前交叉韌帶重建術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維步態(tài)及功能隨訪研究

劉誠 趙領(lǐng)財(cái) 王浩 白筍蓬

步態(tài)反映了肢體的平衡性和關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性[1]。韌帶表面存在的感受器能通過神經(jīng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)的活動(dòng),當(dāng)膝前交叉韌帶(anterior cruciate ligament ACL)損傷后,感受器的改變會(huì)影響肌肉的活動(dòng),隨之步態(tài)發(fā)生改變。客觀、定量的步態(tài)分析能反映受傷后膝關(guān)節(jié)功能變化;同樣ACL的重建在改善膝關(guān)節(jié)功能的同時(shí),步態(tài)方面也會(huì)發(fā)生改變。因此,步態(tài)參數(shù)分析作為體現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和運(yùn)動(dòng)力學(xué)的精確的量化指標(biāo),在了解ACL損傷情況、ACL重建術(shù)后的康復(fù)方案及恢復(fù)效果的評(píng)定上起著重要作用。以往對(duì)前交叉韌帶損傷步態(tài)的研究只局限于矢狀面上的屈伸運(yùn)動(dòng),即便是應(yīng)用三維步態(tài)分析,也是把髖、膝、踝作為一個(gè)整體來分析。膝關(guān)節(jié)并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的屈伸關(guān)節(jié),它的活動(dòng)涉及到三維空間三個(gè)平面。本研究從三維角度評(píng)定分析ACL損傷前后的步態(tài)變化特點(diǎn)以及膝關(guān)節(jié)局部各個(gè)角度的活動(dòng)范圍變化情況。

對(duì)象與方法

一、對(duì)象

2018年8月～2020年6月收治的25例單側(cè)ACL損傷病人為損傷組,受傷至手術(shù)的平均時(shí)間為2.5個(gè)月(1周～12個(gè)月),其中男性16例、女性9例,年齡19～45歲,平均25.5歲,術(shù)中關(guān)節(jié)鏡檢查證實(shí)為ACL完全斷裂并行自體腘繩肌解剖重建術(shù),所有手術(shù)由同一組醫(yī)生完成并采取一致的術(shù)后康復(fù)計(jì)劃,既往無其他膝關(guān)節(jié)疾患,不合并其他韌帶損傷(后交叉韌帶、內(nèi)外側(cè)副韌帶等)、半月板撕裂、膝關(guān)節(jié)軟骨損傷及膝關(guān)節(jié)周圍骨折等。對(duì)照組25例,為健康人,其中男性16例、女性9例,年齡20～45歲,平均26.5歲。所有病人均排除膝關(guān)節(jié)外傷及相關(guān)疾病,不合并膝內(nèi)外翻,并經(jīng)膝關(guān)節(jié)核磁檢查及專業(yè)醫(yī)師對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象行膝關(guān)節(jié)查體,均無陽性體征。受試對(duì)象臨床資料見表1。

表1 受試對(duì)象基本資料比較

二、方法

1.手術(shù)方法: 病人取仰臥位,行腰麻或全麻,待麻醉生效后,上止血帶,常規(guī)手術(shù)消毒鋪巾,選取標(biāo)準(zhǔn)膝關(guān)節(jié)前內(nèi)側(cè)及前外側(cè)手術(shù)入路,先行關(guān)節(jié)鏡探查,確診ACL單純斷裂。于同側(cè)脛骨結(jié)節(jié)內(nèi)側(cè)行斜切口,顯露鵝足止點(diǎn),游離出半腱肌和股薄肌肌腱,肌腱剝離器取出全長(zhǎng)的股薄肌腱和半腱肌腱,將殘存肌肉組織剝除,肌腱折疊,可吸收縫線編織縫合兩端,然后測(cè)量直徑及長(zhǎng)度備用。鏡下行膝關(guān)節(jié)腔清理,尤其是髁間窩處,脛骨端一般保留部分ACL殘端,通過ACL脛骨導(dǎo)向器明確脛骨通道關(guān)節(jié)內(nèi)點(diǎn),鉆入1枚克氏導(dǎo)針定位,空芯鉆沿克氏針方向制備脛骨隧道。然后屈膝90°再定位ACL在股骨端關(guān)節(jié)內(nèi)點(diǎn),克氏針過髁間窩沿右膝10∶30方向/左膝1∶30方向定位,空芯鉆沿克氏針鉆取股骨隧道,導(dǎo)入自制腘繩肌腱,兩端用力拉緊,保持肌腱有一定張力,屈膝位股骨端擰入擠壓螺釘,而伸膝位擰入脛骨端擠壓螺釘。

2.康復(fù)方法:膝關(guān)節(jié)支具固定8周,術(shù)后麻藥清醒后可行CPM或踝泵運(yùn)動(dòng),術(shù)后第2天或第3天第1次換藥后開始鍛煉,從0°～30°開始進(jìn)行無痛的膝關(guān)節(jié)主動(dòng)屈曲及被動(dòng)伸直活動(dòng),逐漸增加膝關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)和肌力鍛煉,術(shù)后3周內(nèi)爭(zhēng)取屈膝接近90°。術(shù)后7～10天根據(jù)情況開始在支具固定下扶拐下地行走,患肢不負(fù)重,3周后患肢開始循序漸進(jìn)負(fù)重,行股四頭肌等長(zhǎng)收縮、腘繩肌收縮及直腿抬高功能訓(xùn)練,8周后去除膝關(guān)節(jié)支具,完全負(fù)重行走。3個(gè)月后練習(xí)慢跑,半年后視情況可進(jìn)行適應(yīng)性體育活動(dòng),并有針對(duì)性的指導(dǎo)其蹲馬步增加下肢肌力的訓(xùn)練力度。

3.測(cè)試方法:本研究使用東方新銳DVMC-8820三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng),采樣頻率為60 Hz,絕對(duì)誤差<1 mm。該系統(tǒng)由3部分組成:分布在實(shí)驗(yàn)室頂部1周的12臺(tái)紅外線攝像機(jī)、以3個(gè)點(diǎn)代表一段剛體共16個(gè)反光標(biāo)記點(diǎn)、調(diào)控并分析處理的計(jì)算機(jī)及輔助設(shè)備。

設(shè)定“高精度三維動(dòng)作采集軟件”中的標(biāo)識(shí)點(diǎn)總數(shù)和標(biāo)識(shí)點(diǎn)連接(圖1)。事先準(zhǔn)確調(diào)試步態(tài)分析主機(jī)與紅外線攝像頭之間的配置,以及測(cè)量范圍[2]。受試者上身衣服不要太寬松(以不遮蓋臀部為準(zhǔn)),防止衣物對(duì)反光點(diǎn)遮擋;下身穿緊身運(yùn)動(dòng)短褲或合身病號(hào)服盡量留足夠的空間給標(biāo)記點(diǎn);不能有鞋襪遮蓋足部。讓受試者先在跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)平板上行走幾遍,待適應(yīng)測(cè)試環(huán)境后,試驗(yàn)者身體完全放松以站立姿勢(shì)站在前進(jìn)方向,雙足跟于同一直線,雙足之間距離大概等同于肩寬。應(yīng)用步態(tài)分析設(shè)備及軟件捕捉圖像1秒,該數(shù)據(jù)即為個(gè)人站姿的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),在后面行走過程中的數(shù)據(jù)均會(huì)與該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對(duì)比。

圖1 ACL重建術(shù)后病人動(dòng)作采集軟件中的標(biāo)識(shí)點(diǎn)總數(shù)和標(biāo)識(shí)點(diǎn)連接. 上端紅色為健側(cè),粉色為患側(cè)

上面過程全部完成后,囑試驗(yàn)者以平時(shí)習(xí)慣開始自然行走,行走的速度以個(gè)人感覺與平時(shí)行走無差異感最為適宜,設(shè)定平板運(yùn)行速度為1.6 km/h,觀察損傷組在自由自主情況下開始采集120秒步態(tài)數(shù)據(jù)(圖2)。按照術(shù)前、術(shù)后3、6、9、12個(gè)月收集受試者步態(tài)數(shù)據(jù)并行Lysholm膝關(guān)節(jié)功能評(píng)分,對(duì)照組按此方法同時(shí)捕捉數(shù)據(jù)。

圖2 三種關(guān)節(jié)角標(biāo)準(zhǔn)化

4.觀測(cè)指標(biāo):觀測(cè)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括:膝關(guān)節(jié)屈伸轉(zhuǎn)角、內(nèi)外翻轉(zhuǎn)角、內(nèi)外旋轉(zhuǎn)角三個(gè)角度。截取運(yùn)動(dòng)平板上行走狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)的10個(gè)連續(xù)步態(tài)周期計(jì)算分析各參數(shù),然后導(dǎo)出進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。為保證步態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及可靠性,若出現(xiàn)步行周期數(shù)據(jù)未顯示,則需要剪切理想的數(shù)據(jù)片段進(jìn)行分析。

三、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用MotAnaly軟件選取每組病人中測(cè)試的完整步態(tài)數(shù)據(jù),確保每個(gè)步態(tài)周期的完整性,把步態(tài)參數(shù)、正規(guī)化后的膝關(guān)節(jié)角數(shù)據(jù)保存到Excel,然后用SPSS22.0對(duì)其進(jìn)行分析,損傷組手術(shù)前后及術(shù)后不同時(shí)間段參數(shù)分析采用單因素方差分析,損傷組與對(duì)照組參數(shù)比較采用非配對(duì)t檢驗(yàn)。P<0．05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié)果

1.步態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果:對(duì)正常組與損傷組術(shù)前、術(shù)后3、6、9、12個(gè)月跟蹤隨訪測(cè)其步態(tài)數(shù)據(jù),行Lysholm膝關(guān)節(jié)功能評(píng)分,結(jié)果見表2。術(shù)前Lysholm 評(píng)分為(62.35±3.45)分,術(shù)后 3 個(gè)月、 6 個(gè)月、 9 個(gè)月、 12 個(gè)月Lysholm 評(píng)分分別為(78.16±3.58)分、(85.36±3.35)分、(88.46±3.21)分、(93.62±3.51)分,與術(shù)前比較,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0．05)。對(duì)照組屈曲角度-2°～66°,內(nèi)外翻轉(zhuǎn)角度-5°～9°,內(nèi)外旋轉(zhuǎn)角度-4°～8°;ACL損傷后屈曲角度-5°～52°,內(nèi)外翻轉(zhuǎn)角度-3°～24°,內(nèi)外旋轉(zhuǎn)角度-13°～14°;ACL 自體腘繩肌腱重建術(shù)后 3 個(gè)月時(shí)屈曲角度-2°～47°,內(nèi)外翻轉(zhuǎn)角度-5°～9°,內(nèi)外旋轉(zhuǎn)角度-6°～10°;AC自體腘繩肌腱重建術(shù)后 6 個(gè)月時(shí)屈曲角度-2°～59°,內(nèi)外翻轉(zhuǎn)角度-4°～8°,內(nèi)外旋轉(zhuǎn)角度-5°～8°;ACL 自體腘繩肌腱重建術(shù)后 9 個(gè)月時(shí)屈曲角度-2°～64°,內(nèi)外翻轉(zhuǎn)角度-2°～9°,內(nèi)外旋轉(zhuǎn)角度-2°～8°;ACL 自體腘繩肌腱重建術(shù)后 12 個(gè)月時(shí)屈曲角度-2°～65°,內(nèi)外翻轉(zhuǎn)角度-1°～9°,內(nèi)外旋轉(zhuǎn)角度-1°～8°。ACL斷裂后膝關(guān)節(jié)由屈到伸、內(nèi)外旋轉(zhuǎn)、內(nèi)外翻轉(zhuǎn)上的角度變化范圍均較對(duì)照組變大,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);但術(shù)后9個(gè)月及術(shù)后12個(gè)月各角度活動(dòng)度接近,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);伴隨著康復(fù)的時(shí)間延長(zhǎng),術(shù)后4個(gè)隨訪時(shí)間點(diǎn)的膝關(guān)節(jié)各角度較術(shù)前日趨改善,其中重建術(shù)后9個(gè)月和12個(gè)月時(shí)的步態(tài)與術(shù)后3個(gè)月時(shí)比較,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

表2 關(guān)節(jié)角度參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 (度)

2.典型病例:病人,男性,右膝外傷后腫痛活動(dòng)受限1個(gè)月。體格檢查:右膝略腫脹,過伸過屈試驗(yàn)(+),前抽屜試驗(yàn)(+),后抽屜試驗(yàn)(-),內(nèi)外側(cè)方試驗(yàn)(-)。見圖3。

A:術(shù)前MRI示AC術(shù)前MRI示ACL從股骨端斷裂;B:關(guān)節(jié)鏡下可明確ACL斷裂;C:鏡下顯示重建ACL

討論

ACL重建術(shù)后的韌帶移植物需要經(jīng)歷一系列韌帶化過程,包括炎癥反應(yīng)、再血管化、纖維化與重塑等。在這個(gè)過程中,重建后的韌帶會(huì)經(jīng)歷逐漸增強(qiáng)的變化,ACL重建術(shù)后12周左右,整個(gè)置入物周圍發(fā)生血管再生,然后進(jìn)入韌帶化期,并繼續(xù)重塑向正常ACL的方向發(fā)展[3]。由此推測(cè),重建后的韌帶需經(jīng)歷一些適應(yīng)過程才能發(fā)揮真正作用。本研究結(jié)果表明,術(shù)后6個(gè)月內(nèi)三維角度與術(shù)前相比有差異,可能與移植物的牢靠固定及對(duì)移植物的預(yù)張有關(guān)[4]。隨著術(shù)后移植物的韌帶化及腱骨愈合過程,膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性日趨改善,術(shù)后9個(gè)月后三維角度已與正常無明顯差異,行ACL自體腘繩肌腱解剖單束重建手術(shù)效果良好。

既往對(duì)膝關(guān)節(jié)的研究大多只關(guān)注矢狀面,無法對(duì)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行三維分析[5],更無法讓受試對(duì)象在主動(dòng)行走下捕捉數(shù)據(jù)參數(shù)。本研究結(jié)果表明,膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)并不是單純矢狀面的運(yùn)動(dòng),而是屈伸的同時(shí)伴隨著內(nèi)外翻轉(zhuǎn)、內(nèi)外旋轉(zhuǎn),即三維運(yùn)動(dòng),正常人和ACL損傷的病人均有規(guī)律可循。本實(shí)驗(yàn)是在受試者自主能動(dòng)且負(fù)重條件下,結(jié)合自身狀況,盡量跟日常行走一樣的步態(tài),行走一定時(shí)長(zhǎng)后,同時(shí)對(duì)膝關(guān)節(jié)屈伸、內(nèi)外翻、內(nèi)外旋三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集測(cè)量的過程。

本研究25例ACL損傷后運(yùn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均發(fā)生明顯變化,本次實(shí)驗(yàn)ACL損傷組得到的膝關(guān)節(jié)屈伸、內(nèi)外翻、內(nèi)外旋三個(gè)角度的數(shù)據(jù)與既往研究一致[6]。ACL損傷后,膝關(guān)節(jié)角度會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)性的變化,這種改變是膝關(guān)節(jié)在神經(jīng)肌肉調(diào)控下針對(duì)ACL損傷后的代償性變化[7]。本研究中,ACL損傷組膝關(guān)節(jié)表現(xiàn)出一種站立相伸膝角度較正常組增加和擺動(dòng)相屈膝角度較正常組減小,屈膝角度減小可能由于損傷后股四頭肌活動(dòng)導(dǎo)致的脛骨前移,以及膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)、疼痛不適有關(guān)[8]。膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻及小腿內(nèi)外旋的角度較正常組均增大,可能與前交叉韌帶控制旋轉(zhuǎn)的作用和對(duì)抗股四頭肌牽拉脛骨的作用消失,和股四頭肌、后交叉韌帶以及其他肌肉的作用有關(guān),同時(shí)膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻及脛骨內(nèi)外旋角度的增大也代表著膝關(guān)節(jié)的不穩(wěn)。本研究中25例ACL重建病人術(shù)前及術(shù)后3個(gè)月通過增加屈膝角度來加強(qiáng)關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性,表現(xiàn)出ACL損傷后引起的特異性“股四頭肌逃避步態(tài)”[9]。25例ACL損傷病人通過自體腘繩肌腱重建ACL大約9個(gè)月后患肢疼痛減輕,股四頭肌功能恢復(fù),對(duì)于膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性,尤其是伸膝功能影響加強(qiáng),膝關(guān)節(jié)屈伸、內(nèi)外翻及內(nèi)外旋活動(dòng)等步態(tài)各方向數(shù)據(jù)能接近正常的參數(shù)特征,患肢由此得出ACL損傷行重建手術(shù)后能逐漸恢復(fù)下肢的正常步態(tài),并且手術(shù)后平均9個(gè)月可與常人在步態(tài)特征上無明顯區(qū)別。

本研究選取的受試對(duì)象均為行自體腘繩肌腱解剖單束重建ACL的病人,由于ACL重建有多種取材術(shù)式[10],技術(shù)方法因術(shù)者習(xí)慣等原因不統(tǒng)一,現(xiàn)仍無一種公認(rèn)的最佳術(shù)式,比如按肌腱來源分為人工韌帶、自體或異體骨-髕腱-骨[11],自體或異體肌腱等;按手術(shù)方式分為單束單隧道重建、雙束單隧道重建、雙束雙隧道重建等[12]。移植物固定可以使用界面擠壓螺釘、門型或橫穿釘及懸吊鋼板等。以上不同選擇均會(huì)影響術(shù)后步態(tài)恢復(fù)的周期,下一步仍需深入研究[13]。以往步態(tài)分析的設(shè)備,通常采用的光電捕捉皮膚標(biāo)記點(diǎn)的方法,其標(biāo)記點(diǎn)在動(dòng)態(tài)捕捉中容易丟失,需要反復(fù)采集步態(tài)數(shù)據(jù),增加了實(shí)驗(yàn)的繁瑣和不確定性。我們通過在緊貼皮膚的彈性繃帶上做皮膚標(biāo)記點(diǎn),利用三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)確定一段剛體,并且標(biāo)記點(diǎn)的三角位置相對(duì)固定,盡可能把可能發(fā)生的誤差控制在一定范圍內(nèi),使其精確度達(dá)到最高,但考慮到肌肉收縮的影響因素及在行走中皮膚標(biāo)記點(diǎn)相對(duì)骨骼有位移,對(duì)結(jié)果可能造成誤差仍是本實(shí)驗(yàn)研究最主要的限制因素。三維光電捕捉皮膚標(biāo)記點(diǎn)有很大的優(yōu)勢(shì)可用于臨床異常膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的描述,本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)正常人與前交叉韌帶損傷的病人進(jìn)行三維步態(tài)分析,計(jì)算出膝關(guān)節(jié)屈伸、內(nèi)外翻、內(nèi)外旋三個(gè)角度在每個(gè)周期中的數(shù)據(jù),并通過運(yùn)動(dòng)特征智能分析軟件自動(dòng)描繪出三個(gè)運(yùn)動(dòng)角度的曲線圖,發(fā)現(xiàn)三個(gè)膝關(guān)節(jié)角度在運(yùn)動(dòng)時(shí)是有一定規(guī)律的,而且發(fā)現(xiàn)ACL損傷組與對(duì)照組角度變化規(guī)律的明顯差異,膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度、翻轉(zhuǎn)角度的增大導(dǎo)致了ALC患肢膝關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定。行韌帶重建術(shù)后,隨著康復(fù)計(jì)劃的進(jìn)行膝關(guān)節(jié)三維角度變化范圍逐漸縮小,膝關(guān)節(jié)功能評(píng)分逐漸提高,膝關(guān)節(jié)也日趨穩(wěn)定。

本實(shí)驗(yàn)通過三維運(yùn)動(dòng)捕捉步態(tài)分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)ACL損傷前后及其重建術(shù)后的膝關(guān)節(jié)功能量化評(píng)價(jià),結(jié)果表明,自體腘繩肌腱解剖單束重建ACL起到了穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)的作用,提高了Lysholm膝關(guān)節(jié)功能評(píng)分,隨著時(shí)間推移,ACL損傷重建術(shù)后平均需要9個(gè)月步態(tài)可達(dá)到正常水平,術(shù)后12個(gè)月內(nèi)Lysholm膝關(guān)節(jié)功能評(píng)分逐漸提高,比以往的定性步態(tài)分析更客觀,真正意義上實(shí)現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)前后穩(wěn)定、側(cè)向穩(wěn)定及旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的三維動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的量化評(píng)估。對(duì)ACL損傷及其重建術(shù)后進(jìn)行步態(tài)研究,能更科學(xué)地對(duì)韌帶損傷的診斷、臨床治療及術(shù)后療效評(píng)估、指導(dǎo)其康復(fù)鍛煉,有望成為一種新的輔助檢查手段,應(yīng)用前景廣闊。