膝骨关节炎和心血管疾病风险增加与肺功能下降及肌肉异常激活的相关性

摘要

本研究探讨了具有心血管疾病（CVD）高风险的膝骨关节炎（OA）个体的心肺功能、身体活动水平及下肢肌肉激活情况。我们发现，在具有心血管疾病风险的膝骨关节炎人群中，最大自主通气量越低，股二头肌的激活程度越高，二者之间存在负相关关系。

摘要

本研究旨在探讨膝骨关节炎（OA）且心血管疾病（CVD）风险升高的个体的心肺功能、身体活动水平以及下肢主要肌肉的激活情况。共有21名膝骨关节炎伴心血管疾病风险升高个体和29名单纯膝骨关节炎个体以访谈形式完成了长版国际身体活动问卷（IPAQ）。肺功能通过测定用力肺活量（FVC）和最大自主通气量（MVV）进行评估。心肺耐力采用基于跑步机的 cardiopulmonary exercise test（CPET），并结合改良Bruce方案进行评价。此外，在受试者以自我选择的常规速度完成上下楼梯任务时，采集症状肢体下肢主要肌肉的表面肌电图（sEMG）数据。与单纯膝骨关节炎组相比，伴心血管疾病风险升高的膝骨关节炎组在剧烈身体活动水平、最大自主通气量（MVV）方面显著降低，且峰值摄氧量下降幅度较小。此外，心血管疾病风险升高组在上下楼梯过程中股二头肌（BF）的肌肉激活程度更高。进一步分析显示，在伴心血管疾病风险的膝骨关节炎组中，较低的MVV与较高的股二头肌激活之间存在负相关关系。这些结果提示两个主要结论：第一，表面肌电图（sEMG）作为一种有价值的无创工具，可通过检测上下楼梯过程中异常的肌肉激活模式，识别出有心血管疾病风险的膝骨关节炎患者的临床特征；第二，在此类高风险个体中，较好的心血管功能与更均衡的膝关节肌肉协调模式相关，这体现在MVV与股二头肌激活之间的负向关系。

引言

膝骨关节炎（OA）是导致活动功能障碍的主要原因，影响约15%的中老年人群¹。越来越多的证据表明膝骨关节炎与心血管疾病（CVD）风险升高相关^2,3,4。患有膝骨关节炎的个体常伴有多种心血管疾病危险因素，包括非甾体抗炎药的使用和慢性炎症⁵。此外，由膝骨关节炎引起的体力活动减少是导致心血管疾病风险增加的间接原因⁵。

由于膝关节疾病导致体力活动减少，可能增加代谢综合征的发生率，包括肥胖、血脂异常、胰岛素抵抗和高血压^6,7,8,9，进而增加心血管疾病（CVD）的风险^10,11。此外，体力活动受限可导致心肺功能下降（包括肺功能和心肺适能），而心肺功能下降与心血管疾病风险升高密切相关^12,13。因此，膝骨关节炎（OA）患者若心血管疾病风险升高，也可能表现出心肺功能的降低。

下肢肌肉激活模式异常可能部分解释体力活动减少的原因¹⁴。既往研究表明，神经肌肉激活模式异常（例如腓肠肌外侧头和半腱肌内侧头的激活增强）与更严重的膝关节疼痛相关^15,16。相反，在膝骨关节炎患者中，膝关节内侧肌肉收缩的减弱与步态过程中膝关节疼痛的减轻呈正相关¹⁷。此外，严重的膝关节疼痛会降低体力活动水平，尤其是中等到高强度的体力活动^18,19，进而对心肺功能产生负面影响，并增加心血管疾病（CVD）的风险。

爬楼梯是一种常见的日常活动，膝骨关节炎（OA）患者常在此活动中出现功能障碍，且与其他活动相比，爬楼梯可能是反映身体活动受限情况的更好指标^20,21。膝骨关节炎患者在爬楼梯时会改变肌肉活动模式，以减轻膝关节疼痛并维持膝关节稳定性^22,23。此外，爬楼梯测试是直接评估心肺功能的有效替代方法²⁴。因此，研究膝骨关节炎患者在上下楼梯过程中下肢肌肉的激活模式及其与心肺功能的关系，可能为揭示该类患者心血管疾病（CVD）风险增加的病理机制提供独特见解。

因此，我们提出假设：与单纯膝骨关节炎患者相比，心血管疾病风险升高的膝骨关节炎患者表现出体力活动减少、心肺功能下降以及下肢肌肉激活模式的改变。此外，该假设还认为，患者心肺功能的下降与其下肢肌肉异常激活模式之间存在相关性。

据我们所知，这是首次研究膝骨关节炎（OA）且心血管疾病（CVD）风险升高的个体在爬楼梯过程中主要下肢肌肉的激活情况，以及心肺功能与爬楼梯时肌肉激活之间的关系。本研究的结果可能为为此类患者群体制定更精确的康复计划提供依据。

方案

根据《赫尔辛基宣言》，本研究方案已获得福建省立第三医院伦理学机构审查委员会批准（编号：2020KS-5-1），并于2020年11月18日在中国临床试验注册中心网站注册（注册号 ChiCTR2000041115）。所有参与者均签署了书面知情同意书，同意参加本研究。

参与者
本研究从福建省立医院及周边社区招募了29名膝骨关节炎（knee OA）参与者和21名伴有心血管疾病（CVD）风险升高的膝骨关节炎参与者。膝骨关节炎组的纳入标准包括：根据《2019年骨关节炎诊断与治疗指南》²⁵确诊为临床骨关节炎，单侧或双侧Kellgren/Lawrence（K/L）分级≥2级，年龄在50至65岁之间，且根据中国动脉粥样硬化性心血管疾病风险预测模型（China-PAR）²⁶定义为低或无心血管疾病风险。伴有心血管疾病风险升高的膝骨关节炎组在年龄和膝骨关节炎症状方面与膝骨关节炎组相同，但根据China-PAR评估为中或高心血管疾病风险。若参与者存在严重背痛、其他下肢关节疼痛、类风湿性关节炎、骨折、神经系统病变、心血管疾病病史和/或肺部疾病，则被排除在两组之外。

数据采集
本研究通过施用长版国际体力活动问卷（International Physical Activity Questionnaire, IPAQ）²⁷、肺功能测试、心肺运动测试以及表面肌电图（sEMG；图1），对受试者的体力活动水平、肺功能、心肺适能及肌肉活动进行了评估。

体力活动评估
采用国际体力活动问卷长卷的中文版（IPAQ；检验国际体力活动问卷长卷中文版（IPAQ-LC）的有效性和可靠性²⁷）以访谈形式评估参与者的每日活动水平。本研究使用IPAQ收集并分析了过去一个月内参与者在闲暇时间、居家及园艺（庭院）、职业相关以及交通出行相关的体力活动数据。评分以代谢当量（MET）-分钟/周（MET-min/week）表示，通过将每周活动持续时间（分钟）乘以其相应的MET值计算得出。最终，评分被分为步行、中等强度、高强度以及总体体力活动。若参与者对时间或频率的回答为“不知道”、拒绝回答或数据缺失，则该样本被排除在分析之外。

肺功能测试
测试前，我们进行了仪器校准。校准包括环境准备、容积校准以及流量/容积传感器校准。要求受试者在实验前2小时内禁食。

使用鼻夹以确保气流仅通过口腔。受试者需将嘴唇紧贴含嘴，防止漏气。在整个操作过程中，均给予强烈的口头鼓励，以确保受试者最大程度地配合。由经验丰富的呼吸治疗师依据美国胸科学会指南，在肺功能测试系统（230 V，50/60 Hz，508 VA，IP20）上对受试者进行指导。肺量测定包括用力肺活量（FVC）、1秒用力呼气容积（FEV₁）、1秒用力呼气容积/用力肺活量（FEV₁/FVC）以及最大自主通气量（MVV）的测量。每位受试者至少完成三次技术上可接受的操作。FVC和FEV₁的测量要求呼气起始迅速，且呼气时间必须持续至少6秒，重复操作之间的变异应小于5%。在MVV测试期间，受试者需在12秒内完成尽可能深且快的呼吸动作。技术人员选择FVC、FEV₁和MVV数值最高、且流量-容积曲线最佳的测试结果作为最终结果。

心肺运动试验
肺功能检查至少进行 5 分钟后，连接 12 导联心电图（ECG）、自动袖带血压计、呼吸面罩和血氧光度计，以监测心率、心电图、血压、气体交换和血氧饱和度。

受试者采用跑步机和改良Bruce方案进行递增性最大心肺运动试验（见表1）。基线心肺功能值在受试者静坐于椅子上3分钟静息期间进行评估；随后，在跑步机上以2.7 km/h的速度、0%坡度进行3分钟热身。热身后，根据改良Bruce方案每3分钟递增一次运动强度，依次阶段如下：2.7 km/h、0%坡度，2.7 km/h、5%坡度，2.7 km/h、10%坡度，4.0 km/h、12%坡度，5.4 km/h、14%坡度，以及6.7 km/h、16%坡度，旨在达到最大运动强度。不建议抓握跑步机扶手，但部分患者需借助扶手以维持平衡。

整个测试过程均由专业心脏病学家进行监测。在静息阶段，测量一次血压（BP），并持续监测12导联心电图、心率（HR）和血氧饱和度。在运动阶段，持续监测心电图、心率和血氧饱和度，每3分钟监测一次动态血压、症状和疲劳程度。当受试者达到最大心率，或氧摄取量不再随运动负荷增加而上升，或自觉用力程度评分（Borg (6-20)量表的自觉用力率（RPE）²⁸）超过17时，停止运动。在恢复阶段，持续监测心电图、心率和血氧饱和度，每2分钟测量一次血压。若出现明显呼吸困难、胸闷、头晕、室性早搏进行性增多>3次、新发心房颤动、收缩压持续下降较前一阶段>20 mmHg，或ST段压低超过5 mm等症状，测试将提前终止。

检测人员均熟练掌握应急处理程序，现场配备基本设备（包括除颤器、氧气和呼吸面罩）及急救药物（如肾上腺素、阿托品、利多卡因、硝酸甘油和葡萄糖）。一旦发生紧急情况，立即终止检测。处理措施包括保持气道通畅、给予氧气以及建立静脉通路。后续复苏和药物干预遵循高级心脏生命支持（ACLS）方案，同时启动应急响应团队，将患者转运至相应医疗单位。

采用逐次呼吸法测量摄氧量（VO₂）、二氧化碳排出量（VCO₂）、每分钟通气量（VE）、呼气末氧气分压（PETO₂）和二氧化碳分压（PETCO₂）。心率（HR）以每秒一次的频率进行记录。运动最后60秒内的最高值被定义为VO_2peak、VCO_2peak、VE_peak、HR_peak、氧脉搏峰值（VO₂ / HR_peak）、PETO_2peak和PETCO_2peak。无氧阈（AT）通过改良V斜率法确定²⁹。心率储备（HRR）定义为220 - a - HR_Max ，其中a代表年龄，HR_Max代表最大心率。

爬楼梯过程中下肢的表面肌电信号
在放置电极之前，受试者需穿着统一采购的安踏运动鞋，并完成五次上下楼梯的试验。试验过程中以受试者自选的日常行走速度进行，且不使用扶手。每级台阶的宽度固定为 100 cm，高度为 20 cm，深度为 30 cm。上下楼梯的速度通过安装在首级和最高一级台阶处的红外计时系统记录。五次试验中速度的平均值 ±10% 被定义为正常速度。任何正式试验中速度偏离该正常速度的试验数据将被排除在后续分析之外。

随后通过剃除目标肌肉区域的毛发、使用细粒砂纸轻微摩擦以及用70%酒精清洁皮肤，以降低阻抗并确保最佳接触效果。皮肤准备完成后，将表面肌电图（EMG）电极放置于目标肌肉的肌腹部位。本研究采用无线表面肌电（sEMG）系统，以2000 Hz的采样频率记录站立相期间的肌肉活动。双侧粘贴式预凝胶Ag/AgCl电极（电极间距离固定为10 mm）被放置于胫骨前肌（TA）、腓肠肌内侧头（MG）、股二头肌（BF）、股直肌（RF）、股内侧肌（VM）、股外侧肌（VL）、臀大肌（GMAX）和臀中肌（GMED）（见表2）。随后，受试者对每个被测肌肉执行最大自主等长收缩（MVIC），用于后续的幅值归一化测试（见表3）。受试者被要求以最大努力完成测试动作，持续4–5秒。每次测试过程中均给予强烈的口头鼓励。该过程重复3次，每次试验之间休息2分钟，以避免疲劳影响。完成MVIC测试后，受试者需以正常速度完成五次成功的上下楼梯试验。表面肌电信号的分析选取自实验室定制的八级楼梯中第三步和第四步的站立相阶段数据。

使用 Visual3D 软件对上下楼梯任务的 stance 相位 sEMG 信号和 MVIC 进行处理。原始数据首先经过带通滤波（20–450 Hz），然后进行全波整流，用 50 ms 的均方根（RMS）窗口平滑，最后以 6 Hz 进行低通滤波，以生成线性包络。stance 相位根据垂直地面反作用力（>10 N 阈值）确定。每个 stance 相位的线性包络被时间归一化至 101 个点，并将振幅归一化至对应的 MVIC 最大值。最后，计算 stance 相位期间每个归一化 sEMG 数据的 RMS，以反映肌肉活动的强度。分析重点为两组受试者中症状较重的膝关节。若双膝症状相似，则选择技术优势侧肢体的数据。

统计学分析
所有统计学分析均使用 SPSS Statistics 25.0 进行。所有变量以均值 ± 标准差表示。采用 Shapiro-Wilk 检验对所有定量变量的正态性进行检验。对于符合正态分布的变量，人口统计学特征、心肺功能参数及 RMS 中两个独立样本的差异通过独立样本 t 检验进行评估；对于偏态分布的变量差异，则采用 Kruskal-Wallis 检验进行评估。IPAQ 评分和 K/L 分级的差异亦采用 Kruskal-Wallis 检验进行分析。性别差异的比较采用卡方检验。采用 Spearman 相关分析检测膝骨关节炎合并心血管疾病风险组中不同且具有显著性的心肺功能参数（峰值摄氧量（VO_2peak）、最大自主通气量（MVV））与 RMS（股二头肌（BF））之间的相关性。

结果

参与者特征
本研究共纳入50名参与者，其中29名属于膝骨关节炎（knee OA）组，21名属于合并心血管疾病（CVD）风险升高膝骨关节炎组。两组在年龄、身高、体重、BMI、性别分布、腰围、臀围、腰臀比或K/L分级方面均无显著差异。此外，膝骨关节炎组与合并心血管疾病风险升高膝骨关节炎组在膝骨关节炎结局评分（KOOS）评分³⁰上亦无显著差异（见表4）。

身体活动评估
与膝骨关节炎组相比，合并心血管疾病风险的膝骨关节炎组在高强度活动水平上较低（p = 0.044；见表5）。这一较低的高强度活动水平支持了如下假设：患有膝骨关节炎且存在心血管疾病风险的患者，其日常身体活动量有所减少。

肺功能测试
与膝骨关节炎组相比，膝骨关节炎合并心血管疾病风险组的最大自主通气量（MVV）较低（p = 0.004；见表6）。该较低的MVV支持了以下假设：合并心血管疾病风险升高的膝骨关节炎患者存在肺功能受损。

心肺运动试验
然而，两组在心肺适能方面未观察到显著差异（见表6）。与当前假设不一致的是，在膝骨关节炎患者中，心血管风险的增加并未与心肺适能的显著降低相关。

爬楼梯过程中下肢的表面肌电图信号
在肌肉激活参数方面，与膝骨关节炎组相比，合并心血管疾病风险的膝骨关节炎组在上楼（p = 0.013）和下楼（p = 0.001；见表7）过程中均表现出更高的股二头肌（BF）激活程度。BF激活增加支持了如下假设：伴有心血管风险升高的膝骨关节炎患者在爬楼梯时下肢肌肉激活模式发生改变。此外，在合并心血管疾病风险的膝骨关节炎组中，上楼时BF的均方根值（RMS）与最大自主通气量（MVV）呈显著负相关（r = −0.452，p = 0.040；见表8）。该相关性支持了以下假设：异常的肢体肌肉激活模式与合并心血管疾病风险的膝骨关节炎患者的肺功能下降相关。

与膝关节组相比，伴有心血管疾病风险的膝骨关节炎组在爬楼梯时剧烈活动水平显著较低，下肢肌肉耐力（MVV）较低，且股二头肌（BF）激活程度更高。此外，在伴有心血管疾病风险的膝骨关节炎组中，较低的下肢肌肉耐力（MVV）与较高的股二头肌（BF）激活程度之间存在负相关关系。

数据可用性：
本研究期间生成的原始数据集和处理后的数据集包含敏感的患者信息，为保护患者隐私，这些数据不会以完整、未处理的形式公开。经脱敏处理后的数据可在向通讯作者提出合理申请后获取。所有申请均需经福建省第三人民医院伦理委员会批准。原始数据已存档于福建省第三人民医院的安全服务器中，并将在论文发表后至少保存10年。

图1：整个实验的流程图。 缩写：K/L = Kellgren / Lawrence，CVD = 心血管疾病，China-PAR = 中国动脉粥样硬化性心血管疾病风险预测，OA = 骨关节炎，IPAQ = 国际体力活动问卷，sEMG = 表面肌电图 请点击此处查看此图的放大版本。

表1：跑步机测试专用程序的改良Bruce方案。 请点击此处下载该表格。

表2：表面肌电图（sEMG）电极放置位置。缩写：GMAX = 臀大肌，GMED = 臀中肌，BF = 股二头肌，VM = 股内侧肌，VL = 股外侧肌，RF = 股直肌，TA = 胫骨前肌，MG = 腓肠肌内侧头，ASIS = 髂前上棘，PSIS = 髂后上棘。请点击此处下载该表格。

表3：肌肉最大自主等长收缩（MVIC）测试。 缩写：MVIC = 最大自主等长收缩，GMAX = 臀大肌，GMED = 臀中肌，BF = 股二头肌，VM = 股内侧肌，VL = 股外侧肌，RF = 股直肌，TA = 胫骨前肌，MG = 腓肠肌内侧头。 请点击此处下载该表格。

表4：两组的特征。 #：偏态分布数据，*：正态分布数据，&：分类数据。缩写：BMI = 体重指数，K/L grade = Kellgren/Lawrence 分级，KOOS = 膝关节骨关节炎结局评分。请点击此处下载该表格。

表5：通过国际体力活动问卷（IPAQ）评估两组的体力活动水平。 #：呈偏态分布的数据。 请点击此处下载该表格。

表6：两组受试者的 cardiopulmonary 功能。 #：偏态分布数据，*：正态分布数据。缩写：VC = 肺活量，FVC = 用力肺活量，FEV₁ = 1秒用力呼气量，FEV₁/FVC = 1秒用力呼气量/用力肺活量，MVV = 最大通气量，VO_2peak = 氧摄取峰值，RER = 呼吸交换率，VCO_2peak = 二氧化碳排出峰值，VE_peak = 每分钟通气量峰值，HR_peak = 心率峰值，HRR = 心率储备，VO₂/HR_peak = 氧脉搏峰值，PETO_2peak = 呼气末氧分压峰值，PETCO_2peak = 呼气末二氧化碳分压峰值，AT = 无氧阈。 请点击此处下载该表格。

表7：两组受试者在爬楼梯过程中的下肢肌肉激活情况。 #：偏态分布数据，*：正态分布数据。缩写：GMAX = 臀大肌，GMED = 臀中肌，RF = 股直肌，VL = 股外侧肌，VM = 股内侧肌，BF = 股二头肌，TA = 胫骨前肌，MG = 腓肠肌内侧头。请点击此处下载该表格。

表8：股二头肌RMS与心肺功能之间的皮尔逊相关系数。缩写：BF = 股二头肌，VO_2peak = 氧摄取峰值，MVV = 最大自主通气量。请点击此处下载该表格。

讨论

这是首项针对膝骨关节炎（OA）且心血管疾病（CVD）风险升高的个体中，心肺功能、肌肉激活及其相互关系的研究。与假设一致，我们观察到，膝骨关节炎且心血管疾病风险升高的个体最大自主通气量（MVV）显著降低，在爬楼梯过程中股二头肌（BF）的激活程度更高，且剧烈活动水平较低。此外，本研究发现，在爬楼梯过程中，最大自主通气量（MVV）与股二头肌（BF）激活之间存在负相关关系。

随着心血管疾病风险增加，膝骨关节炎患者在体力活动方面受到限制，尤其是剧烈活动。缺乏体力活动是第4^th 全球死亡率的危险因素，对包括骨关节炎（OA）和心血管疾病（CVD）在内的多种疾病的患病率具有显著影响⁵剧烈活动与膝骨关节炎（OA）及心血管疾病（CVD）风险之间的关系具有可变性和动态性：既往一项研究表明，尽管剧烈活动对骨关节炎的益处强于轻度活动³¹长时间的剧烈活动可能对内侧膝关节软骨缺损产生不利影响，并加重疼痛，这可能导致膝骨关节炎患者避免进行剧烈体力活动^32,33对于心血管疾病风险增加的个体，参与任何体力活动均与较低的心血管疾病风险相关，但高强度活动对降低心血管风险的益处最大³⁴然而，心血管疾病风险较高的人群通常担心剧烈运动难以耐受，并可能引发心血管事件。³⁵因此，我们推测，膝骨关节炎患者若心血管疾病风险升高，可能会因膝关节炎症状与对心血管事件的担忧而避免进行剧烈体力活动。

此外，本研究发现，膝骨关节炎（knee OA）且心血管疾病（CVD）风险升高的个体，其最大自主通气量（MVV）低于仅患有膝骨关节炎的个体。MVV降低表明，膝骨关节炎且CVD风险升高的个体呼吸肌耐力下降³⁶。MVV的下降可能受到糖尿病和高血压等共病的影响，这些共病可导致微血管并发症，最终影响呼吸肌耐力^36,37,38。在本研究中，膝骨关节炎且CVD风险升高组的大多数受试者均患有糖尿病和高血压，这可能促成了所观察到的MVV降低。较低的MVV会限制个体维持更大且持久通气的能力，以满足运动过程中气体交换的需求，最终导致中等到高强度体力活动的减少^36,39,40。因此，膝骨关节炎且CVD风险升高的个体避免进行高强度体力活动，这可能也与肺功能下降相关。

然而，这一发现与我们的假设不一致，因为患有膝骨关节炎且心血管疾病（CVD）风险增加的个体并未表现出心肺适能的显著下降。传统上，VO_2peak 是评估心肺适能的重要指标，较低的 VO_2peak 与未来发生心血管疾病风险升高的趋势相关⁴¹。在本研究中，患有膝骨关节炎且心血管疾病风险增加的个体仅表现出 VO_2peak 的轻微降低。我们推测，这可能是因为这些个体的每日总体身体活动量并未减少。既往研究发现，与中等强度活动相比，高强度活动对提升 VO_2peak 具有更优的效果，但训练总量也是一个重要因素⁴²。在本研究中，尽管患有膝骨关节炎且心血管疾病风险增加的个体表现出对高强度活动的回避，但在单纯膝骨关节炎患者中，高强度活动本身的总量就较为有限。此外，两组之间的总体活动量并无显著差异。这些发现可能有助于解释本研究所得结果。

上下楼梯困难和疼痛通常是膝骨关节炎（OA）最早出现的症状，可能源于下肢肌肉激活模式异常，从而改变膝关节的负荷⁴³。本研究发现，与仅有膝骨关节炎的个体相比，合并膝骨关节炎和心血管疾病（CVD）风险升高的个体在上下楼梯过程中股二头肌（BF）的激活程度更高。股二头肌在解剖结构上连接髋关节和膝关节，其激活参与膝关节屈曲以及髋关节伸展⁴³。既往研究已证实，膝骨关节炎患者常伴有股四头肌无力，而股二头肌的过度激活可通过将负荷转移至未受影响的髋关节来代偿这一功能障碍^43,44。此外，股二头肌的增强激活有助于通过增加压缩力的产生并减少胫骨前移，从而稳定膝关节^43,45。然而，股二头肌激活模式的改变可能破坏膝关节负荷的正常分布，进而可能加剧膝骨关节炎的进展⁴³。

与假设一致，本研究发现，膝骨关节炎（OA）且心血管疾病（CVD）风险升高的个体中，股二头肌（BF）激活程度较高与最大自主通气量（MVV）较低之间存在中等程度的负相关关系。与此研究类似，既往一项研究发现，最大自主通气量（MVV）与镰状细胞病患者的外周肌肉功能相关⁴⁶。呼吸肌力量和体能的下降与握力下降有关⁴⁶。在本研究中，通过增强股二头肌（BF）激活来代偿股四头肌无力的策略，可能导致股四头肌运动失用，并加重合并心血管疾病风险的膝骨关节炎患者的病情。严重的股四头肌功能障碍会负面影响中高强度体力活动⁴⁷，这可能与呼吸肌功能障碍相关，并最终导致最大自主通气量（MVV）下降^48,49。

为进一步验证我们的假设，可采用多种替代方法。例如，成像研究（fMRI 或 X 射线）可直接观察膝关节相关肌肉和关节结构的变化，为本研究的行为学/生理学发现提供解剖学上的佐证。此外，纵向队列随访将极为重要，有助于确定我们所观察现象的长期发展趋势和临床结局，从而在当前横断面设计所识别的关联基础上确立因果关系。

较高的股直肌（BF）激活程度与较低的最大自主通气量（MVV）之间存在的负相关关系，也提示了表面肌电图（sEMG）作为一种无创方法在识别上下楼梯时异常肌肉活动模式方面的价值，这可能有助于表征膝骨关节炎（OA）患者以及心血管疾病（CVD）风险升高个体的临床特征。

局限性
在解读本研究结果时，应考虑若干局限性。首先，使用中国预测动脉粥样硬化性心血管疾病风险（China-PAR）模型计算的CVD风险评分受到多种因素影响，包括糖尿病、高脂血症、高血压和腰围。然而，本研究为样本量较小的病例对照研究，可能引入统计学偏倚。未来的研究应扩大样本量，并按风险水平（低、中、高）对参与者进行分层。后续研究应包括干预试验、多中心队列研究或机制性探讨，以验证所观察到的关联。此外，膝骨关节炎与CVD风险升高组中的大多数个体仅存在CVD风险因素，而非明确的心血管疾病诊断，这可能限制研究结果的普适性。尚需进一步研究以探讨合并膝骨关节炎与CVD个体的生物力学及心肺功能特征。

结论
本研究发现，与单纯膝骨关节炎（knee OA）患者相比，合并心血管疾病（CVD）风险的膝骨关节炎患者心肺功能下降程度相对较小。然而，这类患者也表现出倾向于避免剧烈体力活动，同时伴有肺功能下降和股二头肌激活增加。此外，最大通气量（MVV）的降低与股二头肌（BF）激活的升高之间存在负相关关系。

这些发现提示了两个关键意义：首先，表面肌电图（sEMG）作为一种有价值的无创工具，可通过检测高风险膝骨关节炎患者在上下楼梯过程中的异常肌肉激活模式，用于表征其临床特征。其次，针对该人群的个体化运动干预应首先着重于恢复膝关节周围的肌肉平衡，随后逐步加入高强度活动，以增强心肺适能和肺功能。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
动态心电扫描仪	GE Healthcare	2019001977	实时监测，可重复使用
肺功能检测系统	Carefusion Germany 234 GmbH	V-919016	实时监测，可重复使用
跑步机	treadmill hlp/cosmos	180409	履带式传送带，速度和坡度可调节
无线生物反馈系统	Delsys	SP-W02C-1096	无线，肌电生物反馈，可重复使用