對運動員前交叉韌帶損傷的生物力學分析

馬擎

前交叉籾帶（Anterior Cruciate Ligament ACL）斷裂是體育運動中最常見的嚴重運動損傷之一。挪威前交叉韌帶重建手術每年每10萬人中有34個。研究表明31%的前交叉韌帶損傷患者會出現步行障礙，44%的患者會影響日常生活中的功能性活動，而77%的患者不可能再具有原有運動競技水平。前交叉韌帶損傷患者罹患膝關節炎的時間要遠遠早于無前交叉韌帶損傷病患的人。72%的ACL損傷發生在與其他人無接觸的突然減速或落地時。對美國NCAA足球和籃球運動員連續13年的跟蹤調査表明，65%的ACL損傷為非接觸性。Arendt和Dick （1995）根據美國學校運動協會的數據發現，每1000個女性足球和籃球運動員中平均ACL損傷的發生率分別是0. 31和0. 29。在每1000小時的運動時間中，男足和女足運動員發生ACL損傷的發生率分別為0.09和0.28。前交叉韌帶承受了過大的應力是導致其部分或全部斷裂的原因。有文獻報道，前交叉韌帶的強度大約在80-240N/mm之間。對于22-35歲的正常成人來說，前交叉韌帶的最大張力可以達到2200牛頓（N）。肌肉力量的薄弱；不正確的姿勢和用力方式；疲勞狀態下的訓練和比賽；身體核心區肌肉力量不足所致的身體失衡；臀大肌和臀中肌無力；股四頭肌和股后肌群力量比例失當等都是發生前交叉韌帶斷裂的潛在危險因素。

1.1膝關節解剖學特點

膝關節包含外側與內側脛股關節與髕股關節。膝關節包含兩個活動面，使膝關節能做屈曲、伸直、內旋以及外旋等活動。膝關節的關節囊薄而松弛，附著于各關節面的周緣；囊壁個部位厚薄不一。其前壁不完整，有髕骨、股四頭肌肌腱和髕韌帶填補、加強；內外側壁及后壁也各有韌帶加固，以增加關節的穩定性。膝關節的附屬結構主要有韌帶、半月板、滑膜囊和滑膜襞等。膝關節的關節囊薄而松弛，附著于各關節面的周緣；囊壁個部位厚薄不一。其前壁不完整，有髕骨、股四頭肌肌腱和髕韌帶填補、加強；內外側壁及后壁也各有韌帶加固，以增加關節的穩定性。膝關節的附屬結構主要有韌帶、半月板、滑膜囊和滑膜襞等。

前交叉韌帶位于關節囊內，血液的來源主要是與滑膜以及周圍組織的微血管。前交叉韌帶提供對抗脛骨相對于股骨關節活動時的前剪切力，協助引導膝關節的關節面活動。前交叉韌帶附著于脛骨平臺的前側髁間區域，并沿著斜后方延伸連接股骨髁的內緣。前交叉韌帶主要是由膠原蛋白纖維交錯編織，而形成兩條紋路不明的螺旋狀纖維束。分為內外兩側束：前內束和較大的后外束。其血液的來源主要是來自于滑膜以及周圍組織的微血管。前交叉韌帶的張力以及其走向會隨著膝關節的伸直或彎曲而改變。

大多數前交叉韌帶的纖維（特別是后側束的纖維）在膝關節完全伸直時緊張。ACL在膝伸直時最緊張，但只是后外束緊張。開始屈膝并內旋脛骨，ACL纖維束的中部變得緊張。膝關節完全屈曲時，ACL纖維束的前內束變得緊張。當膝關節在50-60°伸直時，股四頭肌收縮產生拉力將脛骨向前拉動，使得脛骨在關節面上產生滑動，這種張力會拉伸前交叉韌帶的纖維限制脛骨向前過度的滑動。臨床上，股四頭肌通常被認為是前交叉韌帶的拮抗肌。當股四頭肌在膝關節伸直時可造成前交叉韌帶最大的變形。膝關節在屈伸的過程中，ACL的兩束交叉扭轉，這就保證了膝關節無論處于何種位置都有前交叉韌帶的一部分纖維束緊張，加固膝關節的穩定性。前交叉韌帶的功能生物力學：（1）膝關節的穩定作用，限制脛骨過度前移和膝過旋（2）本體感覺：韌帶中有感覺神經末梢，可通過本體感覺的反饋機制來維持膝關節的穩定。

1.2影響前交叉韌帶損傷的下肢生物力學分析

前交叉韌帶的受傷機制：當前交叉韌帶受到張力拉扯時，再受到高速拉伸前交叉韌帶，則會造成前交叉韌帶的損傷，當拉伸的張力超過韌帶的生理負荷極限時就會造成韌帶斷裂。產生原因的生物力學因素包括膝關節地面反作用力方向與強度，活動時控制肌肉力量的大小、精細度與肌肉的正確發力順序，周圍組織的完整性與強度以及膝關節結構排列等。大約70%與運動損傷有關的患者，其受傷是發生于非接觸期或輕微的觸碰期。多數非接觸的傷害是發生在當跳躍著地時、或急速用力減速時、打籃球急切變向的動作以及單腳著地時旋轉下肢的動作。

三種與前交叉韌帶損傷有關的因素：膝關節微屈或完全伸直時股四頭肌強烈收縮；膝關節嚴重外翻；膝關節過度外旋。另一種常見的前交叉韌帶的傷害機制主要包括膝關節在腳完全站穩地面時做出過伸的動作。也會引起后方關節囊以及內側副韌帶的損傷。研究顯示，進行相同運動強度時，女性運動員發生前交叉韌帶損傷的比例是男性運動員的3-5倍，尤其是在非接觸式包含跳躍和著地并伴隨旋轉動作的活動中風險最高。通過對于臀肌和神經肌肉控制的訓練，疼痛得到改善，下肢的生物力學發生變化，在落地實驗中的功能能力得到提高。

通過對于膝關節ACL斷裂重建術患者術前、術后股四頭肌和腘繩肌功能，患者前交叉韌帶斷裂后患膝屈伸肌群的峰力矩、峰力矩/體重比（%）、總做功量、平均峰力矩四項檢測指標在60°/s、120°/s時均較健側顯著降低。其中，伸肌較屈肌降低更為顯著，這在60°/s測試時尤為突出。發生這種肌力改變的原因有：ACL損傷后的廢用性肌萎縮，來自于ACL的本體感受信息中斷，持續的膝關節疼痛和滲出的刺激，以及韌帶重建手術的干擾，這些信息經膝關節周圍的感受器傳入中樞神經，可能使運動神經元和高級中樞的神經控制發生改變，并對膝關節周圍的肌力產生明顯影響，最終導致膝關節的肌力平衡發生改變。Markolf測試了不同膝關節屈伸角條件下的多種合力。結果證明：ACL的應力隨膝關節屈角的增加而減小。Li的研究發現：當膝關節為15°時對ACL負荷應力最大，并隨膝關節增加至90°而減小。