前交叉韧带损伤并发或不并发髌股关节软骨损伤等速角度力矩曲线的差异

广东省人民医院（广东省医学科学院），广东广州市 510080

前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)损伤[1-3]及重建术后[4]，半月板和软骨损伤及术后[5]常发生肌力下降。2018 年膝关节疼痛和运动障碍(半月板和软骨损伤)证据指南[5]推荐，半月板撕裂和关节软骨病变的患者在基线和出院时或其他1 个随访点进行股四头肌最大的主动等长或等速力量测试。等速肌力测试有助于评估患者膝关节的状态以及ACL重建术后康复的进展[6]，最常用的指标是由膝关节伸肌和屈肌肌群获得的峰力矩[7]。

近年来很多定量分析技术可用来研究等速力矩曲线的特征，如统计参数描记法[8]、小波分析法[6]、主成分分析法[9]和算术平均数[10]等。这些方法能更详细比较不同屈曲角度力矩以及屈伸比的细节变化，减少信息丢失[11-12]。之前的研究未考虑多结构损伤对等速曲线的影响，只有Iacono 等[13]的等速曲线定性分析考虑了ACL损伤并发半月板损伤的因素，但未考虑已知的髌股关节软骨损伤对力矩曲线的影响[14]。目前尚未发现研究ACL并发软骨损伤对等速角度力矩影响的相关文献。

本研究通过比较不同速度下ACL损伤并发或不并发髌股软骨损伤患者的等速角度力矩曲线差异，探讨ACL并发髌股软骨损伤的角度力矩曲线特征，改进等速数据定量分析，为临床康复治疗方案提供初步研究依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾分析2018 年9 月至2019 年9 月行膝关节镜探查并在术前行等速肌力测试的患者，选取年龄、性别、半月板损伤相匹配的ACL损伤并发和不并发髌股关节软骨损伤的患者各17例。

纳入标准：①18～55 岁，男女不限；②体质量指数18～30 kg/cm2；③既往患膝无手术史；④不伴有侧副韧带或者后交叉韧带损伤；⑤不伴有血管神经损伤；⑥无关节粘连，主被动关节活动度>110°；⑦骨骺发育成熟，下肢力线正常(内翻或外翻<5˚)。

排除标准：①急性期，有明显肿胀；②并发除ACL损伤外的多条韧带损伤或下肢骨折；③并发其他影响力量的疾病，如神经损伤或者病变；④过去6 个月内接受过膝关节手术；⑤患有自身免疫性疾病或其他疾病引起骨关节炎或软骨损伤；⑥严重的关节强直或纤维化；⑦对侧膝关节存在肌肉骨骼损伤；⑧不能按要求完成评估；⑨并发心脑血管、肝、肾、内分泌和造血系统严重原发性疾病，研究者认为不宜入选，如有或有发生高血压的风险，颈动脉和冠状动脉疾病；⑩情绪及精神异常。

两组性别、年龄、身高、体质量、病程、半月板损伤无显著性差异(P>0.05)。见表1。

本研究已经获得广东省人民医院(广东省医学科学院)伦理委员会批准〔No.粤医科伦理2019639 H(R1)〕。

1.2 方法

分别进行膝关节健、患侧等速和等长的屈伸测试。

1.2.1 等速测试

采用ISOMED 2000 等速肌力测试训练系统(德国)。患者取舒适端坐位，屈髋屈膝，膝关节处于中立位置，并以皮带固定好下肢各个关节。先健侧，再患侧，测试前热身5 min。先在180°/s角速度下行最大努力屈伸测试10 次，再在60°/s 角速度下行最大努力屈伸测试5次，组间休息1 min。

表1 两组一般资料比较

角度力矩曲线的数据处理：原始数据是以5 ms的时间单位进行力矩输出，根据之前等速曲线分析的研究[8]，速度<150°/s(180°/s 测试时)或者<50°/s(60°/s 测试时)时，记为数值缺失，通过两点插值方法对角度缺失数据进行填充，计算出1°递增的平均力矩结果。所有力矩数据进行标准化计算(力矩/体质量)。

1.2.2 等长测试

参考Czamara 等[15]的方案，采用等长测试模块进行等长屈伸测试。屈膝等长测试：膝关节在30°位(0°为伸直位)进行两次最大用力屈膝。伸膝等长测试：膝关节在70°位，进行两次最大用力伸膝。每次收缩维持6 s，最大力矩一组用于数据分析。所有力矩数据进行标准化计算(力矩/体质量)。

1.2.3 膝关节镜探查术

常规建立前内前外入路，刨刀清理视野，观察髌股软骨、滑车、股骨内外侧髁软骨、胫骨平台软骨，及内、外侧半月板，前后交叉韧带走行。软骨损伤分级采用国际软骨修复协会(International Cartilage Re-pair Society,ICRS)分级：0 级，正常；1～2 级，损失不超过50%；3 级，损伤超过50%；4 级，损伤至软骨下骨。

1.3 统计学分析

采用SPSS 19.0 进行统计学分析。计量资料符合正态分布，采用()表示，采用独立样本t检验比较组间每1°递增力矩差异。计数资料组间比较采用χ2检验。显著性水平α=0.05。

2 结果

2.1 等速肌力

180°/s 下，两组间健侧和患侧屈膝力矩比较均无显著性差异(P>0.05)。见图1。两组间健侧伸膝力矩比较无显著性差异(P> 0.05)，患侧伸膝力矩在88°～90°有显著性差异(P< 0.05)，余角度均无显著性差异(P>0.05)。见图2。

60°/s 下，两组间健侧屈膝力矩在62°～82°有显著性差异(P< 0.05)，余角度均无显著性差异(P> 0.05)；两组间患侧屈膝力矩比较无显著性差异(P>0.05)。见图3。两组间健侧和患侧伸膝力矩比较均无显著性差异(P>0.05)，但无软骨损伤的伸膝力矩有高于髌股软骨损伤的趋势。见图4。

视觉分析：在180°/s 屈伸力矩曲线的起始阶段都会出现一个曲线变化，而60°/s 呈倒“U”形的平滑曲线。

图1 两组180°/s屈膝力矩曲线比较

2.2 等长肌力

髌股软骨损伤组患侧等长伸膝力矩小于无髌股软骨损伤组(P< 0.05)。两组间患侧等长屈膝及健侧屈、伸力矩比较无显著性差异(P>0.05)。见表2。

表2 两组等长屈伸力矩比较(0.1 N·m/kg)

图2 两组180°/s伸膝力矩曲线比较

图3 两组60°/s屈膝力矩曲线比较

图4 两组60°/s伸膝力矩曲线比较

3 讨论

等速力矩曲线异常是指局部峰力矩大量背离正常情况，小或大的光滑曲线中断，力量产生或者力量下降时出现曲线凹陷或者抖动，力量增加之后突然减少，斜率方向快速改变，双峰曲线，中部关节活动度出现平台等[13]。Anderson 等[14]采用视觉分析方法对髌股疼痛综合征患者的定性分析发现，曲线异常(30°/s)的阳性预测值为70%，阴性预测值为15%。Ayalon等[16]对ACL术后患者进行两次测试，通过两名检查者区分等速曲线特性的定性分析(60°/s)，发现等速力矩曲线定性分析是一种有效评估工具。Ikeda 等[17]发现，ACL 损伤的患者向心收缩时快速下降曲线特征明显，离心收缩时凹陷的特征明显(30°/s)。Dauty等[18]对篮球运动员的跳跃特征进行定性分析，发现43例有“跳跃膝”历史记录，其中35 例表现为“驼峰”曲线(60°/s)，该曲线的敏感性和特异性分别为81.3%和100%。以上研究的结论都来源于低速测试(< 60°/s)，对高速(180°/s以上)曲线特征并无描述。

Afzali 等[19]采用多项式回归分析的方法处理归一化及平均化后的力矩曲线，来区分正常曲线和ACL损伤的异常曲线，发现患者组健侧与志愿者的股四头肌力矩曲线特征在60°/s角速度下相同，而在180°/s角速度下不相同；明确了正常的60°/s 等速力矩曲线呈倒“U”形，而180°/s的曲线特征不明确。该研究与本研究结果相似。本研究还发现，在180°/s 等速力矩曲线的起始阶段会出现一个快速变化的曲线，并不成倒“U”。在180°/s角速度测试时患侧伸膝力矩曲线在88°～90°差异显著，这是由等速肌力测试设备及算法的缺点导致。在等速测试中由于杠杆臂的加速和减速而在初始和结束关节活动度处影响力矩值的计算[7,20-21]，这部分的数据通常是通过算法来弥补，最简单的算法是两点插值法。在6°～84°(60°/s)和20°～70°(180°/s)之间获得的力矩数据更可靠[9]，所以本试验所有屈伸膝末端的结果都不在研究范围中。

有文献报道[14]，在30°/s等速测试中，所有髌股关节疼痛综合征患者的测试结果存在角度力矩曲线异常；随后的关节镜检查发现16例髌股关节疼痛综合征患者中，14 例有髌股和/或髌股关节软骨表面病变。本研究也发现，ACL损伤并发髌股软骨损伤较不并发髌股软骨损伤患者的等长伸膝力量更差，60°/s伸膝力量有较差的趋势，而180°/s 伸膝力量无显著差异，即速度越低力量差距越显著，与以上研究结果相似。Anderson 等[14]研究发现，80%髌股关节疼痛患者30°/s的曲线异常，但未报道软骨损伤情况。之前有研究认为[14]，等速力矩曲线异常与股四头肌抑制有关。本研究推断不同速度股四头肌力矩差异可能是一种中枢驱动的保护策略。健康个体运动速度越低，肌肉募集越多，对关节的压力就越大。在软骨损伤患者中，通过降低股四头肌收缩水平来减少关节反作用力，减少对周围神经、下方关节囊和滑膜以及髌股关节的关节软骨的压力水平，从而减轻疼痛。对于髌股软骨损伤的患者高速运动可能导致更少的股四头肌抑制，达到更好的训练效果。同时本研究发现，60°/s 下，62°～82°健侧屈膝末端力量更好，这可能是屈膝伸膝转换过程中，髌股软骨损伤组更倾向充分屈膝来增加髌股关节接触区域，将减小的关节反作用力分布在更大的表面区域上。但由于髌股软骨本身结构性的损伤，患侧力矩曲线不能表现出差异，而健侧受到中枢驱动的影响，表现在屈膝末端力量更好。未来应该更详细研究中枢驱动对膝关节损伤的等速力矩曲线异常的作用机制。

综上所述，本研究发现，180°/s 等速力矩曲线的起始阶段会出现一个曲线变化，而60°/s 的曲线是倒“U”的平滑曲线；ACL 损伤并发髌股软骨损伤较不并发髌股软骨损伤患者的等速运动速度越低，力量差异越显著；并发髌股软骨损伤的ACL损伤患者训练力量时建议采用高速运动。本研究还存在不足之处：①样本量较少，半月板和软骨并发损伤病例较多，单纯软骨损伤并发ACL损伤的患者较少；同时由于损伤的病程较长，继发软骨损伤还是外伤导致的软骨损伤也无法明确，可能对研究结果带来影响；②健侧肢体的损伤情况未经过磁共振检查或者关节镜探查，可能导致结果出现偏差；③等速测试中最大用力程度目前无标准判断，可能导致结果出现偏差。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。