前交叉韧带重建术后膝关节三维步态及功能随访研究

刘诚 赵领财 王浩 白笋蓬

步态反映了肢体的平衡性和关节的稳定性[1]。韧带表面存在的感受器能通过神经运动系统调节关节的活动,当膝前交叉韧带(anterior cruciate ligament ACL)损伤后,感受器的改变会影响肌肉的活动,随之步态发生改变。客观、定量的步态分析能反映受伤后膝关节功能变化;同样ACL的重建在改善膝关节功能的同时,步态方面也会发生改变。因此,步态参数分析作为体现膝关节的运动学和运动力学的精确的量化指标,在了解ACL损伤情况、ACL重建术后的康复方案及恢复效果的评定上起着重要作用。以往对前交叉韧带损伤步态的研究只局限于矢状面上的屈伸运动,即便是应用三维步态分析,也是把髋、膝、踝作为一个整体来分析。膝关节并不是一个简单的屈伸关节,它的活动涉及到三维空间三个平面。本研究从三维角度评定分析ACL损伤前后的步态变化特点以及膝关节局部各个角度的活动范围变化情况。

对象与方法

一、对象

2018年8月～2020年6月收治的25例单侧ACL损伤病人为损伤组,受伤至手术的平均时间为2.5个月(1周～12个月),其中男性16例、女性9例,年龄19～45岁,平均25.5岁,术中关节镜检查证实为ACL完全断裂并行自体腘绳肌解剖重建术,所有手术由同一组医生完成并采取一致的术后康复计划,既往无其他膝关节疾患,不合并其他韧带损伤(后交叉韧带、内外侧副韧带等)、半月板撕裂、膝关节软骨损伤及膝关节周围骨折等。对照组25例,为健康人,其中男性16例、女性9例,年龄20～45岁,平均26.5岁。所有病人均排除膝关节外伤及相关疾病,不合并膝内外翻,并经膝关节核磁检查及专业医师对实验对象行膝关节查体,均无阳性体征。受试对象临床资料见表1。

表1 受试对象基本资料比较

二、方法

1.手术方法: 病人取仰卧位,行腰麻或全麻,待麻醉生效后,上止血带,常规手术消毒铺巾,选取标准膝关节前内侧及前外侧手术入路,先行关节镜探查,确诊ACL单纯断裂。于同侧胫骨结节内侧行斜切口,显露鹅足止点,游离出半腱肌和股薄肌肌腱,肌腱剥离器取出全长的股薄肌腱和半腱肌腱,将残存肌肉组织剥除,肌腱折叠,可吸收缝线编织缝合两端,然后测量直径及长度备用。镜下行膝关节腔清理,尤其是髁间窝处,胫骨端一般保留部分ACL残端,通过ACL胫骨导向器明确胫骨通道关节内点,钻入1枚克氏导针定位,空芯钻沿克氏针方向制备胫骨隧道。然后屈膝90°再定位ACL在股骨端关节内点,克氏针过髁间窝沿右膝10∶30方向/左膝1∶30方向定位,空芯钻沿克氏针钻取股骨隧道,导入自制腘绳肌腱,两端用力拉紧,保持肌腱有一定张力,屈膝位股骨端拧入挤压螺钉,而伸膝位拧入胫骨端挤压螺钉。

2.康复方法:膝关节支具固定8周,术后麻药清醒后可行CPM或踝泵运动,术后第2天或第3天第1次换药后开始锻炼,从0°～30°开始进行无痛的膝关节主动屈曲及被动伸直活动,逐渐增加膝关节屈伸活动和肌力锻炼,术后3周内争取屈膝接近90°。术后7～10天根据情况开始在支具固定下扶拐下地行走,患肢不负重,3周后患肢开始循序渐进负重,行股四头肌等长收缩、腘绳肌收缩及直腿抬高功能训练,8周后去除膝关节支具,完全负重行走。3个月后练习慢跑,半年后视情况可进行适应性体育活动,并有针对性的指导其蹲马步增加下肢肌力的训练力度。

3.测试方法:本研究使用东方新锐DVMC-8820三维运动分析系统,采样频率为60 Hz,绝对误差<1 mm。该系统由3部分组成:分布在实验室顶部1周的12台红外线摄像机、以3个点代表一段刚体共16个反光标记点、调控并分析处理的计算机及辅助设备。

设定“高精度三维动作采集软件”中的标识点总数和标识点连接(图1)。事先准确调试步态分析主机与红外线摄像头之间的配置,以及测量范围[2]。受试者上身衣服不要太宽松(以不遮盖臀部为准),防止衣物对反光点遮挡;下身穿紧身运动短裤或合身病号服尽量留足够的空间给标记点;不能有鞋袜遮盖足部。让受试者先在跑步机运动平板上行走几遍,待适应测试环境后,试验者身体完全放松以站立姿势站在前进方向,双足跟于同一直线,双足之间距离大概等同于肩宽。应用步态分析设备及软件捕捉图像1秒,该数据即为个人站姿的标准数据,在后面行走过程中的数据均会与该数据进行分析、对比。

图1 ACL重建术后病人动作采集软件中的标识点总数和标识点连接. 上端红色为健侧,粉色为患侧

上面过程全部完成后,嘱试验者以平时习惯开始自然行走,行走的速度以个人感觉与平时行走无差异感最为适宜,设定平板运行速度为1.6 km/h,观察损伤组在自由自主情况下开始采集120秒步态数据(图2)。按照术前、术后3、6、9、12个月收集受试者步态数据并行Lysholm膝关节功能评分,对照组按此方法同时捕捉数据。

图2 三种关节角标准化

4.观测指标:观测的运动学及动力学参数包括:膝关节屈伸转角、内外翻转角、内外旋转角三个角度。截取运动平板上行走状态稳定时的10个连续步态周期计算分析各参数,然后导出进一步统计学分析。为保证步态数据的准确及可靠性,若出现步行周期数据未显示,则需要剪切理想的数据片段进行分析。

三、统计学分析

应用MotAnaly软件选取每组病人中测试的完整步态数据,确保每个步态周期的完整性,把步态参数、正规化后的膝关节角数据保存到Excel,然后用SPSS22.0对其进行分析,损伤组手术前后及术后不同时间段参数分析采用单因素方差分析,损伤组与对照组参数比较采用非配对t检验。P<0．05为差异有统计学意义。

结果

1.步态参数统计结果:对正常组与损伤组术前、术后3、6、9、12个月跟踪随访测其步态数据,行Lysholm膝关节功能评分,结果见表2。术前Lysholm 评分为(62.35±3.45)分,术后 3 个月、 6 个月、 9 个月、 12 个月Lysholm 评分分别为(78.16±3.58)分、(85.36±3.35)分、(88.46±3.21)分、(93.62±3.51)分,与术前比较,差异有统计学意义(P<0．05)。对照组屈曲角度-2°～66°,内外翻转角度-5°～9°,内外旋转角度-4°～8°;ACL损伤后屈曲角度-5°～52°,内外翻转角度-3°～24°,内外旋转角度-13°～14°;ACL 自体腘绳肌腱重建术后 3 个月时屈曲角度-2°～47°,内外翻转角度-5°～9°,内外旋转角度-6°～10°;AC自体腘绳肌腱重建术后 6 个月时屈曲角度-2°～59°,内外翻转角度-4°～8°,内外旋转角度-5°～8°;ACL 自体腘绳肌腱重建术后 9 个月时屈曲角度-2°～64°,内外翻转角度-2°～9°,内外旋转角度-2°～8°;ACL 自体腘绳肌腱重建术后 12 个月时屈曲角度-2°～65°,内外翻转角度-1°～9°,内外旋转角度-1°～8°。ACL断裂后膝关节由屈到伸、内外旋转、内外翻转上的角度变化范围均较对照组变大,差异有统计学意义(P<0.05);但术后9个月及术后12个月各角度活动度接近,差异无统计学意义(P>0.05);伴随着康复的时间延长,术后4个随访时间点的膝关节各角度较术前日趋改善,其中重建术后9个月和12个月时的步态与术后3个月时比较,差异有统计学意义(P<0.05)。

表2 关节角度参数统计结果 (度)

2.典型病例:病人,男性,右膝外伤后肿痛活动受限1个月。体格检查:右膝略肿胀,过伸过屈试验(+),前抽屉试验(+),后抽屉试验(-),内外侧方试验(-)。见图3。

A:术前MRI示AC术前MRI示ACL从股骨端断裂;B:关节镜下可明确ACL断裂;C:镜下显示重建ACL

讨论

ACL重建术后的韧带移植物需要经历一系列韧带化过程,包括炎症反应、再血管化、纤维化与重塑等。在这个过程中,重建后的韧带会经历逐渐增强的变化,ACL重建术后12周左右,整个置入物周围发生血管再生,然后进入韧带化期,并继续重塑向正常ACL的方向发展[3]。由此推测,重建后的韧带需经历一些适应过程才能发挥真正作用。本研究结果表明,术后6个月内三维角度与术前相比有差异,可能与移植物的牢靠固定及对移植物的预张有关[4]。随着术后移植物的韧带化及腱骨愈合过程,膝关节的稳定性日趋改善,术后9个月后三维角度已与正常无明显差异,行ACL自体腘绳肌腱解剖单束重建手术效果良好。

既往对膝关节的研究大多只关注矢状面,无法对膝关节的运动进行三维分析[5],更无法让受试对象在主动行走下捕捉数据参数。本研究结果表明,膝关节运动并不是单纯矢状面的运动,而是屈伸的同时伴随着内外翻转、内外旋转,即三维运动,正常人和ACL损伤的病人均有规律可循。本实验是在受试者自主能动且负重条件下,结合自身状况,尽量跟日常行走一样的步态,行走一定时长后,同时对膝关节屈伸、内外翻、内外旋三维运动参数进行动态采集测量的过程。

本研究25例ACL损伤后运动与运动力学指标均发生明显变化,本次实验ACL损伤组得到的膝关节屈伸、内外翻、内外旋三个角度的数据与既往研究一致[6]。ACL损伤后,膝关节角度会产生适应性的变化,这种改变是膝关节在神经肌肉调控下针对ACL损伤后的代偿性变化[7]。本研究中,ACL损伤组膝关节表现出一种站立相伸膝角度较正常组增加和摆动相屈膝角度较正常组减小,屈膝角度减小可能由于损伤后股四头肌活动导致的胫骨前移,以及膝关节不稳、疼痛不适有关[8]。膝关节内外翻及小腿内外旋的角度较正常组均增大,可能与前交叉韧带控制旋转的作用和对抗股四头肌牵拉胫骨的作用消失,和股四头肌、后交叉韧带以及其他肌肉的作用有关,同时膝关节内外翻及胫骨内外旋角度的增大也代表着膝关节的不稳。本研究中25例ACL重建病人术前及术后3个月通过增加屈膝角度来加强关节的稳定性,表现出ACL损伤后引起的特异性“股四头肌逃避步态”[9]。25例ACL损伤病人通过自体腘绳肌腱重建ACL大约9个月后患肢疼痛减轻,股四头肌功能恢复,对于膝关节稳定性,尤其是伸膝功能影响加强,膝关节屈伸、内外翻及内外旋活动等步态各方向数据能接近正常的参数特征,患肢由此得出ACL损伤行重建手术后能逐渐恢复下肢的正常步态,并且手术后平均9个月可与常人在步态特征上无明显区别。

本研究选取的受试对象均为行自体腘绳肌腱解剖单束重建ACL的病人,由于ACL重建有多种取材术式[10],技术方法因术者习惯等原因不统一,现仍无一种公认的最佳术式,比如按肌腱来源分为人工韧带、自体或异体骨-髌腱-骨[11],自体或异体肌腱等;按手术方式分为单束单隧道重建、双束单隧道重建、双束双隧道重建等[12]。移植物固定可以使用界面挤压螺钉、门型或横穿钉及悬吊钢板等。以上不同选择均会影响术后步态恢复的周期,下一步仍需深入研究[13]。以往步态分析的设备,通常采用的光电捕捉皮肤标记点的方法,其标记点在动态捕捉中容易丢失,需要反复采集步态数据,增加了实验的繁琐和不确定性。我们通过在紧贴皮肤的弹性绷带上做皮肤标记点,利用三个标记点确定一段刚体,并且标记点的三角位置相对固定,尽可能把可能发生的误差控制在一定范围内,使其精确度达到最高,但考虑到肌肉收缩的影响因素及在行走中皮肤标记点相对骨骼有位移,对结果可能造成误差仍是本实验研究最主要的限制因素。三维光电捕捉皮肤标记点有很大的优势可用于临床异常膝关节运动的描述,本实验通过对正常人与前交叉韧带损伤的病人进行三维步态分析,计算出膝关节屈伸、内外翻、内外旋三个角度在每个周期中的数据,并通过运动特征智能分析软件自动描绘出三个运动角度的曲线图,发现三个膝关节角度在运动时是有一定规律的,而且发现ACL损伤组与对照组角度变化规律的明显差异,膝关节旋转角度、翻转角度的增大导致了ALC患肢膝关节的不稳定。行韧带重建术后,随着康复计划的进行膝关节三维角度变化范围逐渐缩小,膝关节功能评分逐渐提高,膝关节也日趋稳定。

本实验通过三维运动捕捉步态分析系统实现了对ACL损伤前后及其重建术后的膝关节功能量化评价,结果表明,自体腘绳肌腱解剖单束重建ACL起到了稳定膝关节的作用,提高了Lysholm膝关节功能评分,随着时间推移,ACL损伤重建术后平均需要9个月步态可达到正常水平,术后12个月内Lysholm膝关节功能评分逐渐提高,比以往的定性步态分析更客观,真正意义上实现了膝关节前后稳定、侧向稳定及旋转稳定的三维动态稳定性的量化评估。对ACL损伤及其重建术后进行步态研究,能更科学地对韧带损伤的诊断、临床治疗及术后疗效评估、指导其康复锻炼,有望成为一种新的辅助检查手段,应用前景广阔。