基层士兵踝关节软骨厚度及负荷下厚度变化的MR研究

章思竹 张乾营 彭伟生 黄莹 阿浣 韩晓兵 张善幽 刘娜红 刘旭红

军事训练是军人的必修科目，尤其是基层士兵，训练时间与强度更为繁重，长期的军事训练对踝关节软骨都会有一定影响。既往有学者对运动员软骨厚度的研究，大部分是观察膝关节软骨，并且大多是静息状态下（非负荷下）的软骨，并不能全面评价长期处于体育运动或军事训练的软骨应力情况；本次试验研究不仅对比了静息状态下基层士兵和对照组之间踝关节软骨厚度的差异情况，并利用自制下肢关节负荷装置，得出负荷下踝关节软骨厚度变化的差异情况，进一步对基层士兵踝关节软骨应力情况进行研究分析。

资料与方法

1.研究对象

以20 例入伍两年以上的青年基层士兵为实验组（每周军事训练总时长平均约24.6 h），20 例青年健康人为对照组（每周体育运动总时长平均约2.3 h）。纳入标准：（1）性别为男性；（2）年龄20～25 岁；（3）身高170～178 cm；（4）无MR 扫描禁忌证。排除标准：（1）有踝关节手术史及其他病史；（2）无法耐受负荷下检查。本研究通过院伦理委员会审核，受试者均签署知情同意书。

2.影像检查方法

采用Siemens Skyra 3.0 T 磁共振扫描仪，利用头颈联合Head/Neck 18 通道线圈，扫描序列为T1VIBE 3D FS 序列。利用自制下肢关节负荷装置，模拟人体站立状态，对右踝关节施加约55%体重的负荷（根据双足承重学说，右足承受55%的体重）；两组受试者分别于加压前后对右踝关节软骨进行磁共振扫描。成像参数：T1VIBE 3D FS 序列图：TR 10.5 ms，TE 4.92 ms，视野150 mm×150 mm，矩阵256×256，扫描时间2 min 16 s。

3.测量与计算方法

利用第三方工具Digimizer（医学图像分析软件）测量；在MRI 的T1VIBE 3D FS 序列上对踝关节软骨厚度进行测量，测量的踝关节软骨厚度值为距骨软骨和胫骨软骨的厚度值总和。在踝关节MRI 冠状位进行定位，在近正中矢状位选取踝关节外侧、中间、内侧三个矢状位，并在相应矢状位图像中进行测量，在矢状位图上做胫骨关节弧面前后最低点的连线，沿该线段中点做垂直线，垂直线上与距骨关节面、胫骨关节面两个交点之间距离即为踝关节软骨厚度值（图1）。所选取的测量点接近于正中冠状位，在正中冠状位上胫骨软骨与距骨软骨之间几乎无明确界限。本研究采用软骨厚度压缩比率来评价负荷下踝关节软骨压缩情况。

图1 矢状位图上进行测量

4.数据处理

采用SPSS 26.0 软件，两组间的年龄、身高、体重差异分析采用独立t 检验。两组受试者各自3个部位踝关节软骨厚度与年龄、身高、体重的相关性采用Pearson 简单相关系数检验分析，两组间的加压前踝关节软骨厚度值差异分析采用独立t 检验；两组受试者各自3 个部位软骨的加压前后两次厚度值间对比分析采用配对t 检验；两组间的负荷下踝关节软骨厚度压缩率差异分析采用独立t 检验；青年男性基层士兵3 个部位软骨负荷下厚度压缩率与每周训练总时长的相关性采用Spearman 简单相关系数检验分析。P＜0.05 为差异具有统计学意义。

结果

实验组与对照组两组间的年龄、身高、体重差异无统计学意义（P＞0.05）；两组受试者各自3 个部位踝关节软骨厚度与年龄、身高、体重均无相关性（P＞0.05）；两组间的外侧、中间、内侧3 个部位踝关节软骨厚度值差异均具有显著统计学意义（P＜0.001）（表1）；青年男性基层士兵加压前后踝关节软骨两次厚度值差异、健康男性对照组加压前后踝关节软骨两次厚度值差异均具有显著统计学意义（P＜0.001）（表2、3）；两组间的外侧、中间、内侧3 个部位负荷下踝关节软骨厚度压缩率的差异均具有显著统计学意义（P＜0.001）（表4）；青年男性基层士兵的外侧、中间、内侧3 个部位负荷下踝关节软骨厚度压缩比率和每周训练总时长均具有相关性（P＜0.001）（图2）。

表1 两组间踝关节软骨厚度值比较（mm，）

表1 两组间踝关节软骨厚度值比较（mm，）

表2 青年男性基层士兵加压前后踝关节软骨厚度变化（mm，）

表2 青年男性基层士兵加压前后踝关节软骨厚度变化（mm，）

表3 健康男性加压前后踝关节软骨厚度变化（mm，）

表3 健康男性加压前后踝关节软骨厚度变化（mm，）

表4 两组间负荷下踝关节软骨厚度压缩率比较（%，）

表4 两组间负荷下踝关节软骨厚度压缩率比较（%，）

讨 论

1.基层士兵与对照组软骨厚度值差异分析

机械刺激被认为是骨关节系统的调节器，深刻地影响负重关节软骨及软骨下骨的健康发育、生长及适应［1］；功能适应是组织根据特定环境要求发展和维持其结构的能力［2］，在高应变运动中，关节软骨可能通过增厚进行功能适应［3］。在膝关节中，行走、骑自行车和跑步等活动中的负荷会导致骨密度和软骨厚度的变化，并会形成相应依赖性［4］。Bini 等［5］研究表明，体育运动与软骨厚度的增加有关，相反，在没有机械刺激的情况下，关节软骨会萎缩［3］。本次研究结果表明，经过军事训练的基层士兵踝关节软骨厚度值高于对照组，与Grzelak 等［3］、Babayeva 等［6］研究运动员的软骨厚度较久坐的人要更厚的结果相仿。在一定水平动态负荷下通过软骨与软骨接触可能为软骨厚度变化提供一个有利的机械环境［7］，软骨-软骨接触区内较厚的软骨会减少接触应力，在相同负荷条件下，较厚软骨比较薄软骨承受更低的接触应力峰值，较厚软骨可提供较好的负载吸收［8］；当然也有人研究结果持相反观点，Eckstein 等［2］报告表示铁人三项职业运动员与正常人软骨厚度并无明显差别，并表示关节软骨是没有血管，其营养主要来源于关节滑液的渗透，增厚的软骨不利于其营养代谢；然而，本研究表明在负荷下关节软骨厚度值会减小，说明人体在站立或运动过程中，软骨是压缩的、其厚度变薄，而且基层士兵软骨厚度压缩比率更大，因此，对于长期训练的士兵或运动员，增厚的软骨并不影响其营养代谢，反而运动挤压可以促进滑液进入软骨基质营养细胞［9］，刺激软骨生长。因此，本研究认为基层士兵踝关节软骨增厚是一种潜在的适应机制。

2.加压前后踝关节软骨厚度变化的分析

图2 青年男性基层士兵负荷下踝关节软骨厚度压缩比率和每周训练总时长的相关性

关节软骨是由固体基质及其间质液体组成的生物复合材料，固体基质主要由胶原和蛋白聚糖组成，其力学性能取决于基质与液体之间的相互作用［10］；软骨内的液体主要提供较大的静水流体压力，以保护软骨固体基质免受可能导致组织破坏的高剪切和拉伸应力［11］。Harkey 等［12］研究表明，在动态或静态荷载作用下，关节软骨会发生一定程度的变形，在去除荷载后，软骨缓慢恢复成原来状态；在一天的活动中，关节软骨厚度会随之改变［13］。本次研究表明，在负荷下踝关节软骨会压缩变薄；在给关节软骨施加负荷过程中，荷载最初由组织内间质静水流体压力支撑，随后间质液体在基质中重新分布，软骨开始变形；在持续负荷条件下，流体将逐渐从组织中排出，降低水压，引起更多变形；最终，静水压力接近零，流体流动停止，整个负荷由软骨固体基质支持［14］。既往研究［15］表明软骨固体基质是几乎不可压缩的，软骨压缩应变主要取决于基质间的流体；因此，负荷下关节软骨压缩变薄，是由于流体在软骨内重构引起软骨变形或因为流体从软骨内流出导致软骨缩小。

3.负荷下踝关节软骨厚度压缩率差异的分析

关节软骨减少应力的相关生物学机制是关节表面积增加［16］，因为关节软骨的功能是提供一个无摩擦的光滑表面，将负载相对均匀地从一个关节面传递到另一个关节面［17］，更大的软骨表面积提供较大接触面积，机械力重新分布范围也越广，从而使关节表面的应力保持在合理范围内［2,18］。在负荷情况下，关节软骨主要通过压缩变形来提供较大的关节软骨表面积。为了排除软骨初始厚度的影响，本研究采用软骨厚度压缩比率来评价负荷下踝关节软骨的压缩情况。结果表明基层士兵在负荷下软骨厚度压缩率明显高于对照组，且每周军事训练时长越久、压缩率相对越高，软骨的压缩应变，与其负载程度相关，较大的压缩应变可以消散更大力量［15］，说明基层士兵在繁重的军事训练中，需要较大的软骨压缩应变功能适应。当然并非压缩应变越大，就能够带来更大好处；过度的压缩应变，也可能提示早期软骨损伤。Cher 等［19］研究表明，运动后踝关节胫骨软骨经历了3%的整体压缩应变、距骨软骨经历了2%整体压缩应变，负荷后压缩应变若发生异常改变，可能提示软骨损伤，将导致踝关节发生退变。Brett 等［20］也指出关节软骨过度的压缩变形，会破坏软骨的正常稳态，可能是早期骨性关节炎的原因。

综上所述，本研究提供了静息状态及模拟站立状态下踝关节软骨厚度的相关定量参数，进一步研究软骨对运动训练的反应情况。