前交叉韌帶損傷后膝關節內側間室有和無創傷后骨關節炎患者的髖關節生物力學研究

徐立國 楊自兵 徐杰 孫繼峰

前交叉韌帶(Anterior cruciate ligament,ACL)損傷后關節運動學和動力學的改變可使關節軟骨承重區的位置和大小發生變化,從而直接和間接引發關節退行性變,ACL 損傷后早期膝關節生物力學的改變與脛股關節的OA 有關［1,2］。為了探究評估ACL 損傷和重建后早期(5 年內)有和無創傷性膝OA 患者在髖關節生物力學方面是否存在差異改變,及與繼發創傷性膝OA的關系。本文前瞻性收集19 例ACL 損傷的患者,應用步態分析明確ACL 損傷后發生創傷后膝OA 患者的生物力學存在改變,以期為臨床疾病診治提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本研究共納入2015 年1 月～2016 年1 月在日照市中心醫院進行診斷與治療的14～51 歲完全性單側ACL 損傷≤7 個月的19 例患者。納入標準：Lachman 試驗陽性且脛骨前偏移差異≥3 mm；在受傷前,患者經常參加Ⅰ級(如足球、籃球等)或Ⅱ級(如網球、高山滑雪等)削減和旋轉活動,并且在受傷后表現出膝關節動力學不穩定的特征。排除標準：可修復的半月板損傷；其他膝關節韌帶的癥狀性Ⅲ級損傷；全層關節軟骨病變>1 cm2。本研究經日照時中心醫院倫理審查委員會批準實施,所有患者都簽署了知情同意書。

1.2 方法 19 例患者受傷均≤7 個月,且在滲出液、運動范圍受限、疼痛和步態異常等初始損傷明顯緩解后入組,經物理治療,患者患側股四頭肌強度至少達到健康肢體的70%。入組后,患者進行了10 次術前康復訓練以進一步恢復下肢力量和神經肌肉控制功能。所有患者均通過自體股薄肌肌腱或同種異體軟組織移植物移植進行了ACL 重建,術后早期完成了標準的漸進式康復訓練。在5 個時間點即：初始損傷明顯緩解后(基線)；完成10 次術前康復訓練后(術前康復訓練后)；ACL 重建后6 個月時(術后6 個月時)；ACL 重建后1 年時(術后1 年時)；ACL 重建后2 年時(術后2 年時)完成步態分析。ACL 重建術后3 個月、6 個月、1 年、2 年、5 年進行膝關節負重位X 線影像學檢查。

1.3 觀察指標及判定標準

1.3.1 步態分析 在5 個時間點收集運動學數據,8 臺120 Hz 紅外線攝像機對放置在髂骨嵴、大轉子、股骨內外上髁、內踝和外踝、上足和下跟、第一跖骨底和第五跖骨底的16 mm 球狀逆向反射標記進行探測。每個帶有4 個標記的剛性熱塑性外殼橫向固定在每側大腿和小腿上,將帶有3 個標記的骨盆殼固定在髂后上棘中間,以追蹤步態過程的節段運動。使用站立校準來確定關節中心,并為每個節段創建局部坐標系。患者以自由速度沿著一條6 m 長且帶有1080 Hz 嵌入式測力板的步道行走。在基線測試階段確定行走速度,在其他時點使用計時系統使步速保持在±5%范圍內。使用反向動力學自定義軟件確定站姿相位關節角度和外部力矩作為5 次步行試驗的平均值。運動學和動力學數據分別在6 Hz 和40 Hz 處進行了低通濾波過濾。初始接觸和站姿結束用50 N 閾值進行識別。目標變量為步態周期站立相矢面及站立相(前50%)額面髖關節峰值角度和力矩,以站立相髖關節屈曲和伸展角度峰值之間的差異計算髖關節偏移量,此外還以傷肢減健肢的方法計算了雙下肢關節角和外部力矩的差異。

1.3.2 影像學檢查 ACL 重建5 年后,患者完成雙側負重前后屈膝30°影像學檢查。用Kellgren-Lawrence X 線分級標準對脛股內側間室OA 進行分級,Ⅱ級及以上可判定存有OA。

1.4 統計學方法 使用SPSS23.0 對數據進行統計分析,用獨立樣本t檢驗及Fisher 精確概率法對ACL 受傷5 年后有和無影像學膝OA 患者的基線特征和伴隨損傷進行分析；用兩因素混合設計方差分析OA 因素和時間因素對髖關節角度和外部力矩的影響進行評估。P<0.05 表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 基線特征 19 例患者均在5 個時間點(基線、術前康復訓練后、ACL 重建術后6 個月、1 年和2 年)完成了步態分析。見表1。并在術后5 年進行了影像學檢查,其中5 例患者呈現患側膝關節內側間室OA 影像學表現,14 例患者無此表現。

表1 19 例患者5 個時間點步態周期中矢狀面和額面髖關節運動學和動力學肢體間差異的MDC95

ACL 重建術后5 年,有膝OA 患者的KOS-ADLS評 分(94.9±3.1) 分、IKDC 評 分(89.9±6.3) 分、VAS評分(0.2±0.4)分與無膝OA 患者的(98.5±3.1)、(95.9±7.3)、(0.1±0.4)分比較,差異無統計學意義(P>0.05)。

有和無膝OA 患者年齡、體重、體質量指數(BMI)、性別、重返傷前活動水平、移植物類型、步速比較,差異無統計學意義(P>0.05)。有和無膝OA 患者從受傷到基線、從受傷到ACL 重建、從ACL 重建到影像學檢查的時間比較,差異無統計學意義(P>0.05)。有和無膝OA 患者,影像學表現為傷肢膝關節外側間室OA、健肢膝關節內側間室OA 占比比較,差異無統計學意義(P>0.05)。見表2。

表2 ACL 重建5 年后,有和無影像學膝關節內側間室OA 患者的基線特征和伴隨損傷比較(,n)

2.2 髖屈角檢測結果 有膝OA 患者在5 個時點測得的髖屈角峰值均值(25.3±2.4)°低于無膝OA 患者的(31.3±1.4)°,差異有統計學意義(P<0.05)。膝OA 患者第1 年時髖屈角峰值肢間差值(傷肢髖屈角峰值-健肢髖屈角峰值)(-2.1±1.3)°低于無膝OA 患者的(1.3±0.8)°,差異有統計學意義(P<0.05)。

2.3 髖關節內收力矩 有膝OA 患者在5 個時點行走時患肢的不對稱性髖關節內收力矩均值(-0.05±0.17)Nm/(kg·m)低于無膝OA 患者的(0.09±0.13)Nm/(kg·m),差異有統計學意義(P=0.042<0.05)。

3 討論

研究結果表明,與ACL 重建后5 年內未發生膝OA 的患者相比,發生膝OA 的患者在術前和術后行走時髖關節屈曲運動較少,不對稱性髖關節內收力矩較低。此外,無論5 年時是否存在膝OA,所有受試者在ACL 重建前傷側肢體均表現出較高的髖關節外屈曲力矩,且在術后2 年內隨時間延長而降低［3］。

ACL 損傷后髖關節運動和負荷發生改變,ACL 斷裂后,不僅膝關節角度和力矩發生變化,髖關節近端也會發生變化。與ACL 重建術后5 年內未發生膝OA的患者相比,發生膝OA 的患者在ACL 損傷和重建后早期表現出更小的關節角度和更大的不對稱性關節力矩［4,5］。本研究發現,膝關節內側間室OA 患者行走時,雙側髖關節屈曲角峰值較低。發生膝OA 的患者在ACL 重建前和6 個月后會出現不對稱性髖關節內收力矩峰值減低,在術后1 年和2 年出現不對稱性髖關節外屈曲峰值減低；而未發生OA 的患者患肢與健肢相比,其在5 個時點均表現為髖屈曲力矩對稱且不對稱性髖內收力矩增高。

本研究分析了膝關節內側間室有和無創傷后OA患者的髖關節生物力學差異。國外有研究等報道了ACL 重建12 年后發生外側室膝關節OA 患者的髖關節生物力學表現,與健康對照組相比,ACL 重建后患者的髖屈角峰值更大,但未發現其他髖關節運動學或動力學差異［6-9］,Posthumus 等［10］報告的較大髖關節屈曲角與本研究中膝關節內側間室OA 患者顯示的較小髖關節屈曲角形成對比。這兩項研究采用的不同研究方法可解釋這種差異。本研究測量了ACL 損傷和重建后2 年內傷肢的髖關節角度和力矩,并與健肢和無OA患者進行比較；Nguyen 等［11］在ACL 重建12 年后測量了髖關節生物力學指標,并與健康對照進行比較,未報告健肢數據。因為影響膝關節內、外側間室OA 發展的下肢生物力學因素可能不同,這兩項研究的結果也可能不同。有研究表明［12］,ACL 損傷后關節載荷能力的降低可能導致膝關節創傷后OA 發展,但載荷因素(本研究顯示膝OA 患者的髖屈角和內收力矩不對稱性降低)對髖關節軟骨的影響仍不明確。本研究表明,膝OA 患者在所有5 個時間點行走時患肢的不對稱性髖關節內收力矩(-0.05±0.17)Nm/(kg·m)低于無膝OA 患者的(0.09±0.13)Nm/(kg·m),差異有統計學意義(P<0.05)。說明與無膝OA 的患者相比,膝OA 患者ACL 重建前后髖關節生物力學存在更大的不對稱性。髖關節的異常運動模式是一個可變因素,可能需要在膝關節康復運動過程中加以矯正［13］。然而,因髖關節可代償遠端膝關節的變化,故必須考慮髖關節運動模式的恢復對膝關節的潛在影響。ACL 損傷伴后伴高膝OA 風險時非創傷性髖關節病變(包括同側或對側髖關節OA 的發展)的風險是否也較高還需進一步研究。如果ACL 損傷確實增加了慢性髖關節病變的風險,則需要整合髖關節病變二級預防策略制定ACL 的康復方案［14,15］。本研究的局限性為本研究未就髖關節生物力學的改變和非創傷性髖關節OA 的發展之間的聯系得出結論。此外,在ACL 損傷后5 年內受試者均未經醫師或物理治療師診斷過其他髖關節病變,可能存在因患者體訴脫失而漏診的情況。本研究未對髕股關節進行影像學檢查,也未對膝關節外側間室OA 進行分析。

總之,與未發生膝關節內側間室OA 的患者相比,ACL 重建5 年后發生膝關節內側間室OA 的患者其髖關節生物力學可能會改變。