时会娟 黄红拾 于媛媛 刘卉 敖英芳

1北京大学第三医院运动医学研究所（北京 100191）

2北京体育大学运动人体科学学院

3运动医学关节伤病北京市重点实验室

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）是维持膝关节稳定的重要结构，主要功能是防止胫骨前移，对膝关节屈曲/伸展状态下的内旋/外旋和外展/内收也有一定的控制作用[1-3]。ACL断裂降低了关节的稳定性，使膝关节的动作模式和力学机制发生改变[4，5]，改变关节间正常的接触压力与接触面积[6]，增加关节软骨的损伤率[7-9]，发生膝关节退行性病变。ACL断裂会显著增加膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）的发生率。瑞典学者通过保险公司对103名12年前发生ACL损伤的女性足球运动员（此时平均年龄仅31岁）进行研究，其中84名填写了相关问卷，67名进行了影像学检查，结果表明KOA的发生率高达51%，而没有ACL损伤的对侧KOA发生率仅为8%[10]。

与单纯ACL断裂者相比，合并半月板损伤的ACL断裂者发生KOA的风险更高[11-13]。在ACL断裂状态下，半月板除了承重与缓冲作用外，对限制胫骨前移、保持膝关节稳定也有重要作用[14，15]。研究表明合并半月板损伤ACL断裂者伤后10年KOA发生率在60%～100%之间[16，17]。目前已有大量研究讨论ACL断裂对步态特征的影响，但并没有得出一致结论[4]。而且很少有研究比较单纯ACL断裂患者与合并半月板损伤者步态特征的差异，这些少量研究仅仅探究了膝关节的运动学参数，并未涉及动力学参数[18，19]，难以制定有针对性的预防或康复方案。不论是单纯ACL断裂还是合并半月板损伤，均不同程度改变了膝关节的结构属性，继而改变了运动时的关节运动学特征和生物性能，因此ACL断裂是探究运动机制和生物因素的相互关系及其如何诱发KOA的重要临床病理模型。本研究比较了单纯ACL断裂者和ACL断裂合并半月板损伤患者的步态特征，分析ACL断裂患者继发KOA的可能机制，为制定ACL断裂康复方案和防治KOA提供依据。

1 研究方法

1.1 受试者

受试者共3组 ，每组13人（表1）：单侧单纯前交叉韧带断裂组（ACL组）、合并半月板损伤的前交叉韧带断裂组（ACL+M组）、健康对照组（C组），所有前交叉韧带断裂者均为单侧断裂，对侧膝关节为正常的未伤状态。三组受试者的年龄、性别、身高、体重等条件相互匹配，ACL、ACL+M两组的前交叉韧带损伤时间也相互匹配。本研究得到北京大学第三医院伦理委员会批准。受试者了解研究目的和风险后，签署知情同意书，所有受试者的步态测试均在进行重建术前1天完成。所有受试者均无其他关节和韧带的损伤，也无其他影响运动能力的疾病。ACL组和ACL+M组受试者的选取均首先根据临床专家术前核磁检查的审查结果（图1），并结合临床手术记录，以确保受试者符合纳入标准。

表1 受试者基本情况

图1 核磁检查结果（左图为前交叉韧带断裂；右图为内侧半月板损伤）

1.2 数据采集

测试人员向受试者介绍实验目的及测试流程，要求受试者换上测试所用服装。根据Helen Hayes模型在受试者身体上共粘贴29个反光标志点（图2），包括头顶点、头前点、头后点、左右肩峰、左右肱骨外上髁、左右腕点（尺骨茎突和桡骨茎突之间）、右侧肩胛骨下角、髂后上棘中点、左右大腿前侧、左右股骨外上髁、左右股骨内侧髁、左右胫骨粗隆、左右腓骨外踝、左右胫骨内踝、左右足跟和左右第2、3跖趾关节中点。

应用8摄像头红外高速运动捕捉系统（Vicon，Nex⁃us，T40）采集运动学参数，采集频率为100 Hz。应用2块三维测力台（AMTI，BP400600）采集动力学参数，采集频率为1000 Hz。

让受试者以自己最舒适的速度赤脚步行几次，以适应嵌有测力台的走道和身上固定的反光标志点。待受试者适应之后，在步行起始点的地方做好标记，以后每次都从此标记处开始步行，以避免反复调整步伐。为了避免受试者刻意注视测力台，告知受试者在步行时视线向前。

图2 受试者体表标志点位置及数据采集场景

1.3 数据处理

本研究分析受试者某一侧足跟接触第1块测力台到同侧足跟再次着地所经历的一个步态周期。以健侧为例，一个完整步态周期依次经历了健侧脚着地、患侧脚离地、患侧脚着地、健侧脚离地、健侧脚着地5个动作时刻，整个步态周期可由这5个动作时刻依次划分为第1双支撑、单支撑、第2双支撑和摆动4个阶段。从足跟接触第1块测力台到该足跟再次着地过程中足跟在前后方向上的水平距离为跨步长，取跨步长和身高（BH）的百分比进行标准化处理。左、右足跟在左右方向上的水平距离为步宽。取双支撑期占整个步态周期的百分比进行双支撑期标准化处理。

应用Visual 3D软件（C-Motion）对数据进行处理和计算。应用Butterworth低通数字滤波方法对原始坐标数据进行平滑，平滑截断频率为10 Hz。应用粘贴在小腿和大腿上的标志点坐标建立小腿和大腿环节坐标系。计算小腿坐标系相对于大腿坐标系分别绕x、y、z轴先后转动的卡尔丹角，获得膝关节屈伸、内收外展和内外旋的角度。采用逆动力学方法计算膝关节的三维净力矩。力矩标准化为体重与身高乘积的倍数（单位为BW×BH）。地面反作用力标准化为受试者体重的倍数（单位为BW）。本文结果中所呈现的膝关节力矩均为内源性力矩。

1.4 统计分析

应用单因素方差分析方法分析受伤情况对步态周期、第2双支撑期所占步态周期百分比、跨步长、步宽等参数的影响，后续检验方法为最小显著差法（Leastsignificant difference，LSD）；将健康组的优势腿和非优势腿分别与受伤组的健侧腿和患侧腿相匹配[21]，用混合设计双因素方差分析方法分析组别和健患侧对膝关节三维角度和三维力矩的影响，用LSD作为后续检验方法。若双因素方差分析方法显示组别和健患侧两因素有交互效应，则对组别和健患侧分别用单因素方差分析方法和配对t检验进行检验。显著性标准定为P＜0.05，所有数据均用SPSS16.0统计分析软件进行分析。

2 结果

单因素方差分析结果表明，步行时的步态周期、第2双支撑期所占步态周期百分比、跨步长和步宽在三组受试者间无显著差异（P＞0.05，表2）。双因素方差分析结果显示，损伤情况和损伤侧对单支撑期没有交互效应（P=0.854），损伤情况对单支撑期时间没有影响（P=0.301），但健侧的单支撑期时间比患侧长（P=0.014）。

双因素方差分析结果表明，除屈膝峰值和屈伸活动范围外，损伤情况和损伤侧两个因素对整个步态过程中的膝关节三维角度最小值、峰值、屈伸活动范围的影响均无统计学意义（P＞0.05）。损伤侧对屈膝峰值无影响（P=0.058），损伤情况对屈膝峰值有影响（P=0.007，表3）。后续检验结果显示：ACL+M组和C组的屈膝峰值均大于ACL组（P=0.001，P=0.001），但ACL+M组和C组间无显著差异（P=0.847）。健侧膝关节屈伸活动范围大于患侧（P=0.006），而损伤情况对膝关节屈伸活动范围没有显著影响（P=0.294）。

表2 基本步态参数比较

本研究结果表明，损伤情况和损伤侧别对屈膝力矩峰值无显著影响（P=0.618，P=0.068）。健侧伸膝力矩峰值显著大于患侧（P=0.001），而不同损伤情况之间的伸膝力矩峰值无显著差异（P=0.553）。不同损伤情况之间的内收力矩峰值没有显著差异（P=0.381），健侧内收力矩峰值大于患侧（P=0.036，表4）。健侧外展力矩峰值大于患侧（P＜0.001），且损伤情况对外展力矩峰值有显著影响（P=0.035），ACL+M组的外展力矩峰值大于ACL组和C组（P=0.045，P=0.014），ACL组和C组之间的外展力矩峰值无显著差异（P=0.616）。

损伤情况和损伤侧别两个因素对内旋力矩峰值和外旋力矩峰值均存在交互影响（P=0.024，P=0.002），ACL+M组和C组的健侧膝内旋力矩峰值均大于患侧（P=0.011，P＜0.001），ACL组的健患侧膝内旋力矩峰值无显著差异（P=0.100）。损伤情况对患侧膝内旋力矩峰值无显著影响（P=0.327）。ACL组和ACL+M组的健患侧膝外旋力矩峰值无显著差异（P=0.860，P=0.357），C组匹配健侧膝外旋力矩峰值小于匹配患侧（P＜0.001），损伤情况对患侧膝关节外旋力矩峰值无影响（P=0.086），但ACL+M组健侧膝外旋力矩峰值大于C组（P=0.004）。

表3 膝关节3个平面内的角度峰值及其关节活动范围

表4 膝关节3个方向的力矩峰值

损伤情况和损伤侧别两个因素对地面反作用力指标均无交互影响（P＞0.05），健侧的垂直地面反作用力第1峰值和水平向后地面反作用力峰值显著大于患侧（P=0.001，P＜0.001），向前地面反作用力峰值在两侧下肢间无显著性差异（P=0.445）。损伤情况对垂直地面反作用力第1峰值和向后地面反作用力无显著影响（P=0.818，表5）。损伤情况和损伤侧别两个因素对向前地面反作用力无交互效应（P=0.534），且二者对向前地面反作用力最大值均无显著影响（P=0.627，P=0.998）。

表5 地面反作用力（BW）

3 讨论

本研究发现ACL+M组和C组的屈膝峰值均大于ACL组，这与Rudolph等[22]的研究结果（ACL断裂者屈曲角度比健康者小）有一定的一致性。较小的屈膝角度可能意味着关节的僵硬程度较大，从而增加关节内的压力和剪切力，引发关节软骨退化[22]，导致早期KOA的发生。有研究发现患有严重KOA的患者屈膝角度峰值和屈伸活动范围均小于健康人[23]。膝关节矢状面运动特征的改变会使关节负荷移到不常受力的软骨区域。ACL断裂后使之前应受力的软骨区域得不到受力，而使不常负重的区域承受较大的关节负荷是ACL断裂后发生KOA的一个重要诱因[8]。较大的屈伸活动范围使得承受负荷的软骨区域增大，可以更多地使原有承受负荷的软骨区域负重，进而更加接近正常的受力模式，因此增大屈膝角度、改善较小的膝关节屈伸活动范围对预防KOA可能会有益处。另外，膝关节屈曲角度增加可以为腘绳肌对抗胫骨内旋以稳定膝关节创造更好的条件，而且可以减少股四头肌的剪切力[24]。ACL断裂后，半月板是稳定膝关节的重要结构，合并半月板损伤者的屈膝峰值角度比单纯ACL断裂者大，有可能是因为半月板损伤后需要更大的屈膝角度以便腘绳肌帮助稳定膝关节。单纯ACL断裂者在运动过程中主动增加屈膝角度更好地稳定膝关节以减小半月板所受负荷，此动作模式的改变有可能延缓或避免ACL断裂后继发半月板损伤。

本研究结果显示，整个支撑期的健侧伸膝力矩峰值均大于患侧。Ferber等[25]也发现单侧ACL断裂患者的健侧产生更大的伸膝力矩。伸膝内力矩可以反映股四头肌功能状态[9]，伸膝内力矩降低可能与股四头肌肌力降低有关，等速肌力测试结果表明无论是在离心收缩还是向心收缩模式下，ACL断裂者的健侧股四头肌力矩均比患侧大[26]。ACL断裂后，患者走路时会加强腘绳肌的收缩以便胫骨后移，或者减弱股四头肌收缩以避免胫骨过度前移[27]。ACL断裂患者胫股接触位置的改变是膝关节发生退行性变的因素之一[28]，胫骨相对股骨偏移正常位置的程度随着伸膝内力矩的增加而增加，着地时伸膝内力矩的降低是股四头肌活动降低、腘绳肌活动增强的结果[29]。从解剖学观点来看，着地时（膝关节几乎完全伸直时）腘绳肌由于被动不足并没有表现出有效的ACL协同作用[30]。而在着地初期股四头肌的收缩会产生前抽屉效应（胫骨前移），因此股四头肌收缩的减弱可能是伸膝力矩减小的主要因素。

ACL+M组膝关节外展净力矩大于ACL组和C组，即ACL+M组所受外源性膝内收力矩较大。人在正常行走时受到地面反作用力的外力作用，此外力作用于膝关节表现为内收力矩（即外力矩），人体自身的组织（肌肉、韧带和骨骼等）产生大小相等、方向相反的力矩来对抗地面反作用力产生的外力矩以使身体保持正常姿态，因此本研究中ACL+M组患者产生较大的膝外展力矩即表明膝关节的外源性内收力矩较大。在负重过程中，功能状态良好的半月板会随着屈膝动作而产生前后方向和左右方向的移动，且半月板厚度会随之发生变化[31]。在屈膝过程中半月板的运动不仅可以更大程度地与关节软骨表面保持一致以避免软骨受伤，还可以有效缓冲负重过程中地面对膝关节的冲击力。而半月板损伤的患者在负重过程中异常的运动模式不能使半月板表现出上述应有的功能，可能因此使合并半月板损伤的ACL患者受到较大的膝内收力矩。研究表明膝关节的外源性内收力矩越大，患KOA的风险越高[32]。本研究结果表明半月板损伤会增大发生KOA的风险，受损半月板的修复可能是有效预防KOA的重要因素之一。膝关节伸直和外展力矩改变的结合也可能会将应力从经常受力的软骨区域转移到不常受力的区域，进而导致KOA的发生[33]。

关于ACL断裂患者内外旋运动特征的研究还很少，且研究结果也不一致，目前还未形成ACL断裂患者步行过程中内外旋活动特征的统一认识。在本研究中，膝关节的旋转程度无论是在ACL断裂患者健患侧之间，还是在ACL断裂患者与健康者之间均无差异。这一结果与Czerniecki等[34]的研究结果一致，Czerniecki认为这可能是由于ACL断裂的膝关节可能并不存在旋转不稳定特征。而Zhang等[35]发现ACL断裂的膝关节在步行过程中表现出了更大的外旋、更小的内旋，Zhang认为这样的现象可能是由于ACL断裂患者在步行过程中为了防止胫骨过度内旋而使膝关节处于更多的外旋位置。本研究中整个支撑期中ACL+M组的膝外旋力矩峰值大于C组，而ACL组与C组之间并无差异。半月板是稳定膝关节的重要结构之一，合并半月板损伤者的膝关节稳定性比单纯ACL断裂患者差，因此ACL+M组与C组之间的差异较大。膝关节旋转力矩的改变会使正常状态时不受力的区域承受过度应力[36]，旋转应力的改变是增加KOA发生的重要因素[37]。

本研究中健侧的垂直地面反作用力第1峰值和水平向后地面反作用力峰值均比患侧大。有研究表明ACL断裂者的患侧足跟区域所受压强显著小于健侧[38]，在一定程度上支持了本研究。垂直地面反作用力第一峰值代表着地时的冲击力，水平向后地面反作用力是制动力。健侧长时间以较大的力着地会对膝关节造成冲击，可能会引起膝疼痛等问题，患者应注意步行时尽量保持用力均匀，保护患腿的同时也要避免健腿出现其他方面的损伤。患腿用于制动的力更小，可能是患者由于心理原因有意识地减轻患腿的用力程度。且本研究中健侧单支撑期时间比患侧长，应用足底压力测量系统的研究也同样认为ACL断裂者健侧的足-地支撑阶段以及全足支撑阶段均大于患侧[39]。以上这些指标的变化可以理解为ACL断裂者的保护策略。健患侧用力不均衡改变了下肢受力模式，长期持续这种不对称的受力模式可能会加大发生KOA的风险。

4 结论

ACL断裂患者健侧受到的地面反作用力大于患侧，这种受力不均衡改变了下肢受力模式，长期持续可能会加大健侧发生KOA的概率。与单纯ACL断裂患者相比，合并半月板损伤的ACL断裂患者产生较大的内源性膝外展力矩，可能是发生膝骨关节炎的危险因素。这可能增加患KOA的风险。后期的研究可以进一步针对单纯ACL断裂患者和ACL合并半月板损伤者制定相应的评定和康复方案，探究不同康复方案降低KOA的有效性。