前交叉韧带损伤后不同坡度膝关节三维步态分析的研究

周稳

【摘要】 目的：利用三维动作分析系统对前交叉韧带（Anterior Cruciate Ligament，ACL）损伤后对膝关节的前向稳定性及旋转稳定性的进行比较。方法：采用Opti_Knee膝关节三维运动分析系统，对膝关节前交叉韧带损伤后16名患者进行步态数据采集，测量0°和15°上下坡度的步态数据，膝关节前后位移距离、内外旋转角度、内外翻转角度。结果：采集ACL损伤后上坡和下坡在步态周期中的运动学数据参数，15°下坡前移距离及内旋、内翻角度均要比15°上坡明顯增加。结论：通过运动学数据分析说明ACL损伤后患者在下坡时对膝关节的稳定性损伤更大，希望给那些选择不做ACL重建患者提供有效的帮助。

【关键词】ACL损伤 上下坡度 步态分析

【中图分类号】R473.6 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949（2015）02-0140-02

随着全民健身的普及，ACL的损伤发生率普遍增高，ACL损伤后膝关节运动学和运动力学将改变，关节的稳定性也会发生改变。前交叉韧带的作用是保持膝关节前向稳定及旋转稳定，ACL的损伤必定会引起膝关节的不稳定，为了更好地了解 ACL 在限制胫骨位移及旋转稳定性中的作用及其损伤后对膝关节稳定性的影响，本文通过三维步态运动分析系统观察ACL损伤后膝关节运动学及运动力学的参数变化，监测数据对患者进行步态分析，了解ACL损伤后功能活动水平，针对性的预防在日常生活中某些运动或者某项运动。

1 对象和方法

实验对象：

本研究选取2013年11月—2014年7月期间国家体育总局运动医学研究所体育医院运动创伤科的16名住院病人。病程时间范围0.3～24个月，年龄19～36岁，平均27岁，身高160～182cm，平均171.1cm ，体重52～85k g，平均69kg。纳入标准：全部都按照膝关节ACL损伤的诊断标准[1-3]，通过磁共振MRI和体格检查前抽屉实验、Lachman实验、轴移实验均为阳性的；确认为单侧ACL损伤，排除对骨和关节有影响的全身性疾病并无半月板损伤、内侧副韧带、外侧副韧带、后交叉韧带等其他伴随症状。

实验方法：

本研究使用Opti_Knee膝关节三维运动分析系统，测试仪器由一台采样频率为120Hz、Polygon和Bodybuilder数据处理软件、六方位高速红外摄像机、十字形反光球钢体及Inred的 F5运动平板组成。

首先调整红外线摄像头焦距，拍摄镜头高度150cm，运动平台与步态分析系统主机上红外线摄像头间距2m，测试中患者下身穿紧身运动短裤，以保证标志点在运动中的位置，防止衣服对反观点的遮挡。三维步态分析标记点定位：选取大腿中下段和小腿中上段黏贴固定十字形反光球钢体，取股骨大转子、股骨内外侧髁、内外侧胫骨平台、内外踝尖、腓骨小头、胫骨结节、地面任意三点的12个定标点。测试在运动平板行走区域均在红外线摄像头采集区，嘱患者在恒定速度为3.0km/h的运动平板上分别进行0°和15°上下坡度的行走，并采集自然放松状况下15s的步态数据。

测试指标：

观测的运动学及运动力学参数：膝关节运动平板0°和15°上下坡度中相对胫骨前后位移距离，内外旋转角度，内外翻转角度。行走过程中姿态稳定的连续15s测量计算各参数的平均值及标准偏差。进行系统分析上下坡度各指标相对平路行走步态变化的百分比，位移距离百分值M=（M上坡-M平路）/M平路、旋转角度百分值N=（N上坡-N平路）/N平路、翻转角度百分值U=（U上坡-U平路）/U平路。

2 结果

位移结果 ACL损伤后在不同坡度中的前后位移距离见表1

3 讨论

ACL损伤后在行走的过程中会出现细微的步态改变，有研究表明，人在赤足的情况下行走时，女性和男性在膝关节运动力学中几乎是相当，假如女性穿高跟鞋行走时会出现膝关节运动力学的改变，这一现象被认为是引起膝关节OA产生的原因，由此可以看出OA病人中女性比男性要多[4、5]。运用三维步态分析可以了解膝关节的运动力学变化，尤其是在上下坡时，膝关节运动力学的改变。上下坡时比水平行走胫骨前移距离、内旋及内翻角度均增加。

有研究文献表明[6] ，在上楼和下楼对关节施加的力要高于水平行走。在Berchuck[7] 等研究报道中提出了一个理论，ACL损伤后出现了“股四头肌逃避步态” （ quadriceps avoidance gait）步态改变的理论。Gao等[8] 曾经报道过在ACL损伤患者上台阶时伸膝减少，ACL损伤后膝关节出现屈膝外力矩明显降低相对于对侧膝关节，降低股四头肌的活动导致胫骨前移，引起膝关节特异性变化。而在下台阶时，由于自身重力，股四头肌的活动降低胫骨前移更明显。在ACL损伤后会降低股四头肌的收缩作用从而加大胫骨的前移。ACL损伤后，防止膝关节旋转的作用消失或者减小，导致旋转不稳定，患者行走过程中膝关节内外旋角度就会增大。有研究文献认为[9、10]， ACL损伤后胫骨的旋转角度会有不同程度的增大，以胫骨内旋增大为主，因为在行走时胫骨相对前移增加，伸膝力矩有所减小，为了使产生的伸膝力矩相对正常，肌肉活动增加，从而导致胫骨内旋。步态变化后，膝关节角度在运动力学变化较大，而在步行的整个步态周期中膝关节承载较大，膝关节屈曲角度变化，坡度的变化会使膝关节出现内外旋和内外翻转角度的变化[11] 。本研究通过运动学数据分析也验证了在下坡时内旋级内翻角度要比上坡大。运动变化的改变将导致关节软骨载荷分布不均，从而使膝关节组织加速退化，导致膝关节内旋及内翻增加。

有研究报道美国每年ACL损伤大概有几十万人，只有80%的人会选择做ACL重建手术，另外20%的人认为不需要治疗，只要避免某个动作或者某项运动就可以。本研究希望给那些选择不做ACL重建患者提供有效的帮助。

参考文献

[1] B？this H， Perlick L， Tingart M， et al. Alignment in total knee arthroplasty. A comparison of computer-assisted surgery with the conventional technique. J Bone Joint Surg Br. 2004；86（5）：682.

[2]Aglietti P， Buzzi R， Giron F， et al. Arthroscopic-assisted anterior cruciate ligament reconstruction with the centralthird patellar tendon： a 5-8-year follow-up. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 1997；5：138-144.

[3]Aglietti P， Buzzi R， Menchetti PM， et al. Arthroscopically assisted semitendinosus and gracilis tendon graft in reconstruction for acute anterior cruciate ligament injuries in athletes. Am J Sports Med. 1996；24：726-731.

[4]Kerrigan D c，Ri1ey P 0，Nieto T J， et al. Knee joint torques：A comparison between women and men during barefoot w a1king [J]. A rch Pehabil，2000， 81；1162-1165.

[5]Kerrigan D c，Todd M K，Riley P 0.Knee osteoarthritis and high—heeled shoes [J].Lanct，1998，351：1399-1401.

[6]Kutzner， I.， Heinlein， B.， Graichen， F.， Bender， A.， Rohlmann， A.， Halder， A.， et al. （2010）. Loading of the knee joint during activities of daily living measured in vivo in five subjects. Journal of Biomechanics， 43， 2164–2173.

[7]Berchuck M， Andriacchi TP， Bach BR， et al. Gait adaptations by patients who have a deficient anterior cruciate ligament. J Bone Joint Surg Am， 1990， 72（6）：871-877.

[8]郝智秀，周吉彬，金德聞，等. 不同足地界面对人体三维步态影响的研究[J].清华大学学报 （自然科学版） ，2006，46 （8 ）：1388-1392.