外侧盘状半月板损伤患者膝关节在体运动学参数研究

林泽枫，张 余，马立敏，姚子龙，黄文汉

外侧盘状半月板损伤患者膝关节在体运动学参数研究

林泽枫，张 余，马立敏，姚子龙，黄文汉

目的采集外侧盘状半月板损伤患者膝关节的在体运动学参数，探讨红外光导航技术在此类损伤患者在体稳定性评估中的应用价值。方法使用红外光导航膝关节在体检测系统Opti_Knee®分别采集正常人膝关节（n=24）及外侧盘状半月板损伤患者膝关节（n=24）的6个自由度数据，计算6个自由度的变化范围。结果与正常膝关节相比，外侧盘状半月板损伤患者膝关节内/外旋角度、前/后位移最大值及变化范围以及股骨外移最大值、内/外位移变化范围均明显减小（P＜0.05）；而最小屈曲角则显著增大（P＜0.05）。结论外侧盘状半月板损伤患者膝关节内/外旋角度、前/后和内/外位移等运动学参数变化明显，红外光导航检测技术具有简单快速、数据可靠的特点，是评估患者膝关节在体稳定性的较好选择。

盘状半月板；膝损伤；动力学；步态；活动范围，关节；红外光导航

盘状半月板损伤是常见的膝关节损伤，据报道，欧美人群中该损伤发病率较低，约为5%；而亚洲人群发病率则高于10%[1-2]。目前对此类损伤的检测和评估通常依赖DR、CT和MRI等传统影像学技术，获取损伤部位的解剖结构信息，但这些手段无法对患者的运动学特征进行定量评价。近年来随着关节运动测量技术的发展，学者们开始通过膝关节稳定性测试进行膝关节功能性评估，以此来判断膝关节的损伤程度[3-4]。光导航技术可以在人体运动时利用光感应装置反射光信号来记录标记点的移动数据，分析膝关节三维活动情况并判断在体稳定性，进而达到评估膝关节运动学特征的目的[5-6]。本研究采用红外光导航技术获取外侧盘状半月板损伤患者的步态数据，分析胫骨内/外旋角度、前/后及内/外位移等运动学特征，探讨该技术评估盘状半月板损伤的可行性和应用价值。

1　资料与方法

1.1一般资料

选取正常志愿者以及于广州军区广州总医院就诊的单侧外侧盘状半月板损伤患者各24名，分别纳入正常组与损伤组。其中正常组男12例，女12例；年龄14～59岁，平均年龄36.9岁；BMI指数为（21±4）kg/m2。损伤组男12例，女12例；左膝12例、右膝12例；年龄16～57岁，平均年龄32.7岁；BMI指数为（22±8）kg/m2；均通过MRI（图1）及关节镜检查确诊为外侧盘状半月板损伤，且不存在除外侧盘状半月板损伤之外的其他疾患。两组性别分布、年龄、BMI指数等一般资料比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。

1.2方法

使用红外光导航膝关节在体检测系统（Opti_Knee®，上海Innomotion公司，图2）分别对两组受试者进行步态数据采集。具体方法：对受试者进行骨性标记定位，包括股骨头外侧大转子、股骨外侧髁、股骨内侧髁、胫骨平台、腓骨头外侧、胫骨结节、内踝和外踝；将2个红外光感应器固定于受试者股骨远端及胫骨近端（图2C），确保红外光发射源、接收器与红外光感应器之间的光路畅通；受试者在跑步机上进行约2 min常规步行训练，直到再现与平地步行一样的步态时，开始以30帧/s的频率采集步态数据，采集时间为15 s，系统自动采集膝关节在每个活动周期内股骨相对于胫骨的内/外翻角、内/外旋角、屈曲/伸展角、前/后位移、上/下位移以及内/外位移等6个自由度数据并保存。采用Matlab软件提取每个受试者的数据，将多周期数据拟合成1个周期并导出。通过Excel软件确定每个自由度数据的最大值和最小值，以两者的差值作为该自由度的活动范围。

图1　外侧盘状半月板患者MRI图像（白色箭头指向为损伤部位）

图2　Opti_Knee®设备组成 2A设备基本组成 2B红外光发射/接收设备 2C红外光感应器及其体外固定

1.3统计学分析

采用SPSS 13.0统计软件进行数据处理。计量资料以均数±标准差（x-±s）表示，损伤组与正常组6个自由度最大值、最小值以及活动范围的比较采用两独立样本t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.1两组运动角度最大值、最小值及变化范围比较在步行状态下，损伤组膝关节最大外旋角、最大内旋角均低于正常组，而最小屈曲角则较正常组显著增大（P＜0.05）；外翻角、内翻角和屈曲角的最大值与正常组相比均无统计学差异（P＞

0.05）。见表1。

如图3所示，在步行状态下，损伤组患者膝关节的内/外旋角度范围（10.5±1.1）°较正常组膝关节的（15.1±0.5）°显著减小（t=—17.515，P= 0.000）。但比较损伤组和正常组的内/外翻角[（6.0±0.5）°vs（5.9±1.5）°]和屈曲/伸展角[（54.0±5.1）°vs（55.8±5.1）°]，差异均无统计学意义（t=—0.245，—1.381；P=0.808，0.180）。

2.2两组位移最大值、最小值及变化范围比较

在步行状态下，损伤组患者股骨前移、后移和外移最大值均较正常组显著减小（P＜0.05）；而在股骨上移最大/最小值与外移最小值方面，两组比较，差异无统计学差异（P＞0.05）。见表2。

如图4所示，损伤组患者膝关节的前/后位移范围明显小于正常膝关节[（0.86±0.08）mm vs（1.40±0.12）mm，t=—13.082，P=0.000]；内/外位移范围比较也得出类似结果[（0.72±0.12）mm vs（1.03±0.07）mm，t=—13.091，P=0.000）。但两组膝关节上/下位移范围比较，差异无统计学意义[（1.38±0.29）mm vs（1.35±0.22）mm，t= 0.609，P=0.548]。

表1　正常与外侧盘状半月板损伤膝关节运动角度比较结果（±s，n=24，°）

表1　正常与外侧盘状半月板损伤膝关节运动角度比较结果（±s，n=24，°）

膝关节运动角度最大外翻角最大内翻角最大外旋角最大内旋角最大屈曲角最小屈曲角正常组2.320±0.362 3.655±0.453 7.457±0.486 7.657±0.530 62.719±4.288 6.879±1.083损伤组2.732±0.990 3.161±1.353 5.343±0.703 5.111±0.566 63.960±5.440 9.927±1.451 t值1.733 1.608—11.550 13.603 0.918 10.429 P值0.097 0.121 0.000 0.000 0.368 0.000

图3　正常与外侧盘状半月板损伤运动角度范围比较 图4正常与外侧盘状半月板损伤股骨位移范围比较

表2　正常与外侧盘状半月板损伤股骨位移比较结果（±s，n=24，mm）

表2　正常与外侧盘状半月板损伤股骨位移比较结果（±s，n=24，mm）

股骨位移股骨前移最大值股骨后移最大值股骨上移最大值股骨上移最小值股骨外移最大值股骨外移最小值正常组1.10±0.108 0.30±0.06 1.62±0.11 0.27±0.2 1.35±0.16 0.32±0.13损伤组0.66±0.05 0.20±0.08 1.61±0.21 0.23±0.24 1.07±0.10 0.35±0.06 t值—19.072 3.930—0.010—0.773—9.589 1.130 P值0.000 0.001 0.921 0.447 0.000 0.270

3　讨论

3.1盘状半月板的损伤机制及临床诊断

盘状半月板是因半月板发育异常导致其增大、增厚，进而形成的近似盘状的结构。盘状半月板占据了股骨髁和胫骨平台之间更多的空间，不利于膝关节的负荷传导[7]，膝关节正常活动时会在关节间隙产生病理性作用力[8]，进而导致半月板损伤甚至断裂，出现疼痛、肿胀、关节绞锁、关节活动受限等临床表现[9]。一旦出现损伤，将会导致软骨磨损加剧，进而诱发关节的退变[10]。临床上一般结合患者症状表现和影像学特征来明确诊断，X线可辅助诊断，但特异性不高，往往需要进行MRI检查[11]。

3.2膝关节稳定性的评估研究

膝关节稳定性测试是膝关节功能评估的重要内容。既往主要依靠体格检查和影像学检查来完成，其中体格检查与医师的临床经验以及患者受伤部位周围的肌肉状态关系密切，既缺乏统一的标准，又无法量化评价膝关节的稳定性；影像学检查可以较好地获取受伤部位的解剖信息，尤其是对于盘状半月板患者，MRI检查确诊率较高[12]，但仅依靠单纯的静态解剖结构图像并不能全面评价膝关节功能。从运动学和运动力学角度研究膝关节稳定性是目前运动医学的新热点，膝关节损伤后关节内部生物力学环境发生改变，关节在运动时其运动学参数将出现一定变化，通过运动学分析可以诊断和评估损伤的程度、评价手术治疗效果以及指导术后康复计划的制定[13-15]等。

最早用于膝关节运动学参数测量的设备是KT-1000/2000，可以量化观察膝关节的移动[16]，但只能监测股骨与胫骨在单平面上的相对位移；李鉴轶等[17]利用2D/3D配准技术建立膝关节稳定性在体评价系统，通过二维平面图像与三维结构的已知位点进行配准，建立三维结构模型，能够对膝关节的运动功能进行全面评价，但配准过程比较繁琐，操作不便。红外光导航技术是新型三维空间定位技术，在人体表面固定数个红外光感应装置，人体运动时即可对移动中的光感应装置进行实时记录，并分析膝关节的三维活动情况，操作简单，数据可靠。目前在关节领域，该技术已开始用于交叉韧带损伤的早期临床诊断[18-19]以及手术前后膝关节功能的对比研究，是膝关节临床诊断技术的有效补充。

3.3盘状半月板损伤患者的步态分析

3.3.1运动角度 正常膝关节在伸直的最后阶段，胫骨相对于股骨呈外旋，而屈曲时则相对股骨内旋，在此过程中半月板会出现适应性的微动[7]。由于盘状半月板的高度和宽度较正常半月板异常增大，其覆盖胫骨平台关节面的面积也增大，占据了一定的关节腔空间，因此当关节内外旋活动时就会带来非生理性的水平剪力，限制半月板的适应性微动，如此既容易导致并加重盘状半月板损伤的程度，也使膝关节的内外旋活动范围受到限制，内/外旋角度最大值及活动范围均明显缩小。此外，在步行过程中的膝关节逐渐伸直阶段，由于盘状盘月板体积比正常盘月板体积大，关节腔变窄，且损伤后引发疼痛，因而患者膝关节伸直受限，从自由度数据上体现为损伤组屈曲角最小值较正常组显著增大；而在膝关节弯曲过程中，膝关节腔间隙不断增大，亦不存在压迫，损伤的盘状半月板对这一过程影响较小，从自由度数据上则体现为两组的屈曲角最大值和屈伸范围均无统计学差异。

3.3.2位移 本研究结果提示，外侧盘状半月板损伤膝关节的前/后位移和内/外位移范围均较正常半月板显著减小。推测主要有两方面原因：一方面是因为盘状半月板解剖外形比正常半月板更宽更高，导致关节活动受限，位移范围受到影响；另一方面则是由于外侧盘状半月板损伤患者进行膝关节活动时，股骨相对于胫骨的水平位移将对受损区域产生一定的压迫，进而引发疼痛，导致患者步行时会有意减小或避免这类压迫以缓解疼痛。两方面共同作用使股骨相对于胫骨平面的水平位移（前/后位移与内/外位移）受限。从自由度数据上体现为损伤组股骨前/后位移最大值、股骨前/后位移范围、股骨外移最大值以及股骨内/外位移范围均较正常组显著减小。由于盘状半月板损伤位置为外侧，股骨向内移动时未受到损伤部位的限制，从自由度数据上表现为损伤组股骨外移最小值与正常组相似。而上下位移受重力及韧带完整性影响较大，本研究受试者在检测前已排除韧带损伤的可能性，因此上下位移范围并不因外侧盘状半月板损伤而产生明显变化，本研究结果亦显示，损伤组股骨上移最大值、最小值与股骨上/下位移范围均无异于正常组。

本研究采用体表骨性标记点的配准定位方法，基于红外光导航技术分别对正常人与外侧盘状半月板损伤患者的膝关节三维步态数据进行采集分析，对比其在6个自由度上的差异，为临床诊断评估提供准确的膝关节运动学功能信息，操作简便，效率较高。未来该技术还可对外侧盘状半月板患者术后运动功能的恢复情况进行实时快速的检测分析，准确反馈患者术后的康复进展情况，指导患者更好地开展康复训练。但由于该方法采用体表标记，实际操作中存在一定误差，需要进一步加以改进；此外，该研究只对外侧盘状半月板患者的步态数据进行采集，并未检测内侧盘状半月板损伤患者以及未出现损伤盘状半月板患者的步态数据，需要在后续工作中加以完善。

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In vivo study on kinematic parameters of knee joints of the patients with lateral discoid meniscus injury

LIN Zefeng,ZHANG Yu,MA Limin,YAO Zilong,HUANG Wenhan.Hospital of Orthopaedics,Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command,Institute of Traumatic Orthopaedics of PLA,Medical Center of Assessment,Prevention and Treatment of Bone&Joint Diseases,Guangzhou,Guangdong 510010,China

ObjectiveTo collect the in vivo kinematic parameters of knee joints of the patients with lateral discoid meniscus injury,and to explore the application value of infrared optical navigation technology in the evaluation of in vivo knee joint stability of the patients.Methods Six degrees of freedom(DOF)of knee joints in 24 normal human(control group)and 24 patients with lateral discoid meniscus injuries(injury group)were collected respectively by in vivo Opti_Knee®assessment system using infrared optical navigation technology, then the ranges of six DOF were calculated.Results Compared with the data in control group,the maximum and the variation range of internal/external rotational angles,anterior/posterior displacement decreased significantly (P＜0.05),and the maximum of femoral outer displacement as well as the variation range of inner/outer displacement also reduced obviously(P＜0.05);While the minimum of flexion angle increased significantly(P＜0.05).Conclusions The kinematic parameters including internal/external rotational angles,anterior/posterior and inner/outer displacement of knee joints in the patients with lateral discoid meniscus injury changed obviously. Infrared optical navigation technique has the advantages of rapid examination and simple procedure with reliable results,which is a good choice to evaluate the in vivo stability of knee joint of the patients.

Discoid meniscus;Knee injuries;Kinetics;Gait;Range of motion,articular;Infrared optical navigation

R684.76，R319.9

A

1674-666X（2014）05-0291-06

2014-08-02；

2014-09-11）

（本文编辑：白朝晖）

10.3969/j.issn.1674-666X.2014.05.006

广东省骨科矫形技术及植入材料重点实验室基金（[2011]233-32）

510010广州军区广州总医院骨科医院，全军创伤骨科研究所，骨关节疾病医学评估与防治中心

E-mail：lzefeng_scut@126.com