膝关节是人体最为复杂和承重最大的关节,较快的速度和不同的组织结构承受的负荷会产生不同的损伤。随着全民体育运动的广泛开展以及竞技体育水平的不断提高,膝关节韧带的损伤在运动损伤中占的比例越来越大,膝关节ACL作为膝关节内部重要的静力性稳定结构,对于控制膝关节的前后不稳和旋转不稳有着重要的作用。膝关节ACL表面存在机械感受器,通过神经肌肉反射对动力性稳定结构即关节周围的肌群进行调节。ACL损伤后,反射弧的改变会引起膝周肌群肌力代偿性改变,进而产生步态的改变。这种步态的改变可以通过专业步态分析系统测量,能在定量的水平客观反映受试者膝关节行走时的功能状态。同样,ACL的解剖重建也会对膝关节的功能产生一定影响。因此对步态进行精确的量化测量有助于了解ACL损伤和治疗后膝关节的运动学和运动力学变化情况。本节主要是从生物力学的观点,探讨ACL损伤与重建后步态的变化规律、临床应用状况和未来的发展方向。
步态分析是利用力学的概念和人体解剖、生理学知识对人体行走功能状态进行对比分析的一种生物力学研究方法。国际上大多采用专业的步态分析系统在特定的时间内对个体动作进行快速摄像,根据体表标记点的移动测量出关节的动态活动角度,结合测力台和表面肌电设备(详见本章第七节)测量关节力矩和动态肌肉活动情况。步态分析较临床常用的评分表更能够客观详细的分析与评价下肢损伤的功能学指标。实验可以测量步行的各种指标,如简单的时间-距离指标(步长、步频、步速),以及复杂的运动学指标(关节活动度)和动力学指标(地板反作用力和关节力矩、关节功率)。
(一)ACL损伤后步态改变机制
当外力作用于关节时,关节韧带不仅为异常的关节活动提供机械限制,而且通过特殊的机械受体利用神经反馈机制保持关节稳定性。有学者在猫和人的ACL的止点处发现了Ruffini和Golgi机械性刺激感受器,其主要作用是感受高负荷,避免严重损伤。这些感受器通过神经反射,协调股四头肌和月国绳肌的收缩,间接提供动力学的稳定作用,阻止胫骨前移,预防韧带损伤。ACL和月国绳肌具有协同作用,共同拮抗股四头肌收缩。在屈膝角度<40°时,股四头肌的收缩会使胫骨前移,在膝关节屈曲角度>60°时,股四头肌胫骨前移作用消失。行走时膝关节屈曲角度较小,ACL能被动阻止股四头肌的胫骨前移作用,并通过神经反馈灵敏地进行动力学调节,使月国绳肌收缩,分担胫骨前向受力。
ACL急性损伤后,由于被动限制机制消失,使得反射性的肌肉收缩作用减弱,导致膝关节负重时产生不稳定。ACL损伤患者行走着地时,股四头肌对胫骨产生前外向的作用力并引起胫骨的过度前移,同时刺激后关节囊、韧带末端结构、月国绳肌的肌梭处存在的机械刺激感受器,使关节周围肌肉代偿性收缩,防止关节不稳。有试验表明,在慢性ACL损伤患者(损伤时间>18个月)中,胫骨前向负荷通过反馈作用刺激月国绳肌和股四头肌先后收缩。而在急性ACL损伤的患者中,两者收缩次序相反,这种收缩次序的改变机制还有待进一步研究。由此可见,ACL损伤后膝关节的不稳感和损伤后肌肉代偿性收缩是引起步态异常改变的主要原因。
除了ACL损伤后会使膝关节周围肌群收缩方式的改变,关节运动功能紊乱也是产生步态变化的重要原因。正常情况下,关节受力接触点的位置在正常的膝关节力的作用下从后方移到前方,瞬时中心同样会沿着垂线从关节后方移到前方。在任何角度下,膝关节瞬时中心受到韧带、关节面以及关节受力接触点的影响。膝关节ACL可限制膝关节瞬时中心,因此,ACL的缺失会使膝关节的相对位置发生改变。交叉韧带是一种弹性结构,力施加于韧带上会使胫股产生1~2mm的位移,而且这种改变足以引起关节受力接触点的明显改变,并会导致膝关节运动功能的改变。关节表面越进行协调的运动,关节表面的相对位移就会改变越明显。图3-6-5说明,在正常运动的关节内,胫骨若前后移动2mm,受力接触点可前后移动8~10mm。膝关节由于韧带损伤而导致功能紊乱,在受到外力的情况下,若使关节受力接触点前后位置接近于正常,那么胫骨前后移动的距离需要大大增加才能满足受力平衡的需要。因此,关节内ACL的损伤可使膝关节处在非平衡的状态下,若维持相对的平衡,就要通过改变关节的受力力矩进行代偿。
另外,半月板可以通过限制胫骨股骨面受力接触点的移动来限制胫骨股骨的前后移动距离。半月板通过2种方法限制活动:①通过半月板的特殊位置与结构,增加膝关节结构的稳定性,这说明半月板和其他的关节结构能共同保持关节活动的连续稳定的运动;②通过增加关节的有效接触面积和减少胫股关节间的接触应力来增加关节的顺应性。因此,在研究膝关节下肢损伤的同时,除了不能忽略其他韧带的损伤,也不能忽略半月板损伤与治疗情况对下肢步态的影响。
(二)ACL损伤患者的下肢关节动力学和运动学变化
1.股四头肌逃避步态 许多研究表明,ACL损伤后,患者下肢动力学和运动学可能会出现一些规律性的改变,其中关节力矩的改变同时会引起关节周围肌肉活动方式的改变,并会产生“股四头肌逃避步态”(quadriceps avoidance gait)。
Burchuck等针对ACL损伤后步态的改变于1990年提出了“股四头肌逃避步态”理论。他认为,由重力产生的屈膝外力矩和关节周围肌肉收缩产生的伸膝内力矩处在相对平衡的状态中。患者ACL损伤后,行走时尽力避免股四头肌收缩,这时会使屈膝外力矩(由重力产生)减小,这样使之平衡的伸膝内力矩(股四头肌收缩产生)也同时减小,行走时股四头肌收缩明显减弱,这种由ACL损伤引起的特异性步态被称为“股四头肌逃避步态”。图3-6-6为股四头肌逃避和股四头肌过度使用时膝关节伸屈内力矩的模式图,股四头肌逃避时,出现持续的屈膝内力矩;股四头肌过度使用时出现伸膝内力矩的加大。
图3-6-5 膝关节受力接触点的移动
图3-6-6 股四头肌收缩状况与伸屈膝力矩关系模式图
步态的改变会对膝关节周围肌肉的收缩产生进一步的影响。Berchuck、Wexler、Noyes等认为在步态改变的过程中,股四头肌肌力的减弱程度比月国绳肌更大。ACL损伤患者中股四头肌肌力减弱14%,月国绳肌减弱4%。如前所述,步行过程中,身体重心的改变会引起屈膝外力矩的改变,进而改变肌肉的活动状况,股四头肌的活动相对减少,产生“股四头肌塌陷”(quadriceps lurch)现象。Noyes等认为,膝关节严重损伤后患者在步态恢复过程中,膝关节力矩的改变是膝关节不断进行适应的结果。力矩的适应性改变又会使膝关节的运动学指标产生相应的改变,共同加速股四头肌的萎缩。在损伤早期,屈膝力矩减小,为保证正常步幅与膝关节做功,膝关节支撑晚期屈曲角度增加,屈曲运动使股四头肌拉长,并导致疲劳和萎缩。还有学者认为,股四头肌和月国绳肌在ACL损伤后肌力明显减弱,这不仅同损伤时间有关,而且和支具的使用、理疗、治疗过程中下肢运动量降低有关。
有学者认为,并非所有的ACL损伤患者出现“股四头肌逃避步态”。Wexler等报道57%的ACL损伤患者会出现逃避模式。Roberts等对18名ACL损伤患者进行了研究,发现在预承重期所有患者都存在伸膝内力矩,同对照组比较,患者支撑期伸膝内力矩并未明显减少,表面肌电图未示有股四头肌耐力的下降,并认为ACL缺失不会引起“股四头肌逃避步态”。Torry等对16名ACL损伤患者进行了步态和表面肌电分析,发现所有患者未出现“股四头肌逃避步态”。对于这些差别,Robert等认为由于计算关节力矩方法学和模型的不同会出现不同的结果。
Ferber等也认为ACL损伤患者在行走时会出现伸膝内力矩,但同时在观察步态的过程中对膝关节周围肌群做了肌电分析,在预承重期,ACL损伤患者中,股外侧肌收缩活动明显小于对照组。说明在ACL损伤人群中会降低股四头肌的收缩作用从而减少对胫骨的前向牵拉。
一般认为膝关节损伤后即使不出现“股四头肌逃避步态”,伸膝峰力矩也会有不同程度的降低。但是,有学者提出了相反的理论,认为伸膝峰力矩轻微增加会稳定膝关节。Shelburne等认为,ACL损伤患肢胫骨的相对前移可以减少髌腱与胫骨间的夹角,拉力角度的减少可以减少股四头肌对胫骨的前向牵拉力量。因此,伸膝力矩能实际减少胫骨的前向牵拉作用力。因此所有的伸膝力矩可以减少髌腱角,将胫骨维持在相对稳定的位置。屈膝可以增加月国绳肌与胫骨间的夹角,从而增加月国绳肌的后拉作用。
因此,尽管“股四头肌逃避步态”和膝关节内力矩的变化情况仍然存在争议,但不可否认,ACL损伤后,由于关节受力状况的改变,会导致下肢各关节某些特征性的改变。
2.ACL损伤后下肢关节的代偿性变化 ACL损伤后会产生神经肌肉传导系统的代偿性变化。一般来说,损伤后最容易表现在关节运动学的变化,关节角度的变化进而会引起肌肉收缩能力以及收缩次序的改变,从而产生关节力矩的变化,与此同时,肌肉收缩和关节力矩又会各自对关节起代偿性的作用,3种作用交织一起,构成了下肢的关节功能的整体变化。
ACL损伤组中下肢关节出现的最主要的适应性改变即为髋关节角度和力学的适应性改变。Devita等认为,ACL损伤患者患肢会出现髋关节屈曲角度增大,步态预承重期伸髋肌群如月国绳肌拉力增加,从而减少胫骨前移,保持膝关节稳定。同时,屈髋角度的增加会使躯干部在单位时间内位移改变相对减少,从而减少了躯干的前向加速度。
Winter等认为,支撑期中枢神经系统能控制膝关节屈伸角度。ACL损伤患者在膝关节屈膝角度不变的情况下可增加踝关节跖屈和髋关节屈髋角度在运动学上进行代偿。ACL损伤后,足跟着地期,患者会根据疼痛和不稳症状改变步态形式。Ferber和Devita等认为屈髋角度的增加会使伸髋内力矩增加,同时改变髋关节的长度-拉力效应,减少胫骨的前移,增加膝关节的稳定性。Torry等实验观察到7名患者通过增加屈膝角度增加关节的稳定性。膝关节从伸膝到屈膝15°过程中,股四头肌对胫骨前向拉力随角度的增加而增加。屈膝大于15°后,该力随角度的增加而减少。月国绳肌作为伸髋肌群的一部分,其收缩能对抗胫骨的前移。Devita等认为膝关节屈曲角度的加大要求更大的伸膝力矩从而阻止支撑期身体的跌倒。通过上述研究发现,在针对膝关节损伤步态研究时,不仅观察行走过程中膝关节各指标的改变,也应该观察下肢其他主要关节适应性改变情况。
月国绳肌作为伸髋肌群的一部分,是ACL减少胫骨前移的有效协同肌群。针对增加的伸膝力矩,增加伸髋力矩能有效地稳定膝关节,从而帮助在早期支撑期减少胫骨的过度前移。
ACL损伤后,神经肌肉传导的适应性也可以直接引起膝关节力矩和周围肌肉的改变,进而产生髋关节和踝关节的代偿性改变。Winter等认为,若下肢某个关节承重功能受限,为保持平衡,则其他关节会产生代偿性改变。Winter等计算了下肢关节力矩的算术和,认为整体力矩的算术和反映了下肢对抗重力作用的趋势。
一般认为,ACL损伤后下肢关节会出现2种适应性改变:①髋关节方式。一般通过屈髋角度的增加和伸髋内力矩的增加实现代偿。②月国绳肌收缩相对增强。表现为屈膝内力矩的增加,用以保持膝关节的稳定性。因此,若存在“股四头肌逃避步态”,髋关节方式是以伸髋内力矩的增加来代偿伸膝内力矩的减少。预承重期通过屈膝内力矩的增加或关节角度的变化来增强月国绳肌的收缩。
Torry等对ACL损伤后下肢各关节的代偿作用进行了相关研究。他们对16名ACL损伤患者髋、膝、踝关节进行了运动学和动力学分析。9名患者伸髋内力矩增加,伸膝内力矩减小,运动学指标正常。Andriacchi等和Berchurk等认为ACL损伤后,患肢膝关节承重功能明显降低,髋关节、踝关节必然进行代偿。Berchuck发现,ACL损伤后,患肢伸髋内力矩显著增加以代偿持续的屈膝内力矩,而踝关节内力矩未见显著性变化。但也有学者认为,ACL损伤后其他关节不会出现适应性的代偿变化,这可能和具体的实验方法有关。Wexler等研究发现膝关节ACL损伤后髋踝关节未见显著性变化。
ACL损伤后会引起下肢关节的代偿性改变,虽然这种改变的具体机制还存在争议,但值得肯定的一点是,ACL损伤后引起的神经肌肉反射功能的改变产生适应性变化的结果。康复功能锻炼,对康复的适应能力,运动强度等各种因素均是影响人体适应能力的因素,步态的针对性训练有助于学会这种代偿性改变。深入了解关节代偿性改变的产生机制与特点有助于进一步研究其对关节功能的影响,从而选择合适的治疗方式,增强稳定其对关节稳定性的功效,减少其对关节力学改变产生的负面影响。
3.活动方式对下肢关节运动学和动力学的影响 在ACL损伤后,患者步态改变最为明显,而在其他日常活动方式如慢跑、上下楼梯中,由于膝关节周围肌肉动员较为充分,关节受力情况改变相对较小。Berchuck等对16名ACL损伤患者在行走、慢跑、上下楼梯等运动时进行测试。患膝行走支撑期屈膝外力矩平均减少140%,慢跑时减少30%。屈膝外力矩在上楼梯运动时略有增加,而在下楼梯时无明显变化。行走时从足跟着地期到支撑中期,有伸膝外力矩产生(月国绳肌平衡),而对照组产生屈膝外力矩(股四头肌平衡),步速和膝关节屈伸角度在行走时同对照组相比未见明显改变。支撑期膝关节平均最大屈膝角度减少了4°。
ACL损伤患者行走时步态改变较为细微,但若有突然外力作用于膝关节时,往往会产生“打软腿”的现象,膝关节同时会产生一些适应性的动力学改变。Ferber等对10名ACL慢性损伤患者进行研究,使其在正常行走过程中膝关节受到突然的外力作用,并研究分析此时的步态适应性改变。结果表明,外力作用时,患膝关节组比对照组的伸膝内力矩有明显突然增加。重建术后受外力时,膝关节维持在相对稳定状态,伸膝内力矩在整个支撑期持续存在。通过该实验,作者认为,ACL损伤患者主要通过增加伸膝肌力来应对外力对膝关节的突然作用,这种反应会在重建术后3个月持续存在。
4.损伤时间对步态变化的影响 上述实验对在不同运动方式中膝关节的力学情况做了系统研究,但未对损伤时间对下肢的步态变化的影响进行说明。Wexler等对ACL的损伤时间对下肢的步态的影响进行了研究。30名试验对象按损伤时间分为3组:早期(0~2.5年),中期(2.5~7年),晚期(>7年)。支撑期膝关节屈膝外力矩同关节角度呈线性关系。支撑期屈膝角度相同时,ACL损伤患者屈膝外力矩(0.0%±1.4%Bw×Ht)比对照组(2.1%±1.5%Bw×Ht)明显降低。同时,若要产生一定的屈膝外力矩,ACL损伤患者要比正常人群屈膝角度要大。屈膝力矩随损伤时间的增加而降低。损伤早期患者平均最大屈膝外力矩和预承重期角度分别为是1.2%±1.1%Bw×Ht和17°±5°,损伤晚期患者分别降低到0.5%±0.4%Bw×Ht和15°±5°。损伤早、中期患者中大约有半数产生伸膝外力矩。晚期患者中,87.5%存在伸膝外力矩,并在支撑后期明显增加(对照组为:-2.2%±1.1%Bw×Ht,损伤组为:-3.9%±1.6%Bw×Ht)。作者认为这同伸膝末期伸膝角度增加有关(早期:8°±5°,中期:5°±3°,晚期:2°±3°,对照组:6°±4°)。但Knoll等认为,ACL急性损伤期(小于6个月),屈膝外力矩降低,而慢性损伤患者屈膝外力矩未见明显降低。损伤时间对步态变化的影响尚存在争议,但大部分学者认为,ACL损伤后3个月,膝关节在无关节疼痛、绞锁等症状下,应产生大致相似的步态。
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