätsbehinderungen und betrifft 15 % der mittelalten und älteren Personen1. Es gibt zunehmende Belege, die Knieartrose mit einem erhöhten Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) in Verbindung bringen2,3,4. Personen mit Knieartrose haben oft mehrere Risikofaktoren für Herz-Kreislauf-Störung, darunter nichtsteroidale Antirheumatika und chronische Entzündungen5. Darüber hinaus ist die körperliche Inaktivität infolge von Knieartrose eine indirekte Ursache für ein erhöhtes CVD-Risiko5.

Reduzierte körperliche Aktivität aufgrund einer Kniegelenkerkrankung kann die Prävalenz des metabolischen Syndroms erhöhen, einschließlich Fettleibigkeit, Dyslipidämie, Insulinresistenz und Bluthochdruck 6,7,8,9, und erhöht dann das Risiko für CVD10,11. Darüber hinaus können körperliche Einschränkungen zu einer verminderten kardiopulmonalen Funktion führen (die sowohl die Lungenfunktion als auch die kardiovaskuläre Fitness umfasst), was stark mit einem erhöhten Risiko für CVD12,13 assoziiert ist. Daher können auch Personen mit Knieartrose, die ein erhöhtes CVD-Risiko aufweisen, eine verminderte kardiopulmonale Funktion nachweisen.

Abnormale Aktivierungsmuster der unteren Gliedmaßen könnten teilweise die Verringerung der körperlichen Aktivitäterklären 14. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass abnormale neuromuskuläre Aktivierungsmuster, wie eine stärkere Aktivierung des lateralen Gastrocnemius und des medialen Oberschenkels, mit stärkeren Knieschmerzen assoziiertsind 15,16. Umgekehrt wurden Reduktionen der medialen Muskelkontraktion im Knie mit einer Abnahme der Knieschmerzen während des Gangs bei Personen mit Knie-OA17 korreliert. Außerdem können starke Knieschmerzen die körperliche Aktivität verringern, insbesondere bei mäßiger bis intensiver körperlicher Aktivität 18,19, und dann die Herz-Lungen-Funktion negativ beeinträchtigen und zu einem erhöhten Risiko für Herz-Kreislauf-Störungen beitragen.

Treppensteigen, eine typische tägliche Aktivität, ist die Aufgabe, die bei Menschen mit Knieartrose häufig betroffen ist, und es kann ein besserer Indikator für körperliche Aktivitätseinschränkungen sein als andere Aktivitäten20,21. Personen mit Knieartrose würden die Muskelaktivität ändern, um Knieschmerzen zu minimieren und die Kniestabilisierung beim Treppensteigenaufrechtzuerhalten. Außerdem ist der Treppenstiegstest ein gültiger Ersatz für die direkte Beurteilung der kardiopulmonalen Funktion24. Daher kann die Untersuchung des Aktivierungsmusters der Muskeln in den unteren Extremitäten während des Treppengehens und dessen Zusammenhang mit der kardiopulmonalen Funktion einzigartige Einblicke in den Pathomechanismus eines erhöhten CVD-Risikos bei Patienten mit Knie-OA liefern.

Daher stellten wir die Hypothese auf, dass im Vergleich zu Personen mit isolierter Knie-OA Patienten mit erhöhtem Risiko für CVD eine verminderte körperliche Aktivität, eine verminderte kardiopulmonale Funktion und veränderte Aktivierungsmuster der Muskeln der unteren Extremitäten aufweisen. Darüber hinaus geht die Hypothese von einer Korrelation zwischen dem Rückgang der kardiopulmonalen Funktion der Patienten und abnormen Aktivierungsmustern in den unteren Extremitäten hin.

Nach unserem besten Wissen ist dies die erste Studie, die die Aktivierung großer unterer Gliedmaßenmuskeln beim Treppensteigen bei Personen mit Knieartrose und erhöhtem CVD-Risiko sowie den Zusammenhang zwischen kardiopulmonaler Funktion und Muskelaktivierung beim Treppensteigen untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie könnten Belege für die Entwicklung präziserer Rehabilitationspläne für diese Patientengruppe liefern.

Protokoll

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Laut der Erklärung von Helsinki wurde das Studienprotokoll vom Ethik-Institutionellen Überprüfungsausschuss des Dritten Volkskrankenhauses der Provinz Fujian (#2020KS-5-1) genehmigt und am 18. November 2020 auf der Website des chinesischen klinischen Studienregisters registriert (Kennnummer ChiCTR2000041115). Alle Teilnehmer legten schriftliche Formulare zur informierten Einwilligung zur Teilnahme an der Studie vor.

Teilnehmer
Hier wurden 29 Teilnehmer mit Knieartrose und 21 Teilnehmer mit Kniearrose sowie erhöhtem CVD-Risiko aus dem Third People's Hospital der Provinz Fujian und den benachbarten Gemeinden rekrutiert. Die Einschlusskriterien für die Knie-OA-Gruppe waren eine klinische Diagnose gemäß dem Diagnosis and Treatment of Osteoarthritis25 von 2019, einseitig oder beidseitig Kellgren/Lawrence (K/L) Grad ≥2, Alter 50–65 Jahre, sowie ein geringes oder kein CVD-Risiko, wie definiert durch die Vorhersage für das kardiovaskuläre Risiko in China (China-PAR)26. Die Gruppe für Knie-OA mit erhöhtem CVD-Risiko hatte das gleiche Alter und gleiche Knie-OA-Symptome wie die Knie-OA-Gruppe, hatte aber laut China-PAR ein mittleres oder hohes CVD-Risiko. Teilnehmer beider Gruppen wurden ausgeschlossen, wenn sie starke Rückenschmerzen, andere Gelenkschmerzen in den unteren Extremitäten, rheumatoide Arthritis, Frakturen, neurologische Systemerkrankungen, eine medizinische Vorgeschichte von Herz-Kreislauf-Störung und/oder Lungenerkrankungen hatten.

Datenerhebung
Diese Studie bewertete die körperliche Aktivität, Lungenfunktion, kardiopulmonale Fitness und Muskelaktivität der Probanden anhand des Langform-International Physical Activity Questionnaire (IPAQ)27, des Lungenfunktionstests, des kardiopulmonalen Belastungstests und der Oberflächenelektromyographie (sEMG; Abbildung 1).

Bewertung der körperlichen Aktivität
Das tägliche Aktivitätsniveau der Teilnehmer wurde anhand der chinesischen Version des Long Form International Physical Activity Questionnaire (IPAQ) bewertet; wobei die Validität und Zuverlässigkeit der chinesischen Version des International Physical Activity Questionnaire, Long Form (IPAQ-LC)27, im Interviewformat durchgeführt wurde, untersucht wurden. Diese Studie sammelte und analysierte im vergangenen Monat Daten zur körperlichen Aktivität während der Freizeit, häuslicher und Gartenarbeit (Garten), arbeitsbezogener und transportbezogener Aktivitäten mit dem IPAQ. Die Ergebnisse wurden in metabolisch-äquivalenten (MET)-Min/Woche angegeben, die durch Multiplikation der Anzahl von Minuten pro Woche durchgeführter Aktivitäten mit ihren jeweiligen MET-Werten berechnet wurden. Abschließend wurden die Ergebnisse in Geh, mäßige, intensive und insgesamt körperliche Aktivität eingeteilt. Fälle wurden von der Analyse ausgeschlossen, wenn Antworten bezüglich Zeit oder Häufigkeit als "nicht bekannt" gemeldet wurden, sich weigerten zu antworten oder fehlten.

Lungenfunktionstest
Vor dem Test führten wir eine Instrumentenkalibrierung durch. Die Kalibrierung umfasste Umweltvorbereitung, Volumenkalibrierung sowie Kalibrierung von Durchfluss-/Volumensensoren. Die Teilnehmer wurden angewiesen, zwei Stunden vor dem Experiment auf Nahrung zu verzichten.

Ein Nasenclip wurde angebracht, um einen exklusiven Munddurchfluss zu gewährleisten. Die Person schloss dann ihre Lippen um das Mundstück, um ein Auslaufen zu verhindern. Während des gesamten Manövers wurde starke verbale Ermutigung gegeben, um den Aufwand zu maximieren. Die Probanden wurden von erfahrenen Atemtherapeuten nach den Richtlinien der American Thoracic Society zum Pulmonary Function Test System (230 V, 50/60 Hz, 508 VA, IP20) gecoacht. Die Spirometrie umfasste Messungen der erzwungenen Vitalkapazität (FVC), des erzwungenen Ausatmungsvolumens in 1 Sekunden (FEV1), des erzwungenen Ausatmenvolumens in 1 S/erzwungener Vitalkapazität (FEV1/FVC) und der maximalen freiwilligen Belüftung (MVV). Jedes Subjekt erzeugte mindestens drei technisch akzeptable Manöver. Ein scharfer Ausatmungsbeginn ist für FVC- undFEV-1-Messungen erforderlich, und das Ausatmen muss mindestens 6 Sekunden dauern, mit weniger als 5 % Abweichung zwischen den Wiederholungsmanövern. Während des MVV-Tests wird die Testperson angewiesen, die tiefsten und schnellstmöglichen Atemmanöver für 12 Sekunden durchzuführen. Die besten Testergebnisse wurden vom Techniker ausgewählt, da sie die höchsten FVC, FEV1, MVV-Werte und die besten Durchflussvolumenkurven aufweisen.

Herz-Lungen-Belastungstest
Nach mindestens 5 Minuten durchgeführtem Lungenfunktionstest wurden ein 12-Kanal-Elektrokardiograph (EKG), eine automatische Manschette, eine Atemmaske und ein Sauerstoffphotometer angebracht, um Herzfrequenz, Elektrokardiograph, Blutdruck, Gasaustausch und Sauerstoffsättigung zu überwachen.

Die Teilnehmer durchliefen ein inkrementelles maximales CPET unter Verwendung des Laufbands und des modifizierten Bruce-Protokolls (siehe Tabelle 1). Die Ausgangswerte der Herz-Lungen-Linie wurden während einer 3-minütigen Ruhephase im Sitzen im Stuhl bewertet; Anschließend wurde ein 3-minütiges Aufwärmen auf einem Laufband mit einer Geschwindigkeit von 2,7 km/h und null Steigung durchgeführt. Nach dem Aufwärmen wurde die Trainingsintensität alle 3 Minuten gemäß dem modifizierten Bruce-Protokoll erhöht, mit aufeinanderfolgenden Stufen: 2,7 km/h bei 0 % Gefälle, 2,7 km/h bei 5 % Gefälle, 2,7 km/h bei 10 % Gefälle, 4,0 km/h bei 12 % Gefälle, 5,4 km/h bei 14 % Gefälle und 6,7 km/h bei 16 % Gefälle, Ziel ist es, den maximalen Einsatz zu erreichen. Das Festhalten an den Handläufen des Laufbands wurde nicht empfohlen; Einige Patienten benötigten jedoch die Handläufe, um ihr Gleichgewicht zu halten.

Der gesamte Test wurde von professionellen Kardiologen überwacht. Während der Ruhephase wurde der Blutdruck (BP) einmal gemessen und kontinuierlich mit einem 12-Kanal-EKG, Herzfrequenz (HR) und Oxyhämoglobinsättigung überwacht. Während der Trainingsphase wurden EKG, Herzfrequenz und Oxyhämoglobinsättigung kontinuierlich überwacht, und der ambulante Blutdruck, Symptome und Erschöpfungsgrad wurden alle 3 Minuten überwacht. Die Bewegung wurde unterbrochen, wenn die Teilnehmer die maximale Herzfrequenz erreichten, die Sauerstoffaufnahme nicht stieg, während die Belastung stieg, oder der wahrgenommene Wert (Bewertungen der wahrgenommenen Anstrengung (RPE) der Borg (6-20)28) höher als 17 war. Während der Erholung wurden EKG, Herzfrequenz und Oxyhämoglobinsättigung kontinuierlich überwacht, und der Blutdruck wurde alle 2 Minuten gemessen. Der Test wurde vorzeitig wegen Symptomen wie erheblicher Atemnot, Brustverengung oder Schwindel, fortschreitender ventrikulärer Ektopie > 3 Schlägen, neuer Vorhofflimmern, anhaltender Absenkung des systolischen Blutdrucks > 20 mmHg gegenüber dem vorherigen Stadium oder einer Vertiefung des ST-Segments von mehr als 5 mm abgebrochen.

Das Testpersonal war in Notfallverfahren versiert, mit essenzieller Ausrüstung (einschließlich Defibrillator, Sauerstoff und Atemmasken) und Medikamenten (z. B. Adrenalin, Atropin, Lidocain, Nitroglyzerin und Glukose) vor Ort. In jedem entscheidenden Fall wurde der Test sofort eingestellt. Das Management umfasste die Pflege der offenen Atemwege, die Verabreichung von Sauerstoff und die Einrichtung eines intravenösen Zugangs. Die anschließende Wiederbelebung und pharmakologische Maßnahmen folgten Advanced Cardiac Life Support (ACLS)-Protokollen, parallel zur Aktivierung des Notfallteams für den Patiententransfer.

Atemzugmessungen wurden von Sauerstoffaufnahme (VO2), Kohlendioxidabgabe (VCO2), minimaler Belüftung (VE), Partialdruck des Endtidalsauerstoffs (PETO2) und Kohlendioxid (PETCO2) durchgeführt. Die Herzfrequenz (HR) wurde im Abstand von 1 Sekunden gemessen. Der höchste Wert in den letzten 60 Sekunden des Trainings wurde definiert als VO2 Peak, VCO2 Peak, VEPeak, HRPeak und der Peak des Sauerstoffpulses (VO2 / HRPeak), PETO2 Peak, PETCO2 Peak. Die anaerobe Schwelle (AT) wurde durch den modifizierten V-Slope-Anflug29 definiert. Die Herzfrequenzreserve (HRR) wurde während der Trainingsphase als 220 - a - HerzfrequenzMaximal definiert, wobei a für das Alter steht und derPuls Max für die maximale Herzfrequenz steht.

sEMG-Signale der unteren Gliedmaßen beim Treppensteigen
Vor der Elektrodenplatzierung trugen die Teilnehmer einheitlich beschaffte Anta-Sportschuhe und führten fünf Treppenverhandlungstests durch. Diese Versuche wurden in einer selbstgewählten täglichen Gehgeschwindigkeit und ohne Handlauf durchgeführt. Jede Stufe war auf eine Breite von 100 cm, eine Höhe von 20 cm und eine Tiefe von 30 cm festgelegt. Die Geschwindigkeiten des Treppenaufstiegs und -abstiegs wurden von Infrarot-Zeitsystemen aufgezeichnet, die sowohl auf der ersten als auch auf der obersten Ebene positioniert waren. Die durchschnittlichen ±10 % der Geschwindigkeiten über die fünf Treppenverhandlungen wurden als normale Geschwindigkeit definiert. Offizielle Versuche mit Geschwindigkeiten, die von der Normalgeschwindigkeit abwichen, wurden von der späteren Analyse ausgeschlossen.

Die Haut über den Zielmuskeln wird dann durch Rasieren, leichtes Abrieben mit feinem Sandpapier und Reinigung mit 70 % Alkohol vorbereitet, um die Impedanz zu reduzieren und einen optimalen Kontakt zu gewährleisten. Nach der Hautpräparation wurden Oberflächen-EMG-Elektroden auf den Zielmuskelbauch angebracht. Die Studie verwendete ein drahtloses sEMG-System, um Muskelaktivitäten während der Haltungsphase bei einer Probefrequenz von 2000 Hz zu messen. Adhäsive vorgelierte Ag/AgCl-Elektroden (10 mm fester Abstand zwischen den Elektroden) wurden beidseitig am Tibialis anterior (TA), medial Kopf des Gastrocnemiusmuskels (MG), Bizeps femoris (BF), rectus femoris (RF), vastus medialis (VM), vastus lateralis (VL) platziert. Gluteus maximus (GMAX) und Gluteus medius (GMED) (siehe Tabelle 2). Anschließend führten die Teilnehmer für jeden untersuchten Muskel die maximale willkürliche isometrische Kontraktion (MVIC) durch, was in Amplitudennormalisierungstests verwendet wurde (siehe Tabelle 3). Die Teilnehmer wurden angewiesen, die Testaktion mit maximalem Aufwand für 4–5 Sekunden durchzuführen. Während jeder Prüfung wurde starke verbale Ermutigung gegeben. Dieses Verfahren wurde dreimal wiederholt, mit einem 2-minütigen Ruheintervall zwischen den Versuchen, um Ermüdung zu vermeiden. Nach dem MVIC-Test wurden die Teilnehmer gebeten, fünf erfolgreiche Versuche des Treppenaufstiegs und -abstiegs mit normaler Geschwindigkeit durchzuführen. Die sEMG-Daten während der Haltungsphase wurden in der dritten und vierten Stufe der individuellen achtstufigen Labortreppe ausgewählt.

Die Standphasen-sEMG-Signale von Treppenaufgaben und MVIC wurden in der Visual3D-Software verarbeitet. Die Rohdaten wurden zunächst Bandpass-gefiltert (20–450 Hz), Vollwellen-Gleichrichtung, mit einem 50-ms-Fenster des Wurzel-Mittelwerts (RMS) geglättet und schließlich mit 6 Hz Tiefpass-Filter, um eine lineare Hüllkurve zu erzeugen. Die Standphase wurde anhand der vertikalen Bodenreaktionskraft (>10 N Schwelle) bestimmt. Die lineare Hüllkurve für jede Standphase wurde zeitlich auf 101 Punkte und amplitudenmässig auf den entsprechenden Maximalwert von MVIC normalisiert. Schließlich wurde der RMS jeder normalisierten sEMG-Daten während der Haltungsphase berechnet, um das Ausmaß der Muskelaktivität widerzuspiegeln. Die Analyse konzentrierte sich auf das symptomatischere Knie bei den Probanden der beiden Gruppen. Wenn die Symptome beider Knie ähnlich waren, wurden Daten für das technologiedominante Gliedmaß ausgewählt.

Statistische Analyse
Alle statistischen Analysen wurden mit SPSS Statistics 25.0 durchgeführt. Alle Variablen wurden als mittlere ±Standardabweichung dargestellt. Der Shapiro-Wilk-Test wurde verwendet, um die Normalität aller quantitativen Variablen zu testen. Die Differenz der normalverteilten Variablen zweier unabhängiger Stichproben in Demografie, kardiopulmonalen Funktionsparametern und RMS wurde mittels unabhängiger Stichproben t-Tests bewertet; die Differenz der verzerrten Verteilungsvariablen wurde mit dem Kruskal-Wallis-Test bewertet. Die IPAQ-Ergebnisse und Unterschiede in K/L-Noten wurden mit dem Kruskal-Wallis-Test bewertet. Der Chi-Quadrat-Test wurde verwendet, um den Unterschied im Geschlecht zu vergleichen. Korrelationen zwischen verschiedenen und leistungsstarken Parametern der kardiopulmonalen Funktion (Spitze der Sauerstoffaufnahme (VO2 Peak), maximale freiwillige Beatmung (MVV) und RMS (Biceps femoris (BF)) bei Knie-OA mit CVD-Risikogruppe wurden mittels Spearman-Korrelationen nachgewiesen.

Ergebnisse

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Merkmale der Teilnehmer
Von den insgesamt 50 in dieser Studie eingeschlossenen Teilnehmern gehörten 29 zur Knie-OA-Gruppe und 21 zur Knie-OA-Gruppe mit erhöhtem CVD-Risiko. Zwischen den beiden Gruppen gab es keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich Alter, Körpergröße, Körpermasse, BMI, Geschlechterverteilung, Taillenumfang, Hüftumfang, Hüft-Hüft-Verhältnis oder K/L-Note. Zusätzlich unterschieden sich die Knie-OA-Gruppe und die Gruppe mit erhöhtem CVD-Risiko nicht signifikant im Knee Osteoarthritis Outcome Score (KOOS)-Wert30 (siehe Tabelle 4).

Bewertung der körperlichen Aktivität
Im Vergleich zur Knie-OA-Gruppe zeigte die Knie-OA mit CVD-Risikogruppe geringere Niveaus intensiver Aktivitäten (p = 0,044; siehe Tabelle 5). Dieses geringere Niveau intensiver Aktivität stützt die Hypothese, dass die tägliche körperliche Aktivität bei Patienten mit Knieartrose und einem Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen reduziert wird.

Lungenfunktionstest
Im Vergleich zur Knie-OA-Gruppe zeigten die Knie-OA- und CVD-Risikogruppen eine niedrigere maximale freiwillige Beatmung (MVV; p = 0,004; siehe Tabelle 6). Diese niedrigere MVV stützt die Hypothese, dass Patienten mit Knieartrose und erhöhtem CVD-Risiko eine beeinträchtigte Lungenfunktion haben.

Herz-Lungen-Belastungstest
Es wurde jedoch kein signifikanter Unterschied zwischen den beiden Gruppen in der kardiopulmonalen Fitness beobachtet (siehe Tabelle 6). Im Gegensatz zur aktuellen Hypothese war ein erhöhtes kardiovaskuläres Risiko nicht mit einer signifikanten Reduktion der kardiorespiratorischen Fitness bei Patienten mit Kniearthrose verbunden.

sEMG-Signale der unteren Gliedmaßen beim Treppensteigen
Bezüglich der Muskelaktivierungsparameter zeigte die Knie-OA-Gruppe im Vergleich zur Knie-OA-Gruppe mit CVD-Risikogruppe sowohl beim Treppenaufstieg (p = 0,013) als auch beim Abstieg (p= 0,001; siehe Tabelle 7) eine höhere BF-Aktivierung. Die erhöhte Aktivierung des BF stützt die Hypothese veränderter Aktivierungsmuster der Muskeln der unteren Extremitäten beim Treppensteigen bei Kniearthrosepatienten mit erhöhtem kardiovaskulärem Risiko. Außerdem wurde festgestellt, dass BF RMS während des Treppenaufstiegs signifikant mit MVV bei Knieartrose und CVD-Risikogruppe korreliert ist (r = −0,452, p = 0,040; siehe Tabelle 8). Diese Korrelation stützt die Hypothese, dass abnormale Aktivierungsmuster der Extremitätenmuskulatur bei Patienten mit Kniearthrose und CVD-Risiko mit verminderter Lungenfunktion assoziiert sind.

Im Vergleich zur Kniegruppe weist die Knie-OA in der CVD-Risikogruppe signifikant geringere intensive Aktivitäten, eine geringere MVV und eine stärkere Aktivierung des BF beim Treppensteigen auf. Darüber hinaus besteht eine negative Korrelation zwischen dem niedrigeren MVV und einer stärkeren BF-Aktivierung in der Knieartrose mit der CVD-Risikogruppe.

Datenverfügbarkeit:
Die während dieser Studie generierten Roh- und Verarbeitungsdatensätze enthalten sensible Patienteninformationen und sind nicht öffentlich zugänglich in einem vollständigen, unverarbeiteten Format, um die Privatsphäre der Patienten zu schützen. Deidentifizierte, verarbeitete Daten sind auf angemessene Anfrage des korrespondierenden Autors verfügbar. Alle Anfragen benötigen die Zustimmung des Ethikausschusses des Dritten Volkskrankenhauses der Provinz Fujian. Die Rohdaten werden auf den sicheren Servern des Dritten Volkskrankenhauses der Provinz Fujian archiviert und mindestens 10 Jahre nach der Veröffentlichung aufbewahrt.

Abbildung 1
Abbildung 1: Flussdiagramm des gesamten Experiments. Abkürzungen: K/L = Kellgren / Lawrence, CVD = Herz-Kreislauf-Erkrankung, China-PAR = Vorhersage des Risikos für Herz-Kreislauf-Erkrankungen bei Arteriosklerose in China, OA = Arthrose, IPAQ = International Physical Activity Questionnaire, sEMG = Oberflächenelektromyographie Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Tabelle 1: Modifiziertes Bruce-Protokoll des Laufband-testspezifischen Programms. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 2: sEMG-Platzierung. Abkürzungen: GMAX = Gluteus maximus, GMED = Musculus gluteus medius, BF = biceps femoris, VM = vastus medialis, VL = lateralis vastus, RF = rectus femoris, TA = tibialis anterior, MG = medialer Kopf des Musculus gastrocnemius, ASIS = vordere obere Wirbelsäule, PSIS = hintere obere Wirbelsäule. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 3: Muskel-MVIC-Test. Abkürzungen: MVIC = maximale willkürliche isometrische Kontraktion, GMAX = Gluteus maximus, GMED = Musculus gluteus medius, BF = bizeps femoris, VM = vastus medialis, VL = vastus lateralis, RF = rectus femoris, TA = tibialis anterior, MG = medialer Kopf des Musculus gastrocnemius. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 4: Merkmale zweier Gruppen. #: verzerrte verteilte Daten, *: normal verteilte Daten, &: kategoriale Daten. Abkürzungen: BMI = Body-Mass-Index, K/L-Note = Kellgren/Lawrence-Note, KOOS = Knee Osteoarthritis Outcome Score. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 5: Die körperliche Aktivität wurde von IPAQ in zwei Gruppen bewertet. #: verzerrte verteilte Daten. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 6: Herz-Lungenfunktion der beiden Gruppen. #: verzerrte verteilte Daten, *: normalverteilte Daten. Abkürzungen: VC = Vitalkapazität, FVC = erzwungene Vitalkapazität, FEV1 = erzwungenes Ausatmenvolumen in 1 Sekunde, FEV1/FVC = erzwungenes Ausatmenvolumen in einer Sekunde/erzwungene Vitalkapazität, MVV: maximale freiwillige Beatmung, VO2 Peak = Spitze der Sauerstoffaufnahme, RER = Atemwechselrate, VCO2 Spitze = Spitze der Kohlendioxidausstoß,VE-Spitze = Spitze der Minutenbeatmung, HRPeak = Spitze der Herzfrequenz, HRR = Herzfrequenzreserve, VO2/HR-Peak = Peak des Sauerstoffpulses, PETO2-Peak = Peak des Partialdrucks des End-Tidal-Sauerstoffs, PETCO2-Peak = Peak des End-Tidal-Kohlendioxids, AT = anaerobe Schwelle. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 7: Aktivierung der unteren Gliedmaßenmuskulatur während des Treppensteigens der beiden Gruppen. #: verzerrte verteilte Daten, *: normalverteilte Daten. Abkürzungen: GMAX = gluteus maximus, GMED = gluteus medius, RF = rectus femoris, VL = vastus lateralis, VM = vastus medialis, BF = bizeps femoris, TA = tibialis anterior, MG = medialer Kopf des Musculus gastrocnemius. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 8: Pearson-Korrelationskoeffizienten zwischen BF RMS und kardiopulmonaler Funktion. Abkürzungen: BF = Bizeps femoris, VO2 Peak = Spitze der Sauerstoffaufnahme, MVV = maximale freiwillige Beatmung. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Diskussion

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Dies ist die erste Studie, die kardiopulmonale Funktion, Muskelaktivierung und deren Zusammenhang bei Personen mit Knieartrose und erhöhtem Risiko für Herz-Kreislauf-Störungen untersucht. Im Einklang mit der Hypothese beobachteten wir, dass Personen mit Knieartrose und erhöhtem CVD-Risiko signifikant eine deutlich geringere maximale freiwillige Beatmung (MVV), eine stärkere Aktivierung des Biceps femoris (BF) beim Treppensteigen und geringere intensive Aktivitäten aufweisen. Darüber hinaus fand diese Studie einen negativen Zusammenhang zwischen MVV- und BF-Aktivierung während des Treppenaufstiegs.

Mit erhöhtem Risiko für Herz-Kreislauf-Störungen sind Personen mit Knieartrose in körperlicher Aktivität eingeschränkt, insbesondere bei intensiver Aktivität. Mangel an körperlicher Aktivität ist dervierte Risikofaktor für die globale Sterblichkeit und hat einen signifikanten Einfluss auf die Prävalenz von Krankheiten, darunter OA und CVD5. Der Zusammenhang zwischen intensiver Aktivität, Knieartrose und Risiko für Herz-Kreislauf-Störungen ist variabel und dynamisch: Eine frühere Studie zeigte, dass intensive Aktivität zwar stärkere Vorteile für OA bringt als leichte Aktivität31, eine längere Phase intensiver Aktivität jedoch nachteilige Auswirkungen auf mediale Knieknorpeldefekte haben und Schmerzen verschlimmern kann, was Menschen mit Knieartrose dazu bewegen kann, intensive körperliche Aktivität zu vermeiden32, 33. Bei Personen mit erhöhtem CVD-Risiko ist die Teilnahme an körperlicher Aktivität mit einem geringeren Risiko für CVD verbunden, aber intensives Verhalten bringt den größten Nutzen für das kardiovaskuläre Risiko34. Personen mit erhöhtem CVD-Risiko befürchten jedoch häufig, dass intensive Aktivität unerträglich ist und potenziell zu kardiovaskulären Ereignissenführt. Daher schlagen wir vor, dass Personen mit erhöhtem CVD-Risiko eine intensive körperliche Aktivität vermeiden sollten, da Symptome einer Knie-OA und Angst vor kardiovaskulären Ereignissen eine intensive körperliche Aktivität zeigen.

Außerdem ergab diese Studie, dass Personen mit Knieartrose und erhöhtem CVD-Risiko eine geringere MVV aufwiesen als Personen mit isolierter Knieartrose. Ein niedrigeres MVV weist auf eine verminderte Ausdauer der Atemmuskulatur bei Personen mit Knieartrose und erhöhtem CVD-Risiko36 hin. Der Rückgang der MVV kann durch Begleiterkrankungen wie Diabetes mellitus und Bluthochdruck beeinflusst werden, die zu mikrovaskulären Komplikationen führen können, die letztlich die Ausdauer der Atemmuskulaturbeeinträchtigen. In dieser Studie hatten die meisten Teilnehmer der Gruppe mit Knie-OA und erhöhtem CVD-Risiko Diabetes mellitus und Bluthochdruck, was möglicherweise zum niedrigeren MVV beigetragen hat. Ein niedrigerer MVV kann die Fähigkeit einer Person einschränken, eine größere und längere Belüftung aufrechtzuerhalten, um den Anforderungen des Gasaustauschs während des Trainings zu decken, was letztlich zu einer Reduzierung der moderaten bis intensiven körperlichenAktivität führt. Daher vermieden Personen mit Knieartrose und erhöhtem CVD-Risiko intensive körperliche Aktivität, die ebenfalls mit einer verminderten Lungenfunktion in Verbindung stehen kann.

Dieses Ergebnis stimmt jedoch nicht mit unserer Hypothese überein, da Personen mit Knieartrose und erhöhtem CVD-Risiko keinen signifikanten Rückgang der kardiopulmonalen Fitness zeigten. Traditionell ist derVO-2-Peak ein starker Indikator für die kardiopulmonale Fitness, wobei ein niedrigererVO-2-Peak mit einer höheren Tendenz zur Entwicklung eines zukünftigen CVD-Risikos41 verbunden ist. In dieser Studie zeigten Personen mit Knieartrose und erhöhtem CVD-Risiko nur eine leichte Reduktion desVO-2-Peaks. Wir vermuten, dass dies daran liegen könnte, dass das gesamte tägliche Aktivitätsvolumen bei diesen Personen nicht reduziert wurde. Eine frühere Studie hat ergeben, dass im Vergleich zu moderater Intensität intensive Aktivität einen überlegenen Einfluss auf denVO-2-Peak hat, aber auch das Trainingsvolumen ein wichtiger Faktor42 ist. In dieser Studie zeigten zwar Personen mit Knie-OA und erhöhtem CVD-Risiko eine Vermeidung intensiver Aktivitäten, aber das Ausmaß der intensiven Aktivität ist bei Personen mit isolierter Knie-OA begrenzt. Darüber hinaus gab es keinen signifikanten Unterschied im Gesamtaktivitätsvolumen zwischen den beiden Gruppen. Diese Ergebnisse könnten helfen, die erzielten Ergebnisse zu erklären.

Treppenverhandlungsschwierigkeiten und -schmerzen, häufig die frühesten Anzeichen von Kniearthrose (OA), können auf abnormale Aktivierungsmuster der unteren Extremitäten zurückzuführen sein, diedie Belastung des Kniegelenks verändern. In dieser Studie zeigten Personen mit Knie-OA und erhöhtem CVD-Risiko eine stärkere Aktivierung des Biceps femoris (BF) während des Treppenaufstiegs und -abstiegs als Personen mit isolierter Knie-OA. Der BF ist anatomisch sowohl mit dem Hüft- als auch mit dem Kniegelenk verbunden, und seine Aktivierung spielt eine Rolle bei der Kniebeugung sowie bei der Hüftstreckung43. Wie bereits dokumentiert, ist Quadrizeps-Schwäche bei Knieartrose häufig, und eine erhöhte Aktivierung des BF kompensiert diese Dysfunktion, indem die Last auf das nicht betroffene Hüftgelenkverlagert wird. Darüber hinaus hilft die erhöhte Aktivierung des BF, das Kniegelenk zu stabilisieren, indem sie die Produktion von Druckkraft erhöht und die vordere Translation des Schienbeinsreduziert. Veränderungen in der BF-Aktivierung können jedoch die normale Verteilung der Kniebelastung stören und so das Fortschreiten der Knie-OA43 verschärfen.

Im Einklang mit der Hypothese zeigten in der vorliegenden Studie Personen mit Knieartrose und erhöhtem CVD-Risiko eine moderate negative Korrelation zwischen höherer BF-Aktivierung und niedrigerem MVV. Ähnlich wie in dieser Studie fand eine frühere Studie, dass MVV bei Personen mit Sichelzellenanämie46 mit peripherer Muskulatur assoziiert ist. Der Rückgang der Atemmuskelkraft und -fitness steht im Zusammenhang mit einer verminderten Handgriffkraft46. In der vorliegenden Studie kann die Strategie, die Schwäche der Quadrizeps durch eine höhere Aktivierung von BF auszugleichen, zu motorischer Apraxie des Quadrizeps führen und bei Personen mit Risiko für Knieartrose und Herz-Kreislauf-Störung verschlimmern. Eine schwere Quadrizeps-Dysfunktion wirkt sich negativ auf die mäßig-intensive körperliche Aktivität47 aus, was mit einer Dysfunktion der Atemmuskulatur in Verbindung stehen kann und schließlich zu einer Abnahme des MVV48,49 führen kann.

Um unsere Hypothese weiter zu validieren, könnten mehrere alternative Ansätze angewandt werden. Bildgebende Studien (fMRT oder Röntgen) könnten beispielsweise die damit verbundenen Muskel- und Gelenkstrukturveränderungen im Knie direkt visualisieren und so anatomische Bestätigung für die verhaltensbezogenen und physiologischen Ergebnisse dieser Studie liefern. Darüber hinaus wäre die Longitudinal-Kohorten-Nachbeobachtung von unschätzbarem Wert, um den langfristigen Verlauf und die klinischen Ergebnisse des beobachteten Phänomens zu bestimmen und eine Kausalität über die im aktuellen Querschnittsdesign identifizierten Zusammenhänge zu etablieren.

Die negative Korrelation zwischen höherer BF-Aktivierung und niedrigerem MVV deutet ebenfalls auf den Wert von sEMG als nicht-invasive Methode zur Identifizierung abweichender Muskelaktivität während des Treppengangs hin, was klinischen Merkmale bei Personen mit Kniearthrose (OA) und erhöhtem Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) charakterisieren könnte.

Einschränkungen
Bei der Interpretation der Ergebnisse dieser Studie sollten mehrere Einschränkungen berücksichtigt werden. Erstens wird der mit dem China-PAR berechnete CVD-Risikoscore von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter Diabetes, Hyperlipidämie, Bluthochdruck und Taillenumfang. Die Studie ist jedoch eine Fall-Kontroll-Studie mit einer kleinen Stichprobengröße, was zu statistischer Verzerrung führen kann. Zukünftige Forschung sollte die Stichprobengröße erweitern und die Teilnehmer nach Risikoniveau (niedrig, mittel, hoch) stratifizieren. Weitere Studien sollten Interventionsstudien, multizentrische Kohorten oder mechanistische Untersuchungen umfassen, um die beobachteten Assoziationen zu überprüfen. Darüber hinaus hatten die meisten Personen in der Gruppe für Knieartrose und erhöhtes CVD-Risiko nur ein CVD-Risiko, anstatt eine eindeutige Diagnose einer Herz-Kreislauf-Erkrankung, was die Generalisierbarkeit der Ergebnisse einschränken könnte. Weitere Studien sind erforderlich, um die Biomechanik und kardiopulmonale Funktion von Personen mit Knieartrose und Herz-Kreislauf-Störung zu untersuchen.

Schlussfolgerungen
Diese Studie zeigte, dass Personen mit Knie-OA und CVD-Risiko einen relativ geringeren Rückgang der kardiopulmonalen Fitness erlebten als Personen mit isolierter Knie-OA. Sie zeigten jedoch auch eine Tendenz, intensive körperliche Aktivität zu vermeiden, sowie eine verminderte Lungenfunktion und eine verstärkte Aktivierung des Musculus Bizeps femoris. Außerdem wurde eine negative Korrelation zwischen reduziertem MVV und erhöhter BF-Aktivierung beobachtet.

Diese Ergebnisse deuten auf zwei zentrale Implikationen hin: Erstens dient sEMG als wertvolles nicht-invasives Werkzeug zur Charakterisierung klinischer Merkmale von gefährdeten Knie-OA-Patienten, indem es abweichende Muskelaktivierungsmuster während der Treppenbewegung erkennt. Zweitens sollten maßgeschneiderte Trainingsmaßnahmen für diese Zielgruppe zunächst darauf abzielen, das Muskelgleichgewicht rund um das Knie wiederherzustellen, gefolgt von schrittweise intensiven Aktivitäten zur Verbesserung der kardiopulmonalen Fitness und Lungenfunktion.

Offenlegungen

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Die Autoren erklären, dass sie keinen Interessenkonflikt haben.

Danksagungen

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Die Autoren sind allen Teilnehmern dankbar. Die Autoren erkennen außerdem das Untersuchungszentrum und die Bildgebende Abteilung des Dritten Volkskrankenhauses der Provinz Fujian für die Untersuchung der Teilnehmer an. Diese Studie wird finanziert vom Fujian Provincial Department of Science and Technology (Projektzuschussnummer 2020Y0053), dem National Key Clinical Specialty Discipline Construction Project of China (Z155080000004), dem Shanghai Research Center of Rehabilitation Medicine (Top Priority Research Center of Shanghai) (2023ZZ02027), der Natural Science Foundation der Provinz Fujian (Stipendium 2025-P-005, 2025E3005), Key Laboratory Open Subject (Projektzuschussnummer ZD2020-4-1), und der Nationalen Naturwissenschaftlichen Stiftung Chinas (Projektzuschussnummer 82074515).

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Dynamischer ElektrocardioscannerGE Healthcare2019001977Echtzeitüberwachung, wiederverwendbar
LungenfunktionstestsystemCarefusion Deutschland 234 GmbHV-919016Echtzeitüberwachung, wiederverwendbar
LaufbandLaufband HHLP/Cosmos180409Krabbenriemen, Geschwindigkeit und Steigung können angepasst werden
Drahtloses Biofeedback-SystemDelsysSP-W02C-1096Kabellos, EMG-Biofeedback, wiederverwendbar

Referenzen

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Knee OsteoarthritisCardiovascular Disease RiskPulmonary FunctionMuscle ActivationSurface ElectromyographyPhysical ActivityCardiopulmonary Exercise TestBiceps Femoris ActivationStair ClimbingMaximum Voluntary Ventilation

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