單純前交叉韌帶斷裂與合并半月板損傷患者的步態(tài)分析

時會娟 黃紅拾 于媛媛 劉卉 敖英芳

1北京大學(xué)第三醫(yī)院運動醫(yī)學(xué)研究所（北京 100191）

2北京體育大學(xué)運動人體科學(xué)學(xué)院

3運動醫(yī)學(xué)關(guān)節(jié)傷病北京市重點實驗室

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）是維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的重要結(jié)構(gòu)，主要功能是防止脛骨前移，對膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展?fàn)顟B(tài)下的內(nèi)旋/外旋和外展/內(nèi)收也有一定的控制作用[1-3]。ACL斷裂降低了關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，使膝關(guān)節(jié)的動作模式和力學(xué)機制發(fā)生改變[4，5]，改變關(guān)節(jié)間正常的接觸壓力與接觸面積[6]，增加關(guān)節(jié)軟骨的損傷率[7-9]，發(fā)生膝關(guān)節(jié)退行性病變。ACL斷裂會顯著增加膝骨關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）的發(fā)生率。瑞典學(xué)者通過保險公司對103名12年前發(fā)生ACL損傷的女性足球運動員（此時平均年齡僅31歲）進行研究，其中84名填寫了相關(guān)問卷，67名進行了影像學(xué)檢查，結(jié)果表明KOA的發(fā)生率高達51%，而沒有ACL損傷的對側(cè)KOA發(fā)生率僅為8%[10]。

與單純ACL斷裂者相比，合并半月板損傷的ACL斷裂者發(fā)生KOA的風(fēng)險更高[11-13]。在ACL斷裂狀態(tài)下，半月板除了承重與緩沖作用外，對限制脛骨前移、保持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定也有重要作用[14，15]。研究表明合并半月板損傷ACL斷裂者傷后10年KOA發(fā)生率在60%～100%之間[16，17]。目前已有大量研究討論ACL斷裂對步態(tài)特征的影響，但并沒有得出一致結(jié)論[4]。而且很少有研究比較單純ACL斷裂患者與合并半月板損傷者步態(tài)特征的差異，這些少量研究僅僅探究了膝關(guān)節(jié)的運動學(xué)參數(shù)，并未涉及動力學(xué)參數(shù)[18，19]，難以制定有針對性的預(yù)防或康復(fù)方案。不論是單純ACL斷裂還是合并半月板損傷，均不同程度改變了膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)屬性，繼而改變了運動時的關(guān)節(jié)運動學(xué)特征和生物性能，因此ACL斷裂是探究運動機制和生物因素的相互關(guān)系及其如何誘發(fā)KOA的重要臨床病理模型。本研究比較了單純ACL斷裂者和ACL斷裂合并半月板損傷患者的步態(tài)特征，分析ACL斷裂患者繼發(fā)KOA的可能機制，為制定ACL斷裂康復(fù)方案和防治KOA提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 受試者

受試者共3組 ，每組13人（表1）：單側(cè)單純前交叉韌帶斷裂組（ACL組）、合并半月板損傷的前交叉韌帶斷裂組（ACL+M組）、健康對照組（C組），所有前交叉韌帶斷裂者均為單側(cè)斷裂，對側(cè)膝關(guān)節(jié)為正常的未傷狀態(tài)。三組受試者的年齡、性別、身高、體重等條件相互匹配，ACL、ACL+M兩組的前交叉韌帶損傷時間也相互匹配。本研究得到北京大學(xué)第三醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。受試者了解研究目的和風(fēng)險后，簽署知情同意書，所有受試者的步態(tài)測試均在進行重建術(shù)前1天完成。所有受試者均無其他關(guān)節(jié)和韌帶的損傷，也無其他影響運動能力的疾病。ACL組和ACL+M組受試者的選取均首先根據(jù)臨床專家術(shù)前核磁檢查的審查結(jié)果（圖1），并結(jié)合臨床手術(shù)記錄，以確保受試者符合納入標(biāo)準(zhǔn)。

表1 受試者基本情況

圖1 核磁檢查結(jié)果（左圖為前交叉韌帶斷裂；右圖為內(nèi)側(cè)半月板損傷）

1.2 數(shù)據(jù)采集

測試人員向受試者介紹實驗?zāi)康募皽y試流程，要求受試者換上測試所用服裝。根據(jù)Helen Hayes模型在受試者身體上共粘貼29個反光標(biāo)志點（圖2），包括頭頂點、頭前點、頭后點、左右肩峰、左右肱骨外上髁、左右腕點（尺骨莖突和橈骨莖突之間）、右側(cè)肩胛骨下角、髂后上棘中點、左右大腿前側(cè)、左右股骨外上髁、左右股骨內(nèi)側(cè)髁、左右脛骨粗隆、左右腓骨外踝、左右脛骨內(nèi)踝、左右足跟和左右第2、3跖趾關(guān)節(jié)中點。

應(yīng)用8攝像頭紅外高速運動捕捉系統(tǒng)（Vicon，Nex?us，T40）采集運動學(xué)參數(shù)，采集頻率為100 Hz。應(yīng)用2塊三維測力臺（AMTI，BP400600）采集動力學(xué)參數(shù)，采集頻率為1000 Hz。

讓受試者以自己最舒適的速度赤腳步行幾次，以適應(yīng)嵌有測力臺的走道和身上固定的反光標(biāo)志點。待受試者適應(yīng)之后，在步行起始點的地方做好標(biāo)記，以后每次都從此標(biāo)記處開始步行，以避免反復(fù)調(diào)整步伐。為了避免受試者刻意注視測力臺，告知受試者在步行時視線向前。

圖2 受試者體表標(biāo)志點位置及數(shù)據(jù)采集場景

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究分析受試者某一側(cè)足跟接觸第1塊測力臺到同側(cè)足跟再次著地所經(jīng)歷的一個步態(tài)周期。以健側(cè)為例，一個完整步態(tài)周期依次經(jīng)歷了健側(cè)腳著地、患側(cè)腳離地、患側(cè)腳著地、健側(cè)腳離地、健側(cè)腳著地5個動作時刻，整個步態(tài)周期可由這5個動作時刻依次劃分為第1雙支撐、單支撐、第2雙支撐和擺動4個階段。從足跟接觸第1塊測力臺到該足跟再次著地過程中足跟在前后方向上的水平距離為跨步長，取跨步長和身高（BH）的百分比進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。左、右足跟在左右方向上的水平距離為步寬。取雙支撐期占整個步態(tài)周期的百分比進行雙支撐期標(biāo)準(zhǔn)化處理。

應(yīng)用Visual 3D軟件（C-Motion）對數(shù)據(jù)進行處理和計算。應(yīng)用Butterworth低通數(shù)字濾波方法對原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行平滑，平滑截斷頻率為10 Hz。應(yīng)用粘貼在小腿和大腿上的標(biāo)志點坐標(biāo)建立小腿和大腿環(huán)節(jié)坐標(biāo)系。計算小腿坐標(biāo)系相對于大腿坐標(biāo)系分別繞x、y、z軸先后轉(zhuǎn)動的卡爾丹角，獲得膝關(guān)節(jié)屈伸、內(nèi)收外展和內(nèi)外旋的角度。采用逆動力學(xué)方法計算膝關(guān)節(jié)的三維凈力矩。力矩標(biāo)準(zhǔn)化為體重與身高乘積的倍數(shù)（單位為BW×BH）。地面反作用力標(biāo)準(zhǔn)化為受試者體重的倍數(shù)（單位為BW）。本文結(jié)果中所呈現(xiàn)的膝關(guān)節(jié)力矩均為內(nèi)源性力矩。

1.4 統(tǒng)計分析

應(yīng)用單因素方差分析方法分析受傷情況對步態(tài)周期、第2雙支撐期所占步態(tài)周期百分比、跨步長、步寬等參數(shù)的影響，后續(xù)檢驗方法為最小顯著差法（Leastsignificant difference，LSD）；將健康組的優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿分別與受傷組的健側(cè)腿和患側(cè)腿相匹配[21]，用混合設(shè)計雙因素方差分析方法分析組別和健患側(cè)對膝關(guān)節(jié)三維角度和三維力矩的影響，用LSD作為后續(xù)檢驗方法。若雙因素方差分析方法顯示組別和健患側(cè)兩因素有交互效應(yīng)，則對組別和健患側(cè)分別用單因素方差分析方法和配對t檢驗進行檢驗。顯著性標(biāo)準(zhǔn)定為P＜0.05，所有數(shù)據(jù)均用SPSS16.0統(tǒng)計分析軟件進行分析。

2 結(jié)果

單因素方差分析結(jié)果表明，步行時的步態(tài)周期、第2雙支撐期所占步態(tài)周期百分比、跨步長和步寬在三組受試者間無顯著差異（P＞0.05，表2）。雙因素方差分析結(jié)果顯示，損傷情況和損傷側(cè)對單支撐期沒有交互效應(yīng)（P=0.854），損傷情況對單支撐期時間沒有影響（P=0.301），但健側(cè)的單支撐期時間比患側(cè)長（P=0.014）。

雙因素方差分析結(jié)果表明，除屈膝峰值和屈伸活動范圍外，損傷情況和損傷側(cè)兩個因素對整個步態(tài)過程中的膝關(guān)節(jié)三維角度最小值、峰值、屈伸活動范圍的影響均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。損傷側(cè)對屈膝峰值無影響（P=0.058），損傷情況對屈膝峰值有影響（P=0.007，表3）。后續(xù)檢驗結(jié)果顯示：ACL+M組和C組的屈膝峰值均大于ACL組（P=0.001，P=0.001），但ACL+M組和C組間無顯著差異（P=0.847）。健側(cè)膝關(guān)節(jié)屈伸活動范圍大于患側(cè)（P=0.006），而損傷情況對膝關(guān)節(jié)屈伸活動范圍沒有顯著影響（P=0.294）。

表2 基本步態(tài)參數(shù)比較

本研究結(jié)果表明，損傷情況和損傷側(cè)別對屈膝力矩峰值無顯著影響（P=0.618，P=0.068）。健側(cè)伸膝力矩峰值顯著大于患側(cè)（P=0.001），而不同損傷情況之間的伸膝力矩峰值無顯著差異（P=0.553）。不同損傷情況之間的內(nèi)收力矩峰值沒有顯著差異（P=0.381），健側(cè)內(nèi)收力矩峰值大于患側(cè)（P=0.036，表4）。健側(cè)外展力矩峰值大于患側(cè)（P＜0.001），且損傷情況對外展力矩峰值有顯著影響（P=0.035），ACL+M組的外展力矩峰值大于ACL組和C組（P=0.045，P=0.014），ACL組和C組之間的外展力矩峰值無顯著差異（P=0.616）。

損傷情況和損傷側(cè)別兩個因素對內(nèi)旋力矩峰值和外旋力矩峰值均存在交互影響（P=0.024，P=0.002），ACL+M組和C組的健側(cè)膝內(nèi)旋力矩峰值均大于患側(cè)（P=0.011，P＜0.001），ACL組的健患側(cè)膝內(nèi)旋力矩峰值無顯著差異（P=0.100）。損傷情況對患側(cè)膝內(nèi)旋力矩峰值無顯著影響（P=0.327）。ACL組和ACL+M組的健患側(cè)膝外旋力矩峰值無顯著差異（P=0.860，P=0.357），C組匹配健側(cè)膝外旋力矩峰值小于匹配患側(cè)（P＜0.001），損傷情況對患側(cè)膝關(guān)節(jié)外旋力矩峰值無影響（P=0.086），但ACL+M組健側(cè)膝外旋力矩峰值大于C組（P=0.004）。

表3 膝關(guān)節(jié)3個平面內(nèi)的角度峰值及其關(guān)節(jié)活動范圍

表4 膝關(guān)節(jié)3個方向的力矩峰值

損傷情況和損傷側(cè)別兩個因素對地面反作用力指標(biāo)均無交互影響（P＞0.05），健側(cè)的垂直地面反作用力第1峰值和水平向后地面反作用力峰值顯著大于患側(cè)（P=0.001，P＜0.001），向前地面反作用力峰值在兩側(cè)下肢間無顯著性差異（P=0.445）。損傷情況對垂直地面反作用力第1峰值和向后地面反作用力無顯著影響（P=0.818，表5）。損傷情況和損傷側(cè)別兩個因素對向前地面反作用力無交互效應(yīng)（P=0.534），且二者對向前地面反作用力最大值均無顯著影響（P=0.627，P=0.998）。

表5 地面反作用力（BW）

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)ACL+M組和C組的屈膝峰值均大于ACL組，這與Rudolph等[22]的研究結(jié)果（ACL斷裂者屈曲角度比健康者小）有一定的一致性。較小的屈膝角度可能意味著關(guān)節(jié)的僵硬程度較大，從而增加關(guān)節(jié)內(nèi)的壓力和剪切力，引發(fā)關(guān)節(jié)軟骨退化[22]，導(dǎo)致早期KOA的發(fā)生。有研究發(fā)現(xiàn)患有嚴(yán)重KOA的患者屈膝角度峰值和屈伸活動范圍均小于健康人[23]。膝關(guān)節(jié)矢狀面運動特征的改變會使關(guān)節(jié)負荷移到不常受力的軟骨區(qū)域。ACL斷裂后使之前應(yīng)受力的軟骨區(qū)域得不到受力，而使不常負重的區(qū)域承受較大的關(guān)節(jié)負荷是ACL斷裂后發(fā)生KOA的一個重要誘因[8]。較大的屈伸活動范圍使得承受負荷的軟骨區(qū)域增大，可以更多地使原有承受負荷的軟骨區(qū)域負重，進而更加接近正常的受力模式，因此增大屈膝角度、改善較小的膝關(guān)節(jié)屈伸活動范圍對預(yù)防KOA可能會有益處。另外，膝關(guān)節(jié)屈曲角度增加可以為腘繩肌對抗脛骨內(nèi)旋以穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)創(chuàng)造更好的條件，而且可以減少股四頭肌的剪切力[24]。ACL斷裂后，半月板是穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)的重要結(jié)構(gòu)，合并半月板損傷者的屈膝峰值角度比單純ACL斷裂者大，有可能是因為半月板損傷后需要更大的屈膝角度以便腘繩肌幫助穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)。單純ACL斷裂者在運動過程中主動增加屈膝角度更好地穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)以減小半月板所受負荷，此動作模式的改變有可能延緩或避免ACL斷裂后繼發(fā)半月板損傷。

本研究結(jié)果顯示，整個支撐期的健側(cè)伸膝力矩峰值均大于患側(cè)。Ferber等[25]也發(fā)現(xiàn)單側(cè)ACL斷裂患者的健側(cè)產(chǎn)生更大的伸膝力矩。伸膝內(nèi)力矩可以反映股四頭肌功能狀態(tài)[9]，伸膝內(nèi)力矩降低可能與股四頭肌肌力降低有關(guān)，等速肌力測試結(jié)果表明無論是在離心收縮還是向心收縮模式下，ACL斷裂者的健側(cè)股四頭肌力矩均比患側(cè)大[26]。ACL斷裂后，患者走路時會加強腘繩肌的收縮以便脛骨后移，或者減弱股四頭肌收縮以避免脛骨過度前移[27]。ACL斷裂患者脛股接觸位置的改變是膝關(guān)節(jié)發(fā)生退行性變的因素之一[28]，脛骨相對股骨偏移正常位置的程度隨著伸膝內(nèi)力矩的增加而增加，著地時伸膝內(nèi)力矩的降低是股四頭肌活動降低、腘繩肌活動增強的結(jié)果[29]。從解剖學(xué)觀點來看，著地時（膝關(guān)節(jié)幾乎完全伸直時）腘繩肌由于被動不足并沒有表現(xiàn)出有效的ACL協(xié)同作用[30]。而在著地初期股四頭肌的收縮會產(chǎn)生前抽屜效應(yīng)（脛骨前移），因此股四頭肌收縮的減弱可能是伸膝力矩減小的主要因素。

ACL+M組膝關(guān)節(jié)外展凈力矩大于ACL組和C組，即ACL+M組所受外源性膝內(nèi)收力矩較大。人在正常行走時受到地面反作用力的外力作用，此外力作用于膝關(guān)節(jié)表現(xiàn)為內(nèi)收力矩（即外力矩），人體自身的組織（肌肉、韌帶和骨骼等）產(chǎn)生大小相等、方向相反的力矩來對抗地面反作用力產(chǎn)生的外力矩以使身體保持正常姿態(tài)，因此本研究中ACL+M組患者產(chǎn)生較大的膝外展力矩即表明膝關(guān)節(jié)的外源性內(nèi)收力矩較大。在負重過程中，功能狀態(tài)良好的半月板會隨著屈膝動作而產(chǎn)生前后方向和左右方向的移動，且半月板厚度會隨之發(fā)生變化[31]。在屈膝過程中半月板的運動不僅可以更大程度地與關(guān)節(jié)軟骨表面保持一致以避免軟骨受傷，還可以有效緩沖負重過程中地面對膝關(guān)節(jié)的沖擊力。而半月板損傷的患者在負重過程中異常的運動模式不能使半月板表現(xiàn)出上述應(yīng)有的功能，可能因此使合并半月板損傷的ACL患者受到較大的膝內(nèi)收力矩。研究表明膝關(guān)節(jié)的外源性內(nèi)收力矩越大，患KOA的風(fēng)險越高[32]。本研究結(jié)果表明半月板損傷會增大發(fā)生KOA的風(fēng)險，受損半月板的修復(fù)可能是有效預(yù)防KOA的重要因素之一。膝關(guān)節(jié)伸直和外展力矩改變的結(jié)合也可能會將應(yīng)力從經(jīng)常受力的軟骨區(qū)域轉(zhuǎn)移到不常受力的區(qū)域，進而導(dǎo)致KOA的發(fā)生[33]。

關(guān)于ACL斷裂患者內(nèi)外旋運動特征的研究還很少，且研究結(jié)果也不一致，目前還未形成ACL斷裂患者步行過程中內(nèi)外旋活動特征的統(tǒng)一認識。在本研究中，膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)程度無論是在ACL斷裂患者健患側(cè)之間，還是在ACL斷裂患者與健康者之間均無差異。這一結(jié)果與Czerniecki等[34]的研究結(jié)果一致，Czerniecki認為這可能是由于ACL斷裂的膝關(guān)節(jié)可能并不存在旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定特征。而Zhang等[35]發(fā)現(xiàn)ACL斷裂的膝關(guān)節(jié)在步行過程中表現(xiàn)出了更大的外旋、更小的內(nèi)旋，Zhang認為這樣的現(xiàn)象可能是由于ACL斷裂患者在步行過程中為了防止脛骨過度內(nèi)旋而使膝關(guān)節(jié)處于更多的外旋位置。本研究中整個支撐期中ACL+M組的膝外旋力矩峰值大于C組，而ACL組與C組之間并無差異。半月板是穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)的重要結(jié)構(gòu)之一，合并半月板損傷者的膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性比單純ACL斷裂患者差，因此ACL+M組與C組之間的差異較大。膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)力矩的改變會使正常狀態(tài)時不受力的區(qū)域承受過度應(yīng)力[36]，旋轉(zhuǎn)應(yīng)力的改變是增加KOA發(fā)生的重要因素[37]。

本研究中健側(cè)的垂直地面反作用力第1峰值和水平向后地面反作用力峰值均比患側(cè)大。有研究表明ACL斷裂者的患側(cè)足跟區(qū)域所受壓強顯著小于健側(cè)[38]，在一定程度上支持了本研究。垂直地面反作用力第一峰值代表著地時的沖擊力，水平向后地面反作用力是制動力。健側(cè)長時間以較大的力著地會對膝關(guān)節(jié)造成沖擊，可能會引起膝疼痛等問題，患者應(yīng)注意步行時盡量保持用力均勻，保護患腿的同時也要避免健腿出現(xiàn)其他方面的損傷。患腿用于制動的力更小，可能是患者由于心理原因有意識地減輕患腿的用力程度。且本研究中健側(cè)單支撐期時間比患側(cè)長，應(yīng)用足底壓力測量系統(tǒng)的研究也同樣認為ACL斷裂者健側(cè)的足-地支撐階段以及全足支撐階段均大于患側(cè)[39]。以上這些指標(biāo)的變化可以理解為ACL斷裂者的保護策略。健患側(cè)用力不均衡改變了下肢受力模式，長期持續(xù)這種不對稱的受力模式可能會加大發(fā)生KOA的風(fēng)險。

4 結(jié)論

ACL斷裂患者健側(cè)受到的地面反作用力大于患側(cè)，這種受力不均衡改變了下肢受力模式，長期持續(xù)可能會加大健側(cè)發(fā)生KOA的概率。與單純ACL斷裂患者相比，合并半月板損傷的ACL斷裂患者產(chǎn)生較大的內(nèi)源性膝外展力矩，可能是發(fā)生膝骨關(guān)節(jié)炎的危險因素。這可能增加患KOA的風(fēng)險。后期的研究可以進一步針對單純ACL斷裂患者和ACL合并半月板損傷者制定相應(yīng)的評定和康復(fù)方案，探究不同康復(fù)方案降低KOA的有效性。