膝關(guān)節(jié)體內(nèi)運動評估在前交叉韌帶損傷重建中的應用

仇嘉宇 王聰 趙金忠

前交叉韌帶(ACL)損傷后,膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性降低，并伴有運動學與動力學改變。前交叉韌帶功能缺失(ACLD)與半月板損傷、軟骨退化和骨關(guān)節(jié)炎(OA)發(fā)展密切相關(guān)[1]。ACL重建術(shù)等旨在恢復膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性和關(guān)節(jié)接觸模式，然而其體內(nèi)運動學效果及遠期能否延緩OA發(fā)生尚存在爭議[2]。可靠的體內(nèi)運動學評估能精確計算不同損傷及重建術(shù)后關(guān)節(jié)空間位置變化、韌帶長度變化及接觸點軌跡，為損傷機制理解和手術(shù)方式改進提供重要依據(jù)[3]。動態(tài)測量膝關(guān)節(jié)運動學參數(shù)的技術(shù)主要有光學運動捕捉系統(tǒng)、2D-3D配準技術(shù)及動態(tài)CT和MRI技術(shù)等[4]。

1 光學運動捕捉系統(tǒng)

目前主流的光學運動捕捉系統(tǒng)有VICON、Motion Analysis、NDI及Opti-Knee系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)一般沿用基于紅外追蹤的體表反光標志物位點[5]。而放射體攝影術(shù)(RSA)則是通過有創(chuàng)植入性標志物(鉭珠)聯(lián)合X線透視成像。雖然RSA精確度極高，但由于有創(chuàng)性和輻射性，一般僅用于動物或尸體標本研究。

1.1 檢測平臺與方法

光學運動捕捉系統(tǒng)原理是通過紅外線發(fā)光攝像，確定反射性體表標志物的三維空間坐標，并結(jié)合地面壓力及肌電傳感器采集到的參數(shù)進行動態(tài)分析。體表標記位點分別位于髂前上棘、股骨大粗隆、股骨內(nèi)外上髁、脛骨結(jié)節(jié)、外踝、足跟、第五跖骨頭和骶骨等[6]?；颊咴谑中g(shù)前后采集運動學數(shù)據(jù)，并根據(jù)自身的解剖學特征及基線運動學特征進行修正。通過標志物空間坐標可推導計算脛股關(guān)節(jié)六自由度數(shù)據(jù)，包括屈曲角、軸向旋轉(zhuǎn)、前后和水平移動及內(nèi)外翻角度等[7]。體表標志固定方式和位置需隨不同任務進行調(diào)整[8]。

1.2 ACL運動學研究

1.2.1 運動學分析

通過光學運動捕捉系統(tǒng)檢測平臺能對多種運動時空參數(shù)進行量化分析。對于運動需求較低的群體，可在該平臺下進行行走步態(tài)、上下臺階和下蹲等動作分析，以模擬日常膝關(guān)節(jié)活動情況，通過異常膝關(guān)節(jié)運動判斷其遠期磨損趨勢[9]。Armitano等[10]研究發(fā)現(xiàn),ACL損傷重建會影響術(shù)后行走過程中上半身的運動控制。Di Stasi等[11]對42例ACL重建術(shù)后6個月的患者進行三維步態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)其中下肢功能受限的患者表現(xiàn)出不對稱的異常步行模式，在步態(tài)周期擺動期患膝關(guān)節(jié)屈曲減小。Chouliaras等[12]采取對照研究比較使用髕腱與腘繩肌腱移植物進行ACL重建的患者下樓梯時膝關(guān)節(jié)運動學表現(xiàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)術(shù)后兩組患者均恢復膝關(guān)節(jié)前后向穩(wěn)定性，但膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性均未恢復，使用腘繩肌腱移植物進行ACL重建對于維持健側(cè)膝關(guān)節(jié)正常運動學相對有利。

近年來的研究逐漸納入包括急停、變向、落地等高要求的動作，使膝關(guān)節(jié)在檢測過程中需要阻抗較高的旋轉(zhuǎn)應力，進而模擬ACL非接觸損傷機制，以助判斷患者是否能夠重返對抗性運動[13-15]。Xergia等[16]對22例ACL重建術(shù)后6～9個月的男性運動員進行功能性跳躍測試，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，實驗組在功能性跳躍測試中表現(xiàn)出明顯的雙膝運動不對稱。 Ithurburn等[17]跟蹤隨訪發(fā)現(xiàn)，ACL重建術(shù)后2年單腿跳躍落地雙膝運動學不對稱患者膝關(guān)節(jié)功能明顯下降。膝關(guān)節(jié)屈曲角度減小的同時施加軸向應力可能致使ACL張力增加，從而導致?lián)p傷。

此外，ACLD的一系列合并損傷也被納入研究。Zhang等[2]對56例單側(cè)ACLD合并不同類型半月板損傷患者進行檢測，發(fā)現(xiàn)在行走時半月板損傷位置和ACLD是改變膝關(guān)節(jié)運動學的獨立因素。Schliemann等[18]對60例急性ACL損傷行重建或韌帶修補的患者進行三維步態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)兩種手術(shù)方式對步態(tài)影響無顯著差異。Akpinar等[19]對57例ACL重建術(shù)后隨訪患者進行步態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)伴內(nèi)側(cè)半月板損傷的ACLD患者脛骨明顯前移，而單純ACLD患者脛骨位置則無明顯變化。

1.2.2 動力學分析

光學運動捕捉系統(tǒng)可以量化膝關(guān)節(jié)動力學參數(shù)如關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)合力與合力矩等。研究發(fā)現(xiàn)，ACL重建術(shù)后6周內(nèi)少數(shù)患者(14%～20%)表現(xiàn)出股四頭肌規(guī)避步態(tài)[20]，即在步態(tài)周期站立支撐期膝關(guān)節(jié)伸展增加，擺動期膝關(guān)節(jié)屈曲減小。股四頭肌規(guī)避步態(tài)會造成脛骨向前移動的剪切力，從而避免膝關(guān)節(jié)出現(xiàn)不穩(wěn)定[21]。與正常者相比，ACL重建術(shù)后早期患者在步行周期站立支撐期膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩增大[22]。Erhart-Hledik等[23]研究發(fā)現(xiàn)，ACL重建術(shù)后2～8年患者在步態(tài)周期中的屈收膝階段時長和關(guān)節(jié)力矩變化與軟骨應力分布相關(guān)。Pietrosimone等[24]則發(fā)現(xiàn)在行走步態(tài)中，有癥狀的ACLD患者與無癥狀的ACLD患者在ACL重建術(shù)后早期(12個月內(nèi))和遠期(24個月后)垂直體面反作用力明顯不同。

此外，光學運動捕捉系統(tǒng)還可以結(jié)合肌電圖等檢查手段分析ACL重建術(shù)后神經(jīng)肌肉控制的情況。Tsai 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在功能性活動中腘繩肌肌電活動增加，而股四頭肌肌電活動減少，這可能是由于ACL重建術(shù)后患膝為適應功能性活動而表現(xiàn)出神經(jīng)肌肉代償策略。Leiter 等[26]研究認為，股四頭肌力量下降可減少脛骨前移，從而在一定程度上減少ACL張力。

1.3 優(yōu)缺點

光學運動捕捉系統(tǒng)的缺陷在于需要將標志物貼于皮膚表面，因此存在軟組織運動過程中移動的誤差，不能準確反映骨骼運動[27]。該技術(shù)的優(yōu)勢在于視野范圍較大，能同時追蹤多個關(guān)節(jié)大幅度運動。隨著運動影像系統(tǒng)、無創(chuàng)穿戴式傳感器發(fā)展和算法更迭，該技術(shù)可以進一步測試地面作用力變化、肌電活動等情況，從而歸納損傷機制并指導術(shù)后康復，應用范圍廣泛[28-30]。

2 2D-3D配準技術(shù)

2D-3D配準技術(shù)又稱2D-3D圖像模型注冊技術(shù)，無需使用標志物而直接通過透視確定動態(tài)骨骼輪廓，是目前較流行的關(guān)節(jié)運動學研究技術(shù)。該技術(shù)先通過CT或MRI重建關(guān)節(jié)三維模型，隨之與動態(tài)二維X線透視影像實時配準，以獲取相對精確的關(guān)節(jié)六自由度運動學數(shù)據(jù)。

2.1 檢測平臺與方法

2D-3D配準技術(shù)需構(gòu)建虛擬坐標環(huán)境。受檢者位于固定的X線成像區(qū)域以采集二維X線影像，在標準化構(gòu)建的虛擬環(huán)境(X,Y,Z空間坐標系)中通過三維模型配準確定空間位置。單平面透視系統(tǒng)精度在旋轉(zhuǎn)方向上可達1°，位移在透視方向以外的X,Y平面精度達到0.5 mm[31]。雙平面正交熒光透視成像系統(tǒng)能補足單個透視平面在投射方向上的精度缺陷。該技術(shù)中最關(guān)鍵的步驟是確定2個透視平面的相對位置關(guān)系，并通過空間矯正精確還原關(guān)節(jié)體內(nèi)運動。該技術(shù)能達到平均0.33 mm的位移精度和0.74°的旋轉(zhuǎn)精度。

2.2 ACL運動學研究

近年來ACL重建技術(shù)不斷精進，有許多研究采用2D-3D配準技術(shù)比較不同ACL重建技術(shù)對膝關(guān)節(jié)運動的影響。Tashman等[32-33]開發(fā)了250 Hz的超高速動態(tài)X線監(jiān)測系統(tǒng)，并用于分析ACLD患者經(jīng)非解剖單束重建后下坡跑時的運動學規(guī)律，發(fā)現(xiàn)重建后膝關(guān)節(jié)雖然前后移動恢復，但脛骨關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生改變。Abebe等[34]研究發(fā)現(xiàn)，即使進行單束重建，接近解剖的重建依然能較好地還原正常膝關(guān)節(jié)運動特征。Vignos等[35]研究發(fā)現(xiàn)，非解剖位置的ACL移植物會導致膝關(guān)節(jié)運動異常和關(guān)節(jié)接觸模式改變。Anderst等[36]通過應用高速雙平面監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，嚴格的雙束解剖ACL重建能使患膝各項運動學指標恢復至與正常膝無顯著差異。而Hoshino等[37]則發(fā)現(xiàn)，無論單束還是雙束重建均無法完全還原脛骨關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和關(guān)節(jié)接觸模式。

通過計算CT圖像上的骨骼模型關(guān)節(jié)面最近距離或MRI圖像上的軟骨模型重疊中心，可得出脛股關(guān)節(jié)接觸點軌跡，這兩種方法的可重復性和精確性都已得到證實[38-40]。Miyaji等[41]研究不同動作下ACLD膝關(guān)節(jié)和正常膝關(guān)節(jié)的接觸軌跡，發(fā)現(xiàn)ACLD膝關(guān)節(jié)在內(nèi)側(cè)脛骨平臺的接觸點較正常膝關(guān)節(jié)偏后，而不同動作下外側(cè)平臺接觸點缺乏統(tǒng)一規(guī)律。Yang等[42]分析8例陳舊性單側(cè)ACLD患者在平地走和下坡跑時的運動學與接觸點表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)即使患者沒有感到膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)，在運動時患側(cè)脛骨依然相較健側(cè)有顯著前移，且在下坡跑時脛股關(guān)節(jié)接觸點位置顯著前移。關(guān)節(jié)六自由度運動學數(shù)據(jù)中膝內(nèi)外翻自由度與內(nèi)外側(cè)接觸軌跡距離呈正相關(guān)，內(nèi)外旋自由度則與內(nèi)外髁滑移距離差值呈正相關(guān)，因此其能同時反映關(guān)節(jié)穩(wěn)定性和接觸面摩擦趨勢。

通過三維骨骼模型的空間位置和韌帶足印區(qū)可以模擬韌帶體內(nèi)長度變化。Hosseini等[43]構(gòu)建了基于雙平面和MRI的計算機體內(nèi)韌帶仿真系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在施加膝關(guān)節(jié)軸移應力時，ACL后束纖維較前束伸長量更大。該規(guī)律提示，ACL后外側(cè)束限制膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)作用較前內(nèi)側(cè)束大。

2.3 優(yōu)缺點

2D-3D配準技術(shù)的主要優(yōu)點有精度高且不受軟組織影響、單次輻射劑量小、無需進行有創(chuàng)植入。由于該方法用三維建模還原了骨骼形態(tài)，有助于量化研究膝關(guān)節(jié)病變造成的運動學改變和不同手術(shù)對關(guān)節(jié)運動的影響。然而，受限于傳統(tǒng)C形臂X射線機較小的透視視野，熒光成像無法達到光學運動捕捉系統(tǒng)的監(jiān)測范圍，且正交放置的雙平面系統(tǒng)視野會進一步縮窄，致使該技術(shù)無法監(jiān)測膝關(guān)節(jié)大范圍活動(如跳躍、側(cè)切跑等)。該技術(shù)不宜多次重復進行測量，較小的監(jiān)視范圍也無法同時檢測多關(guān)節(jié)運動。傳統(tǒng)熒光透視系統(tǒng)還存在曝光時間較長、采樣幀率較低的弊端，故無法監(jiān)測快速、劇烈的運動。不同的檢測動作也會導致運動學和接觸軌跡特征發(fā)生較大改變，難以總結(jié)出普適規(guī)律[44]。該技術(shù)操作過程較為復雜，后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作量大，測試費用昂貴，因此無法滿足大樣本研究的需求。

3 動態(tài)CT和MRI 技術(shù)

傳統(tǒng)CT和MRI檢查需在封閉線圈內(nèi)完成，且只能捕捉靜態(tài)影像。最初的動態(tài)監(jiān)測其實是使用開放或介入的方法在不同時間點或屈曲角度下分別監(jiān)測關(guān)節(jié)運動狀態(tài)，故實質(zhì)上依然是數(shù)個靜態(tài)監(jiān)測的合并。1997年起，動態(tài)CT和MRI技術(shù)逐步應用于髕股關(guān)節(jié)動態(tài)穩(wěn)定性檢查，隨后被逐漸發(fā)展并推廣[4,45-47]。

3.1 檢測平臺與方法

動態(tài)CT或MRI檢測設(shè)備和成像原理與常規(guī)靜態(tài)檢查并無實質(zhì)性差異。Dupuy等[48]于1997年最早提出使用10 s連續(xù)曝光的CT監(jiān)測非負重狀態(tài)下髕股關(guān)節(jié)活動。Muhle等[45]提出用特殊的支具輔助膝關(guān)節(jié)在MRI和CT線圈范圍進行活動并監(jiān)測髕股關(guān)節(jié)。在特殊支具、氣囊或帶有傳感器的擋板輔助下，患者能于平臥位在閉合線圈內(nèi)進行小范圍緩慢屈膝(通常小于45°)，也能進行肌肉等長收縮和抗阻活動[49]。患者也可俯臥于線圈內(nèi)使股四頭肌完全放松進行測試。Logan等[46]于2004年首次提出將MRI的線圈平行于膝關(guān)節(jié)屈伸平面放置，并利用特殊的MRI追蹤裝置采集患者0°～90°屈膝下蹲時的動態(tài)影像。該技術(shù)被稱為“垂直開放式介入性MRI”。

3.2 ACL運動學研究

動態(tài)CT檢測主要應用于髕股關(guān)節(jié)體內(nèi)運動學研究，ACL運動學研究一般由動態(tài)MRI檢測完成[50]。Logan等[46]利用動態(tài)開放MRI追蹤裝置采集患者0°～90°屈膝下蹲時的動態(tài)影像，發(fā)現(xiàn)ACLD患者更易在下蹲過程中出現(xiàn)脛骨前向移位。ACLD患者脛骨相較正常者膝關(guān)節(jié)更易發(fā)生軸移，且半脫位現(xiàn)象明顯[51]。雙束解剖ACL重建較單束解剖ACL重建能更好地還原膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性[52]，而如果股骨側(cè)隧道過淺，則會導致前外側(cè)旋轉(zhuǎn)松弛[53]。近期有研究使用動態(tài)開放MRI檢測正常者非負重屈膝時ACL長度和ACL與股骨髁間凹夾角，發(fā)現(xiàn)在0°～90°屈膝范圍內(nèi)，屈曲角度越大，ACL越長，其與股骨髁間凹夾角也越大[50]。

3.3 優(yōu)缺點

動態(tài)CT和MRI技術(shù)的優(yōu)勢在于分辨率高，能直接對采集的骨、軟骨、韌帶等數(shù)據(jù)進行重建，從而實時監(jiān)測運動過程中軟組織變化。其缺陷在于嚴格意義上不能反映正常關(guān)節(jié)連續(xù)運動特征，也無法反映功能運動(承重運動)時的關(guān)節(jié)運動。此外，連續(xù)曝光的CT輻射較大，并不適合用作常規(guī)檢查。同時，該檢測在閉合線圈內(nèi)的膝關(guān)節(jié)活動范圍有限，即使在特殊器械輔助下亦無法完成大角度和復雜的運動。因此，動態(tài)CT和MRI技術(shù)在膝關(guān)節(jié)運動損傷中的應用范圍不如光學運動捕捉系統(tǒng)和2D-3D配準技術(shù)，近年來也并無突破性發(fā)展。

4 展望

近年來隨著影像系統(tǒng)和無創(chuàng)傳感追蹤系統(tǒng)的發(fā)展，量化ACL相關(guān)的膝關(guān)節(jié)體內(nèi)運動方式日益多樣化和精確化。光學運動捕捉系統(tǒng)能完成較大范圍的動態(tài)運動測量，但受到軟組織移動誤差的限制。2D-3D配準技術(shù)相對精確，但操作繁瑣，后續(xù)數(shù)據(jù)處理耗時長，可觀測范圍小。動態(tài)CT、MRI技術(shù)精確度較高，可觀察軟組織變化，但難以完整連貫地監(jiān)測分析日常功能運動。

未來ACL相關(guān)運動學分析可結(jié)合上述多種檢測方式，并建立不同手術(shù)、不同任務模式下關(guān)節(jié)運動學與動力學數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫需盡可能囊括各種手術(shù)方式及多中心病例，對患者性別、人種、年齡、體質(zhì)指數(shù)(BMI)、下肢力線及運動習慣等分類討論，以適用于各類群體的比較。此外，還可追加特殊傳感器監(jiān)測肌肉發(fā)力和軟組織張力等，為膝關(guān)節(jié)運動損傷預防、手術(shù)方式選擇和術(shù)后康復提供指導。針對目前精確度較高但分析過程較為復雜的方法，需要開發(fā)并優(yōu)化算法，擴充樣本量，縮短檢測周期，從而推廣、轉(zhuǎn)化至臨床應用。同時，針對ACL損傷和相關(guān)手術(shù)造成的OA變化，需通過上述技術(shù)進行長時間隨訪，從而歸納總結(jié)創(chuàng)傷后OA發(fā)生發(fā)展機制和一般規(guī)律。由此，膝關(guān)節(jié)體內(nèi)運動評估將更好地指導手術(shù)方式改進和康復計劃制定。