陳舊性前交叉韌帶損傷患者的膝關節三維運動學分析*

楊登軍,張奇愛,鐘瑞穎,張瑤璋,張 紅,王福科△

(昆明醫科大學第一附屬醫院 1.運動醫學科 2.精神科,云南 昆明 650032)

膝關節前交叉韌帶(Anterior Cruciate Ligament,ACL)損傷是較為常見的膝關節運動損傷[1],ACL損傷后由于肌肉代償等各種因素使得部分患者膝關節不穩表現并不明顯,易出現診治不當而成為慢性損傷患者,長期未獲得及時治療可繼發半月板或軟骨損傷,加速膝關節退行性變[2,3]。本研究主要通過比較陳舊性ACL損傷患者與健康成人的三維步態,分析陳舊性ACL損傷患者的膝關節運動周期和三維六自由度平均值的運動學特點,現報道如下。

1 材料與方法

1.1 研究對象

實驗組30名(男12名,女18名),均為2021年9月-2022年11月于本院運動醫學科門診就診并診斷為陳舊性前交叉韌帶斷裂的患者;對照組30名(男12名,女18名),均為本科室曾招募的健康成年志愿者。2組的一般資料,見表1。

表1 一般資料

實驗組納入標準:(1)年齡>18歲骨性成熟者;(2)單側膝關節陳舊性前交叉韌帶損傷;(3)雙下肢發病前活動功能正常;(4)行走無障礙且能配合完成測試者。排除標準:(1)合并后交叉韌帶、內外側副韌帶損傷及其他膝關節疾病;(2)需要攙扶或使用拐杖者;(3)合并嚴重心肺等疾病者;(4)有精神疾病者不能配合完成測試者。

1.2 研究設備

Opti_Knee膝關節三維運動測量分析系統。設備組成:高速攝像機、紅外立體追蹤鏡頭及配套步態分析主機,圖1a、雙向自動跑步機,見圖1b及標記探針,見圖1c等。

圖1 主要研究設備實體圖

1.3 膝關節步態采集流程

(1)啟動Opti_Knee膝關節三維運動測量分析系統,創建被檢者基本信息,見圖2a;

圖2 步態采集流程圖

(2)囑被檢者充分暴露雙膝關節后站于雙向自動跑步機上,將帶有反光剛體的標記組件松緊適宜地分別綁于雙側大腿下1/3和小腿上1/3處,見圖2b;

(3)調整系統屏幕可清晰觀察到被檢者雙下肢,使用標記探針按系統界面提示依次標記股骨大轉子、股骨外上髁、股骨內上髁、外踝、內踝共5個體表骨性標記點,見圖2c;

(4)點擊“采集數據”,選擇對應被檢膝關節,點擊“連接”使得標記組件通過紅外立體追蹤鏡頭與系統主機相關聯,系統顯示8個綠點則表示連接成功,見圖2d;

(5)根據要測膝關節的左側或右側,啟動雙向自動跑步機傳送方向(正向或反向),逐漸從低速加速至3km/h并保持恒定,待被檢者適應該步行速度后點擊“采集”,系統自動倒計時15s并采集被檢者步態數據,見圖2e;

(6)采集完畢后系統將自動生成膝關節運動測試報告,向被檢者解釋其報告結果,整理相關設備物品,檢查完畢,見圖2f。

1.4 步態采集指標

膝關節運動周期(步頻、最大步長、最小步長、平均步長)和三維六自由度(屈伸角、內外翻角、內外旋角、前后位移、上下位移、內外位移)平均值。

1.5 統計學分析

2 結果

實驗組的步頻、屈伸角、前后位移與健康成人比較差異具有統計學意義(P<0.05),而最大步長、最小步長、平均步長、內外翻角、內外旋角、上下位移、內外位移與健康成人比較差異無統計學意義(P>0.05),見表2、表3、表4。

表2 患膝與對照組步頻(步/s)、最大步長、最小步長、平均步長比較

表3 患膝與健康成人屈伸角、內外翻角、內外旋角比較

表4 患膝與健康成人前后位移、上下位移、內外位移比較

2.1 運動周期指標

2.2 膝關節三維六自由度指標

3 討論

3.1 膝關節步態運動學分析系統的應用

膝關節步態分析主要用于評估因外傷或疾病導致的膝關節步態異常、術后膝關節療效評價等,指導診斷、治療和康復[4],尤其在ACL損傷患者的應用中,膝關節三維運動學分析有著不容忽視的臨床應用價值[5],具有客觀、立體、無創、實時、動態、無輻射等優點[6]。然而,臨床應用中步態分析也有其局限性。首先,膝關節步態分析主流系統種類不一[7],系統的不一致可能導致各測量分析系統間的數據難以統一標準化,其可比性也有待進一步研究;其次,測量過程中不同步速的設定對膝關節運動學的改變尚未深入研究[8];最后,國內膝關節步態分析的規范性文件指引較少,邢丹等[9]在2020年首次在國內發表了步態圖評估膝關節運動功能的專家共識,但其共識是基于西方的三維步態分析系統公司提供的數據庫,基于國內人群數據庫的專家共識有待進一步提出。

3.2 膝關節前交叉韌帶損傷三維運動學分析

前交叉韌帶的功能主要包括生物力學功能和本體感覺功能兩個方面[10,11]。一方面,生物力學功能主要包括限制脛骨前移、膝關節過伸、內外旋及內外翻等;另一方面,ACL表面存在著一種特殊的本體感覺。因此,ACL損傷會引起膝關節的生物力學功能和本體感覺功能的改變,進而導致膝關節步態的異常,因而對ACL損傷及重建后的患者進行膝關節步態分析成為國內外近年來的研究熱點之一。

陳舊性前交叉韌帶損傷患者行走時的膝關節不穩定性難以察覺,但三維步態分析可以表現出關節運動學的細微變化。在本研究中,陳舊性前交叉韌帶損傷患者的前后位移明顯高于健康成人,而上下位移和內外位移并未表現出異常,可能是因為膝關節作為一個整體,肌肉、韌帶及筋膜等代償的結果。Zarins B等[12]提出膝關節的旋轉不穩定性與膝關節屈曲角度之間存在密切關系,認為前交叉韌帶損傷的患者在靜態條件下低屈曲角度下的內旋運動范圍明顯大于高屈曲角度下的運動范圍。Zhang Y等[13]認為ACL損傷患者出于自身保護反應,膝關節屈伸活動度減小以避免膝關節疼痛,這也與本研究的結果相符。

Sonnery-Cottet B等[14]通過研究認為髂脛束、前外側韌帶等和ACL一起提供了膝關節的旋轉穩定性,當ACL損傷后可能對旋轉穩定性產生部分代償;Yang Chen等[15]認為陳舊性前交叉韌帶損傷時膝關節的脛骨內旋增加,然而在步行和跑步時這種差異并不顯著,這也與本研究陳舊性ACL患者行走時的內外旋角與健康成人無明顯差異相符合。然而,部分研究[16,17]指出ACL損傷后其膝關節旋轉穩定性下降,因此,關于ACL損傷后膝關節穩定性的不同研究觀點有待深入探討和統一。另外,本研究僅僅測試了平步向前行走的三維步態,側身或旋轉等運動對于評估ACL損傷患者膝關節的旋轉穩定性顯然需要更進一步研究。

4 結論

與健康成人的膝關節的運動周期和三維六自由度平均值相比,陳舊性前交叉韌帶損傷患者的步頻變快、屈伸角減小、前后位移增大。