膝关节体内运动评估在前交叉韧带损伤重建中的应用

仇嘉宇 王聪 赵金忠

前交叉韧带(ACL)损伤后,膝关节稳定性降低，并伴有运动学与动力学改变。前交叉韧带功能缺失(ACLD)与半月板损伤、软骨退化和骨关节炎(OA)发展密切相关[1]。ACL重建术等旨在恢复膝关节稳定性和关节接触模式，然而其体内运动学效果及远期能否延缓OA发生尚存在争议[2]。可靠的体内运动学评估能精确计算不同损伤及重建术后关节空间位置变化、韧带长度变化及接触点轨迹，为损伤机制理解和手术方式改进提供重要依据[3]。动态测量膝关节运动学参数的技术主要有光学运动捕捉系统、2D-3D配准技术及动态CT和MRI技术等[4]。

1 光学运动捕捉系统

目前主流的光学运动捕捉系统有VICON、Motion Analysis、NDI及Opti-Knee系统等。这些系统一般沿用基于红外追踪的体表反光标志物位点[5]。而放射体摄影术(RSA)则是通过有创植入性标志物(钽珠)联合X线透视成像。虽然RSA精确度极高，但由于有创性和辐射性，一般仅用于动物或尸体标本研究。

1.1 检测平台与方法

光学运动捕捉系统原理是通过红外线发光摄像，确定反射性体表标志物的三维空间坐标，并结合地面压力及肌电传感器采集到的参数进行动态分析。体表标记位点分别位于髂前上棘、股骨大粗隆、股骨内外上髁、胫骨结节、外踝、足跟、第五跖骨头和骶骨等[6]。患者在手术前后采集运动学数据，并根据自身的解剖学特征及基线运动学特征进行修正。通过标志物空间坐标可推导计算胫股关节六自由度数据，包括屈曲角、轴向旋转、前后和水平移动及内外翻角度等[7]。体表标志固定方式和位置需随不同任务进行调整[8]。

1.2 ACL运动学研究

1.2.1 运动学分析

通过光学运动捕捉系统检测平台能对多种运动时空参数进行量化分析。对于运动需求较低的群体，可在该平台下进行行走步态、上下台阶和下蹲等动作分析，以模拟日常膝关节活动情况，通过异常膝关节运动判断其远期磨损趋势[9]。Armitano等[10]研究发现,ACL损伤重建会影响术后行走过程中上半身的运动控制。Di Stasi等[11]对42例ACL重建术后6个月的患者进行三维步态分析，发现其中下肢功能受限的患者表现出不对称的异常步行模式，在步态周期摆动期患膝关节屈曲减小。Chouliaras等[12]采取对照研究比较使用髌腱与腘绳肌腱移植物进行ACL重建的患者下楼梯时膝关节运动学表现，结果发现术后两组患者均恢复膝关节前后向稳定性，但膝关节旋转稳定性均未恢复，使用腘绳肌腱移植物进行ACL重建对于维持健侧膝关节正常运动学相对有利。

近年来的研究逐渐纳入包括急停、变向、落地等高要求的动作，使膝关节在检测过程中需要阻抗较高的旋转应力，进而模拟ACL非接触损伤机制，以助判断患者是否能够重返对抗性运动[13-15]。Xergia等[16]对22例ACL重建术后6～9个月的男性运动员进行功能性跳跃测试，发现与对照组相比，实验组在功能性跳跃测试中表现出明显的双膝运动不对称。 Ithurburn等[17]跟踪随访发现，ACL重建术后2年单腿跳跃落地双膝运动学不对称患者膝关节功能明显下降。膝关节屈曲角度减小的同时施加轴向应力可能致使ACL张力增加，从而导致损伤。

此外，ACLD的一系列合并损伤也被纳入研究。Zhang等[2]对56例单侧ACLD合并不同类型半月板损伤患者进行检测，发现在行走时半月板损伤位置和ACLD是改变膝关节运动学的独立因素。Schliemann等[18]对60例急性ACL损伤行重建或韧带修补的患者进行三维步态分析，发现两种手术方式对步态影响无显著差异。Akpinar等[19]对57例ACL重建术后随访患者进行步态分析，发现伴内侧半月板损伤的ACLD患者胫骨明显前移，而单纯ACLD患者胫骨位置则无明显变化。

1.2.2 动力学分析

光学运动捕捉系统可以量化膝关节动力学参数如关节角度、关节合力与合力矩等。研究发现，ACL重建术后6周内少数患者(14%～20%)表现出股四头肌规避步态[20]，即在步态周期站立支撑期膝关节伸展增加，摆动期膝关节屈曲减小。股四头肌规避步态会造成胫骨向前移动的剪切力，从而避免膝关节出现不稳定[21]。与正常者相比，ACL重建术后早期患者在步行周期站立支撑期膝关节内收力矩增大[22]。Erhart-Hledik等[23]研究发现，ACL重建术后2～8年患者在步态周期中的屈收膝阶段时长和关节力矩变化与软骨应力分布相关。Pietrosimone等[24]则发现在行走步态中，有症状的ACLD患者与无症状的ACLD患者在ACL重建术后早期(12个月内)和远期(24个月后)垂直体面反作用力明显不同。

此外，光学运动捕捉系统还可以结合肌电图等检查手段分析ACL重建术后神经肌肉控制的情况。Tsai 等[25]研究发现，在功能性活动中腘绳肌肌电活动增加，而股四头肌肌电活动减少，这可能是由于ACL重建术后患膝为适应功能性活动而表现出神经肌肉代偿策略。Leiter 等[26]研究认为，股四头肌力量下降可减少胫骨前移，从而在一定程度上减少ACL张力。

1.3 优缺点

光学运动捕捉系统的缺陷在于需要将标志物贴于皮肤表面，因此存在软组织运动过程中移动的误差，不能准确反映骨骼运动[27]。该技术的优势在于视野范围较大，能同时追踪多个关节大幅度运动。随着运动影像系统、无创穿戴式传感器发展和算法更迭，该技术可以进一步测试地面作用力变化、肌电活动等情况，从而归纳损伤机制并指导术后康复，应用范围广泛[28-30]。

2 2D-3D配准技术

2D-3D配准技术又称2D-3D图像模型注册技术，无需使用标志物而直接通过透视确定动态骨骼轮廓，是目前较流行的关节运动学研究技术。该技术先通过CT或MRI重建关节三维模型，随之与动态二维X线透视影像实时配准，以获取相对精确的关节六自由度运动学数据。

2.1 检测平台与方法

2D-3D配准技术需构建虚拟坐标环境。受检者位于固定的X线成像区域以采集二维X线影像，在标准化构建的虚拟环境(X,Y,Z空间坐标系)中通过三维模型配准确定空间位置。单平面透视系统精度在旋转方向上可达1°，位移在透视方向以外的X,Y平面精度达到0.5 mm[31]。双平面正交荧光透视成像系统能补足单个透视平面在投射方向上的精度缺陷。该技术中最关键的步骤是确定2个透视平面的相对位置关系，并通过空间矫正精确还原关节体内运动。该技术能达到平均0.33 mm的位移精度和0.74°的旋转精度。

2.2 ACL运动学研究

近年来ACL重建技术不断精进，有许多研究采用2D-3D配准技术比较不同ACL重建技术对膝关节运动的影响。Tashman等[32-33]开发了250 Hz的超高速动态X线监测系统，并用于分析ACLD患者经非解剖单束重建后下坡跑时的运动学规律，发现重建后膝关节虽然前后移动恢复，但胫骨关节旋转角度发生改变。Abebe等[34]研究发现，即使进行单束重建，接近解剖的重建依然能较好地还原正常膝关节运动特征。Vignos等[35]研究发现，非解剖位置的ACL移植物会导致膝关节运动异常和关节接触模式改变。Anderst等[36]通过应用高速双平面监测系统发现，严格的双束解剖ACL重建能使患膝各项运动学指标恢复至与正常膝无显著差异。而Hoshino等[37]则发现，无论单束还是双束重建均无法完全还原胫骨关节旋转稳定性和关节接触模式。

通过计算CT图像上的骨骼模型关节面最近距离或MRI图像上的软骨模型重叠中心，可得出胫股关节接触点轨迹，这两种方法的可重复性和精确性都已得到证实[38-40]。Miyaji等[41]研究不同动作下ACLD膝关节和正常膝关节的接触轨迹，发现ACLD膝关节在内侧胫骨平台的接触点较正常膝关节偏后，而不同动作下外侧平台接触点缺乏统一规律。Yang等[42]分析8例陈旧性单侧ACLD患者在平地走和下坡跑时的运动学与接触点表现，发现即使患者没有感到膝关节不稳，在运动时患侧胫骨依然相较健侧有显著前移，且在下坡跑时胫股关节接触点位置显著前移。关节六自由度运动学数据中膝内外翻自由度与内外侧接触轨迹距离呈正相关，内外旋自由度则与内外髁滑移距离差值呈正相关，因此其能同时反映关节稳定性和接触面摩擦趋势。

通过三维骨骼模型的空间位置和韧带足印区可以模拟韧带体内长度变化。Hosseini等[43]构建了基于双平面和MRI的计算机体内韧带仿真系统，发现在施加膝关节轴移应力时，ACL后束纤维较前束伸长量更大。该规律提示，ACL后外侧束限制膝关节旋转作用较前内侧束大。

2.3 优缺点

2D-3D配准技术的主要优点有精度高且不受软组织影响、单次辐射剂量小、无需进行有创植入。由于该方法用三维建模还原了骨骼形态，有助于量化研究膝关节病变造成的运动学改变和不同手术对关节运动的影响。然而，受限于传统C形臂X射线机较小的透视视野，荧光成像无法达到光学运动捕捉系统的监测范围，且正交放置的双平面系统视野会进一步缩窄，致使该技术无法监测膝关节大范围活动(如跳跃、侧切跑等)。该技术不宜多次重复进行测量，较小的监视范围也无法同时检测多关节运动。传统荧光透视系统还存在曝光时间较长、采样帧率较低的弊端，故无法监测快速、剧烈的运动。不同的检测动作也会导致运动学和接触轨迹特征发生较大改变，难以总结出普适规律[44]。该技术操作过程较为复杂，后续数据处理工作量大，测试费用昂贵，因此无法满足大样本研究的需求。

3 动态CT和MRI 技术

传统CT和MRI检查需在封闭线圈内完成，且只能捕捉静态影像。最初的动态监测其实是使用开放或介入的方法在不同时间点或屈曲角度下分别监测关节运动状态，故实质上依然是数个静态监测的合并。1997年起，动态CT和MRI技术逐步应用于髌股关节动态稳定性检查，随后被逐渐发展并推广[4,45-47]。

3.1 检测平台与方法

动态CT或MRI检测设备和成像原理与常规静态检查并无实质性差异。Dupuy等[48]于1997年最早提出使用10 s连续曝光的CT监测非负重状态下髌股关节活动。Muhle等[45]提出用特殊的支具辅助膝关节在MRI和CT线圈范围进行活动并监测髌股关节。在特殊支具、气囊或带有传感器的挡板辅助下，患者能于平卧位在闭合线圈内进行小范围缓慢屈膝(通常小于45°)，也能进行肌肉等长收缩和抗阻活动[49]。患者也可俯卧于线圈内使股四头肌完全放松进行测试。Logan等[46]于2004年首次提出将MRI的线圈平行于膝关节屈伸平面放置，并利用特殊的MRI追踪装置采集患者0°～90°屈膝下蹲时的动态影像。该技术被称为“垂直开放式介入性MRI”。

3.2 ACL运动学研究

动态CT检测主要应用于髌股关节体内运动学研究，ACL运动学研究一般由动态MRI检测完成[50]。Logan等[46]利用动态开放MRI追踪装置采集患者0°～90°屈膝下蹲时的动态影像，发现ACLD患者更易在下蹲过程中出现胫骨前向移位。ACLD患者胫骨相较正常者膝关节更易发生轴移，且半脱位现象明显[51]。双束解剖ACL重建较单束解剖ACL重建能更好地还原膝关节旋转稳定性[52]，而如果股骨侧隧道过浅，则会导致前外侧旋转松弛[53]。近期有研究使用动态开放MRI检测正常者非负重屈膝时ACL长度和ACL与股骨髁间凹夹角，发现在0°～90°屈膝范围内，屈曲角度越大，ACL越长，其与股骨髁间凹夹角也越大[50]。

3.3 优缺点

动态CT和MRI技术的优势在于分辨率高，能直接对采集的骨、软骨、韧带等数据进行重建，从而实时监测运动过程中软组织变化。其缺陷在于严格意义上不能反映正常关节连续运动特征，也无法反映功能运动(承重运动)时的关节运动。此外，连续曝光的CT辐射较大，并不适合用作常规检查。同时，该检测在闭合线圈内的膝关节活动范围有限，即使在特殊器械辅助下亦无法完成大角度和复杂的运动。因此，动态CT和MRI技术在膝关节运动损伤中的应用范围不如光学运动捕捉系统和2D-3D配准技术，近年来也并无突破性发展。

4 展望

近年来随着影像系统和无创传感追踪系统的发展，量化ACL相关的膝关节体内运动方式日益多样化和精确化。光学运动捕捉系统能完成较大范围的动态运动测量，但受到软组织移动误差的限制。2D-3D配准技术相对精确，但操作繁琐，后续数据处理耗时长，可观测范围小。动态CT、MRI技术精确度较高，可观察软组织变化，但难以完整连贯地监测分析日常功能运动。

未来ACL相关运动学分析可结合上述多种检测方式，并建立不同手术、不同任务模式下关节运动学与动力学数据库。该数据库需尽可能囊括各种手术方式及多中心病例，对患者性别、人种、年龄、体质指数(BMI)、下肢力线及运动习惯等分类讨论，以适用于各类群体的比较。此外，还可追加特殊传感器监测肌肉发力和软组织张力等，为膝关节运动损伤预防、手术方式选择和术后康复提供指导。针对目前精确度较高但分析过程较为复杂的方法，需要开发并优化算法，扩充样本量，缩短检测周期，从而推广、转化至临床应用。同时，针对ACL损伤和相关手术造成的OA变化，需通过上述技术进行长时间随访，从而归纳总结创伤后OA发生发展机制和一般规律。由此，膝关节体内运动评估将更好地指导手术方式改进和康复计划制定。