前交叉韌帶重建術(shù)后的下肢運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)改變

李珂珂 綜述，曹曼林 審校

(上海市第六人民醫(yī)院康復(fù)科 200030)

前交叉韌帶重建術(shù)后的下肢運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)改變

李珂珂 綜述，曹曼林△審校

(上海市第六人民醫(yī)院康復(fù)科 200030)

前交叉韌帶重建術(shù)；生物力學(xué) ；動力學(xué)；肌力；綜述

膝關(guān)節(jié)屬于滑車關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由股骨下端、脛骨上端和髕骨等構(gòu)成，是人體重要的承重關(guān)節(jié)之一。雖然膝關(guān)節(jié)囊薄且松弛，有不穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，但膝關(guān)節(jié)有一系列的韌帶，對關(guān)節(jié)穩(wěn)定起著重要作用，其中前交叉韌帶(anterior cruciate ligament,ACL)是穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)的重要結(jié)構(gòu)之一。因其在膝關(guān)節(jié)內(nèi)的解剖特點(diǎn),當(dāng)膝關(guān)節(jié)強(qiáng)力伸直或極度扭曲時極易損傷[1]。損傷后患者表現(xiàn)為嚴(yán)重疼痛、關(guān)節(jié)腫脹、關(guān)節(jié)積液及功能障礙。若不及時進(jìn)行修復(fù),將會產(chǎn)生明顯的關(guān)節(jié)不穩(wěn),繼發(fā)半月板和關(guān)節(jié)軟骨的損傷及退變,導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎(KOA)。1903年Battle Mayo報道ACL損傷后的修復(fù)，發(fā)展至今，ACL重建(adjacent channel leakage reconstruction,ACLR)已是關(guān)節(jié)外科的一個重要的治療方法。現(xiàn)將ACLR后膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)變化綜述如下。

1 結(jié)構(gòu)與功能及損傷風(fēng)險因素

ACL起于股骨外側(cè)髁的內(nèi)側(cè)面,穿過髁間窩,向前下方斜行止于脛骨髁間嵴前方、內(nèi)側(cè)髁間嵴表面及前外側(cè)的骨面。部分纖維附著于外側(cè)半月板的前、后角，還有部分纖維直接附著于內(nèi)側(cè)半月板前方的骨面[2]。ACL主要功能為限制脛骨過度前移，此外還有較弱的限制膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋運(yùn)動的作用。ACL內(nèi)本體感受器主要感受軀體的空間位置、姿勢、運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)動方向的變化。機(jī)械感受器是膝關(guān)節(jié)本體感覺的主要來源。ACL體積的1%～2%由機(jī)械刺激感受器構(gòu)成，主要分布于韌帶的股骨和脛骨附著處。ACL損傷或重建術(shù)后，本體感受器數(shù)量減少，受損ACL張力下降，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)本體感覺功能減退，進(jìn)而影響膝關(guān)節(jié)功能[3]。ACL損傷分為接觸性損傷和非接觸性損傷，以非接觸損傷多見。非接觸性ACL損傷的風(fēng)險因素主要有內(nèi)在因素和外在因素兩大類，其中內(nèi)在因素包括：脛骨平臺傾斜角、髁間窩大小、膝關(guān)節(jié)生理性松弛、膝關(guān)節(jié)過伸等；外在因素包括：運(yùn)動鞋底面的反作用力、運(yùn)動水平、肌肉力量、訓(xùn)練條件等[4]。

2 動力學(xué)變化

Osternig等[5]對45例ACLR術(shù)后1年的患者在下肢閉鏈運(yùn)動中的研究發(fā)現(xiàn)，髖關(guān)節(jié)伸展力矩增加的同時膝關(guān)節(jié)伸展力矩降低。此外Hall等[6]對15例ACLR術(shù)后1年以上的患者進(jìn)行步態(tài)分析發(fā)現(xiàn)：在下臺階運(yùn)動、上臺階運(yùn)動的第2步(共3級臺階)和步行時重建側(cè)膝關(guān)節(jié)伸展力矩下降，同時髖關(guān)節(jié)伸展力矩增大，從而使髖膝伸展力矩比值增加。從力學(xué)角度得知髖膝伸展力矩比值與脛骨前剪切力呈負(fù)相關(guān)。所以，機(jī)體通過提高髖膝伸展力矩比值策略避免了對修復(fù)的ACL產(chǎn)生過高張力，減少修復(fù)ACL再損傷概率[6]。

Kai等[7]通過對12例ACL損傷患者進(jìn)行單腿跳測試研究發(fā)現(xiàn)，在單腿著地時，下肢關(guān)節(jié)力矩的變化與軀干屈曲的角度和身體動態(tài)穩(wěn)定性有明顯的相關(guān)性。在著地的中期和終末期，膝關(guān)節(jié)屈曲力矩減低，而髖關(guān)節(jié)屈曲和踝關(guān)節(jié)背屈的力矩增加，這種力矩的再分布是恢復(fù)身體重心穩(wěn)定性的必要條件。身體重心的位置是姿勢動態(tài)平衡穩(wěn)定性的基本要素，單腿著地軀干屈曲向前是機(jī)體恢復(fù)動態(tài)平衡的前反饋。軀干向前屈曲后使足部的著地力點(diǎn)更向前移，使髖、膝、踝關(guān)節(jié)的地面反作用力線軸前移，影響反作用力臂。膝關(guān)節(jié)反作用力臂減低，而踝、髖關(guān)節(jié)力臂增加，最終膝關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)移至髖和踝關(guān)節(jié)。Kai等[8]繼續(xù)對18例ACL損傷患者在術(shù)前、術(shù)后6個月、術(shù)后1年3個獨(dú)立時間點(diǎn)進(jìn)行單腿跳測試后發(fā)現(xiàn)在落地時患側(cè)膝關(guān)節(jié)屈曲力矩下降，踝背屈力矩增加，機(jī)體在矢狀面上向踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)移部分膝關(guān)節(jié)力矩。由于在此次研究中發(fā)現(xiàn)最大膝關(guān)節(jié)屈曲力矩∶踝關(guān)節(jié)背屈的力矩是2.5，所以落地任務(wù)對跖屈肌的要求比對膝關(guān)節(jié)伸肌要求低。機(jī)體用此力矩轉(zhuǎn)移策略減少了落地時對膝關(guān)節(jié)伸肌的要求，從而彌補(bǔ)了術(shù)后股四頭肌力量的不足。除了矢狀面力矩出現(xiàn)變化，Sanford等[9]對10例單側(cè)ACLR術(shù)后大于7個月(平均7年)患者的步態(tài)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)冠狀面力矩也出現(xiàn)改變:患膝在步態(tài)中的15%時相段出現(xiàn)內(nèi)收力矩增加，增加的內(nèi)收力矩主要出現(xiàn)在站立中期和站立末期。將內(nèi)收力矩波形與地面反作用力波形對比，發(fā)現(xiàn)內(nèi)收力矩增加的同時地面反作用力也增加。因此，膝關(guān)節(jié)所承受的剪切力增加。Julien等[10]認(rèn)為膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩值增加是膝蓋內(nèi)側(cè)間室骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生、嚴(yán)重程度、疼痛、發(fā)展速度的一個較強(qiáng)的預(yù)測指標(biāo)。

Ernst等[11]從20例ACLR術(shù)后下肢力矩總和的角度分析研究患者進(jìn)行垂直單腿跳和側(cè)面上臺階測試結(jié)果顯示，在單腿垂直跳的起、落地時段和側(cè)身登臺階運(yùn)動時膝關(guān)節(jié)伸展力矩降低，在垂直跳起跳時段3關(guān)節(jié)伸展力矩之和無改變。所以筆者認(rèn)為在垂直跳起跳時段機(jī)體通過增加髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)伸展力矩來補(bǔ)償膝關(guān)節(jié)伸展力矩的不足。從力矩總和角度分析的還有de Fontenay等[12]，通過對11例ACLR術(shù)后6～9個月患者進(jìn)行單腿蹲跳測試發(fā)現(xiàn)，髖、膝、踝總力矩減少14%，但是健患側(cè)3關(guān)節(jié)最大力矩分別比較均無差異。原因?yàn)?關(guān)節(jié)力矩相加，擴(kuò)大了差異，有了統(tǒng)計學(xué)意義。力矩主要與肌肉力量相關(guān)，總力矩下降提示重建側(cè)下肢總體的肌肉力量減低。從能量變化的角度研究發(fā)現(xiàn)患側(cè)下肢的總能量比健側(cè)下肢低35%。其中雙側(cè)最大的髖和膝能量相比較無差異，患側(cè)最大踝關(guān)節(jié)能量比健側(cè)低34%。這是因?yàn)槟N繩肌收縮，影響伸膝肌群作用，膝關(guān)節(jié)伸展角度減小，導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)趾屈角度減小，踝關(guān)節(jié)趾屈角速度下降31%，所以踝關(guān)節(jié)能量比健側(cè)低34%，進(jìn)而總能量比健側(cè)下肢低35% 。

綜上所述，ACLR術(shù)后髖、膝、踝3關(guān)節(jié)動力學(xué)均發(fā)生相應(yīng)變化，主要表現(xiàn)在髖關(guān)節(jié)伸展力矩增加、屈曲力矩下降，膝關(guān)節(jié)屈、伸力矩均下降，踝關(guān)節(jié)背屈力矩增加。機(jī)體通過以上改變增加了穩(wěn)定性，同時減少了對ACL的剪切力，對重建韌帶起到保護(hù)作用。

3 運(yùn)動學(xué)變化

Webster等[13]對15例ACLR術(shù)后15～19個月的男性患者從疲勞角度研究單腿垂直跳過程中膝關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)變化。誘導(dǎo)疲勞程序?yàn)?0次雙腿深蹲至膝關(guān)節(jié)屈曲90°，5次左腿落地，5次右腿落地，2次垂直跳，重復(fù)5組。觀察到所有受測髖關(guān)節(jié)隨疲勞出現(xiàn)外展角度增加，說明隨著疲勞的出現(xiàn)，肢體降低了對髖關(guān)節(jié)冠狀面的控制能力，從而增加了膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險。疲勞后健患側(cè)下肢相比，運(yùn)動學(xué)指標(biāo)惟一的差異是髖關(guān)節(jié)屈曲角度較健側(cè)腿減輕程度低。筆者認(rèn)為患側(cè)髖屈曲角度減弱程度較輕，可以減少對ACLR術(shù)后膝關(guān)節(jié)控制的要求，是術(shù)后機(jī)體為了減少膝關(guān)節(jié)失控進(jìn)行的代償。

Thomas等[14]對17例前交叉韌帶術(shù)后7～10個月患者從疲勞角度進(jìn)行雙腿起跳單腿落地生物力學(xué)研究。誘導(dǎo)疲勞方式包括8次雙腿深蹲，膝關(guān)節(jié)屈曲角度至少90°，緊接3次動態(tài)落地。發(fā)現(xiàn)患者均隨疲勞出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)外展角度和外展力矩下降，可能是因?yàn)樗惺軠y膝關(guān)節(jié)疲勞后肌力下降，導(dǎo)致疲勞后機(jī)體為成功完成任務(wù)，而采取了一個更中立的水平面的肢體校準(zhǔn)。同時，疲勞后所有受測膝關(guān)節(jié)屈曲角度下降，且ACLR組在疲勞前后單腿落地初期和完全落地時，膝關(guān)節(jié)屈曲最大角度均較健康組小。膝關(guān)節(jié)屈曲下降可防止落地時下肢功能喪失，但是增加了ACLR非接觸損傷風(fēng)險。

Cordeiro等[15]對8位ACL損傷重建術(shù)后6個月男性足球運(yùn)動員踢球動作進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，ACLR組患者在足背踢球運(yùn)動中膝關(guān)節(jié)伸展平均角度下降。因此認(rèn)為膝關(guān)節(jié)迅速、徹底的伸展在ACLR組中是欠缺的。足背踢足球這一動作具有較大角速度，對神經(jīng)肌肉的控制能力要求較高，說明神經(jīng)肌肉控制在術(shù)后6個月仍未完全恢復(fù)。此外研究還發(fā)現(xiàn)ACLR組在膝關(guān)節(jié)伸展角度上和即時的峰值速度有較大的變異性。前交叉韌帶重建術(shù)后患者的高變異性與本體感覺缺失神經(jīng)肌肉反射受損有關(guān)。最后除了膝關(guān)節(jié)伸展角度下降外，其他運(yùn)動學(xué)指標(biāo)無明顯改變，這是因?yàn)樯窠?jīng)肌肉系統(tǒng)試著保持運(yùn)動模式的完整性。所以Cordeiro等[15]認(rèn)為執(zhí)行開放動態(tài)鏈訓(xùn)練(運(yùn)用擺動運(yùn)動)對ACLR術(shù)后患者的康復(fù)是有意義的。訓(xùn)練應(yīng)該重點(diǎn)著眼于多關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動和膝關(guān)節(jié)的全范圍的伸展[16]。

重建后的運(yùn)動學(xué)改變主要表現(xiàn)為在疲勞狀態(tài)下，髖關(guān)節(jié)屈曲角度下降，但降低程度較健側(cè)減輕。膝關(guān)節(jié)主要在疲勞后落地時屈曲角度降低，且屈曲角度較健側(cè)小。并且在快速運(yùn)動時伸展角度下降、角速度下降，跳躍高度下降。

4 肌肉功能變化

Thomas等[16]對15例ACLR患者從術(shù)前到術(shù)后6個月進(jìn)行等速肌力測試觀察到，髖、膝、踝關(guān)節(jié)肌肉力量均出現(xiàn)相應(yīng)變化。術(shù)前髖關(guān)節(jié)內(nèi)收、伸展力量均明顯減弱。術(shù)后，進(jìn)行下肢肌力訓(xùn)練6個月后，髖內(nèi)收肌力量增加并較對照組高，髖伸展力量增加，但較對照組無明顯差異。術(shù)前膝屈伸肌力量均下降，具體來說伸肌力量下降34.6%，屈肌力量下降24.0%。術(shù)后6個月，屈、伸膝肌力量均增加至與對照組無差異。術(shù)前術(shù)后肌肉力量異常值得重視，膝關(guān)節(jié)屈伸肌群可直接影響脛骨位移，改變膝關(guān)節(jié)承重策略，引起膝軟骨負(fù)重增加，導(dǎo)致關(guān)節(jié)退變。另外，與健康組比較，術(shù)后6個月健側(cè)伸膝肌群力量大于健康組(高27.5%)，健側(cè)屈膝肌群力量大于健康組(高18.0%)，說明ACLR術(shù)后，由于患側(cè)腿肌力下降，健側(cè)出現(xiàn)相應(yīng)代償，進(jìn)而導(dǎo)致術(shù)后屈伸肌力量高于健康組。術(shù)后6個月后踝關(guān)節(jié)跖屈力量下降明顯改善，但仍低于對照組。由此研究可知，術(shù)后6個月膝關(guān)節(jié)屈伸肌力量得到恢復(fù)，但是腓腸肌力量仍然下降，因此可適當(dāng)增加提踵訓(xùn)練加強(qiáng)腓腸肌力量 。

Krishnan等[17]進(jìn)一步從膝關(guān)節(jié)角度的改變來研究股四頭肌功能缺陷發(fā)現(xiàn)：股四頭肌肌力在膝關(guān)節(jié)屈曲45°和90°減弱類似，但是在45°時自主激活缺陷更明顯。他們通過比較測量共同收縮時激發(fā)的力矩進(jìn)行計算得出股四頭肌自主激活的百分比[自主激活百分比=(1-共同收縮時激活力矩/休息時激活力矩)×100%]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在膝關(guān)節(jié)屈曲45°時下降了約10%，屈曲90°時幾乎無下降。所以股四頭肌的激活與屈曲角度有明顯關(guān)系，建議以后進(jìn)行相關(guān)測量時選擇屈曲45°角 。

除了肌肉力量出現(xiàn)明顯變化外，Knezevic等[18]對20例ACL損傷患者術(shù)后4個月和6個月分別進(jìn)行最大肌力及爆發(fā)力測試發(fā)現(xiàn)，術(shù)前股四頭肌RFD(發(fā)力率)降低了26%，最大肌肉力量降低14%；術(shù)后4個月時股四頭肌最大肌肉力量最低(24.9±1.6)N/kg，術(shù)后6個月時基本恢復(fù)術(shù)前水平(29.5±1.3)N/kg；股四頭肌爆發(fā)力6個月有恢復(fù)，但仍比術(shù)前低14%；腘繩肌術(shù)后4個月最大肌肉力量下降5%，肌肉爆發(fā)力下降17%。因此，ACLR影響患側(cè)下肢神經(jīng)和肌肉激活特性，尤其表現(xiàn)在爆發(fā)力上。所以可以認(rèn)為：除了最大力量，爆發(fā)力指標(biāo)也應(yīng)該在對ACLR后股四頭肌和腘繩肌功能的評估中規(guī)律地記錄。

ACLR后肌肉功能變化主要是：股四頭肌和腘繩肌力量下降、最大力量和爆發(fā)力的下降及神經(jīng)肌肉激活的下降(屈曲45°角時測量)；踝關(guān)節(jié)跖屈力量下降。術(shù)后6個月后膝關(guān)節(jié)屈伸肌最大肌肉力量基本得到恢復(fù)，但其爆發(fā)力和腓腸肌最大力量仍然較低，仍需進(jìn)一步針對性鍛煉加強(qiáng)。

5 總結(jié)及展望

隨著ACLR逐漸成熟，越來越多ACL損傷患者選擇手術(shù)治療，術(shù)后下肢肌肉和關(guān)節(jié)的生物力學(xué)變化研究對于術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練的重要性日漸突出。通過單腿跳測試、疲勞誘導(dǎo)等方式研究得到的生物力學(xué)變化數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)分階段科學(xué)合理制訂康復(fù)訓(xùn)練計劃，對于術(shù)后患者膝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)，降低骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病率大有益處。未來可以針對不同手術(shù)方式、不同康復(fù)訓(xùn)練計劃進(jìn)行生物力學(xué)變化的研究，以選擇最優(yōu)。

[1]黃樂生,劉金豐,肖夢強(qiáng),等.微曲膝關(guān)節(jié)磁共振矢狀位薄層掃描對 ACL 撕裂的應(yīng)用價值[J].重慶醫(yī)學(xué),2015，44(27):3855-3857.

[2]李晨曦,周敬濱,李方祥.股骨髁間窩和前交叉韌帶止點(diǎn)解剖學(xué)研究及其在解剖重建中的應(yīng)用[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志,2013,32(10):921-928.

[3]郭韻,杜良杰,李建軍,等.前交叉韌帶重建術(shù)后膝關(guān)節(jié)的神經(jīng)肌肉功能重塑[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐,2016(1):65-68.

[4]賀忱,李方祥.脛骨平臺傾斜角及其與前交叉韌帶損傷相關(guān)性研究進(jìn)展[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志,2013,32(6):549-554.

[5]Osternig LR,Ferber R,Mercer J,et al.Human hip and knee torque accommodations to anterior cruciate ligament dysfunction[J].Eur J Appl Physiol,2000,83(1):71-76.

[6]Hall M,Stevermer CA,Gillette JC.Gait analysis post anterior cruciate ligament reconstruction:Knee osteoarthritis perspective[J].Gait Posture,2012,36(1):56-60.

[7]Kai DO,Brüggemann GP,H?her J,et al.Reduced knee joint moment in ACL deficient patients at a cost of dynamic stability during landing[J].J Biomech,2012,45(8):1387-1392.

[8]Kai DO,Brüggemann GP,H?her J,et al.Knee mechanics during landing in anterior cruciate ligament patients:A longitudinal study from pre-to 12 months post-reconstruction[J].Clin Biomech 2014,29(5):512-517.

[9]Sanford BA,Zucker-Levin AR,Williams JL,et al.Principal component analysis of knee kinematics and kinetics after anterior cruciate ligament reconstruction[J].Gait Posture,2012,36(3):609-613

[10]Julien F,Matthieu H,Erhart-Hledik JC,et al.A neural network model to predict knee adduction moment during walking based on ground reaction force and anthropometric measurements[J].J Biomech,2012,45(4):692-698.

[11]Ernst GP,Saliba E,Diduch DR,et al.Lower extremity compensations following anterior cruciate ligament reconstruction[J].Phys Ther,2000,80(3):415-418.

[12]de Fontenay BP,Argaud S,Blache Y,et al.Motion alterations after anterior cruciate ligament reconstruction:comparison of the injured and uninjured lower limbs during a single-legged jump[J].J Athl Train,2014,49(3):311-316.

[13]Webster KE,Santamaria LJ,Mcclelland JA,et al.Effect of fatigue on landing biomechanics after anterior cruciate ligament reconstruction surgery[J].Med Sci Sports Exerc,2012,44(5):910-916.

[14]Thomas AC,Lepley LK,Wojtys EM,et al.Effects of neuromuscular fatigue on quadriceps strength and activation and knee biomechanics in individuals post-anterior cruciate ligament reconstruction and healthy adults[J].J Orthop Sports Phys Ther,2015,45(12):1-32.

[15]Cordeiro N,Cortes N,Fernandes O,et al.Dynamic knee stability and ballistic knee movement after ACL reconstruction:an application on instep soccer kick[J].Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc,2014,23(4):1-7.

[16]Thomas AC,Villwock M,Wojtys EM,et al.Lower extremity muscle strength after anterior cruciate ligament injury and reconstruction[J].J Athl Train,2013,48(5):610-620.

[17]Krishnan C,Theuerkauf P.Effect of knee angle on quadriceps strength and activation after anterior cruciate ligament reconstruction[J].J Appl Physiol(1985),2015,119(3):223-231.

[18]Knezevic OM,Mirkov DM,Marko K,et al.Asymmetries in explosive strength following anterior cruciate ligament reconstruction[J].Knee,2014,21(6):1039-1045.

李珂珂(1991-)，碩士，主要從事康復(fù)醫(yī)學(xué)研究?！?/p>

，E-mail:c_ml2009@hotmail.com。

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.34.038

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1671-8348(2017)34-4860-03

2017-08-28

2017-09-29)