菁讲 | 精确到毫秒级别的ACL损伤机制

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本期内容导读

前交叉韧带（ACL）损伤受多种因素影响：性别、运动模式、髋膝踝协同性、骨性解剖因素等。深入理解ACL损伤发生机制，知其所以然，对提高我们的临床诊治能力和预防ACL损伤大有裨益。

本期嘉宾

  赵甲军  

中国骨科菁英会运动医学专业会员

河南省人民医院

学习笔记

今天跟大家分享课程的题目是：精确到毫秒级别的前交叉韧带损伤机制。

前交叉韧带损伤是一种主要发生在运动过程中的常见病，尤其在年轻运动员中的发生率较高，其最常见的方式是非接触性损伤。比如运动时的急停变向或单腿落地，最容易导致前叉损伤。

01

前叉损伤的研究背景

学者们采用了许多方法来研究前叉损伤的机制。比较常用的方法有对患者的调查、视频分析、临床研究、尸体生物力学研究以及计算机模拟运动分析，这些研究提出了一些前叉损伤的机制。

大部分学者认为，前叉损伤时，通常观察到膝关节过度外翻，同时合并外旋以及膝关节处于内扣状态、脚趾向外。

这些表现到底是导致前叉损伤的原因，还是前叉损伤的结果？我们并不是特别清楚，学者间对于这些说法也存在争论，目前也并没有一个关于前叉损伤机制判断的金标准。

02

先进的MBIM技术

在研究前叉损伤机制的各种不同方法中，对膝关节损伤过程的视频分析是唯一可以从实际损伤情况中提取运动学数据的方法。然而以往的视频分析方法比较简单，即使是经验丰富的研究人员，也很难从视频中获得精确的膝关节运动数据，没办法测量损伤时膝关节的角度、速度和加速度的具体变化，也很难确定前叉断裂的确切时间。

随着计算机技术和图像处理技术的飞速发展，出现了一种叫做针对模型的图像匹配技术，MBIM英文全名是（MBIM，Model-Based Image-Matching Technique），它可以用一个摄像机或者几个摄像机，从不同的角度进行拍摄，获得膝关节损伤时的录像记录，从而提取膝关节运动学信息。

Koga, H; Nakamae, A; Shima, Y; et al.Hip and AnkleKinematics in Noncontact Anterior Cruciate Ligament Injury Situations: VideoAnalysis Using Model-Based Image Matching.[J].Am J SportsMed.2018,46(2):333-340

这项技术可以模拟重建膝关节的三维模型，把建好的模型与录像中的背景视频相互匹配，实现三维的膝关节运动学评估，进而可以精确的评估膝关节的位置、关节角度的变化以及地面反作用力出现的时间。

03

MBIM技术分析膝关节运动状态

来自挪威的学者运用MBIM技术分析了一些运动员在前叉韧带损伤时膝关节的运动状态。他在研究中发现，膝关节受伤时运动学模式基本一致。

运动员受伤一侧的腿刚落地时，膝关节一般屈膝角度不大，平均屈膝角度为23°，在之后的40ms时间内，屈膝角度平均增加24°。在刚落地时，膝关节处于外翻中立位，但在40ms时，外翻角度平均增加12°。

刚落地时膝关节平均外旋角度为5°，到40ms时，膝关节向内旋转了8°。在此之后，也就是从40ms到300ms的时间段内，可以观察到膝关节向外旋转17°，地面反重力的最大值也发生在落地后的40ms左右。

普通摄像机分辨率有限，不能精确评估胫骨前移，只有通过高清摄像机才能很好的记录胫骨前移的情况。

用高清摄像机记录时，发现受伤肢体在落地后30ms时，胫骨突然向前移位9mm。这是正常情况下胫骨前移所能达到的最大距离。这些结果表明，患者一般在落地后约40ms内前叉就被拉紧了。也就是说，大多数前叉损伤发生在40ms之内。

简单来讲，就是患者刚落地后40ms内，膝关节立即发生外翻，同时在这40ms内，膝关节也会出现快速的内旋，而40ms之后，能观察到外旋，这种外旋似乎发生在前叉撕裂之后。与此同时，在落地后的极短时间内，从胫骨开始前移到前叉韧带发生损伤时，这种前移会突然加速。

这个研究结果和以往的研究有一些差异，可能是因为膝关节突发内旋和胫骨前移，单凭肉眼观察不容易发现，而在这之后发生的外旋更加明显，更容易观察到。

只有使用MBIM技术分析时，才能观察到这个从内旋到外旋的变化过程。

胫骨内旋和前移为什么会同时出现？其原因可能是在于膝关节表面的几何形态。我们都知道膝关节内侧胫骨平台是凹面形态，而外侧胫骨平台是凸起形态，这会导致屈膝过程中，股骨外髁有一个向后滚动的趋势，也就是我们常说的后滚机制。

这也同时印证了前叉损伤的另外一个高危因素，也就是前叉损伤患者的外侧胫骨平台后倾角比正常人体骨平台后倾角更大，从而导致股骨外髁后滚更多，增加了胫骨内旋和前移，导致前叉的损伤。

04

 前叉损伤机制总结

使用MBIM技术得到的研究结果和之前的研究结果结合起来，我们可以对非接触性的前叉损伤的机制做出一个分析总结。

Rotatory Knee Instability

An Evidence Based Approach

Editors: Musahl, V., Karlsson, J., Kuroda,R., Zaffagnini, S. (Eds.)

膝关节受伤时会受到一个外翻的应力，这会导致内侧副韧带被拉紧，同时膝关节外侧间室会产生压力负荷。这种压力负荷和股四头肌收缩引起的前向拉力会导致胫骨平台移位。这时由于外侧胫骨平台的后倾，股骨外髁会向后滚动，从而导致胫骨平台向前移动并内旋，导致前叉断裂。

前叉断裂之后，阻挡胫骨平台前移的主要限制力量消失。这时会出现股骨内侧髁也向后移位，接着导致胫骨外旋。急停变向和单腿落地的动作可能会导致胫骨外旋进一步增加，也就是我们通常见到的情况，脚的位置相对于躯干是外旋的。

我们明白了前叉损伤的机制，对于预防前叉损伤有很大的帮助。它告诉我们运动时，要掌握急停变向和落地的技巧，避免在运动中和膝关节屈曲时出现膝关节外翻和内旋。

下肢是一个整体，前叉损伤不仅与膝关节有关，髋关节对前叉韧带损伤也有一定的影响。因此，预防不仅要集中在膝关节，同时也要关注髋关节。

视频分析发现，前叉韧带损伤的患者在落地后100ms时间段内，髋关节屈曲和外展角度保持不变。而前叉未受伤的对照组在急停变向单腿落地的动作中，髋关节屈曲角度会增加15°，所以落地时髋关节也要适当屈曲，这样可以吸收地面反作用力的能量，同时我们还要避免髋关节过度内旋，这样的才能保护膝关节。

栏目小结

• 前叉损伤发生在落地后大约40ms时，而人对损伤动作的反应时间是150-200ms。所以纠正落地后的关节状态，并不能预防前叉损伤。预防工作应侧重于落地之前，在落地前控制膝关节和髋关节的运动，对落地前的神经肌肉控制能力要加强训练。这样对我们预防前叉韧带损伤，才会有更好的帮助！

END

下期预告

2020/3/27

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——COEC脊柱专业会员 刘臻

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