前交叉韌帶及半月板損傷膝關(guān)節(jié)在體運動學(xué)研究.pdf

1、前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)損傷是臨床常見的膝關(guān)節(jié)疾病。據(jù)報道，目前美國每年進(jìn)行ACL重建手術(shù)的數(shù)量超過40萬例。雖然我國尚無整體人群發(fā)病率的報道，但有學(xué)者對我國現(xiàn)役集訓(xùn)運動員進(jìn)行的調(diào)查結(jié)果顯示，ACL損傷總體發(fā)病率為0.43％。半月板損傷的發(fā)生率大約為60～70人/每100000人。膝關(guān)節(jié)ACL是膝關(guān)節(jié)最主要的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)之一，一旦損傷，關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性即遭到破壞，繼而發(fā)生一系列的關(guān)節(jié)生物力學(xué)的改

2、變，影響關(guān)節(jié)的運動功能，進(jìn)而引起關(guān)節(jié)軟骨、半月板的繼發(fā)損傷，最終導(dǎo)致骨性關(guān)節(jié)炎、關(guān)節(jié)功能喪失等。半月板結(jié)構(gòu)和功能的特點決定了它是膝關(guān)節(jié)內(nèi)最易損傷的組織之一。在從事劇烈運動和特殊職業(yè)的人員中，半月板損傷的機率更高。半月板的撕裂或其它類型的損傷是比較常見的，一旦損傷會擾亂環(huán)形的半月板纖維，破壞膝關(guān)節(jié)環(huán)境。半月板損傷多由扭轉(zhuǎn)外力引起，當(dāng)一腿承重，小腿固定在半屈曲、外展位時，身體及股部猛然內(nèi)旋，內(nèi)側(cè)半月板在股骨髁與脛骨之間受到旋轉(zhuǎn)壓力，而致半月

3、板撕裂。半月板損傷是一種以膝關(guān)節(jié)局限性疼痛，部分患者有打軟腿或膝關(guān)節(jié)交鎖現(xiàn)象，股四頭肌萎縮，膝關(guān)節(jié)間隙固定的局限性壓痛為主要表現(xiàn)的疾病。作為膝關(guān)節(jié)內(nèi)的緩沖裝置，與膝關(guān)節(jié)中的其它穩(wěn)定性裝置如前后交叉韌帶一樣，半月板損傷會導(dǎo)致一系列的運動學(xué)改變。本研究目的是精確測量ACL及半月板損傷膝關(guān)節(jié)動態(tài)三維運動學(xué)，通過在體實驗研究，提高測量技術(shù)的精度和效率，探討在不同損傷模型下的運動學(xué)特征。
　　測量膝關(guān)節(jié)的運動學(xué)參數(shù)以評估膝關(guān)節(jié)損傷情況有悠久

4、的歷史，技術(shù)手段從CT、MRI發(fā)展到動態(tài)3D步態(tài)分析、熒光透視成像、動態(tài)CT和MRI、計算機膝關(guān)節(jié)虛擬系統(tǒng)等等。主要基于紅外線追蹤的光學(xué)捕獲原理是目前最為流行的運動學(xué)檢測方法，該方法運算快，轉(zhuǎn)換效率高，但其最大的缺點在于標(biāo)記過程中出現(xiàn)的皮膚移動度造成的誤差?；诜派溆跋駥W(xué)原理的在體運動學(xué)評估主要包括兩方面:一是X線立體測量分析技術(shù)(Roentgen stereo photogrammetricanalysis，RSA)，二是目前比較流行

5、的2D-3D匹配技術(shù)。RSA與其他傳統(tǒng)測量方法相比，該技術(shù)精度較高，但具輻射性，且技術(shù)要求高。RSA還具有有創(chuàng)性;2D-3D匹配技術(shù)是目前較流行的在體運動學(xué)研究方法，它通過二維圖像與三維模型的高精度匹配，并且可以直接測量人活動時的運動學(xué)變化，具有精度與重復(fù)性高的特點，同時也是本研究中采用的研究方法。動態(tài)MRI檢測通過動態(tài)、實時、直接地研究運動學(xué)參數(shù)而無輻射性，對于研究軟組織結(jié)構(gòu)的變化如交叉韌帶、半月板、側(cè)副韌帶等具有優(yōu)勢。由于MRI對軟

6、組織的高分辨率，因此開放性MRI技術(shù)在檢測膝關(guān)節(jié)運動和動力學(xué)的同時，還可以同時觀察半月板與關(guān)節(jié)接觸面積，以更好地分析膝關(guān)節(jié)受損后在ACL與半月板在不同膝關(guān)節(jié)姿勢下的運動學(xué)與力學(xué)改變。還有其它的測試手段如手動測試，機器人輔助分析等。
　　目前對ACL損傷的在體運動學(xué)研究比較多。但實際臨床上單純的ACL損傷比較少見，一般經(jīng)受運動性損傷的膝關(guān)節(jié)除ACL損傷，還會合并軟骨、半月板、后交叉韌帶、側(cè)副韌帶等軟組織的損傷。同時還可能合并撕脫性骨

7、折(segond骨折)。因此對于最常合并的半月板損傷，研究其伴隨ACL損傷的運動學(xué)特點具有較強的臨床意義。然而，目前大多類似的研究是離體實驗與動物實驗。這些研究并不能完美地模擬人膝關(guān)節(jié)在損傷狀態(tài)下的運動學(xué)改變。有學(xué)者采用與本研究類似的2D-3D匹配的技術(shù)進(jìn)行在體運動學(xué)研究，但納入的研究對象多為歐美人種。已經(jīng)有相當(dāng)多的研究表明ACL損傷危險因素與多種因素有關(guān)，如髁間窩的寬度等，有相關(guān)研究報道了亞洲人群與歐美人群的股骨遠(yuǎn)端解剖不一致。這些結(jié)

8、果表現(xiàn)對國人的ACL合并半月板損傷的膝關(guān)節(jié)在體運動學(xué)進(jìn)行研究具有實際的指導(dǎo)意義。
　　對ACL及半月板損傷膝關(guān)節(jié)三維運動學(xué)的基礎(chǔ)研究，有助于更全面地理解損傷狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)與運動功能的關(guān)系，對研究運動損傷機理、臨床診斷和指導(dǎo)康復(fù)訓(xùn)練等有著重要的意義。通過研究中國人群膝關(guān)節(jié)ACL損傷患者膝關(guān)節(jié)在體運動，獲得驅(qū)動膝關(guān)節(jié)骨肌系統(tǒng)的運動學(xué)數(shù)據(jù)，從而得到膝關(guān)節(jié)骨肌系統(tǒng)的力學(xué)數(shù)據(jù)。目前已有的文獻(xiàn)多是以國外人群的樣本作參照，并無國人的樣本分析

9、。
　　目的:
　　本實驗旨在通過研究中國人群膝關(guān)節(jié)ACL損傷患者膝關(guān)節(jié)在體運動與力學(xué)數(shù)據(jù)，為快速便捷地診斷可疑的ACL及半月板損傷和指導(dǎo)ACL重建、半月板修復(fù)術(shù)后康復(fù)提供量化的參考。
　　方法:
　　我們選擇2013年11月-2015年9月因ACL及半月板損傷在關(guān)節(jié)科住院，應(yīng)用MRI進(jìn)行確診并進(jìn)行了ACL重建手術(shù)和半月板修復(fù)術(shù)的28例患者資料，男16名，女12名，最小年齡18歲，最大年齡37歲，平均年齡23.7

10、±3.6歲，其中:(1)單純ACL損傷:6人;(2) ACL合并內(nèi)側(cè)半月板Ⅲ級損傷:8人;(3) ACL合并外側(cè)半月板Ⅲ級損傷:8人;(4) ACL合并內(nèi)-外側(cè)半月板Ⅲ級損傷:6人。我們采集該28名ACL損傷患者雙側(cè)膝關(guān)節(jié)的CT影像，進(jìn)行雙側(cè)膝關(guān)節(jié)CT圖像的三維重建。利用單平面透視圖像分析系統(tǒng)采集患者上臺階時的動態(tài)X線圖像，并在軟件中將動態(tài)X線圖像與膝關(guān)節(jié)三維模型進(jìn)行自動配準(zhǔn)，還原X線圖像中股骨和脛骨在三維坐標(biāo)上的相對位置，計算患者上臺

11、階時膝關(guān)節(jié)6個自由度的變化。健側(cè)按同樣的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，與患側(cè)膝關(guān)節(jié)運動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。采用兩因素重復(fù)測量方差分析對5種狀態(tài)下的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行對比分析。組內(nèi)因素是膝關(guān)節(jié)的狀態(tài)（健膝對比患膝）、膝關(guān)節(jié)的屈曲度(0°、5°、10°、15°、30°、45°、60°)。檢驗水準(zhǔn)P設(shè)定為0.05。組間存在差異時，采用SNK進(jìn)行兩兩比較，檢驗水準(zhǔn)P同樣設(shè)定為0.05。
　　結(jié)果:
　　內(nèi)外旋
　　健患膝關(guān)節(jié)在橫斷面上的旋轉(zhuǎn)變化

12、對比情況。首先，在健膝與患膝的對比中并沒有發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計學(xué)差異。統(tǒng)計學(xué)差異只存在于不同損傷模式的膝關(guān)節(jié)間。從60°屈曲到0度伸直位，與健膝相比，單純ACL損傷組顯示出減少的外旋;然后兩者間并沒有統(tǒng)計學(xué)差異。在膝關(guān)節(jié)0°，15°和30°屈曲位，單純ACL損傷組的外旋角度分別為13.9±6.1°，13.8±9.5°和15.9±9.8°。相反地，ACL合并內(nèi)側(cè)半月板損傷組以及ACL合并外側(cè)半月板損傷組從60°屈曲到0度伸直位表現(xiàn)出增加的外旋角度。在

13、0°，30°和45°屈曲位，這兩組與單純ACL損傷組有統(tǒng)計學(xué)差異。對于ACL合并內(nèi)-外側(cè)半月板損傷組，只有屈曲45°發(fā)現(xiàn)該組與ACL合并內(nèi)側(cè)半月板損傷組存在統(tǒng)計學(xué)差異（5.3±6.8°VS.8.5±2.6°，P=0.033）內(nèi)外翻
　　5種狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外翻表現(xiàn)具有相似的運動學(xué)表現(xiàn)。在上臺階的初始階段，脛骨表現(xiàn)出較大的外翻角，隨著上臺階動作的進(jìn)行，外翻角逐漸減少。在單純ACL損傷組，在60度屈曲位，膝關(guān)節(jié)表現(xiàn)為內(nèi)翻（-4.7±3

14、.8°）。有趣的是，無論是在健膝患膝對比，還是患膝之間都不存在統(tǒng)計學(xué)差異。
　　前后移總體而言，在上臺階的過程中，脛骨相對于股骨表現(xiàn)出前移。膝伸直位(0°)時，ACL合并內(nèi)-外側(cè)半月板損傷組與健膝組存在統(tǒng)計學(xué)差異（-5.6±9.7mmVS.6.2±11.3mm，P=0.024）。同時在膝伸直位及5°屈曲時，ACL合并外側(cè)半月板損傷組與ACL合并內(nèi)-外側(cè)半月板損傷組存在統(tǒng)計學(xué)差異(-6.9±1.7mmVS.6.2±11.3mm，P=

15、0.041;-9.0±1.8mmVS.8.1±13.4mm，P=0.044)。在其它角度下并無統(tǒng)計學(xué)差異。
　　內(nèi)外移
　　在內(nèi)外移上5種狀態(tài)下的膝關(guān)節(jié)具有相似的表現(xiàn)?？傮w而言，在整個上臺階過程脛骨表現(xiàn)出相對于股骨的內(nèi)移。所有的ACL損傷組在膝伸直位均表現(xiàn)為較小的內(nèi)移量。單純的ACL損傷組表現(xiàn)最為顯著，其表現(xiàn)為脛骨的外移（-3.8±5.6mm）。在所有的組中無論在什么屈曲角度下均無發(fā)現(xiàn)有統(tǒng)計學(xué)差異。
　　結(jié)論:

16、　　本實驗研究了ACL損傷膝關(guān)節(jié)合并半月板不同損傷模式下上臺階動作下的在體運動學(xué)變化，采用了單平面透視圖像分析系統(tǒng)。結(jié)果表明在內(nèi)外旋和前后位移上，損傷組之間及損傷組與健膝之間有不同的運動學(xué)表現(xiàn)，具體表現(xiàn)因半月板的損傷模式不同而不同。這些結(jié)果提示除了ACL之外，半月板也是膝關(guān)節(jié)的一個穩(wěn)定性裝置，且考慮到在不同自由度上的影響，將來的研究應(yīng)當(dāng)關(guān)注ACL膝關(guān)節(jié)合并不同半月板損傷模式下的治療方式以恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的正常運動學(xué)表現(xiàn)并避免過早關(guān)節(jié)軟骨褪變、