膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷的生物力學(xué)機(jī)制研究進(jìn)展

劉海濤

(河南大學(xué)體育學(xué)院，河南 開封 475001)

前交叉韌帶(ACL)位于膝關(guān)節(jié)內(nèi)，連接股骨與脛骨，具有限制脛骨的前移的作用，并且在完成技術(shù)性較強(qiáng)的下肢動(dòng)作時(shí)輔助維持膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定。ACL損傷是膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷的常見現(xiàn)象。該損傷發(fā)生后，患者的運(yùn)動(dòng)能力下降，生活幸福感降低[1]。生物力學(xué)是研究人體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律的學(xué)科，它融合了力學(xué)原理與生理學(xué)和醫(yī)學(xué)的知識(shí)體系，從而更好地解釋闡述生命健康方面的科學(xué)問(wèn)題，生物力學(xué)在ACL損傷研究中應(yīng)用極為廣泛。因此，本文在閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)致ACL損傷的生物力學(xué)因素進(jìn)行綜述，希望對(duì)預(yù)防和治療ACL損傷提供幫助。

一、脛骨近端向前的剪切力與ACL損傷

有學(xué)者通過(guò)尸體標(biāo)本的膝關(guān)節(jié)研究發(fā)現(xiàn)，雖然膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻與內(nèi)外旋力矩對(duì)ACL損傷有一定影響，但是ACL前、中束張力大小在很大程度上取決于脛骨近端向前的剪切力。當(dāng)對(duì)脛骨近端加以向前的剪切力時(shí)，ACL受到的載荷會(huì)增大。只有當(dāng)脛骨近端受到向前的剪切力時(shí)，膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻與內(nèi)外旋力矩才會(huì)增大ACL的載荷。當(dāng)脛骨近端剪切力向前時(shí)ACL承受載荷，此時(shí)，髕腱作用力是影響ACL載荷的主要因素。還有研究[2]具有相同的發(fā)現(xiàn)，他們認(rèn)為脛骨近端向前的剪切力改變會(huì)影響膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外翻與內(nèi)旋力矩，從而增加ACL載荷。

由此可知，脛骨近端向前的剪切力增大會(huì)增加ACL的受力載荷，是導(dǎo)致ACL損傷的一個(gè)因素。

二、膝關(guān)節(jié)屈曲角度與ACL損傷

研究籃球的急停起跳動(dòng)作發(fā)現(xiàn)，著地時(shí)膝關(guān)節(jié)屈伸角度與ACL受到的載荷有關(guān)[3]。有研究報(bào)道閉鏈練習(xí)時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲角度減小會(huì)增加ACL載荷。如果其他條件不變，膝屈曲角度越小，ACL載荷越大；著地時(shí)增加膝屈曲角度對(duì)減小ACL損傷非常重要。有研究表明[3]，與普通人群男性相比，女性初始觸地時(shí)刻有較小的膝屈曲角度，著地階段有較小的最大膝屈曲角度。對(duì)業(yè)余運(yùn)動(dòng)員的研究也發(fā)現(xiàn)女性業(yè)余運(yùn)動(dòng)員在急?？v跳著地階段減小了膝屈曲角度。這與前人報(bào)道女性運(yùn)動(dòng)員比男性發(fā)生ACL損傷概率更大相一致。一項(xiàng)為期13年的研究表明，女子足球和籃球運(yùn)動(dòng)員ACL損傷率高于男子運(yùn)動(dòng)員，更有甚者發(fā)現(xiàn)女子籃球運(yùn)動(dòng)員ACL損傷率是男性的1.6倍。

綜上所述，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中當(dāng)膝關(guān)節(jié)的屈曲角度減小時(shí)，ACL受到的載荷將增加。在跳躍動(dòng)作中，膝關(guān)節(jié)屈曲角度減小可能是ACL致傷的一個(gè)因素。

三、地面反作用力與ACL損傷

眾多文獻(xiàn)表明著地時(shí)較大的沖擊力可能是膝關(guān)節(jié)損傷的一個(gè)危險(xiǎn)因素，特別是ACL損傷。一項(xiàng)研究表明，膝關(guān)節(jié)在跳躍動(dòng)作中受到外展力矩易造成ACL損傷，而膝關(guān)節(jié)外展力矩的產(chǎn)生正是由于向外的地面反作用力。也有研究發(fā)現(xiàn)著地階段的地面反作用力峰值與膝關(guān)節(jié)ACL受到載荷峰值出現(xiàn)的時(shí)間相一致[3]。還有報(bào)告指出那些容易發(fā)生ACL損傷的高風(fēng)險(xiǎn)人群在業(yè)余活動(dòng)中往往具有較大的地面反作用力。這是因?yàn)檩^大的地面反作用力，需要更大的股四頭肌收縮力提供，因而導(dǎo)致ACL所承受的載荷增大。

由此可知，地面反作用力增大可能是導(dǎo)致ACL損傷的另一個(gè)因素。

四、下肢矢狀面生物力學(xué)與ACL損傷

下肢矢狀面生物力學(xué)顯著影響ACL載荷。有學(xué)者測(cè)量了伸膝練習(xí)時(shí)活體ACL張力，發(fā)現(xiàn)ACL張力與膝伸力矩正相關(guān)。因?yàn)轶x腱的收縮力來(lái)自股四頭肌，而股四頭肌是主要的伸膝肌群。有研究發(fā)現(xiàn)平路行走時(shí)ACL載荷峰值出現(xiàn)的時(shí)刻與股四頭肌力峰值、脛骨近端向前的剪切力峰值一致，均發(fā)生在初始著地之后，膝屈曲較小時(shí)。還有研究者測(cè)量了跳躍著地時(shí)活體ACL張力，發(fā)現(xiàn)ACL張力在初始著地后開始增加，ACL張力峰值出現(xiàn)時(shí)刻與膝屈曲角度最小時(shí)刻和地面反作用力峰值出現(xiàn)時(shí)刻相一致。也有文獻(xiàn)認(rèn)為下肢矢狀面內(nèi)、外的生物力學(xué)因素可能對(duì)ACL損傷起共同作用，也可能是下肢矢狀面內(nèi)的生物力學(xué)因素單獨(dú)起作用[2]。

由此可知，地面水平向后和垂直地面反作用力峰值、脛骨近端向前的剪切力峰值、膝伸力矩峰值等矢狀面下肢生物力學(xué)參數(shù)基本同時(shí)出現(xiàn)。提示下肢矢狀面生物力學(xué)在ACL損傷機(jī)制方面充當(dāng)重要角色。

五、小結(jié)

綜合前人研究，可以發(fā)現(xiàn)脛骨近端向前剪切力和地面反作用力增大，以及膝關(guān)節(jié)屈曲角減小均會(huì)增加前交叉韌帶的載荷。而下肢矢狀面生物力學(xué)參數(shù)改變會(huì)導(dǎo)致前交叉韌帶損傷發(fā)生率增大。

[1]Grover M.Evaluating acutely injured patients for internal derangement of the knee[J].Am Fam Physician，2012，85(3)：247-52.

[2]劉卉，蘇玉林，于冰.非接觸性前交叉韌帶損傷特點(diǎn)及機(jī)制的研究進(jìn)展[J].醫(yī)用生物力學(xué)，2008(03).

[3]Yu B，Lin CF，Garrett WE.Lower extremity biomechanics during the landing of a stop-jump task[J].Clin Biomech(Bristol，Avon)，2006，21(3)：297-305.