Исследовательская статья

Снижение функции лёгких с аномалической активацией мышц при остеоартрите колена и повышенном риске сердечно-сосудистых заболеваний

DOI:

10.3791/68958

⸱

6 марта 2026 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

В данном исследовании рассматриваются функции сердечно-лёгочной системы, физическая активность и активация мышц нижних конечностей у пациентов с остеоартритом колена (ОА) и повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ). Мы обнаружили негативную связь между низкой максимальной добровольной вентиляцией и активацией большего бицепса бедра при ОА колена с группой риска ССЗ.

Аннотация

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

Целью данного исследования было изучение функции сердечно-легочной системы, физической активности и активации основных мышц нижних конечностей у людей с остеоартритом колена (ОА) с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ). Всего 21 человек с ОА колена и повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний, а также 29 человек с изолированным ОА колена заполнили длинную форму Международного опросника по повышенной физической активности (IPAQ) в формате интервью. Функция лёгких оценивалась с помощью измерения принудительной жизненной ёмкости (FVC) и максимальной добровольной вентиляции воздуха (MVV). Кардиореспираторная пригодность оценивалась с помощью кардиопульмонального теста на беговой дорожке (CPET) с модифицированным протоколом Брюса. Кроме того, данные поверхностной электромиографии (sEMG) были собраны с основных мышц нижней конечности симптоматической конечности во время задач по подъёму по лестнице, выполняемых с выбранной, привычной скоростью. По сравнению с группой с остеоартритом колена, группа риска ОА с ССЗ демонстрировала значительное снижение интенсивной физической активности, максимальную добровольную вентиляцию (MVV) и меньшее снижение пикового поглощения кислорода. Кроме того, остеоартрит колена с увеличенной группой ССЗ показал большую активацию мышц бицепса бедра (BF) при подъёме и спуске по лестнице. Кроме того, наблюдалась отрицательная связь между низким МВВ и большей активацией БФ при ОА колена с группой риска ССЗ. Эти выводы дают два основных вывода. Во-первых, sEMG служит ценным неинвазивным инструментом для выявления клинических признаков у пациентов с остеоартритом колена с риском сердечно-сосудистых заболеваний, выявляя аномальную активацию мышц при подъёме по лестнице. Во-вторых, среди этих людей из группы риска улучшенная функция сердечно-сосудистых заболеваний связана с более сбалансированной координацией мышц колена, что отражено в обратной связи между активацией MVV и бицепса бедра.

Введение

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

Остеоартрит колена (ОА) является одной из ведущих причин инвалидности подвижности, затрагивая 15% людей среднего и пожилоговозраста 1. Всё больше данных связывают остеоартрит колена с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ)2,3,4. У людей с ОА колена часто есть несколько факторов риска СЗ, включая нестероидные противовоспалительные препараты и хроническоевоспаление 5. Кроме того, физическая неактивность, вызванная остеоартритом колена, является косвенной причиной повышенного риска сердечно-сосудистыхзаболеваний 5.

Снижение физической активности из-за расстройства коленного сустава может увеличить распространённость метаболического синдрома, включая ожирение, дислипидемию, инсулинорезистентность игипертонию 6,7,8,9, а затем увеличивать рискССЗ 10,11. Кроме того, ограничения физической активности могут привести к снижению сердечно-легочной функции (включая как функцию лёгких, так и кардиореспираторную приспособленность), что тесно связано с повышенным риском сердечно-сосудистогозаболевания 12,13. Поэтому у людей с ОА колена, которые демонстрируют повышенный риск сердечно-сосудистых заболеваний, также может наблюдаться снижение сердечно-легочной функции.

Аномальные паттерны активации мышц нижних конечностей могут частично объяснить снижение физическойактивности 14. Предыдущие исследования показали, что аномальные паттерны нейромышечной активации, такие как усиление латерального гастрокнемиуса и медиального подколенного сустава, связаны с более сильной болью вколене 15,16. Напротив, снижение сокращения медиальных мышц колена связано с уменьшением боли во время походки у людей с остеоартритом17 колена. Кроме того, сильная боль в колене может снижать физическую активность, особенно при умеренной и интенсивнойфизической активности 18,19, а затем негативно сказываться на функции сердечно-лёгочных и повышать риск сердечно-сосудистых заболеваний.

Подъём по лестнице — типичная ежедневная активность, часто встречается у людей с ОА колена и может быть лучшим показателем ограничения физической активности по сравнению с другими видами деятельности20,21. Люди с ОА колена изменяют мышечную активность, чтобы минимизировать боль в колене и поддерживать стабилизацию колена при подъёмепо лестнице 22,23. Кроме того, тест на подъём по лестнице является валидным заместителем для прямой оценки функции сердечно-легочнойсистемы 24. Поэтому изучение паттерна активации мышц нижних конечностей при ходьбе по лестнице и его связи с функцией сердечно-лёгочных систем может дать уникальные представления о патомеханизме повышенного риска сердечно-сосудистых заболеваний у пациентов с остеоартритом колена.

Таким образом, мы выдвинули гипотезу, что по сравнению с пациентами с изолированным ОА колена, у пациентов с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний наблюдается снижение физической активности, снижение функции сердечно-легочной системы и изменённые паттерны активации мышц нижних конечностей. Кроме того, гипотеза предполагает корреляцию между снижением сердечно-лёгочной функции пациентов и аномальными паттернами активации в нижних мышцах конечностей.

Насколько нам известно, это первое исследование, изучающее активацию основных мышц нижних конечностей при подъёме по лестнице у людей с остеоартритом колена и повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний, а также связь между функцией сердечно-лёгочных и активацией мышц при подъёме по лестнице. Результаты этого исследования могут стать доказательствами для разработки более точных планов реабилитации для этой группы пациентов.

Протокол

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

Согласно Хельсинкской декларации, протокол исследования был утверждён Институциональным советом по этике Третьей народной больницы провинции Фуцзянь (# 2020KS-5-1) и зарегистрирован на сайте Китайского реестра клинических испытаний 18 ноября 2020 года (идентификатор ChiCTR2000041115). Все участники предоставили письменные формы информированного согласия на участие в исследовании.

Участники
Здесь были привлечены 29 участников с ОА колена и 21 участник с ОА и повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний из Третьей народной больницы провинции Фуцзянь и соседних сообществ. Критерии включения в группу с остеоартритом колена включали клинический диагноз согласно Диагностике и лечениюостеоартрита 25 за 2019 год, односторонний или двусторонний уровень Келлгрена/Лоуренса (K/L) ≥2, возраст 50-65 лет, а также низкий или отсутствующий риск сердечно-сосудистых заболеваний, определённый в Прогнозе риска сердечно-сосудистых заболеваний атеросклероза в Китае (China-PAR)26. У ОА колена с повышенным риском ССЗ были те же возрастные и симптомы ОА, что и у группы с ОА колена, но по данным China-PAR имели средний или высокий риск сердечно-сосудистых заболеваний. Участники обеих групп были исключены, если у них была сильная боль в спине, другие боли в суставах нижних конечностей, ревматоидный артрит, переломы, неврологическая патология, медицинская история сердечно-сосудистых заболеваний и/или заболевания лёгких.

Сбор данных
В данном исследовании оценивалась физическая активность, функция лёгких, кардиопульмональная и мышечная активность участников путём проведения длительной анкеты Международной анкеты по физической активности (IPAQ)27, теста функции лёгких, кардиопульмональных упражнений и поверхностной электромиографии (sEMG; Рисунок 1).

Оценка физической активности
Уровень ежедневной активности участников оценивался с помощью китайской версии Long Form International Physical Activity Questionnaire (IPAQ; проверяющей достоверность и надежность китайской версии Международного анкеты по физической активности, длинной формы (IPAQ-LC)27, проводимой в формате интервью. В этом исследовании были собраны и проанализированы данные о физической активности в свободное время, домашней и садоводческой деятельности (двор), рабочих и транспортных активностях за последний месяц с использованием IPAQ. Баллы были представлены в метаболическом эквиваленте (MET)-минуты в неделю, которые рассчитывались путём умножения количества мин, выполненных в неделю, на соответствующие значения MET. Наконец, оценки были разделены на ходьбу, умеренную, энергичную и полную физическую активность. Случаи исключались из анализа, если ответы о времени или частоте были указаны как «не знаю», отказывались отвечать или отсутствовали.

Тест функции лёгких
Перед испытанием мы провели калибровку приборов. Калибровка включала подготовку окружающей среды, калибровку объёма и калибровку датчиков потока/объёма. Участникам было рекомендовано воздерживаться от пищи за 2 часа до начала эксперимента.

Для обеспечения эксклюзивного потока воздуха в рот был установлен носовой зажим. Затем испытуемый запечатал губы вокруг мундштука, чтобы предотвратить протеканье. На протяжении всего манёвра сопровождалась сильная словесная поддержка для максимизации усилий. Участников обучали опытные респираторные терапевты, используя рекомендации Американского торакального общества по системе тестирования функции лёгких (230 В, 50/60 Гц, 508 VA, IP20). Спирометрия включала измерения принудительной жизненной ёмкости (FVC), принудительного выдохового объёма за 1 секунду (FEV, 1 FEV), принудительного выдоха при 1 с/принудительной жизненной ёмкости (FEV1/FVC) и максимальной добровольной вентиляции (MVV). Каждый испытуемый создал как минимум три технически приемлемых манёвра. Для измерения FVC иFEV-1 требуется резкое начало выдыха, а выдох должен длиться не менее 6 секунд с вариацией между повторными манёврами менее 5%. Во время теста MVV испытуемому предлагается выполнить самые глубокие и быстрые дыхательные манёвры в течение 12 секунд. Лучшие результаты тестирования были выбраны техником с самыми высокими значениями FVC,FEV 1, MVV и лучшими кривыми объёма расхода.

Кардиопульмональный тест на упражнения
После проведения теста функции лёгких не менее 5 минут были установлены 12-выводный электрокардиограф (ЭКГ), автоматическая манжета, дыхательная маска и кислородный фотометр для мониторинга пульса, электрокардиографа, артериального давления, газообмена и насыщения кислородом.

Участники проходили постепенный максимальный CPET с использованием беговой дорожки и модифицированного протокола Брюса (см. таблицу 1). Исходные сердечно-легочные показатели оценивались во время 3-минутного периода отдыха в кресле; После этого на беговой дорожке проводилась 3-минутная разминка со скоростью 2,7 км/ч при нулевой подъёме. После разминки интенсивность упражнений увеличивалась каждые 3 минуты согласно протоколу Modified Bruce, с последовательными этапами: 2,7 км/ч при уклоне 0%, 2,7 км/ч при уклоне 5%, 2,7 км/ч при уклоне 10%, 4,0 км/ч при уклоне 12%, 5,4 км/ч при уклоне 14% и 6,7 км/ч при уклоне 16%, целью достичь максимальных усилий. Держаться за поручни беговой дорожки не рекомендовался; однако некоторым пациентам нужны были поручни для поддержания равновесия.

Весь тест контролировали профессиональные кардиологи. Во время фазы покоя артериальное давление (АД) измерялось один раз и непрерывно контролировалось с помощью 12-проводной ЭКГ, частоты сердечных сокращений (ЧС) и насыщения оксигемоглобина. Во время тренировки ЭКГ, пульс и насыщение оксигемоглобина постоянно контролировались, а амбулаторное давление, симптомы и уровень усталости — каждые 3 минуты. Упражнения прекращались, когда участники достигали максимального пульса, или если поглощение кислорода не увеличивалось при увеличении нагрузки, либо воспринимаемый балл (оценка воспринимаемой нагрузки (RPE) Борга (6-20)28) превышал 17. Во время восстановления ЭКГ, пульс и насыщение оксигемоглобина постоянно контролировались, а давление измерялось каждые 2 минуты. Тест был преждевременно прерван из-за таких симптомов, как значительная одышка, сужение грудной клетки или головокружение, прогрессирующая желудочковая эктопия > 3 удара, новая фибрилляция предсердий, устойчивое снижение систолического давления > 20 мм рт. ст. по сравнению с предыдущей стадией или подавление сегмента ST более 5 мм.

Персонал по тестированию хорошо разбирался в экстренных процедурах, имея необходимое оборудование (включая дефибриллятор, кислород и дыхательные маски) и лекарства (например, эпинефрин, атропин, лидокаин, нитроглицерин и глюкозу) на месте. В случае критического события тест немедленно прекращается. Управление включало поддержание открытых дыхательных путей, введение кислорода и установление внутривенного доступа. Последующие реанимации и фармакологические вмешательства соответствовали протоколам передовой кардиологической поддержки жизни (ACLS), одновременно с активацией команды экстренного реагирования для переноса пациентов.

Были проведены измерения поглощения кислорода (VO 2), выброса углекислого газа (VCO2), минутной вентиляции (VE), парциального давления кислорода в конце прилива (PETO 2) и углекислого газа (PETCO 2). Частота сердечных сокращений (ЧС) фиксировалась с интервалом в 1 с. Максимальное значение в последние 60 секунд упражнений определялось какVO 2 пика, VCO2 пика,VE пик, пик пульсаи пик кислородного пульса (VO 2 /HR пик),PETO 2 пик,PETCO 2 пик. Анаэробный порог (AT) был определён модифицированным подходом с V-образнымуклоном 29. Резерв сердечного ритма (HRR) был определен как 220 - a - Heart Max во время фазы упражнений, где a означает возраст, апульс Max — максимальный пульс.

sEMG сигналы нижних конечностей при подъёме по лестнице
До установки электродов участники носили равномерно приобретённую спортивную обувь Anta и провели пять испытаний по переходу по лестнице. Эти испытания проводились с выбранной самостоятельно ежедневной скоростью ходьбы и без использования перил. Каждая ступень фиксировалась на ширине 100 см, высоте 20 см и глубине 30 см. Скорость подъёма и спуска по лестнице фиксировалась с помощью инфракрасных систем тайминга, расположенных как на первой, так и на верхней ступеньках. Средняя скорость ±10% на пяти испытаниях по лестнице определялась как нормальная скорость. Официальные испытания со скоростью, отклоняющейся от нормальной, были исключены из дальнейшего анализа.

Кожа над целевыми мышцами затем готовится путем бритья, лёгкой обработки мелкозернистой наждачной бумагой и очистки 70% спиртом для снижения импеданса и обеспечения оптимального контакта. После подготовки кожи поверхностные электроды ЭМГ устанавливались на мышечные животы. В исследовании использовалась беспроводная система sEMG для измерения мышечной активности во время фазы стойки на частоте отбора пробы 2000 Гц. Клеевые предварительно гелированные электроды Ag/AgCl (10 мм фиксированного расстояния между электродами) были размещены с двусторонней стороны на переднюю большеберцовую мышцу (TA), медиальную головку гастрокнемиус мышцы (MG), бицепс бедра (BF), прямую мышцу бедра (RF), vastus medialis (VM), vastus lateralis (VL), Мышцы большого ягодичного мышца (GMAX) и среднего ягодичного мышца (GMED) (см. таблицу 2). Затем участники выполняли максимальное добровольное изометрическое сокращение (MVIC) для каждой исследуемой мышцы, что использовалось в амплитудных нормализационных тестах (см. таблицу 3). Участникам было предложено выполнить испытательное действие с максимальными усилиями в течение 4-5 секунд. В каждом процессе была сильная словесная поддержка. Эта процедура повторялась 3 раза с интервалом в 2 минуты отдыха между испытаниями для предотвращения усталости. После теста MVIC участникам предлагалось выполнить пять успешных испытаний подъёма и спуска по лестнице на нормальной скорости. Данные sEMG во время фазы стойки были выбраны на третьей и четвёртой ступенях индивидуальной восьмиступенчатой лабораторной лестницы.

Сигналы sEMG фазы стойки для задач на лестнице и MVIC обрабатывались в программном обеспечении Visual3D. Сырые данные сначала проходили через полосную фильтрацию (20-450 Гц), затем выпрямляли по полной волне, сглаживались с помощью окна корневого среднего квадрата (RMS) 50 мс, а затем низкочастотные фильтры на 6 Гц для создания линейной огибающей. Фаза стойки определялась по вертикальной реактивной силе грунта (порог >10 N). Линейная огибающая для каждой фазы стойки была временно нормализована до 101 точки и амплитудно нормализована до соответствующего максимального значения MVIC. Наконец, RMS каждого нормализованного sEMG во время фазы стойки рассчитывался с учётом величины мышечной активности. Анализ был сосредоточен на более симптоматическом колене у участников обеих групп. Если симптомы обоих коленей были схожи, отбирались данные для доминирующей в технологии конечности.

Статистический анализ
Все статистические анализы проводились с использованием SPSS Statistics 25.0. Все переменные были представлены как средние ±стандартные отклонения. Тест Шапиро-Уилка использовался для проверки нормальности всех количественных переменных. Нормально распределенная разница переменных двух независимых выборок по демографии, параметрам кардиопульмональной функции и RMS оценивалась с помощью независимых t-тестов с выборками; разница переменных распределения была оценена с помощью теста Крускаля-Уоллиса. Баллы IPAQ и различия в оценках K/L оценивались с помощью теста Крускал-Уоллис. Для сравнения различий в гендере использовался тест хи-квадрат. Корреляции между различными и мощными параметрами функции сердечно-легочной системы (пик поглощения кислорода (VO 2 пика), максимальная добровольная вентиляция (MVV) и RMS (бицепс бедренного мышца (BF)) в ОА колена с группой риска ССЗ были выявлены с помощью корреляций Спирмана.

Результаты

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

Характеристики участников
Из общего числа 50 участников, вошедших в это исследование, 29 были в группе с ОА колена и 21 — в группе с повышенным риском ССЗ. Существенных различий между этими группами не было выявлено по возрасту, росту, массе, ИМТ, распределению пола, окружности талии, окружности бедер, соотношению пояс-бёдра или степени K/L. Кроме того, группа с остеоартритом колена и группа с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний не отличались существенно в оценке результатов остеоартрита колена (KOOS)30 (см. таблицу 4).

Оценка физической активности
По сравнению с группой с ОА колена, у группы риска ОА с ССЗ наблюдался более низкий уровень активности с высокой интенсивностью (p = 0,044; см. таблицу 5). Этот низкий уровень интенсивной активности поддерживает гипотезу о снижении ежедневной физической активности среди пациентов с ОА колена и группой риска ССЗ.

Тест функции лёгких
В сравнении с группой с ОА колена, группа риска ОА и СЗЗ показала более низкую максимальную добровольную вентиляцию (MVV; p = 0,004; см . таблицу 6). Этот низкий MVV подтверждает гипотезу о том, что у пациентов с ОА колена и повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний нарушена функция лёгких.

Кардиопульмональный тест на упражнения
Однако между двумя группами не наблюдалось значимых различий в сердечно-легочной приспособленности (см. таблицу 6). В противовес текущей гипотезе, рост сердечно-сосудистого риска не был связан со значительным снижением кардиореспираторной приспособленности у пациентов с остеоартритом колена.

sEMG сигналы нижних конечностей при подъёме по лестнице
С точки зрения параметров активации мышц, по сравнению с группой с ОА колена с риском ССЗ показала большую активацию BF как при подъёме по лестнице (p = 0,013), так и при спуске (p= 0,001; см. таблицу 7). Повышенная активация БФ подтверждает гипотезу об изменённых паттернах активации мышц нижних конечностей при подъёме по лестнице у пациентов с остеоартритом колена с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний. Кроме того, RMS BF при подъёме по лестнице был значительно коррелирован с MVV при остеоартрите колена с группой риска ССЗ (r = −0,452, p = 0,040; см. таблицу 8). Эта корреляция поддерживает гипотезу о том, что аномальные паттерны активации мышц конечностей связаны с ухудшением функции лёгких у пациентов с остеоартритом колена и риском сердечно-сосудистых заболеваний.

По сравнению с коленной группой, у ОА с группой риска ССЗ значительно ниже уровень интенсивной активности, меньший MVV и более высокая активация БФ при подъёме по лестнице. Кроме того, существует отрицательная корреляция между нижним MVV и большей активацией BF в ОА колена с группой риска ССЗ.

Доступность данных:
Необработанные и обработанные наборы данных, созданные в ходе этого исследования, содержат чувствительную информацию о пациентах и не являются публично доступными в полном, необработанном виде для защиты конфиденциальности пациентов. Деидентифицированные, обработанные данные доступны при разумных запросах соответствующего автора. Все запросы требуют одобрения Этического комитета Третьей народной больницы провинции Фуцзянь. Сырые данные архивируются на защищённых серверах Третьей народной больницы провинции Фуцзянь и будут храниться минимум 10 лет после публикации.

Рисунок 1
Рисунок 1: Блок-схема всего эксперимента. Сокращения: K/L = Келлгрен / Лоуренс, CVD = сердечно-сосудистые заболевания, China-PAR = прогноз риска атеросклероза сердечно-сосудистых заболеваний в Китае, OA = остеоартрит, IPAQ = Международный опросник по физической активности, sEMG = поверхностная электромиография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Таблица 1: Модифицированный протокол Брюса для специфической программы для тестирования на беговой дорожке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Таблица 2: размещение ЭМГ. Сокращения: GMAX = большая ягодичная мышца, GMED = мышцы средней ягодичной мышцы, BF = бицепс бедренного мышца, VM = vastus medialis, VL = vastus lateralis, RF = прямая мышца бедренного мышца, TA = передняя большеберцовая мышца, MG = медиальная головка мышцы гастрокнемиуса, ASIS = передняя верхняя часть позвоночника, PSIS = задний верхний позвоночник. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Таблица 3: Тест мышечного MVIC . Сокращения: MVIC = максимальное произвольное изометрическое сокращение, GMAX = большая ягодичная мышца, GMED = мышцы средней ягодичной мышцы, BF = бицепс бедренного мышца, VM = vastus medialis, VL = латеральная мышца вастуса, RF = прямая мышца бедра, TA = передняя большеберцовая мышца, MG = медиальная головка желудочной мышцы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Таблица 4: Характеристики двух групп. #: искаженные распределённые данные, *: нормально распределённые данные, &: категориальные данные. Сокращения: ИМТ = индекс массы тела, оценка K/L = степень Келлгрена/Лоуренса, KOOS = оценка исхода при остеоартрите колена. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Таблица 5: Физическая активность оценивалась с помощью IPAQ в двух группах. #: искажённые распределённые данные. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Таблица 6: Сердечно-легочная функция обеих групп . #: искаженные распределённые данные, *: нормально распределённые данные. Сокращения: VC = жизненно важная емкость, FVC = принудительная жизненно важная емкость, FEV1 = принудительный выдох за 1 секунду,FEV 1/FVC = принудительный выдох за одну секунду/принудительная жизненная ёмкость, MVV: максимальная добровольная вентиляция,VO 2peak = пик поглощения кислорода, RER = скорость дыхательного обмена,VCO 2peak = пик выброса углекислого газа,VE пик = пик минутной вентиляции,HR пик = пик частоты сердечных сокращений, HRR = резерв пульса,VO 2/HR пик = пик кислородного пульса,PETO 2peak = пик парциального давления кислорода в конце прилива,PETCO 2peak = пик давления углекислого газа в конце прилива, AT = анаэробный порог. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Таблица 7: Активация мышц нижних конечностей во время подъёма по лестнице обеих групп .#: искаженные распределённые данные, *: нормально распределённые данные. Сокращения: GMAX = большая ягодичная мышца, GMED = medius gluteus, RF = прямая бедренная мышца, VL = vastus lateralis, VM = vastus medialis, BF = biceps femoris, TA = передняя большеберцовая мышца, MG = медиальная голова гастрокнемиуса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Таблица 8: Коэффициенты корреляции Пирсона между BF RMS и функцией сердечно-лёгочной системы. Сокращения: BF = biceps femoris,VO 2peak = пик поглощения кислорода, MVV = максимальная добровольная вентиляция. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Обсуждение

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

Это первое исследование, изучающее функцию сердечно-лёгочной системы, активацию мышц и их связь у людей с остеоартритом колена и повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний. В соответствии с гипотезой мы наблюдали, что у людей с ОА колена и повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний значительно ниже максимальная добровольная вентиляция (МВВ), более высокая активация бицепса бедренного мышца (БФ) при подъёме по лестнице и меньший уровень интенсивной активности. Кроме того, это исследование выявило отрицательную связь между активацией MVV и BF при подъёме по лестнице.

При повышенном риске сердечно-сосудистых заболеваний у людей с ОА колена ограничена физическая активность, особенно при активной активности. Недостаток физической активности являетсячетвёртым фактором риска глобальной смертности и существенно влияет на распространённость заболеваний, включая ОА иССЗ 5. Связь между активной активностью, ОА колена и риском ССЗ вариативна и динамично: предыдущее исследование показало, что хотя интенсивная активность приносит более сильные преимущества ОА, чем лёгкаяактивность 31, длительный период интенсивной активности может негативно влиять на дефекты медиального хряща колена и усиливать боль, что может влиять на людей с ОА колена избегать интенсивной физическойактивности 32, 33. Для людей с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний участие в любой физической активности связано с более низким риском сердечно-сосудистых заболеваний, но интенсивная активность приносит наибольшую пользу при сердечно-сосудистомриске 34. Однако люди с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний часто опасаются, что интенсивная активность невыносима и может привести к сердечно-сосудистымсобытиям 35. Поэтому мы рекомендуем, что пациенты с ОА колена и повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний могут избегать интенсивной физической активности из-за симптомов ОА колена в сочетании со страхом перед сердечно-сосудистыми событиями.

Кроме того, это исследование показало, что у людей с ОА колена и повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний наблюдается более низкий уровень МВВ по сравнению с теми, у кого был изолированный ОА колена. Снижение MVV указывает на снижение выносливости дыхательных мышц у людей с остеоартритом колена и повышенный риск сердечно-сосудистыхзаболеваний 36. Снижение MVV может быть связано с сопутствующими заболеваниями, такими как сахарный диабет и гипертония, которые могут привести к микрососудистым осложнениям, в конечном итоге влияющим на выносливость дыхательныхмышц 36,37,38. В данном исследовании большинство участников группы риска ОА колена и повышенного риска ССЗ имели сахарный диабет и гипертонию, что могло способствовать снижению наблюдаемого МВВ. Более низкий MVV может ограничить способность человека поддерживать большую и продолжительную вентиляцию для удовлетворения потребностей газообмена во время физической активности, что в конечном итоге приводит к снижению умеренной и интенсивной физическойактивности 36,39,40. Таким образом, люди с остеоартритом колена и повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний избегали интенсивной физической активности, что также может быть связано с снижением функции лёгких.

Однако этот вывод противоречит нашей гипотезе, поскольку у людей с ОА колена и повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний не наблюдалось значительного снижения сердечно-легочной приспособленности. Традиционно VO2peak является мощным индикатором сердечно-легочной физической формы, при этом более низкийVO 2peak связан с повышенной вероятностью развития будущего рискаССЗ 41. В этом исследовании у пациентов с ОА колена и повышенным риском ССЗ наблюдалось лишь незначительное снижениеVO 2 пика. Мы предполагаем, что это может быть связано с тем, что общий объём физической активности у этих людей не снизился. Предыдущее исследование показало, что по сравнению с активностью умеренной интенсивности интенсивность оказывает лучшее влияние наVO 2peak, но объём тренировки также является важнымфактором 42. В этом исследовании, хотя у людей с ОА колена и повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний наблюдалось избегание активной активности, степень интенсивной активности ограничена у людей с изолированным ОА колена. Кроме того, существенной разницы в объёме активности между двумя группами не было. Эти результаты могут помочь объяснить полученные результаты.

Трудности и боль при преодолении лестницы, часто являющиеся самыми ранними признаками остеоартрита колена (ОА), могут возникать из-за аномальных паттернов активации мышц нижних конечностей, которые изменяют нагрузку на коленный сустав43. В этом исследовании у людей с ОА колена и повышенным риском ССЗ была более активирована мышца бицепса бедра (BF) при подъёме и спуске по лестнице по сравнению с теми, у кого изолированный ОА колена. BF анатомически связан как с тазобедренным, так и с коленным суставами, и его активация играет роль в сгибании колена и разгибаниибедра 43. Как уже было задокументировано, слабость квадрицепса часто встречается при остеоартрите колена, и усиленная активация грудной мышцы компенсирует эту дисфункцию, смещая нагрузку на неповреждённый тазобедренныйсустав 43,44. Кроме того, усиленная активация БФ помогает стабилизировать коленный сустав, увеличивая производство сжимающей силы и уменьшая переднее сдвигбольшеберцовой кости 43,45. Однако изменения в активации БФ могут нарушить нормальное распределение нагрузки на колено, что потенциально усугубляет прогрессированиеОА 43 колена.

В соответствии с гипотезой, в настоящем исследовании у пациентов с ОА колена и повышенным риском ССЗ была выявлена умеренно отрицательная корреляция между более высокой активацией БФ и более низким МВВ. Аналогично этому исследованию, предыдущее исследование показало, что MVV ассоциируется с периферическими мышцами у людей с серповидноклеточнойанемией 46. Снижение силы и физической подготовки дыхательных мышц связано с уменьшением силы захватаруки 46. В настоящем исследовании стратегия компенсации слабости квадрицепса за счёт более высокой активации БФ может привести к моторной апраксии квадрицепса и усугубить ОА у людей с риском ОА и ССЗ. Серьёзная дисфункция квадрицепса негативно влияет на умеренную и интенсивную физическуюактивность 47, что может быть связано с дисфункцией дыхательных мышц и в конечном итоге привести к снижениюMVV 48,49.

Для дальнейшего обоснования нашей гипотезы можно использовать несколько альтернативных подходов. Например, исследования визуализации (фМРТ или рентген) могут напрямую визуализировать связанные изменения мышц и суставов колена, обеспечивая анатомическое подтверждение поведенческих и физиологических результатов этого исследования. Кроме того, лонгитюдное когортное наблюдение было бы бесценным для определения долгосрочной траектории и клинических исходов наблюдаемого нами явления, устанавливая причинно-следственную связь, выходящую за рамки ассоциаций, выявленных в текущем поперечном дизайне.

Отрицательная корреляция между более высокой активацией BF и низким MVV также указывает на ценность sEMG как неинвазивного метода для выявления аномальных моделей мышечной активности при ходьбе по лестнице, что может помочь охарактеризовать клинические признаки у людей с остеоартритом колена (ОА) и повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ).

Ограничения
При интерпретации результатов этого исследования следует учитывать несколько ограничений. Во-первых, шкала риска сердечно-сосудистых заболеваний, рассчитанная с помощью China-PAR, зависит от нескольких факторов, включая диабет, гиперлипидемию, гипертонию и окружность талии. Однако это исследование в формате кейс-контроль, с небольшой выборкой, что может привести к статистической смещенности. Будущие исследования должны расширить размер выборки и стратифицировать участников по уровню риска (низкий, средний, высокий). Последующие исследования должны включать интервенционные испытания, многоцентровые когортные или механистические исследования для подтверждения наблюдаемых ассоциаций. Кроме того, большинство пациентов в группе ОА колена и повышенного риска ССЗ имели только риск сердечно-сосудистых заболеваний, а не чёткий диагноз сердечно-сосудистого заболевания, что может ограничивать обобщимость результатов. Необходимы дальнейшие исследования для изучения биомеханики и сердечно-лёгочной функции у людей с остеоартритом и сердечно-сосудистыми заболеваниями колена.

Выводы
Это исследование показало, что у людей с риском остеоартрита и сердечно-сосудистых заболеваний колена наблюдалось относительно меньшее снижение сердечно-легочной готовности по сравнению с теми, у кого был изолированный ОА колена. Однако они также проявили склонность избегать интенсивной физической активности, а также снижение функции лёгких и усиленную активацию мышцы бицепса бедра. Кроме того, была обнаружена отрицательная корреляция между снижением MVV и повышенной активацией BF.

Эти результаты указывают на два ключевых вывода: во-первых, sEMG служит ценным неинвазивным инструментом для определения клинических признаков у пациентов с риском с ОА колена, выявляя аномальные паттерны активации мышц при ходьбе по лестнице. Во-вторых, индивидуальные упражнения для этой группы должны сначала быть сосредоточены на восстановлении мышечного баланса вокруг колена, а затем постепенно включать интенсивные упражнения для улучшения сердечно-лёгочной и функции лёгких.

Раскрытие информации

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

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Благодарности

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

Авторы благодарны всем участникам. Авторы также отмечают Центр физического осмотра и отделение визуализации Больницы третьей народной больницы провинции Фуцзянь за проведение скрининга участников. Это исследование финансируется Департаментом науки и технологий провинции Фуцзянь (номер гранта проекта 2020Y0053), Национальным проектом по развитию ключевых клинических специальностей Китая (Z155080000004), Шанхайским исследовательским центром реабилитационной медицины (Приоритетный исследовательский центр Шанхая) (2023ZZ02027), Фондом естественных наук провинции Фуцзянь (грант 2025-P-005, 2025E3005), открытой тематикой ключевой лаборатории (проект No грант ZD2020-4-1), и Национальный фонд естественных наук Китая (проект No 82074515).

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Динамический электрокардиосканерGE Healthcare2019001977Мониторинг в реальном времени, многоразовый
Система тестирования функции лёгкихCarefusion Germany 234 GmbHV-919016Мониторинг в реальном времени, многоразовый
Беговая дорожкаБеговая дорожка HLP/Cosmos180409гусеничный ремень, скорость и уклон можно регулировать
Беспроводная система биологической обратной связиDelsysSP-W02C-1096Беспроводная, биообратная связь EMG, многоразовая

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Turkiewicz, A., et al. Prevalence of knee pain and knee OA in southern Sweden and the proportion that seeks medical care. Rheumatology (Oxford). 54 (5), 827-835 (2015).
  2. Kluzek, S., et al. Painful knee but not hand osteoarthritis is an independent predictor of mortality over 23 years follow-up of a population-based cohort of middle-aged women. Ann Rheum Dis. 75 (10), 1749-1756 (2016).
  3. Wang, Z., et al. Osteoarthritis and cardiovascular disease: A Mendelian randomization study. Front Cardiovasc Med. 9, 1025063(2022).
  4. Perruccio, A. V., et al. Cardiovascular Risk Profile and Osteoarthritis-Considering Sex and Multisite Joint Involvement: A Canadian Longitudinal Study on Aging Population-Based Study. Arthritis Care Res (Hoboken). 75 (4), 893-901 (2023).
  5. Fernandes, G. S., Valdes, A. M. Cardiovascular disease and osteoarthritis: common pathways and patient outcomes. Eur J Clin Invest. 45 (4), 405-414 (2015).
  6. Michishita, R., Shono, N., Kasahara, T., Katoku, M., Tsuruta, T. The possible influence of osteoarthritis of the knee on the accumulation of coronary risk factors in postmenopausal obese women. Obes Res Clin Pract. 2 (1), I-II (2008).
  7. Shi, X., Schlenk, E. A. Association of Hypertension with Knee Pain Severity Among People with Knee Osteoarthritis. Pain Manag Nurs. 23 (2), 135-141 (2022).
  8. Calvet, J., et al. High prevalence of cardiovascular co-morbidities in patients with symptomatic knee or hand osteoarthritis. Scand J Rheumatol. 45 (1), 41-44 (2016).
  9. Alenazi, A. M., et al. Gait Speed as a Predictor for Diabetes Incidence in People with or at Risk of Knee Osteoarthritis: A Longitudinal Analysis from the Osteoarthritis Initiative. Int J Environ Res Public Health. 18 (9), 4414(2021).
  10. Glehr, M., et al. Physician awareness of knee and hip pain in the context of coronary heart disease treatment. Sci World J. 2014, 494801(2014).
  11. Corsi, M., et al. Contributions of symptomatic osteoarthritis and physical function to incident cardiovascular disease. BMC Musculoskelet Disord. 19 (1), 393(2018).
  12. Sun, X. Y., et al. Updating Framingham CVD risk score using waist circumference and estimated cardiopulmonary function: a cohort study based on a southern Xinjiang population. Bmc Public Health. 22 (1), 1715(2022).
  13. Harber, M. P., et al. Trends in cardiorespiratory fitness among apparently healthy adults from the Ball State Adult Fitness Longitudinal Lifestyle STudy (BALL ST) cohort from 1970-2019. PLoS One. 15 (12), e0242995(2020).
  14. Hafer, J. F., Kent, J. A., Boyer, K. A. Physical activity and age-related biomechanical risk factors for knee osteoarthritis. Gait Posture. 70, 24-29 (2019).
  15. Seeley, M. K., et al. A Review of the Relationships Between Knee Pain and Movement Neuromechanics. J Sport Rehabil. 31 (6), 684-693 (2022).
  16. Astephen, W. J., Deluzio, K. J., Dunbar, M. J., Caldwell, G. E., Hubley-Kozey, C. L. The association between knee joint biomechanics and neuromuscular control and moderate knee osteoarthritis radiographic and pain severity. Osteoarth Carti. 19 (2), 186-193 (2011).
  17. Preece, S. J., Jones, R. K., Brown, C. A., Cacciatore, T. W., Jones, A. K. Reductions in co-contraction following neuromuscular re-education in people with knee osteoarthritis. BMC Musculoskelet Disord. 17 (1), 372(2016).
  18. Song, J., et al. Relationship of knee pain to time in moderate and light physical activities: Data from Osteoarthritis Initiative. Semin Arthritis Rheum. 47 (5), 683-688 (2018).
  19. Lazaridou, A., et al. The Association Between Daily Physical Activity and Pain Among Patients with Knee Osteoarthritis: The Moderating Role of Pain Catastrophizing. Pain Med. 20 (5), 916-924 (2019).
  20. Hensor, E. M., Dube, B., Kingsbury, S. R., Tennant, A., Conaghan, P. G. Toward a clinical definition of early osteoarthritis: onset of patient-reported knee pain begins on stairs. Data from the osteoarthritis initiative. Arthritis Care Res (Hoboken). 67 (1), 40-47 (2015).
  21. Fukutani, N., et al. Knee pain during activities of daily living and its relationship with physical activity in patients with early and severe knee osteoarthritis. Clin Rheumatol. 35 (9), 2307-2316 (2016).
  22. Wyndow, N., et al. Neuromotor control during stair ambulation in individuals with patellofemoral osteoarthritis compared to asymptomatic controls. Gait Posture. 71, 92-97 (2019).
  23. Smith, S. L., Allan, R., Marreiros, S. P., Woodburn, J., Steultjens, M. Muscle Co-Activation Across Activities of Daily Living in Individuals With Knee Osteoarthritis. Arthritis Care Res (Hoboken). 71 (5), 651-660 (2019).
  24. Teh, K. C., Aziz, A. R. A stair-climb test of cardiorespiratory fitness for Singapore. Singapore Med J. 41 (12), 588-594 (2000).
  25. Zhang, Z., et al. Guidelines for the diagnosis and treatment of osteoarthritis in China (2019 edition). Ann Transl Med. 8 (19), 1213(2020).
  26. Yang, X., et al. Predicting the 10-Year Risks of Atherosclerotic Cardiovascular Disease in Chinese Population: The China-PAR Project (Prediction for ASCVD Risk in China). Circulation. 134 (19), 1430-1440 (2016).
  27. Sjostrom, M., et al. Guidelines for Data Processing and Analysis of the International Physical Activity Questionnaire (IPAQ). Short and Long Forms. , (2005).
  28. Mielke, M., et al. The development of rating of perceived exertion-based tests of physical working capacity. J Strength Cond Res. 22 (1), 293-302 (2008).
  29. Dideriksen, K., Mikkelsen, U. R. Reproducibility of incremental maximal cycle ergometer tests in healthy recreationally active subjects. Clin Physiol Funct Imaging. 37 (2), 173-182 (2017).
  30. Collins, N. J., et al. Knee Injury and Osteoarthritis Outcome Score (KOOS): systematic review and meta-analysis of measurement properties. Osteoarth Cartil. 24 (8), 1317-1329 (2016).
  31. White, D. K., Lee, J., Song, J., Chang, R. W., Dunlop, D. Potential Functional Benefit From Light Intensity Physical Activity in Knee Osteoarthritis. Am J Prev Med. 53 (5), 689-696 (2017).
  32. Burrows, N. J., Barry, B. K., Sturnieks, D. L., Booth, J., Jones, M. D. The Relationship Between Daily Physical Activity and Pain in Individuals with Knee Osteoarthritis. Pain Med. 21 (10), 2481-2495 (2020).
  33. Teichtahl, A. J., et al. Effect of long-term vigorous physical activity on healthy adult knee cartilage. Med Sci Sports Exerc. 44 (6), 985-992 (2012).
  34. Hamer, M., Stamatakis, E. Physical activity and risk of cardiovascular disease events: inflammatory and metabolic mechanisms. Med Sci Sports Exerc. 41 (6), 1206-1211 (2009).
  35. Farris, S. G., Kibbey, M. M. Be brave, BE-FIT! A pilot investigation of an ACT-informed exposure intervention to reduce exercise fear-avoidance in older adults. Cogn Behav Ther. 51 (4), 273-294 (2022).
  36. Wanke, T., et al. Inspiratory muscle performance and pulmonary function changes in insulin-dependent diabetes mellitus. Am Rev Respir Dis. 143 (1), 97-100 (1991).
  37. Fuso, L., et al. Reduced respiratory muscle strength and endurance in type 2 diabetes mellitus. Diabetes Metab Res Rev. 28 (4), 370-375 (2012).
  38. Koseoglu, B. F., Safer, V. B., Oken, O., Akselim, S. Cardiovascular disease risk in people with spinal cord injury: is there a possible association between reduced lung function and increased risk of diabetes and hypertension. Spinal Cord. 55 (1), 87-93 (2017).
  39. Viana, A. A., et al. Can Previous Levels of Physical Activity Affect Risk Factors for Cardiorespiratory Diseases and Functional Capacity after COVID-19 Hospitalization? A Prospective Cohort Study. Biomed Res Int. 2022, 7854303(2022).
  40. Fox, B. D., et al. IPF patients are limited by mechanical and not pulmonary-vascular factors - results of a derivation-validation cohort study. Bmc Pulm Med. 19 (1), 244(2019).
  41. Swainson, M. G., Ingle, L., Carroll, S. Cardiorespiratory fitness as a predictor of short-term and lifetime estimated cardiovascular disease risk. Scand J Med Sci Sports. 29 (9), 1402-1413 (2019).
  42. Wernhart, S., Dinic, M., Pressler, A., Halle, M. Prevention of cardiovascular diseases through sport and physical activity: A question of intensity. Herz. 40 (3), 361-368 (2015).
  43. Hortobagyi, T., et al. Altered hamstring-quadriceps muscle balance in patients with knee osteoarthritis. Clin Biomech (Bristol, Avon). 20 (1), 97-104 (2005).
  44. Oiestad, B. E., Juhl, C. B., Culvenor, A. G., Berg, B., Thorlund, J. B. Knee extensor muscle weakness is a risk factor for the development of knee osteoarthritis: an updated systematic review and meta-analysis including 46,819 men and women. Br J Sports Med. 56 (6), 349-355 (2022).
  45. Yanagawa, T., Shelburne, K., Serpas, F., Pandy, M. Effect of hamstrings muscle action on stability of the ACL-deficient knee in isokinetic extension exercise. Clin Biomech (Bristol, Avon). 17 (9-10), 705-712 (2002).
  46. Ohara, D. G., Ruas, G., Walsh, I. A., Castro, S. S., Jamami, M. Lung function and six-minute walk test performance in individuals with sickle cell disease. Braz J Phys Ther. 18 (1), 79-87 (2014).
  47. Okura, K., et al. Objective physical activity level is associated with rectus femoris muscle echo-intensity in patients with chronic obstructive pulmonary disease. Clin Respir J. 16 (8), 572-580 (2022).
  48. Aslan, G. K., Akinci, B., Yeldan, I., Okumus, G. Respiratory muscle strength in patients with pulmonary hypertension: The relationship with exercise capacity, physical activity level, and quality of life. Clin Respir J. 12 (2), 699-705 (2018).
  49. Goncalves, M. J., Do, L. S., Godoy, E. P., Fregonezi, G. A., Bruno, S. S. Influence of neck circumference on respiratory endurance and muscle strength in the morbidly obese. Obes Surg. 21 (8), 1250-1256 (2011).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Surface ElectromyographyPhysical ActivityCardiopulmonary Exercise TestBiceps Femoris ActivationStair ClimbingMaximum Voluntary Ventilation

Похожие статьи