前交叉韌帶及半月板損傷膝關(guān)節(jié)在體運動學研究.pdf

1、前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)損傷是臨床常見的膝關(guān)節(jié)疾病。據(jù)報道，目前美國每年進行ACL重建手術(shù)的數(shù)量超過40萬例。雖然我國尚無整體人群發(fā)病率的報道，但有學者對我國現(xiàn)役集訓運動員進行的調(diào)查結(jié)果顯示，ACL損傷總體發(fā)病率為0.43％。半月板損傷的發(fā)生率大約為60～70人/每100000人。膝關(guān)節(jié)ACL是膝關(guān)節(jié)最主要的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)之一，一旦損傷，關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性即遭到破壞，繼而發(fā)生一系列的關(guān)節(jié)生物力學的改

2、變，影響關(guān)節(jié)的運動功能，進而引起關(guān)節(jié)軟骨、半月板的繼發(fā)損傷，最終導致骨性關(guān)節(jié)炎、關(guān)節(jié)功能喪失等。半月板結(jié)構(gòu)和功能的特點決定了它是膝關(guān)節(jié)內(nèi)最易損傷的組織之一。在從事劇烈運動和特殊職業(yè)的人員中，半月板損傷的機率更高。半月板的撕裂或其它類型的損傷是比較常見的，一旦損傷會擾亂環(huán)形的半月板纖維，破壞膝關(guān)節(jié)環(huán)境。半月板損傷多由扭轉(zhuǎn)外力引起，當一腿承重，小腿固定在半屈曲、外展位時，身體及股部猛然內(nèi)旋，內(nèi)側(cè)半月板在股骨髁與脛骨之間受到旋轉(zhuǎn)壓力，而致半月

3、板撕裂。半月板損傷是一種以膝關(guān)節(jié)局限性疼痛，部分患者有打軟腿或膝關(guān)節(jié)交鎖現(xiàn)象，股四頭肌萎縮，膝關(guān)節(jié)間隙固定的局限性壓痛為主要表現(xiàn)的疾病。作為膝關(guān)節(jié)內(nèi)的緩沖裝置，與膝關(guān)節(jié)中的其它穩(wěn)定性裝置如前后交叉韌帶一樣，半月板損傷會導致一系列的運動學改變。本研究目的是精確測量ACL及半月板損傷膝關(guān)節(jié)動態(tài)三維運動學，通過在體實驗研究，提高測量技術(shù)的精度和效率，探討在不同損傷模型下的運動學特征。
　　測量膝關(guān)節(jié)的運動學參數(shù)以評估膝關(guān)節(jié)損傷情況有悠久

4、的歷史，技術(shù)手段從CT、MRI發(fā)展到動態(tài)3D步態(tài)分析、熒光透視成像、動態(tài)CT和MRI、計算機膝關(guān)節(jié)虛擬系統(tǒng)等等。主要基于紅外線追蹤的光學捕獲原理是目前最為流行的運動學檢測方法，該方法運算快，轉(zhuǎn)換效率高，但其最大的缺點在于標記過程中出現(xiàn)的皮膚移動度造成的誤差?；诜派溆跋駥W原理的在體運動學評估主要包括兩方面:一是X線立體測量分析技術(shù)(Roentgen stereo photogrammetricanalysis，RSA)，二是目前比較流行

5、的2D-3D匹配技術(shù)。RSA與其他傳統(tǒng)測量方法相比，該技術(shù)精度較高，但具輻射性，且技術(shù)要求高。RSA還具有有創(chuàng)性;2D-3D匹配技術(shù)是目前較流行的在體運動學研究方法，它通過二維圖像與三維模型的高精度匹配，并且可以直接測量人活動時的運動學變化，具有精度與重復(fù)性高的特點，同時也是本研究中采用的研究方法。動態(tài)MRI檢測通過動態(tài)、實時、直接地研究運動學參數(shù)而無輻射性，對于研究軟組織結(jié)構(gòu)的變化如交叉韌帶、半月板、側(cè)副韌帶等具有優(yōu)勢。由于MRI對軟

6、組織的高分辨率，因此開放性MRI技術(shù)在檢測膝關(guān)節(jié)運動和動力學的同時，還可以同時觀察半月板與關(guān)節(jié)接觸面積，以更好地分析膝關(guān)節(jié)受損后在ACL與半月板在不同膝關(guān)節(jié)姿勢下的運動學與力學改變。還有其它的測試手段如手動測試，機器人輔助分析等。
　　目前對ACL損傷的在體運動學研究比較多。但實際臨床上單純的ACL損傷比較少見，一般經(jīng)受運動性損傷的膝關(guān)節(jié)除ACL損傷，還會合并軟骨、半月板、后交叉韌帶、側(cè)副韌帶等軟組織的損傷。同時還可能合并撕脫性骨

7、折(segond骨折)。因此對于最常合并的半月板損傷，研究其伴隨ACL損傷的運動學特點具有較強的臨床意義。然而，目前大多類似的研究是離體實驗與動物實驗。這些研究并不能完美地模擬人膝關(guān)節(jié)在損傷狀態(tài)下的運動學改變。有學者采用與本研究類似的2D-3D匹配的技術(shù)進行在體運動學研究，但納入的研究對象多為歐美人種。已經(jīng)有相當多的研究表明ACL損傷危險因素與多種因素有關(guān)，如髁間窩的寬度等，有相關(guān)研究報道了亞洲人群與歐美人群的股骨遠端解剖不一致。這些結(jié)

8、果表現(xiàn)對國人的ACL合并半月板損傷的膝關(guān)節(jié)在體運動學進行研究具有實際的指導意義。
　　對ACL及半月板損傷膝關(guān)節(jié)三維運動學的基礎(chǔ)研究，有助于更全面地理解損傷狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)與運動功能的關(guān)系，對研究運動損傷機理、臨床診斷和指導康復(fù)訓練等有著重要的意義。通過研究中國人群膝關(guān)節(jié)ACL損傷患者膝關(guān)節(jié)在體運動，獲得驅(qū)動膝關(guān)節(jié)骨肌系統(tǒng)的運動學數(shù)據(jù)，從而得到膝關(guān)節(jié)骨肌系統(tǒng)的力學數(shù)據(jù)。目前已有的文獻多是以國外人群的樣本作參照，并無國人的樣本分析

9、。
　　目的:
　　本實驗旨在通過研究中國人群膝關(guān)節(jié)ACL損傷患者膝關(guān)節(jié)在體運動與力學數(shù)據(jù)，為快速便捷地診斷可疑的ACL及半月板損傷和指導ACL重建、半月板修復(fù)術(shù)后康復(fù)提供量化的參考。
　　方法:
　　我們選擇2013年11月-2015年9月因ACL及半月板損傷在關(guān)節(jié)科住院，應(yīng)用MRI進行確診并進行了ACL重建手術(shù)和半月板修復(fù)術(shù)的28例患者資料，男16名，女12名，最小年齡18歲，最大年齡37歲，平均年齡23.7

10、±3.6歲，其中:(1)單純ACL損傷:6人;(2) ACL合并內(nèi)側(cè)半月板Ⅲ級損傷:8人;(3) ACL合并外側(cè)半月板Ⅲ級損傷:8人;(4) ACL合并內(nèi)-外側(cè)半月板Ⅲ級損傷:6人。我們采集該28名ACL損傷患者雙側(cè)膝關(guān)節(jié)的CT影像，進行雙側(cè)膝關(guān)節(jié)CT圖像的三維重建。利用單平面透視圖像分析系統(tǒng)采集患者上臺階時的動態(tài)X線圖像，并在軟件中將動態(tài)X線圖像與膝關(guān)節(jié)三維模型進行自動配準，還原X線圖像中股骨和脛骨在三維坐標上的相對位置，計算患者上臺

11、階時膝關(guān)節(jié)6個自由度的變化。健側(cè)按同樣的方法進行數(shù)據(jù)采集，與患側(cè)膝關(guān)節(jié)運動學數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析。采用兩因素重復(fù)測量方差分析對5種狀態(tài)下的膝關(guān)節(jié)進行對比分析。組內(nèi)因素是膝關(guān)節(jié)的狀態(tài)（健膝對比患膝）、膝關(guān)節(jié)的屈曲度(0°、5°、10°、15°、30°、45°、60°)。檢驗水準P設(shè)定為0.05。組間存在差異時，采用SNK進行兩兩比較，檢驗水準P同樣設(shè)定為0.05。
　　結(jié)果:
　　內(nèi)外旋
　　健患膝關(guān)節(jié)在橫斷面上的旋轉(zhuǎn)變化

12、對比情況。首先，在健膝與患膝的對比中并沒有發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計學差異。統(tǒng)計學差異只存在于不同損傷模式的膝關(guān)節(jié)間。從60°屈曲到0度伸直位，與健膝相比，單純ACL損傷組顯示出減少的外旋;然后兩者間并沒有統(tǒng)計學差異。在膝關(guān)節(jié)0°，15°和30°屈曲位，單純ACL損傷組的外旋角度分別為13.9±6.1°，13.8±9.5°和15.9±9.8°。相反地，ACL合并內(nèi)側(cè)半月板損傷組以及ACL合并外側(cè)半月板損傷組從60°屈曲到0度伸直位表現(xiàn)出增加的外旋角度。在

13、0°，30°和45°屈曲位，這兩組與單純ACL損傷組有統(tǒng)計學差異。對于ACL合并內(nèi)-外側(cè)半月板損傷組，只有屈曲45°發(fā)現(xiàn)該組與ACL合并內(nèi)側(cè)半月板損傷組存在統(tǒng)計學差異（5.3±6.8°VS.8.5±2.6°，P=0.033）內(nèi)外翻
　　5種狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外翻表現(xiàn)具有相似的運動學表現(xiàn)。在上臺階的初始階段，脛骨表現(xiàn)出較大的外翻角，隨著上臺階動作的進行，外翻角逐漸減少。在單純ACL損傷組，在60度屈曲位，膝關(guān)節(jié)表現(xiàn)為內(nèi)翻（-4.7±3

14、.8°）。有趣的是，無論是在健膝患膝對比，還是患膝之間都不存在統(tǒng)計學差異。
　　前后移總體而言，在上臺階的過程中，脛骨相對于股骨表現(xiàn)出前移。膝伸直位(0°)時，ACL合并內(nèi)-外側(cè)半月板損傷組與健膝組存在統(tǒng)計學差異（-5.6±9.7mmVS.6.2±11.3mm，P=0.024）。同時在膝伸直位及5°屈曲時，ACL合并外側(cè)半月板損傷組與ACL合并內(nèi)-外側(cè)半月板損傷組存在統(tǒng)計學差異(-6.9±1.7mmVS.6.2±11.3mm，P=

15、0.041;-9.0±1.8mmVS.8.1±13.4mm，P=0.044)。在其它角度下并無統(tǒng)計學差異。
　　內(nèi)外移
　　在內(nèi)外移上5種狀態(tài)下的膝關(guān)節(jié)具有相似的表現(xiàn)?？傮w而言，在整個上臺階過程脛骨表現(xiàn)出相對于股骨的內(nèi)移。所有的ACL損傷組在膝伸直位均表現(xiàn)為較小的內(nèi)移量。單純的ACL損傷組表現(xiàn)最為顯著，其表現(xiàn)為脛骨的外移（-3.8±5.6mm）。在所有的組中無論在什么屈曲角度下均無發(fā)現(xiàn)有統(tǒng)計學差異。
　　結(jié)論:

16、　　本實驗研究了ACL損傷膝關(guān)節(jié)合并半月板不同損傷模式下上臺階動作下的在體運動學變化，采用了單平面透視圖像分析系統(tǒng)。結(jié)果表明在內(nèi)外旋和前后位移上，損傷組之間及損傷組與健膝之間有不同的運動學表現(xiàn)，具體表現(xiàn)因半月板的損傷模式不同而不同。這些結(jié)果提示除了ACL之外，半月板也是膝關(guān)節(jié)的一個穩(wěn)定性裝置，且考慮到在不同自由度上的影響，將來的研究應(yīng)當關(guān)注ACL膝關(guān)節(jié)合并不同半月板損傷模式下的治療方式以恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的正常運動學表現(xiàn)并避免過早關(guān)節(jié)軟骨褪變、