前交叉韧带重建术后健患侧肢体生物力学对称性研究进展

邬俊夫，朱伟民

前交叉韧带（anterior cruciate ligament,ACL）损伤是人体最常见的运动损伤之一[1]。ACL 具有限制胫骨前移、内旋从而稳定膝关节的功能，是膝关节重要的静力稳定结构。ACL 损伤后无法自然愈合，关节镜下重建ACL成为临床上首选方案。研究表明患者韧带移植物和对侧健康ACL的二次损伤率达10%以上[2]，重建术10～20 年内膝骨关节炎的发生率高于50%[3]。前交叉韧带重建术（anterior cruciate ligament reconstruction,ACLR）旨在恢复膝关节的稳定性和功能，术后中短期内膝关节功能部分改善，但不能完全恢复到正常水平[4]，这可能是由于膝关节运动学及生物力学尚未完全恢复。另一方面，随着患者患肢逐渐康复，患肢与对侧健康肢体在运动学及动力学上相互影响，有研究表明ACLR后1年步态依然存在不对称现象[5,6]。

目前ACL 重建方法有许多种，其中临床上应用较多的主要有单束解剖重建和类等长重建这两种ACL 手术重建方法。从生物力学的角度分析，类等长重建中ACL各纤维束在膝关节运动中交替处于紧张、松弛的状态，作为一个整体来保持恒定的张力，从而保证在膝关节所有屈伸角度的稳定性和负荷平衡，极大程度恢复了膝关节的稳定性。实际上为了实现等长，重建的ACL止点偏离了原来的解剖位置，而ACL 单束解剖重建方法，最大限度地恢复了ACL原来的解剖形态，从而尽可能的恢复原有的功能。

本文通过回顾国内外大量文献，总结ACLR后健患侧肢体在运动学、动力学的对称性方面的相关研究内容，分析ACLR 术后影响步态对称性的因素，特别是两种手术方式（单束解剖重建及类等长重建）对术后下肢步态生物力学对称性变化的影响及相互比较。

1 ACLR术后双下肢的步态生物力学对称性研究现状

近五年来大部分国内外学者将ACLR 术后患侧肢体与健康对照者肢体步态的运动学及动力学变化进行对比研究，认为ACLR 术后患侧肢体步态较ACL损伤后逐渐改善。Sigward等[7]对12例ACLR术后3个月的患者进行三维步态分析，结果表明手术侧膝关节屈曲减少，膝关节平均伸直力矩减少35%，术后6 个月时情况改善。Hajizadeh 等[8]对22 例ACLR术后运动员和15名健康运动员进行生物力学对照研究，在术后4～5周、8～9周和12～13周收集膝关节伸展力矩等生物力学数据，结果显示两组间的测量数据均有显著差异。John 等[9]对18 例ACLR 术后1.4 年（早期）、20 例ACLR 术后3.3 年（中期）、20 例ACLR 术后8.5 年（晚期）和20 名健康人进行生物力学对照研究，研究表明ACLR术后不同阶段患者的步行和慢跑步态生物力学存在差异。与对照组比较，早期ACLR组显示患肢的矢状面、冠状面关节负荷较低，中期ACLR 组没有表现出任何步态差异，晚期ACLR组矢状面关节负荷较低，冠状面关节负荷较对照组大。尽管ACLR 术后患侧肢体短期内步态逐渐好转，但与正常肢体仍有差异，而且差异延续时间长。

然而，将患侧肢体与不同个体的健康肢体进行临床对照研究，存在因个体差异导致研究误差。所以有一部分学者将同一个体的患侧肢体与健侧肢体进行步态运动学及动力学的临床对照研究，减少了因个体、康复时间等因素造成的误差，让研究数据更有说服力。Milandri 等[10]比较15 例患者健患侧肢体在行走、跑步步态中的运动学和动力学参数，认为在手术后很长时间内（4～6 年）表现出持续的临床上重要的步态不对称。Beres等[11]对11例ACLR患者在术前、术后6～12个月进行评分及运动学分析，认为在术后1 年，手术肢体仍未完全恢复到健康膝关节水平，步态中持续存在的肢体差异可能导致术后关节退化。

2 ACLR术后步态生物力学对称性测量技术及测量方法

随着双平面技术、动态足底压力测试、运动捕捉系统等新技术，以及双重任务模式、上下楼梯、上下坡、变速跑、冲刺、多种跳跃模式等新方法的应用发展，ACLR术后步态对称性的运动学与动力学的研究日新月异。不断发展的各种检测仪器、检测技术，广泛应用于膝关节疾病的诊断、治疗、康复等各个阶段，临床效果显著。近年来，基于运动捕捉系统、足底压力测试系统的膝关节生物力学分析备受关注，成为研究热点。

目前文献针对ACLR 术后的步态分析绝大部分仅限于水平步行等简单动作，有可能受制于仪器检测水平的限制，但是简单动作的步态分析往往不能反映实际生活中ACLR 术后患者肢体恢复的步态变化。Moya-Angeler等[12]研究74例患者健患侧肢体在ACLR 术前、术后12 个月内步行、冲刺、单腿跳跃测试、向下跳跃、起跳落地等动作的生物力学变化，在ACLR术后12个月观察到健患侧肢体动力学中有增加对称恢复的趋势，特别是分别对两侧肢体进行单独测试包括步行、冲刺和单腿跳跃测试。然而现实生活中日常活动不存在单一动作，多模式、复杂的动作分析可以模拟患者恢复日常活动的步态运动学及动力学变化。Dewig 等[13]对47 例ACLR 患者和47 名健康对照者在跑步机上完成水平、上坡和下坡条件下的步行步态分析，得出有一定坡度表面条件下的步行比水平面表现出更异常的步态生物力学，作者认为水平步行步态评估可能掩盖了术后步态缺陷，术后的康复方案中有必要增加多模式、复杂的动作。

3 ACLR术后步态生物力学对称性影响因素

ACLR 术后双侧下肢运动学及动力学对称性变化与患者性别、ACLR术前损伤机制、术后心理因素、膝关节周围肌肉力量、全身其余关节控制代偿、移植物选择、术后康复方案等因素有密切关系。多名学者研究控制其余因素，探讨单一因素如何影响双下肢在ACLR 术后运动学及动力学的对称性。通过改善ACL损伤的手术治疗手段及术后康复锻炼期望患者步态达到术前患者日常生活正常水平。

3.1 移植物

近25 年来，ACL 的修复与重建技术有了长足进步。自体和异体肌腱、人工韧带等重建ACL 的材料已广泛应用于临床，Rosenberg 等学者进一步发展了关节镜下自体肌腱移植重建ACL的技术。目前临床上较常用的自体肌腱是骨-髌腱-骨、半腱肌股薄肌肌腱、股四头肌腱等。过去移植物中骨-髌腱-骨因其强度高，取材方便，骨愈合能力强，被认为是ACLR 的“金标准”。但腘绳肌腱与股四头肌腱移植物由于良好的愈后，也受到越来越多学者的推崇[14]。部分学者研究了ACL移植物种类对于ACLR术后双下肢步态对称性的影响，让手术医师能针对不同的患者使用适合的移植物，促使患者恢复术前双下肢的步态生物力学。Schroeder 等[15]比较25 名参与者（10 例腘绳肌腱移植患者，6例髌骨肌腱移植患者，9名正常对照者）中，采用标准逆动力学方法计算在水平行走和下楼梯时的三维关节扭矩，发现腘绳肌腱组在连续下楼梯任务中冠状面内收扭矩和内旋扭矩减小。认为在ACL 重建后，移植物在运动学和扭矩剖面上存在特异性差异，强调了在这一领域有进一步研究的必要性。Johnston 等[16]分析了74 例髌骨肌腱移植患者和24例腘绳肌腱移植患者在ACLR术后步态的生物力学特征，然而结果不支持ACLR术后与膝骨关节炎发展相关的步态生物力学存在差异这个假设。作者认为未来有必要进行前瞻性纵向研究，以确定在接受髌骨肌腱移植的个体中影响双侧肢体步态对称性的因素。Schagemann 等[17]学者比较了25 例ACL 自体移植物重建患者[股四头肌腱（quadriceps tendons,QT）8例，腘绳肌腱（hamstring,HS）17例]的动态膝关节稳定性，步行步态分析显示膝关节内翻、外翻角度无显著差异。作者认为与QT 移植物相比，采集HS移植物用于初次ACL重建不会导致膝关节内侧压力增加，然而文中并没有分析膝关节屈伸、旋转活动的差异性。异体肌腱及人工韧带作为移植物是否对ACLR术后患者步态生物力学对称性有所影响，以及各类移植物对步态对称性影响之间的比较，尚无相关文献进行研究、分析，未来可对此深入研究。到目前为止，关于何种移植物重建术后步态生物力学恢复最佳的讨论仍在进行中。

3.2 术前损伤机制及性别区别

有研究发现，女性运动员ACL 损伤的发生率比年龄和运动水平匹配的男性运动员至少高1.5 倍[18]。术前患者损伤机制及患者性别对ACLR术后运动学、动力学变化有一定的影响。Asaeda 等[19]对比32 例ACL 患者（男16 例、女16 例）和32 名健康对照者（男16例、女16例）在步态、站姿阶段中的生物力学变化，得出对照组和ACL 组中，女性胫骨外旋角度较男性增大更明显，结果与ACL损伤及重建无明显关系，认为男女应分别对重建ACL损伤前后的生物力学影响进行评估，不建议女性在ACL 重建后6 个月恢复运动。Ito 等[20]研究了70 名参与者（22 名非接触损伤女性、19 名非接触损伤男性、11 名接触损伤女性、18 名接触损伤男性）完成在地面步行的生物力学测试，得出在ACLR术后6个月，非接触性损伤的患者表现出临床意义上的肢体负荷不足。作者认为性别和损伤机制可能会影响ACLR 术后6 个月的关节负荷。尽管膝关节损伤机制和女性都与ACLR 术后步态生物力学变化有关，从而增加膝骨关节炎发病风险，但在创伤后膝骨关节炎的调查中，女性与膝骨关节炎之间的关系可能有限[21]。因此有必要对女性患者ACLR术后步态生物力学对称性变化进行纵向研究，分析步态对称性恢复情况。

3.3 膝关节神经肌肉功能及周围关节代偿

许多ACLR 患者在恢复体力活动后神经肌肉功能有一定程度的减弱。尤其是股四头肌等膝关节周围肌肉的持续性神经肌肉损伤会影响ACLR 术后双下肢生物力学的对称性，从而对日常活动产生不良影响，并可能增加再次受伤的风险，甚至发展为膝骨关节炎。研究表明，39%～56%的30 岁以下年轻人，ACLR术后8～12年发生膝骨关节炎[22]。Pamukoff等[23]比较38 例ACLR 术后2 年患者与38 名对照者的股四头肌肌肉性能和跑步生物力学，发现患肢膝关节屈曲角、膝关节伸直力矩较健侧肢体显著降低，认为ACLR术后患者双下肢在生物力学上有差异，与股四头肌功能减弱有微弱的相关性。Mantashloo 等[24]收集56 例男性（28 例单侧ACLR 患者和28 名正常人）不同步态周期下的步态生物力学指标垂直地面反力（vertical ground reaction force,vGRF）和肌肉活动数据，发现在步态制动阶段两组间股直肌有显著性差异，而腓肠肌和股二头肌活动无显著性差异；在步态推进阶段，两组间腓肠肌和股二头肌活动差异有统计学意义，而股直肌活动无显著性差异。作者认为单侧ACLR 术后患者在步态周期的不同阶段vGRF 和肌肉活动出现不对称性。使用自体腘绳肌腱移植ACLR 常导致腘绳肌肌力不对称。Abourezk等[25]研究18例腘绳肌腱强度对称患者和18例腘绳肌腱强度不对称患者在步行、慢跑中的生物力学差异，认为腘绳肌腱力量不对称患者在步态的矢状面和步态、慢跑时的水平面的膝关节生物力学与腘绳肌腱力量与对称患者相比发生了改变，需要进一步研究这些改变对ACLR 术后膝关节功能的影响。Knobel等[26]收集了70例患者在ACLR术后第24周以自己选择的速度行走的步态生物力学数据，发现与ACLR膝关节的力学和载荷相比，健侧膝关节的角度、力矩和载荷与行走速度的相关性更强，解释了在更快的步行者中观察到的更大的健患侧步态不对称。作者认为结果受到术后ACLR 膝关节的持续性神经肌肉损伤影响。

另一方面，由于患侧膝关节周围肌肉功能下降，个体为了促使患肢力量、活动范围等功能趋于正常，必然会引起全身其余关节的代偿性变化。许多研究表明患有严重膝骨关节炎的患者在日常生活中习惯采用一种特殊的代偿运动模式，即通过增加躯干屈曲角度（trunk flexion angle,TFA）来减少膝关节屈曲力矩峰值（knee flexion moment,KFM）。Webster等[27]对14例患者跟踪随访，测量ACLR后的第1年和第3年进行单脚起跳着地的步态变化，发现与未受伤的肢体相比，患者的膝关节屈曲角度和力矩减小，存在不对称着地生物力学现象并通过增加髋关节屈曲力矩进行补偿，然而通过增加髋关节屈曲力矩来控制起跳着地的长期影响是未知的，需要进一步的研究。Fischer等[28]研究14例ACLR患者在术后2年（基线）和术后8 年（随访）进行了3 次上阶梯试验，发现从基线到随访期间，上阶梯期间患肢KFM显著增加，50%的受试者TFA 出现下降。Czamara 等[29]对比32例ACLR男性患者及30名健康对照者在步行步态中足部、胫骨、股骨和盆腔旋转的生物力学，认为在步行步态中，在站立阶段前期膝关节最大伸展时，患侧髋关节外旋在ACLR后14周与对侧健康肢体比较未完全恢复。Samaan等[30]收集了35例患者在ACLR术后6个月的双侧步态分析结果，评估早期（1%～33%）、中期（34%～66%）和后期（67%～100%）站立阶段的协调变异性，得出了与健侧肢体相比，患肢在中期表现出更高的髋关节/膝关节矢状面协调变异性[31]，在中后期也表现出更高的膝关节/踝关节矢状面协调变异性。作者认为在术后早期时间点评估关节协调变异性，可以为ACLR患者在康复完成后行走过程中的近端和远端关节代偿提供深入了解，改善康复方案。

3.4 术后心理因素

股四头肌力量不足在ACLR术后长时间存在，与ACLR术后的步态偏差相关[32]。ACLR术后患者表现出异常的步态，其特征是在步态站立阶段，膝关节屈曲角峰值减小，膝关节屈曲力矩峰值减小[33]。与神经肌肉功能恢复相关的因素，如心理因素，可能是ACLR术后步态不对称的原因之一。Zarzycki等[34]研究了79名运动员（39名女性）在ACLR术后步态生物力学测试及重返运动量表（ACL-return to sport after injury scale,ACL-RSI）评估。发现ACL-RSI 与膝关节屈曲角和膝关节屈曲角峰值呈显著负相关，认为在恢复运动的心理准备和步态中膝关节运动的对称性之间存在微弱的关联。Gignac 等[35]研究了18～40岁77 名男性及44 名女性运动员在ACLR 术前、术后1 年、2 年、3 年个人锻炼水平和害怕再次受伤的心理认知变化，发现术后3年患者没有恢复到受伤前的运动水平，认为害怕再次受伤的心理是ACLR术后步态不对称的原因。Tajdini 等[36]对28 例ACLR 术后6 个月内的男性患者进行步行步态分析及坦帕运动恐怖量表（the tampa scale of kinesiophobia,TSK-11）测试，发现在步态周期的不同阶段，运动恐惧与肌肉活动的不对称性和vGRF 有显著的关系，即TSK-11 与vGRF第二峰的不对称性呈显著正相关。

3.5 康复方案

有研究表明患者在ACLR 术后6～11 年的随访中，韧带再次损伤率达19%[37]。尤其受到关注的是，ACL 二次损伤不仅发生在患肢重建后的韧带，也发生在对侧正常膝关节，在10 年随访期内发生率达22%[38]。因此，膝关节ACL损伤的治疗在得到良好手术重建的同时，也不能忽视康复治疗的重要性。Hadizadeh 等[39]招募了22 名ACLR 的国家运动员和15名健康运动员进行了为期3个月的一般性训练，重点是恢复正常的步态模式，包括运动范围、肌肉强度和伸展、平衡训练、有氧训练、冷冻疗法等模式。在术后4～13 周使用三维运动分析系统收集步态数据，随着时间的推移，患肢步长、步频和体重接受时间及步态生物力学对称性均有显著改善，认为该康复计划允许国家运动员在重建后的12～13 周内恢复步态生物力学对称性。Chua等[40]搜索了56篇关于ACLR恢复过程中不同运动任务和客观量化膝关节运动学动态稳定性的方案，认为在膝关节动态稳定恢复中，运动任务的适当选择是一个重要的因素，对ACLR术后双侧肢体步态生物力学对称性有着一定的影响。上下阶梯和跳下着陆锻炼最好在康复的早期进行，而跳下着陆和旋转锻炼建议在ACLR 术后6 个月进行。Pfeiffer 等[41]研究了35 例ACLR 患者（74%女性）行走步态和跳跃着陆任务之间膝关节生物力学和双下肢对称指数的相关性。认为单侧ACLR 患者在不同任务之间的生物力学改变可能不同。研究表明ACLR术后康复需要更具体的任务，以降低骨关节炎和继发性ACL损伤的风险。Schroeder等[15]对比了16例ACLR患者，9名健康对照者在水平行走和下楼梯时双下肢的生物力学，认为任务复杂性对生物力学的影响显著。本研究表明在康复过程中应注意减轻由任务特异性带来的生物力学对称性变化。Hasegawa 等[42]比较了13 例ACLR 患者在术前、术后3、6、12个月进行步行和步行旋转任务时患侧与健侧肢体的生物力学差异，发现步行站立阶段膝关节屈曲范围在术后随时间增加，但是即使在术后12 个月仍小于健侧。在术后6个月，膝关节行走和行走旋转向外旋转方向偏移，术后12 个月时偏移几乎消失。作者认为ACLR 术后6 个月恢复运动需要慎重考虑。根据不同的康复锻炼方式及运动类型，即使在12个月后也需要考虑相应的限制。

除了一般性康复训练外，不少学者提出了额外的、有针对性的康复训练方法，临床上也取得了一定效果，改善健患侧肢体步态生物力学的对称性。一个合理有效、针对性的康复治疗方案的制定，有利于ACLR 术后双侧肢体步态生物力学对称性的恢复。Moran等[43]分析了在标准康复的基础上，采用股四头肌功能性电刺激（functional electrical stimulation,FES）的10例患者与采用神经肌肉电刺激（neuromuscular electrical stimulation,NMES）的13 例患者在术后4周的步态数据，结果表明两组患者在康复4周后均恢复了ACLR术前的步态速度和对称性，组间无差异，然而FES 在恢复股四头肌肌力方面比NMES 更有效。另一方面，Arhos等[44]随访76例完成术后康复和10 次恢复运动训练课程（ACLR 后7.1 个月）的ACLR患者，收集了生物力学步态分析和等距四头肌强度数据，结果表明ACLR后恢复运动训练患者后续的股四头肌强度对称性与步态生物力学的持续性不对称性无关。作者认为在达到股四头肌强度的阈值后，单纯恢复力量可能不能改善步态的不对称。特殊、复杂任务的步态评估与训练及神经肌肉训练是未来康复研究的重要方向。因此，临床和康复医师应因人而异，制定针对性的康复训练方案，从而改善步态对称性。

ACL损伤后膝关节的生物力学与对侧健康膝关节比较有显著差异。ACLR术后，患者膝关节的运动和功能尚未完全恢复，随着术后时间推移，患者性别、术前损伤机制、术中移植物选择、术后心理因素、膝关节周围肌肉力量、全身其余关节控制代偿、康复方案等多个因素对术后步态运动学、动力学的变化有着直接影响。然而ACL 重建方式（股骨隧道定位点）对ACLR术后健患侧肢体的生物力学改变也有着巨大影响。

3.6 ACLR解剖与非解剖重建对术后双下肢步态生物力学对称性的影响

许多学者认为ACL 重建方式、股骨止点定位位置、ACL 几何形状对ACLR 术后步态生物力学对称性有举足轻重的影响。非解剖ACLR 重建修复手术术后步态与正常健康患肢有显著差异。研究表明ACL 移植物止点定位及移植物走行方向可能是ACLR 术后生物力学功能恢复的重要决定因素。许多基础实验研究报道，ACL 解剖重建比非解剖重建能更好地恢复旋转稳定性和拥有更优的临床疗效，从而改善健患侧膝关节步态生物力学的对称性。但是，少有研究报道这种差异。Musahl 等[45]对10 具尸体膝关节在134 N前负荷和10 N·m外翻和5 N·m内旋负荷下进行生物力学测试，发现股骨隧道止点位于ACL解剖足印比位于等长隧道位置的膝关节生物力学更接近正常的膝关节。认为股骨隧道解剖位置对ACL重建手术后的功能有重要影响。Wang等[46]比较了12例经胫骨（transtibial,TT）ACLR患者、12例前内侧入路（anteromedial portal,AMP）ACLR 患者、20 名健康对照者的膝关节生物力学参数，认为与TT技术相比，AMP技术提高了膝关节在摆动阶段的前后稳定性及轴向旋转稳定性。AMP技术可能会在后期的站姿阶段导致关节伸展不足。Yan 等[47]研究了13 例ACL解剖重建患者、21例ACL非解剖重建患者和18名健康者随访6个月进行水平行走中的步态运动学，发现在非解剖重建组，ACLR膝关节前后平移比对侧正常膝关节相差约0.5 cm，该结果有显著性差异。作者认为与非解剖重建相比，ACL 解剖重建能恢复接近正常的步态运动学。

学者们认为在膝关节屈伸过程中移植物始终保持近乎恒定的长度，ACL 重建术后的膝关节才能恢复原有的、正常的生物力学状态，提出了“等长”概念。随着关节镜下ACLR 技术的发展，目前临床上ACL非解剖重建手术主要是类等长重建术。多数文献倾向于ACL类等长股骨隧道位点在外侧髁间嵴前部的附近，外侧髁间嵴前部、股骨后皮质延长线的附近[48]。Pearle 等[49]提出来的一种ACL类等长重建手术股骨隧道定位的新概念（IDEAL 股骨隧道定位技术），它由基于解剖学、组织学、等距、生物力学和临床数据的5个观点缩写而成。但是ACL单束解剖重建与类等长重建术后健患侧肢体步态生物力学的对称性比较，临床研究缺乏，期待未来有进一步的研究。

4 结语

随着更先进、更精确的测量技术及测量方法应用于ACLR术后患肢生物力学的测试及研究，ACLR术后生物力学变化的原因、影响因素、继发并发症的相关问题逐渐被学者们认清，从而帮助临床医师在临床上针对不同的患者给予不同的手术方式及术后专业的康复锻炼，期望患者在ACLR术后能恢复正常的膝关节功能，应付日常生活工作，避免后期相关并发症的发生。然而ACLR术后，患者膝关节的运动和功能尚未完全恢复，ACL 患者性别、术前损伤机制、术中移植物选择、术后心理因素、膝关节周围肌肉力量、全身其余关节控制代偿、术后康复方案等因素对术后双下肢生物力学对称性的变化有直接影响，尤其是手术重建方式，更是有决定影响。目前国内外对ACLR 解剖因素（移植物材料和固定方式、隧道止点、移植物张力及刚度等）有较多实验室基础研究，对术后患者心理因素、术后康复方案等因素也有大量的临床随机对照研究，然而对于ACL 解剖重建及类等长重建两种术式术后健患侧肢体步态对称性的生物力学分析、比较及与骨关节炎继发关系的研究甚少，缺乏大样本、长期、前瞻性的临床随机对照研究，未来仍需要进一步开展研究。

【利益冲突】所有作者均声明不存在利益冲突