前交叉韧带损伤后膝关节内侧间室有和无创伤后骨关节炎患者的髋关节生物力学研究

徐立国 杨自兵 徐杰 孙继峰

前交叉韧带(Anterior cruciate ligament,ACL)损伤后关节运动学和动力学的改变可使关节软骨承重区的位置和大小发生变化,从而直接和间接引发关节退行性变,ACL 损伤后早期膝关节生物力学的改变与胫股关节的OA 有关［1,2］。为了探究评估ACL 损伤和重建后早期(5 年内)有和无创伤性膝OA 患者在髋关节生物力学方面是否存在差异改变,及与继发创伤性膝OA的关系。本文前瞻性收集19 例ACL 损伤的患者,应用步态分析明确ACL 损伤后发生创伤后膝OA 患者的生物力学存在改变,以期为临床疾病诊治提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料 本研究共纳入2015 年1 月～2016 年1 月在日照市中心医院进行诊断与治疗的14～51 岁完全性单侧ACL 损伤≤7 个月的19 例患者。纳入标准：Lachman 试验阳性且胫骨前偏移差异≥3 mm；在受伤前,患者经常参加Ⅰ级(如足球、篮球等)或Ⅱ级(如网球、高山滑雪等)削减和旋转活动,并且在受伤后表现出膝关节动力学不稳定的特征。排除标准：可修复的半月板损伤；其他膝关节韧带的症状性Ⅲ级损伤；全层关节软骨病变>1 cm2。本研究经日照时中心医院伦理审查委员会批准实施,所有患者都签署了知情同意书。

1.2 方法 19 例患者受伤均≤7 个月,且在渗出液、运动范围受限、疼痛和步态异常等初始损伤明显缓解后入组,经物理治疗,患者患侧股四头肌强度至少达到健康肢体的70%。入组后,患者进行了10 次术前康复训练以进一步恢复下肢力量和神经肌肉控制功能。所有患者均通过自体股薄肌肌腱或同种异体软组织移植物移植进行了ACL 重建,术后早期完成了标准的渐进式康复训练。在5 个时间点即：初始损伤明显缓解后(基线)；完成10 次术前康复训练后(术前康复训练后)；ACL 重建后6 个月时(术后6 个月时)；ACL 重建后1 年时(术后1 年时)；ACL 重建后2 年时(术后2 年时)完成步态分析。ACL 重建术后3 个月、6 个月、1 年、2 年、5 年进行膝关节负重位X 线影像学检查。

1.3 观察指标及判定标准

1.3.1 步态分析 在5 个时间点收集运动学数据,8 台120 Hz 红外线摄像机对放置在髂骨嵴、大转子、股骨内外上髁、内踝和外踝、上足和下跟、第一跖骨底和第五跖骨底的16 mm 球状逆向反射标记进行探测。每个带有4 个标记的刚性热塑性外壳横向固定在每侧大腿和小腿上,将带有3 个标记的骨盆壳固定在髂后上棘中间,以追踪步态过程的节段运动。使用站立校准来确定关节中心,并为每个节段创建局部坐标系。患者以自由速度沿着一条6 m 长且带有1080 Hz 嵌入式测力板的步道行走。在基线测试阶段确定行走速度,在其他时点使用计时系统使步速保持在±5%范围内。使用反向动力学自定义软件确定站姿相位关节角度和外部力矩作为5 次步行试验的平均值。运动学和动力学数据分别在6 Hz 和40 Hz 处进行了低通滤波过滤。初始接触和站姿结束用50 N 阈值进行识别。目标变量为步态周期站立相矢面及站立相(前50%)额面髋关节峰值角度和力矩,以站立相髋关节屈曲和伸展角度峰值之间的差异计算髋关节偏移量,此外还以伤肢减健肢的方法计算了双下肢关节角和外部力矩的差异。

1.3.2 影像学检查 ACL 重建5 年后,患者完成双侧负重前后屈膝30°影像学检查。用Kellgren-Lawrence X 线分级标准对胫股内侧间室OA 进行分级,Ⅱ级及以上可判定存有OA。

1.4 统计学方法 使用SPSS23.0 对数据进行统计分析,用独立样本t检验及Fisher 精确概率法对ACL 受伤5 年后有和无影像学膝OA 患者的基线特征和伴随损伤进行分析；用两因素混合设计方差分析OA 因素和时间因素对髋关节角度和外部力矩的影响进行评估。P<0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 基线特征 19 例患者均在5 个时间点(基线、术前康复训练后、ACL 重建术后6 个月、1 年和2 年)完成了步态分析。见表1。并在术后5 年进行了影像学检查,其中5 例患者呈现患侧膝关节内侧间室OA 影像学表现,14 例患者无此表现。

表1 19 例患者5 个时间点步态周期中矢状面和额面髋关节运动学和动力学肢体间差异的MDC95

ACL 重建术后5 年,有膝OA 患者的KOS-ADLS评 分(94.9±3.1) 分、IKDC 评 分(89.9±6.3) 分、VAS评分(0.2±0.4)分与无膝OA 患者的(98.5±3.1)、(95.9±7.3)、(0.1±0.4)分比较,差异无统计学意义(P>0.05)。

有和无膝OA 患者年龄、体重、体质量指数(BMI)、性别、重返伤前活动水平、移植物类型、步速比较,差异无统计学意义(P>0.05)。有和无膝OA 患者从受伤到基线、从受伤到ACL 重建、从ACL 重建到影像学检查的时间比较,差异无统计学意义(P>0.05)。有和无膝OA 患者,影像学表现为伤肢膝关节外侧间室OA、健肢膝关节内侧间室OA 占比比较,差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。

表2 ACL 重建5 年后,有和无影像学膝关节内侧间室OA 患者的基线特征和伴随损伤比较(,n)

2.2 髋屈角检测结果 有膝OA 患者在5 个时点测得的髋屈角峰值均值(25.3±2.4)°低于无膝OA 患者的(31.3±1.4)°,差异有统计学意义(P<0.05)。膝OA 患者第1 年时髋屈角峰值肢间差值(伤肢髋屈角峰值-健肢髋屈角峰值)(-2.1±1.3)°低于无膝OA 患者的(1.3±0.8)°,差异有统计学意义(P<0.05)。

2.3 髋关节内收力矩 有膝OA 患者在5 个时点行走时患肢的不对称性髋关节内收力矩均值(-0.05±0.17)Nm/(kg·m)低于无膝OA 患者的(0.09±0.13)Nm/(kg·m),差异有统计学意义(P=0.042<0.05)。

3 讨论

研究结果表明,与ACL 重建后5 年内未发生膝OA 的患者相比,发生膝OA 的患者在术前和术后行走时髋关节屈曲运动较少,不对称性髋关节内收力矩较低。此外,无论5 年时是否存在膝OA,所有受试者在ACL 重建前伤侧肢体均表现出较高的髋关节外屈曲力矩,且在术后2 年内随时间延长而降低［3］。

ACL 损伤后髋关节运动和负荷发生改变,ACL 断裂后,不仅膝关节角度和力矩发生变化,髋关节近端也会发生变化。与ACL 重建术后5 年内未发生膝OA的患者相比,发生膝OA 的患者在ACL 损伤和重建后早期表现出更小的关节角度和更大的不对称性关节力矩［4,5］。本研究发现,膝关节内侧间室OA 患者行走时,双侧髋关节屈曲角峰值较低。发生膝OA 的患者在ACL 重建前和6 个月后会出现不对称性髋关节内收力矩峰值减低,在术后1 年和2 年出现不对称性髋关节外屈曲峰值减低；而未发生OA 的患者患肢与健肢相比,其在5 个时点均表现为髋屈曲力矩对称且不对称性髋内收力矩增高。

本研究分析了膝关节内侧间室有和无创伤后OA患者的髋关节生物力学差异。国外有研究等报道了ACL 重建12 年后发生外侧室膝关节OA 患者的髋关节生物力学表现,与健康对照组相比,ACL 重建后患者的髋屈角峰值更大,但未发现其他髋关节运动学或动力学差异［6-9］,Posthumus 等［10］报告的较大髋关节屈曲角与本研究中膝关节内侧间室OA 患者显示的较小髋关节屈曲角形成对比。这两项研究采用的不同研究方法可解释这种差异。本研究测量了ACL 损伤和重建后2 年内伤肢的髋关节角度和力矩,并与健肢和无OA患者进行比较；Nguyen 等［11］在ACL 重建12 年后测量了髋关节生物力学指标,并与健康对照进行比较,未报告健肢数据。因为影响膝关节内、外侧间室OA 发展的下肢生物力学因素可能不同,这两项研究的结果也可能不同。有研究表明［12］,ACL 损伤后关节载荷能力的降低可能导致膝关节创伤后OA 发展,但载荷因素(本研究显示膝OA 患者的髋屈角和内收力矩不对称性降低)对髋关节软骨的影响仍不明确。本研究表明,膝OA 患者在所有5 个时间点行走时患肢的不对称性髋关节内收力矩(-0.05±0.17)Nm/(kg·m)低于无膝OA 患者的(0.09±0.13)Nm/(kg·m),差异有统计学意义(P<0.05)。说明与无膝OA 的患者相比,膝OA 患者ACL 重建前后髋关节生物力学存在更大的不对称性。髋关节的异常运动模式是一个可变因素,可能需要在膝关节康复运动过程中加以矫正［13］。然而,因髋关节可代偿远端膝关节的变化,故必须考虑髋关节运动模式的恢复对膝关节的潜在影响。ACL 损伤伴后伴高膝OA 风险时非创伤性髋关节病变(包括同侧或对侧髋关节OA 的发展)的风险是否也较高还需进一步研究。如果ACL 损伤确实增加了慢性髋关节病变的风险,则需要整合髋关节病变二级预防策略制定ACL 的康复方案［14,15］。本研究的局限性为本研究未就髋关节生物力学的改变和非创伤性髋关节OA 的发展之间的联系得出结论。此外,在ACL 损伤后5 年内受试者均未经医师或物理治疗师诊断过其他髋关节病变,可能存在因患者体诉脱失而漏诊的情况。本研究未对髌股关节进行影像学检查,也未对膝关节外侧间室OA 进行分析。

总之,与未发生膝关节内侧间室OA 的患者相比,ACL 重建5 年后发生膝关节内侧间室OA 的患者其髋关节生物力学可能会改变。