背景前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)损伤是临床常见的膝关节疾病。据报道,目前美国每年进行ACL重建手术的数量超过40万例。虽然我国尚无整体人群发病率的报道,但有学者对我国现役集训运动员进行的调查结果显示,ACL损伤总体发病率为0.43%。半月板损伤的发生率大约为60～70人/每100000人。膝关节ACL是膝关节最主要的稳定结构之一,一旦损伤,关节的稳定性即遭到破坏,继而发生一系列的关节生物力学的改变,影响关节的运动功能,进而引起关节软骨、半月板的继发损伤,最终导致骨性关节炎、关节功能丧失等。半月板结构和功能的特点决定了它是膝关节内最易损伤的组织之一。在从事剧烈运动和特殊职业的人员中,半月板损伤的机率更高。半月板的撕裂或其它类型的损伤是比较常见的,一旦损伤会扰乱环形的半月板纤维,破坏膝关节环境。半月板损伤多由扭转外力引起,当一腿承重,小腿固定在半屈曲、外展位时,身体及股部猛然内旋,内侧半月板在股骨髁与胫骨之间受到旋转压力,而致半月板撕裂。半月板损伤是一种以膝关节局限性疼痛,部分患者有打软腿或膝关节交锁现象,股四头肌萎缩,膝关节间隙固定的局限性压痛为主要表现的疾病。作为膝关节内的缓冲装置,与膝关节中的其它稳定性装置如前后交叉韧带一样,半月板损伤会导致一系列的运动学改变。本研究目的是精确测量ACL及半月板损伤膝关节动态三维运动学,通过在体实验研究,提高测量技术的精度和效率,探讨在不同损伤模型下的运动学特征。测量膝关节的运动学参数以评估膝关节损伤情况有悠久的历史,技术手段从CT、MRI发展到动态3D步态分析、荧光透视成像、动态CT和MRI、计算机膝关节虚拟系统等等。主要基于红外线追踪的光学捕获原理是目前最为流行的运动学检测方法,该方法运算快,转换效率高,但其最大的缺点在于标记过程中出现的皮肤移动度造成的误差。基于放射影像学原理的在体运动学评估主要包括两方面：一是X线立体测量分析技术(Roentgen stereo photogrammetric analysis, RSA),二是目前比较流行的2D-3D匹配技术。RSA与其他传统测量方法相比,该技术精度较高,但具辐射性,且技术要求高。RSA还具有有创性；2D-3D匹配技术是目前较流行的在体运动学研究方法,它通过二维图像与三维模型的高精度匹配,并且可以直接测量人活动时的运动学变化,具有精度与重复性高的特点,同时也是本研究中采用的研究方法。动态MRI检测通过动态、实时、直接地研究运动学参数而无辐射性,对于研究软组织结构的变化如交叉韧带、半月板、侧副韧带等具有优势。由于MRI对软组织的高分辨率,因此开放性MRI技术在检测膝关节运动和动力学的同时,还可以同时观察半月板与关节接触面积,以更好地分析膝关节受损后在ACL与半月板在不同膝关节姿势下的运动学与力学改变。还有其它的测试手段如手动测试,机器人辅助分析等。目前对ACL损伤的在体运动学研究比较多。但实际临床上单纯的ACL损伤比较少见,一般经受运动性损伤的膝关节除ACL损伤,还会合并软骨、半月板、后交叉韧带、侧副韧带等软组织的损伤。同时还可能合并撕脱性骨折(segond骨折)。因此对于最常合并的半月板损伤,研究其伴随ACL损伤的运动学特点具有较强的临床意义。然而,目前大多类似的研究是离体实验与动物实验。这些研究并不能完美地模拟人膝关节在损伤状态下的运动学改变。有学者采用与本研究类似的2D-3D匹配的技术进行在体运动学研究,但纳入的研究对象多为欧美人种。已经有相当多的研究表明ACL损伤危险因素与多种因素有关,如髁间窝的宽度等,有相关研究报道了亚洲人群与欧美人群的股骨远端解剖不一致。这些结果表现对国人的ACL合并半月板损伤的膝关节在体运动学进行研究具有实际的指导意义。对ACL及半月板损伤膝关节三维运动学的基础研究,有助于更全面地理解损伤状态下膝关节的结构与运动功能的关系,对研究运动损伤机理、临床诊断和指导康复训练等有着重要的意义。通过研究中国人群膝关节ACL损伤患者膝关节在体运动,获得驱动膝关节骨肌系统的运动学数据,从而得到膝关节骨肌系统的力学数据。目前已有的文献多是以国外人群的样本作参照,并无国人的样本分析。本实验旨在通过研究中国人群膝关节ACL损伤患者膝关节在体运动与力学数据,为快速便捷地诊断可疑的ACL及半月板损伤和指导ACL重建、半月板修复术后康复提供量化的参考。方法我们选择2013年11月-2015年9月因ACL及半月板损伤在关节科住院,应用MRI进行确诊并进行了ACL重建手术和半月板修复术的28例患者资料,男16名,女12名,最小年龄18岁,最大年龄37岁,平均年龄23.7±3.6岁,其中：(1)单纯ACL损伤：6人；(2)ACL合并内侧半月板Ⅲ级损伤：8人；(3)ACL合并外侧半月板Ⅲ级损伤：8人；(4)ACL合并内-外侧半月板Ⅲ级损伤：6人。我们采集该28名ACL损伤患者双侧膝关节的CT影像,进行双侧膝关节CT图像的三维重建。利用单平面透视图像分析系统采集患者上台阶时的动态X线图像,并在软件中将动态X线图像与膝关节三维模型进行自动配准,还原X线图像中股骨和胫骨在三维坐标上的相对位置,计算患者上台阶时膝关节6个自由度的变化。健侧按同样的方法进行数据采集,与患侧膝关节运动学数据进行统计学分析。采用两因素重复测量方差分析对5种状态下的膝关节进行对比分析。组内因素是膝关节的状态(健膝对比患膝)、膝关节的屈曲度(0。、5。、10。、15°、30。、45。、60。)。检验水准P设定为0.05。组间存在差异时,采用SNK进行两两比较,检验水准P同样设定为0.05。结果内外旋健患膝关节在横断面上的旋转变化对比情况。首先,在健膝与患膝的对比中并没有发现统计学差异。统计学差异只存在于不同损伤模式的膝关节间。从60°屈曲到0度伸直位,与健膝相比,单纯ACL损伤组显示出减少的外旋；然后两者间并没有统计学差异。在膝关节0°,15°和30°屈曲位,单纯ACL损伤组的外旋角度分别为13.9±6.1°,13.8±9.5°和15.9±9.8°。相反地,ACL合并内侧半月板损伤组以及ACL合并外侧半月板损伤组从60°屈曲到0度伸直位表现出增加的外旋角度。在0°,30°和45°屈曲位,这两组与单纯ACL损伤组有统计学差异。对于ACL合并内-外侧半月板损伤组,只有屈曲45°发现该组与ACL合并内侧半月板损伤组存在统计学差异(5.3±6.8°VS.8.5±2.6°,P=0.033)内外翻5种状态下膝关节的内外翻表现具有相似的运动学表现。在上台阶的初始阶段,胫骨表现出较大的外翻角,随着上台阶动作的进行,外翻角逐渐减少。在单纯ACL损伤组,在60度屈曲位,膝关节表现为内翻(-4.7±3.8°)。有趣的是,无论是在健膝患膝对比,还是患膝之间都不存在统计学差异。前后移总体而言,在上台阶的过程中,胫骨相对于股骨表现出前移。膝伸直位(0°)时,ACL合并内-外侧半月板损伤组与健膝组存在统计学差异(-5.6±9.7mm VS.6.2±11.3mm, P=0.024).同时在膝伸直位及5°屈曲时,ACL合并外侧半月板损伤组与ACL合并内-外侧半月板损伤组存在统计学差异(-6.9±1.7mm VS. 6.2±11.3mm, P=0.041;-9.0±1.8mm VS.8.1±13.4mm,P=0.044)。在其它角度下并无统计学差异。内外移在内外移上5种状态下的膝关节具有相似的表现。总体而言,在整个上台阶过程胫骨表现出相对于股骨的内移。所有的ACL损伤组在膝伸直位均表现为较小的内移量。单纯的ACL损伤组表现最为显著,其表现为胫骨的外移(-3.8±5.6mm)。在所有的组中无论在什么屈曲角度下均无发现有统计学差异。结论本实验研究了ACL损伤膝关节合并半月板不同损伤模式下上台阶动作下的在体运动学变化,采用了单平面透视图像分析系统。结果表明在内外旋和前后位移上,损伤组之间及损伤组与健膝之间有不同的运动学表现,具体表现因半月板的损伤模式不同而不同。这些结果提示除了ACL之外,半月板也是膝关节的一个稳定性装置,且考虑到在不同自由度上的影响,将来的研究应当关注ACL膝关节合并不同半月板损伤模式下的治疗方式以恢复膝关节的正常运动学表现并避免过早关节软骨褪变、延缓甚至避免骨性关节炎的进展。