膝關節前交叉韌帶重建術后的生物力學分析,運動生物力學論文膝關節前穿插韌帶〔anteriorcruciateligament,ACL〕損傷是臨床上常見的運動損傷。近年來，用生物力學方式方法評價手術治療對前穿插韌帶重建術后的療效是運動醫學及康復醫學領域的研究熱門。通過對韌帶重建術后的生物力學進行研究后發現盡管重建手術能夠在一定程度上恢復膝關節的正常功能，但重建側膝關節仍然存在運動學、動力學以及肌肉活動特征等的異常。因而，對重建側膝關節進行全面的生物力學評價有利于了解外科手術的療效和制定有針對性的康復治療方案，進而盡量避免再發損傷并使患者能夠重新恢復先前的運動項目。本文就ACL重建術后下肢仍然存在異常的運動學、動力學和肌肉活動特征做一綜述。1膝關節前穿插韌帶的解剖和功能ACL起自股骨外側髁內側面后部，遠端呈扇形張開附著于脛骨平臺髁間棘內側部。ACL的長度為22-44mm〔平均32mm〕，寬度為7-12mm[1].在功能上，ACL分為兩部分，即前內側束〔anteromedialbundle,AMB〕和后外側束〔postero-lateralbundle,PLB〕。AMB起自股骨附著點的近前方，止于脛骨附著點的前內側，而PLB起自股骨附著點的遠后方，止于脛骨附著點的后外側。AMB最主要的功能是限制脛骨相對于股骨的前移[2],在慢性ACL缺失患者的膝關節中，出現脛骨前移是正常膝關節的4倍[3].PLB的主要功能是限制脛骨內旋，尤其是在膝關節接近完全伸直時這種作用愈加明顯；另外，ACL還有小部分限制脛骨外旋和內外翻運動的作用[4].對ACL解剖和功能的正確認識，為重建后通過生物力學方式方法評價膝關節的功能提供了重要的理論根據。2膝關節前穿插韌帶重建后下肢的生物力學特征ACL損傷后毀壞了其正常的解剖構造，導致傷側下肢正常的運動學、動力學以及肌肉活動發生改變[5],進而引起膝關節嚴重不穩。除此之外，ACL損傷還會進一步引起半月板的撕裂和關節軟骨的退行性改變[6],最終發生創傷后膝關節骨性關節炎〔kneeosteoarthritis,KOA〕，因而需要對ACL損傷進行手術重建。近年研究表示清楚，無論采取何種術式和移植物重建膝關節功能的恢復也是有限的，仍會存在下肢的生物力學異常[7-8].2.1膝關節前穿插韌帶重建后下肢的運動學特征ACL重建術后的患者，三個平面上仍然存在下肢異常的運動學特征。KnollZ等[9]對25例ACL重建者在術后12個月在平地步行時通過三維步態分析發現，在步態周期的擺動期這些患者出現明顯的膝關節屈曲角度的減少。正常步態中，從足跟離地即將進入擺動初期之前膝關節開場屈曲，到達大約35的屈曲角度時，踇指離地〔步態周期的60%〕。最大的膝關節屈曲角度大約為60，是發生在擺動中期開場時〔步態周期的73%〕。擺動終末期，膝關節幾乎處于完全的伸直位，為下次足跟著地做準備。行走時在擺動階段缺乏充分的膝關節屈曲會影響踇指離地，為了代償這種情況，髖關節必須過度屈曲[10].XergiaSA等[7]對22例ACL重建的男性運發動在單腿跳躍活動中進行三維步態分析后發現與健康對照組相比，在起跳階段所有受試者出現膝關節屈曲和踝關節背屈角度的減少，在落地階段，受試者出現膝關節屈曲角度的減少。在起跳階段膝關節屈曲和踝關節背屈角度的減少會降低跳躍運動的推動力,這樣會影響跳躍的距離，而落地階段膝關節屈曲角度的減少可能是想通過使膝關節僵硬以維持落地時的平衡，但可以能因而而增加膝關節的負荷，成為產生KOA的潛在危險因素[11].WebsterKE等[12]研究了16例ACL重建的患者分別在術后10個月和3年的隨訪期中平地步行時下肢的運動學參數，發現與術后10個月相比擬，術后3年這些患者在步態周期的終末支撐期中膝關節屈曲角度減少，講明患者能夠完成更多的膝關節伸展運動，步態得到明顯改善。所以，盡管重建后不能完全恢復下肢的生物力學，但某種程度上也使得膝關節的功能得到改善。正常情況下，由于關節的形態學及強有力的內外側副韌帶的作用，膝關節在冠狀面上有很小范圍的運動發生，但很難去定量[10].有多項研究表示清楚，ACL重建后通過三維步態分析能夠觀察到膝關節在冠狀面上有明顯的內收外展運動，這樣就會使得膝關節冠狀面上正常的對位對線關系發生改變，進而使脛股關節壓力增加，導致KOA的發生[11,13].在橫斷面上，當膝關節屈曲一定角度的時候，能夠產生內外旋運動。在足跟觸地時，脛骨相對于股骨大約處于2-3的外旋位，在整個支撐期中，膝關節逐步內旋[10].然而，DenewethJM等[14]在對9例ACL重建的患者進行單腿跳躍測試中通過三維步態分析發現，在初次足跟觸地時9例患者均呈現出脛骨過度的外旋運動，另有研究結果也與其類似[15],表示清楚在整個步態周期的支撐期中ACL重建側膝關節的內旋運動明顯減少；但GeorgoulisAD等[16]卻發如今對ACL重建的患者進行水平步行測試時與健側膝關節比擬，在整個支撐期中雙側膝關節的內外旋運動并未表現出顯著性差異。因而，膝關節內旋-外旋運動學的改變更有可能出如今對肢體功能要求較高的功能性活動，如單腿跳躍或下肢的旋轉運動中。假如膝關節內外旋運動的異常也是導致膝關節易發生退行性改變的因素，那么重建后長期進行這種功能性活動可能加劇關節退行性改變的發生。2.2膝關節前穿插韌帶重建后下肢的動力學特征ACL重建后下肢動力學特征的改變主要具體表現出在地面反作用力、關節的力矩和能量的吸收上。OrishimoKF等[17]研究了在單腿跳躍活動中ACL重建者下肢的動力學特征，發如今起跳階段前方地面反作用力和垂直地面反作用力，以及下肢總的伸肌力矩兩側下肢相比未有明顯差異，但重建側下肢膝關節伸肌力矩明顯低于健側下肢，髖、踝關節伸肌力矩高于健側下肢，與健側下肢相比，重建側下肢膝關節能量的產生明顯低于健側下肢，髖、踝關節能量的產生均高于健側下肢，尤其是髖關節愈加明顯；在落地階段，后方地面反作用力和垂直地面反作用力，以及下肢總的伸肌力矩兩側下肢相比也未有明顯差異，仍然是髖、踝伸肌力矩高于健側下肢，但在能量的吸收上，重建側下肢髖、膝關節均低于健側下肢，而踝關節明顯高于健側下肢。重建側下肢通過鄰近的髖關節和踝關節代償形式的這種適應性改變實際上對于傷側膝關節來講是一種保衛性策略，主要是為了避免對傷側膝關節產生太多的前方剪切力。另研究報道，在單腿跳躍活動的落地階段，重建側下肢垂直地面反作用力下降的同時還伴有髖、膝關節屈曲角度的增加，重建側下肢傾向于采取這種軟著地的策略，這種適應性改變也是為了減少對傷側膝關節的沖擊負荷，進而避免再次損傷[18].從逆向動力學的角度來看，地面反作用力是計算膝關節動力學的決定性成分。以往研究發現，ACL損傷后雙側膝關節存在動力學的非對稱性，同時地面反作用力也表現出非對稱性[17,19],但這種情況更多見于單腿跳躍的功能性活動中。由于進行單腿跳躍活動時，重建側膝關節在活動中出現的非對稱性表現主要是通過同側鄰近的關節來進行代償。假如患者介入雙腿跳躍的活動時，重建側膝關節功能的缺失則主要會通過對側膝關節來代償，這種反常的肢體間的代償策略可能會使對側膝關節負荷增加，進而增加對側ACL損傷的發生率[20].在功能性活動中重建側膝關節活動的減少必然會通過其他形式進行代償，所以，外科手術仍未使ACL損傷的膝關節恢復至能夠介入功能活動的正常水平。假如意識不到這一點，便會誤導患者重新回到不恰當的活動介入中，這可能會導致重建側ACL再發損傷，甚至發生對側ACL的損傷。3膝關節前穿插韌帶重建后肌肉活動的特征ACL移植重建最常用的是選擇自體腘繩肌腱或骨-髕腱-骨移植重建，這樣會導致肌肉正常的解剖形態遭到影響，隨之而來的可能會使肌肉功能發生改變，導致術后的肌肉氣力和運動中神經肌肉的活動等出現異常。有人分別將接受兩種移植物重建后下肢的肌肉氣力與正常受試者進行比照后發現，無論是何種移植物重建，通過等速肌力測試患者更多的是表現出膝關節伸肌氣力的缺失，而屈肌氣力的缺失不明顯，即使是在術后多年，這種情況仍然存在[21-22].在ACL損傷后可立即發生股四頭肌氣力下降[23],但是關于膝關節伸肌氣力缺失的根本原因，當前仍未有確切的機制來解釋。由于股四頭肌的收縮可使脛骨前移，這樣就會增加重建的ACL的張力，股四頭肌氣力的下降也是一種保衛性機制[21].但是，膝關節屈伸肌氣力的不平衡會導致關節面內負荷的不平衡分布，長此以往會發生膝關節退行性改變[24].ACL損傷和重建術后的患者，損傷側下肢的神經肌肉功能在活動中也會發生適應性改變。PatrasK等[25]報道了14例男性運發動在低、中、高強度三個不同級別的跑步活動中重建側下肢的外表肌電活動情況，結果發如今低、中強度的活動中這些男性運發動重建側下肢股外側肌的肌電振幅值明顯高于股二頭肌的肌電振幅值，而在高強度活動中重建側下肢的股二頭肌的肌電活動較股外側肌的肌電活動明顯增加。TsaiLC等[26]發如今功能性活動中除了腘繩肌的肌電活動較股四頭肌增加外，同時股四頭肌和腘繩肌的協同收縮活動也明顯增加。由于腘繩肌附著于脛骨近端，肌肉收縮時能夠產生一個向后方的力[27],因而肌肉募集策略的這種改變，主要是想通過募集更多的腘繩肌活動提供一個向后方的剪切應力來減少對膝關節前方的剪切負荷[28].這種從以股四頭肌為主導向以腘繩肌為主導的策略形式的轉換，理論上講對于重建側的膝關節來講是一種積極的適應性改變，具有保衛意義。股四頭肌和腘繩肌協同收縮活動增加能夠加強膝關節僵硬度,使關節能夠很好地對抗外旋負荷[29].但是重建側下肢這種增加肌肉協同收縮的策略形式同樣會使脛股關節壓力增加[30].另外，ACL重建側下肢還表現出其他的神經肌肉代償策略，在單腿跳躍活動中股外側肌的肌電活動減少，而臀大肌和腓腸肌的肌電活動增加，這種通過鄰近關節來代償的策略對于傷側膝關節是一種保衛機制，都是為了減少膝關節的負荷。ACL重建的患者，由于不能完全恢復正常的神經肌肉功能，同時也是為了保衛傷側的膝關節，重建側下肢會發生神經肌肉的適應性改變以代償這種功能的缺失。4小結ACL損傷后進行重建術盡管能在一定程度上恢復膝關節的功能，但仍然存在下肢運動學、動力學和肌肉活動等的異常。要想使膝關節的功能獲得更大的恢復，甚至接近正常，就需要通過對ACL重建后進行全面的生物力學評估，找出仍然存在的異常生物力學特征，同時制定有針對性的康復訓練方案，尤其是針對神經肌肉功能進行訓練，進而使患者重返運動場。因而，將來生物力學的研究方向可著眼在不同的康復訓練方案對ACL重建后下肢功能的改善上。以下為參考文獻[1]AmisAA,DawkinsGP.Functionalanatomyoftheanteriorcruciateligament.Fibrebundleactionsrelatedtoligamentreplacementsandinjuries[J].JBoneJointSurgBr,1991,73〔2〕：260-267.[2]ButlerDL,NoyesFR,GroodES.Ligamentousrestraintstoanterior-posteriordrawerinthehumanknee.Abiomechani-calstudy[J].TheJournalofboneandjointsurgeryAmeri-canvolume,1980,62〔2〕：259-270.[3]BeynnonBD,FlemingBC,LabovitchR,etal.Chronicante-riorcruciateligamentdeficiencyisassociatedwithincreasedanteriortranslationofthetibiaduringthetransitionfromnon-weightbearingtoweightbearing[J].JOrthopRes,2002,20〔2〕：332-337.[4]MatsumotoH,SudaY,OtaniT,etal.Rolesofth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