膝关节前交叉韧带损伤的生物力学机制研究进展

刘海涛

(河南大学体育学院，河南 开封 475001)

前交叉韧带(ACL)位于膝关节内，连接股骨与胫骨，具有限制胫骨的前移的作用，并且在完成技术性较强的下肢动作时辅助维持膝关节的稳定。ACL损伤是膝关节运动损伤的常见现象。该损伤发生后，患者的运动能力下降，生活幸福感降低[1]。生物力学是研究人体运动现象和规律的学科，它融合了力学原理与生理学和医学的知识体系，从而更好地解释阐述生命健康方面的科学问题，生物力学在ACL损伤研究中应用极为广泛。因此，本文在阅读国内外相关文献基础上对导致ACL损伤的生物力学因素进行综述，希望对预防和治疗ACL损伤提供帮助。

一、胫骨近端向前的剪切力与ACL损伤

有学者通过尸体标本的膝关节研究发现，虽然膝关节内外翻与内外旋力矩对ACL损伤有一定影响，但是ACL前、中束张力大小在很大程度上取决于胫骨近端向前的剪切力。当对胫骨近端加以向前的剪切力时，ACL受到的载荷会增大。只有当胫骨近端受到向前的剪切力时，膝关节内外翻与内外旋力矩才会增大ACL的载荷。当胫骨近端剪切力向前时ACL承受载荷，此时，髌腱作用力是影响ACL载荷的主要因素。还有研究[2]具有相同的发现，他们认为胫骨近端向前的剪切力改变会影响膝关节的内外翻与内旋力矩，从而增加ACL载荷。

由此可知，胫骨近端向前的剪切力增大会增加ACL的受力载荷，是导致ACL损伤的一个因素。

二、膝关节屈曲角度与ACL损伤

研究篮球的急停起跳动作发现，着地时膝关节屈伸角度与ACL受到的载荷有关[3]。有研究报道闭链练习时膝关节屈曲角度减小会增加ACL载荷。如果其他条件不变，膝屈曲角度越小，ACL载荷越大；着地时增加膝屈曲角度对减小ACL损伤非常重要。有研究表明[3]，与普通人群男性相比，女性初始触地时刻有较小的膝屈曲角度，着地阶段有较小的最大膝屈曲角度。对业余运动员的研究也发现女性业余运动员在急停纵跳着地阶段减小了膝屈曲角度。这与前人报道女性运动员比男性发生ACL损伤概率更大相一致。一项为期13年的研究表明，女子足球和篮球运动员ACL损伤率高于男子运动员，更有甚者发现女子篮球运动员ACL损伤率是男性的1.6倍。

综上所述，在运动过程中当膝关节的屈曲角度减小时，ACL受到的载荷将增加。在跳跃动作中，膝关节屈曲角度减小可能是ACL致伤的一个因素。

三、地面反作用力与ACL损伤

众多文献表明着地时较大的冲击力可能是膝关节损伤的一个危险因素，特别是ACL损伤。一项研究表明，膝关节在跳跃动作中受到外展力矩易造成ACL损伤，而膝关节外展力矩的产生正是由于向外的地面反作用力。也有研究发现着地阶段的地面反作用力峰值与膝关节ACL受到载荷峰值出现的时间相一致[3]。还有报告指出那些容易发生ACL损伤的高风险人群在业余活动中往往具有较大的地面反作用力。这是因为较大的地面反作用力，需要更大的股四头肌收缩力提供，因而导致ACL所承受的载荷增大。

由此可知，地面反作用力增大可能是导致ACL损伤的另一个因素。

四、下肢矢状面生物力学与ACL损伤

下肢矢状面生物力学显著影响ACL载荷。有学者测量了伸膝练习时活体ACL张力，发现ACL张力与膝伸力矩正相关。因为髌腱的收缩力来自股四头肌，而股四头肌是主要的伸膝肌群。有研究发现平路行走时ACL载荷峰值出现的时刻与股四头肌力峰值、胫骨近端向前的剪切力峰值一致，均发生在初始着地之后，膝屈曲较小时。还有研究者测量了跳跃着地时活体ACL张力，发现ACL张力在初始着地后开始增加，ACL张力峰值出现时刻与膝屈曲角度最小时刻和地面反作用力峰值出现时刻相一致。也有文献认为下肢矢状面内、外的生物力学因素可能对ACL损伤起共同作用，也可能是下肢矢状面内的生物力学因素单独起作用[2]。

由此可知，地面水平向后和垂直地面反作用力峰值、胫骨近端向前的剪切力峰值、膝伸力矩峰值等矢状面下肢生物力学参数基本同时出现。提示下肢矢状面生物力学在ACL损伤机制方面充当重要角色。

五、小结

综合前人研究，可以发现胫骨近端向前剪切力和地面反作用力增大，以及膝关节屈曲角减小均会增加前交叉韧带的载荷。而下肢矢状面生物力学参数改变会导致前交叉韧带损伤发生率增大。

[1]Grover M.Evaluating acutely injured patients for internal derangement of the knee[J].Am Fam Physician，2012，85(3)：247-52.

[2]刘卉，苏玉林，于冰.非接触性前交叉韧带损伤特点及机制的研究进展[J].医用生物力学，2008(03).

[3]Yu B，Lin CF，Garrett WE.Lower extremity biomechanics during the landing of a stop-jump task[J].Clin Biomech(Bristol，Avon)，2006，21(3)：297-305.