中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (17): 3164-3173.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.17.017
• 骨与关节综述 bone and joint review • 上一篇 下一篇
膝关节前交叉韧带非接触性损伤的生物力学研究进展
张 强，伍 勰
- 上海体育学院运动科学学院运动技能研究中心，上海市 200438
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收稿日期:2012-09-15修回日期:2012-11-29出版日期:2013-04-23发布日期:2013-04-23 -
通讯作者:伍勰，副教授，硕士生导师，上海体育学院运动科学学院运动技能研究中心，上海市 200438 wuxie1115@yahoo.com.cn -
作者简介:张强★，男，1988年生，黑龙江省哈尔滨市人，汉族，上海体育学院运动科学学院在读硕士，主要从事运动生物力学方向的研究。 wscr880701@163.com -
基金资助:上海市科委地方院校能力建设项目(12490503200);运动健身科技省部共建教育部重点实验室(上海体育学院)项目
Biomechanical research progress of non-contact anterior cruciate ligament injury
Zhang Qiang, Wu Xie
- Sports Performance Research Center, Sports Science Institute of Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China
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Received:2012-09-15Revised:2012-11-29Online:2013-04-23Published:2013-04-23 -
Contact:Wu Xie, Associate professor, Master’s supervisor, Sports Performance Research Center, Sports Science Institute of Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China wuxie1115@yahoo.com.cn -
About author:Zhang Qiang★, Studying for master’s degree, Sports Performance Research Center, Sports Science Institute of Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China wscr880701@163.com
摘要：
背景：膝关节前交叉韧带非接触性损伤严重的挑战着人体健康以及运动能力，对损伤的生物力学研究有助于探究和预防膝关节前交叉韧带损伤。 目的：对膝关节前交叉韧带非接触性损伤的生物力学因素进行阐述，探讨损伤的研究方法以及预防措施的新进展。 方法：由作者应用计算机检索PubMed数据库及CNKI数据1979至2011年相关文献，在英文标题和摘要中以 “anterior cruciate ligament，injury”和“anterior cruciate ligament，biomechanics”等关键词检索，中文文献检索以“逆向动力学”为关键词，选择内容与膝关节前交叉韧带损伤的生物力学研究、落地与损伤的关系、损伤的预防等相关的文献。共纳入文献67篇。 结果与结论：膝关节前交叉韧带非接触性损伤的因素较为复杂，且各种因素相互交错。对不同损伤因素的影响程度的研究较为有限。但是损伤的生物力学因素可以较为直观的解释运动中损伤的原理机制。因而损伤的生物力学研究方法的创新为揭示膝关节前交叉韧带损伤的本质原理和损伤的预防提供了新思路。同时应用正确的训练方法对预防损伤尤其是膝关节前交叉韧带非接触性损伤具有良好的效果。
中图分类号:
引用本文
张 强，伍 勰. 膝关节前交叉韧带非接触性损伤的生物力学研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(17): 3164-3173.
Zhang Qiang, Wu Xie. Biomechanical research progress of non-contact anterior cruciate ligament injury[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(17): 3164-3173.
2.1 膝关节前交叉韧带损伤的关联因素 多数的膝关节前交叉韧带损伤都出现在女性运动员中。Arendt通过风险评估分析发现，相比于男性，女性运动员膝关节前交叉韧带损伤出现的概率是其2-8倍[3-4]。但是造成女性膝关节前交叉韧带损伤率较高的原因，目前尚不明确[5]。一些学者将这种损伤的性别差异机制归因于女性的关节松驰[6-7]、解剖结构差异[8-9]、雌激素作用[10-11]、训练水平较低、肌肉力量弱及屈伸肌力量不均衡等因素[12]，但目前这些观点之间仍存有分歧[8-10]。但是这一现象可以说明：一定是男女之间某些生理学上的差异导致了损伤出现的概率差异。也就是说导致膝关节前交叉韧带损伤的因素比较复杂，与人体自身的解剖学特性和实际运动中的力学表现有关。Renstrom等[13]将膝关节前交叉韧带损伤因素分为可变更(modifiable)与不可变更(nonmodifiable)因素。两类损伤因素之间的关系是紧密相连的，往往是一种因素伴随着另一种因素而出现，例如较强的股四头肌肌力可能导致运动中胫骨向前的移动更加明显[14]。因此膝关节前交叉韧带损伤具有其特殊性与复杂性，这也正是研究膝关节前交叉韧带损伤的难点所在。
2.3 膝关节前交叉韧带损伤的预防 有研究发现通过适当的训练，可以对损伤的预防起到明显的作用。有证据表明，神经肌肉训练除了可以降低膝关节前交叉韧带损伤风险之外，更重要的是它能够改变生物力学风险因素[63]。这种预防机制是建立在对损伤因素的正确判断之上的。对于膝关节前交叉韧带损伤来说，通过对膝关节周围肌肉的训练可以使膝关节更稳固。由于抗阻训练能够使骨骼、肌肉、韧带等产生有益的适应性变化并有可能对损伤的预防起到作用。因此重点应放在如何评估和调节股四头肌和腘绳肌对损伤的预防功能上面[64]。以跳跃运动为例，在进行有计划的跳跃训练的同时，还应注意进行适当的拉伸练习和力量训练。在各种训练形式中，一种比较特殊的方式叫做plyometric练习，这种练习已经发展为提高爆发力非常有效的方法，而且对神经肌肉功能也有较大改善对运动损伤预防起着重要的作用。它是指对肌肉进行快速动力性牵拉，使肌肉先进行离心收缩，再进行向心收缩，使肌肉的弹性成分和收缩成分都承受载荷的一种训练方式[65]。Hewett等[66]研究证实这种练习不仅可以减小膝关节前交叉韧带损伤的潜在生物力学风险因素，而且可以降低女性运动员膝关节前交叉韧带损伤的发病率。以plyometric(超等长)训练和动态稳定性与平衡能力训练为主的神经肌肉训练能够显著提高生物力学和神经肌肉功能的表现并降低女性膝关节前交叉韧带损伤的发生概率。Myer等[67]研究发现，经过动态稳定性和平衡能力训练，受试者在进行单腿跳时，地面冲击力显著减小。同时，两种训练都显著提高了受试者腘绳肌肌力，并提高了腘绳肌与股四头肌肌力比值，这种通过两种训练而获得的肌肉力量的变化对于膝关节前交叉韧带损伤的预防是一种积极的变化，因为较大的腘绳肌/股四头肌肌力比与较小的膝关节前交叉韧带损伤发生率具有很高的相关性。可见，科学的引导和训练对于损伤的预防具有重要意义。
2.1.1 不可变更因素 相比于对危险技术动作的研究，对于膝关节前交叉韧带损伤的不可变更因素的研究同样很广泛。不可变更因素多指个体中存在的无法更改的自身因素，包括解剖学与生理学因素两个方面。具体说，膝关节解剖学结构、关节松弛、体质量指数以及激素水平和基因遗传等都会对膝关节前交叉韧带损伤产生影响。
膝关节解剖学结构：膝关节的解剖学结构包含较为广泛。其中对损伤影响最为严重的的应为股骨髁间窝的几何结构[15]。一些研究证实了股骨髁间窝的几何结构与膝关节前交叉韧带损伤之间的相关关系[16-18]，其主要包括对髁间窝宽度等方面的研究。在对902名高中生进行的测试研究中[15]，Souryal和Freeman发现膝关节前交叉韧带损伤患者的髁间窝宽度要显著小于健康者。此外，一些综述性文章也说明了股骨髁间窝进出口直径的参数的显著性差异与膝关节前交叉韧带损伤风险之间的关系[17]。除了股骨髁间窝几何学结构外，胫骨上端关节面的几何结构是另一个重要的影响因素。在一项对膝关节的研究中发现，胫骨关节面的倾斜角度与胫骨前移之间存在显著相关性，即增加胫骨关节面向后的倾斜角度会显著增加膝关节前交叉韧带损伤出现的概率[19]。同时，除了胫骨平台的后倾角之外，胫骨几何学结构还包括胫骨平台内外侧方向的倾角以及内侧关节面的高度等等，Stijak等[20]曾研究发现膝关节前交叉韧带损伤患者胫骨内侧关节面的高度要高于健康人。然而，另有一些研究认为，这种差异只出现在男性群体当中，因此对于这些影响因素，还需深入讨论其对膝关节前交叉韧带损伤的影响程度[21-22]。总体上看，目前对于膝关节解剖学因素与膝关节前交叉韧带损伤的关系的研究，大都局限于对相关关系的描述，而缺乏对这些相关关系的机制性解释，未来的研究重点应集中于研究揭示解剖学结构对膝关节前交叉韧带的影响的内在原因上。
膝关节松弛：Uhorchak等[23]证实膝关节松弛与膝关节前交叉韧带损伤之间存在相关性。膝关节前侧松弛程度的增加，会增大膝关节前交叉韧带损伤的风险。不过，他同时指出这种情况只出现在女性群体当中，而男性受试者之间并无明显差异。说明这种松弛现象会影响女性的膝关节前交叉韧带损伤的出现概率，但对男性影响较小。膝关节松弛程度的增加会增大关节在切向运动和助跑起跳时外翻和轴向扭转负荷，同时影响到膝关节对能量的吸收。造成这一现象的原因是关节松弛降低了运动过程中的膝关节稳定性，膝关节翻转和扭转的角度都增大了，因此导致膝关节前交叉韧带损伤风险的概率增加。
激素水平：对于激素水平的影响，虽然尚未明确其机制，但以往研究已经证实了激素水平与膝关节前交叉韧带损伤风险之间存在着明确的相关关系[24]。对于激素水平的影响，研究最多的为女性月经周期与膝关节前交叉韧带损伤风险之间的关系[24-27]。在月经周期的不同阶段，女性雌性激素和黄体酮的分泌量不同。雌性激素会减缓纤维原细胞的增殖和Ⅰ型胶原的合成，而黄体酮又可以减缓这种抑制效果[25]，在月经周期过程中雌性激素和黄体酮分泌量的波动可能会对膝关节前交叉韧带的材料特性产生影响，因此在月经周期的某个阶段膝关节前交叉韧带撕裂的风险可能增大。研究认为经前、卵泡期、排卵期和排卵前期均是损伤出现的高发期[27-29]。
其他因素的影响：除了以上因素之外，其他因素也会显著影响膝关节前交叉韧带的损伤的出现。Brown等[30]通过调查研究认为体质量指数(BMI)较大的受试者会在落地中表现出更大的膝关节伸展角度，而这会显著提高膝关节前交叉韧带的损伤风险。此外，基因的表达、家族病史等因素同样可能与膝关节前交叉韧带损伤有关。在一个调查中，约有35%的膝关节前交叉韧带损伤患者，其具有膝关节前交叉韧带损伤的家族病史，而在对照组中，这一比率为4%[31]。然而，各种影响因素对损伤的影响程度是不同的，目前还无法确定其具体情况，因此，对这种不可变更因素的研究多是定性研究，今后应该注重于对损伤因素影响能力的精确定位上，一旦成功定位，就可建立不同影响因素的多因子模型，从而对预防膝关节前交叉韧带损伤提供更好的帮助[32]。
2.1.2 可变更因素 影响膝关节前交叉韧带损伤的可变更因素，是指这种因素在显著影响膝关节前交叉韧带损伤的同时，其自身也可以通过一定的干预而发生变化。这其中最为重要的应为神经肌肉控制。因为它可以直接影响运动中的力学表现。前人的研究结果可以提供启示：与正常人相比，膝关节前交叉韧带损伤康复受试者在落地时膝关节最大屈曲角度显著减小[33-34]。另外对于处在康复中的膝关节前交叉韧带损伤患者来说，在落地时，他们膝关节峰值功率下降的较为严重[35]，这说明肌肉的活动产生了显著变化。解剖学上看，膝关节前交叉韧带通过膝关节的中心，因此在膝关节转动时，膝关节前交叉韧带的拉力并不产生力矩，只产生力拉住股骨远端和胫骨近端。膝关节前交叉韧带并不是主动进行作用，而是一种被动的作用结构，也就是说只有当其他结构无法提供足够的保护时，才会被动动用膝关节前交叉韧带。
膝关节的运动学变化：关于膝关节运动学变化对膝关节前交叉韧带损伤的影响，最直接的影响是关节的扭转。虽然胫骨相对于股骨的旋转会使膝关节前交叉韧带处于更易被撕裂的位置。但要想在活体中定量的研究这种关系几乎是不可能的。Liu-Barba等[36]的研究证实完整的膝关节和去除膝关节前交叉韧带后的膝关节，在施加了一定的作用力后，膝关节旋转的角度存在显著差异。不过，由于在实际运动中，正常的膝关节产生扭转的角度很小。所以如果膝关节前交叉韧带仅仅受到膝关节旋转力矩的话，是很难直接损伤的。也就是说，膝关节前交叉韧带同时会受到其他方向的载荷，这些因素共同作用才会造成损伤。因此，这种影响因素的作用效果是比较有限的。
相比于扭转，膝关节在矢状面所表现出的运动学差异比较明显。女性在触地后膝关节屈曲角度的峰值较之男性更小[37]，同时髋关节屈曲的程度也较小[38]。同样，在单脚落地时，女性的膝关节屈曲角度比较小。而且女性膝关节运动达到最大角位移所用的时间更短[39]。对于实际的运动学变化与膝关节前交叉韧带损伤之间的关系，可能是关节运动幅度和时间的减小意味着肌肉的做功减小，由于膝关节屈曲程度的变化和肌肉离心做功能力的削弱，从地面传播上来的冲击力直接作用在骨骼和关节上的风险会提高，增大了损伤的几率。同时，膝关节角度可能影响着肌肉肌力作用线与骨长轴之间的夹角。从而影响肌肉的作用效果。总之，女性在运动中改变了运动策略，使其下肢更频繁地处于一个容易出现膝关节前交叉韧带损伤的位置[40]。虽然这个过程可能极短，但出现在膝关节处的破坏性的作用力却可能使膝关节前交叉韧带瞬间发生撕裂。
腿部肌肉力量：疲劳实验发现，单一的髋关节疲劳或小腿三头肌的疲劳对膝关节前交叉韧带损伤并无显著影响，但整个下肢的联合疲劳却与之关系密切[41]。说明，膝关节前交叉韧带损伤是许多肌肉共同作用的结果。值得注意的是，这些实验往往对落地过程进行研究，这是因为落地动作是一种十分常见的动作，并且以往的研究认为其是一种能够导致动态非接触性膝关节前交叉韧带损伤的风险动作技术[5]。因此落地动作对于性能表现方面的研究是非常适合的，它需要腘绳肌和股四头肌肌力的作用来控制膝关节的屈曲，同时能够较好地模拟运动比赛中的真实情况[35]。在落地过程中，受制于地面反作用力的影响，股四头肌产生离心收缩肌力控制膝关节的过度屈曲并进行缓冲，而肌力通过髌骨韧带作用在胫骨上。由于髌骨的存在，此韧带拉力作用线与胫骨长轴之间有一个夹角，这会导致股四头肌肌力在胫骨上产生一个垂直于胫骨向前的分力拉动胫骨向前移动。因此股四头肌肌力被认为是能够导致膝关节前交叉韧带损伤的重要因素。研究证实股四头肌产生的力量会使膝关节前交叉韧带受到载荷，但一般在膝关节屈曲角度较小时达到峰值。这是因为随着膝关节的继续屈曲，髌骨在股骨上相对滑动，导致髌骨韧带作用的角度的减小，因而使其作用力在垂直胫骨长轴方向上的分力减小了[42-43]。尸体研究同样证明，股四头肌肌力在膝关节达到接近最大伸膝位时引起膝关节前交叉韧带的紧张。
相反，腘绳肌的作用是减弱这种骨与骨之间的相对位移，腘绳肌位于大腿后侧，其收缩产生的肌力作用在胫骨后侧从而在其垂直方向上产生拉动胫骨向后运动的力。腘绳肌的作用可以减小膝关节前交叉韧带所承受的负荷。即减弱作用在膝关节前交叉韧带 上的力[5]。这种作用随着膝关节屈曲程度的增加，有升高趋势，关节角度与角速度的变化会影响关节力矩和功率的分配的总量和瞬时变化，因而导致在关节各个组织上受力情况的改变。也就是说较小的膝关节屈曲角度，增加了股四头肌的活动，并减小了腘绳肌的活动，以至于增加了膝关节前交叉韧带的载荷。从肌肉力量上讲，股四头肌与腘绳肌肌力比越大，膝关节前交叉韧带损伤的可能性也越大。此外，可以发现在落地过程中，相对男性而言，女性会表现出更强烈的股四头肌活动和较弱的腘绳肌活动，具体来说，女性运动员腘绳肌肌力小于股四头肌的75% ，而下肢损伤的风险是男性的1.6倍[5]。在这里，女性的股四头肌肌力并不一定比男性的大，对于反复出现膝关节前交叉韧带损伤的女性运动员，与男性运动员相比，股四头肌力量无显著区别，但是她们的腘绳肌力量更小。而与这些女性运动员相比，其他的无膝关节前交叉韧带损伤史的女性运动员，她们的腘绳肌力量没有减小，但股四头肌力量更小[44]。因此可见，股四头肌力量大、腘绳肌力量小的女性运动员更容易发生膝关节前交叉韧带损伤。是股四头肌与腘绳肌肌力的比值影响了膝关节前交叉韧带损伤风险，而不是单一肌肉的活动的影响。更大的比值往往意味着风险的加剧，而女性恰恰具有股四头肌显著效应，也就是说女性的股四头肌与腘绳肌肌力比更大[45]，Huston认为损伤的出现与股四头肌的作用被“放大”有显著的关系[46]。
运动疲劳：在高强度运动过程中，疲劳的出现是无法避免的。疲劳后带来的神经肌肉功能的下降是诱发损伤的一个重要的因素[41]。疲劳后，由于肌肉的功能下降，其收缩产生的力量减小了，减弱了对骨骼韧带的保护，人体的运动特征往往也出现较大的变化。Danielle等[47]研究发现疲劳之后，膝关节的屈曲角度增加了。此外，Borotikar等[48]研究发现疲劳后膝关节内旋和外翻的角度增大了。而疲劳后落地触地瞬间的屈曲角度减小了。尽管一些学者认为疲劳之后的膝关节屈曲程度的增加意味着降低膝关节损伤的概率，因为这样可以使腘绳肌处于一个更有利的位置来减弱膝关节前交叉韧带上的负荷，但是他们实验研究的是峰值屈曲角度。也就是说，由于疲劳而导致的肌肉功能的下降会延长肌肉的作用时间，但并不能够说明其为骨骼韧带提供了足够的保护。同时，Jonathan等[49]指出，疲劳后膝关节伸力矩并未增加。这些都说明，所观察到的疲劳之后的较大的膝关节屈曲角度说明了下肢使身体恢复正常状态和位置的能力下降了。此外，无论男性还是女性运动员在疲劳之后，落地与起跳动作中，外翻力矩和外翻角度都增加了[49-50]，这也被认为是与膝关节前交叉韧带损伤有密切的关系。更直接的现象是，疲劳后，落地时产生了更大的地面支撑反作用力[41]，助跑起跳胫骨近侧端的前向剪切力也增大了，这些因素都是导致膝关节前交叉韧带损伤的潜在风险，因此研究疲劳与损伤的关系以及如何通过神经肌肉训练来降低疲劳损伤的风险就显得尤为重要。
2.1.3 力学因素的直接作用 纵观各种影响因素，其中绝大多数并非是直接影响膝关节前交叉韧带损伤的出现。或者说很难单独由一种因素导致损伤的出现。一个很简单的例子，假设两位股骨髁间窝宽度不同的人在一段时期内均不进行任何的风险运动，那两人可能均不会出现任何的膝关节前交叉韧带损伤。一般来说，只有膝关节前交叉韧带突然受到大强度扭转或者拉伸作用时，才有可能发生撕裂甚至断裂现象。其他的因素，诸如激素、疲劳等。只是正向或者逆向、严重或者轻微的影响着这一过程。因此，找到影响膝关节前交叉韧带损伤的直接的生物力学因素是研究和预防膝关节前交叉韧带损伤的关键。
已证实，在一些高风险的运动，比如落地起跳，膝关节处的股骨和胫骨之间会产生相对位移[49-51]，这种位移包括在矢状面与额状面上的位移。所以，膝关节前交叉韧带的功能应该是控制股骨与胫骨的相对位移[47]。Christel等[52]通过尸体研究拉赫曼实验证实，当膝关节前交叉韧带撕裂后，胫骨相对于股骨向前的移动增加了。这说明，膝关节前交叉韧带的确在限制胫骨前移上起着关键作用[36]。正常情况下，膝关节的关节囊以及半月板等结构可以帮助膝关节前交叉韧带控制这一变化，但是由于膝关节相对松弛，这一辅助作用并不显著[53]，有研究认为膝关节前交叉韧带承受了90%以上的负荷[51]。
多年以来，胫骨剪切力一直被认为是导致膝关节前交叉韧带损伤的首要因素而被广泛研究[5，35，41]。胫骨剪切力指作用在膝关节上，方向垂直胫骨长轴，作用使胫骨相对股骨滑动的作用力。正是由于它能够引起胫骨相对于股骨向前的移动，从而拉紧膝关节前交叉韧带。而关于胫骨剪切力产生的原因，目前尚无准确定义。普遍的看法是膝关节关节反作用力和肌肉作用力在胫骨长轴垂直方向上的分力的合力。Chappell等[40]研究发现在起跳过程中，胫骨剪切力的值随着跳跃方向从向前到向后而逐渐增大。这可能是因为向后跳跃的时候地面反作用力通过膝关节的后侧，产生屈膝力矩，导致人体为了对抗这一作用而增加了股四头肌力量的输出，使胫骨前向剪切力增加。而在向前跳跃的时候，地面反作用力通过膝关节的前侧，这一作用被削弱。从而导致胫骨剪切力的减小。于冰等人的研究证实女性落地动作中胫骨剪切力的峰值要显著高于男性。同时Mclean的研究发现，女性膝关节的屈力矩和胫骨剪切力达到峰值的时刻都显著比男性早[54]。胫骨剪切力峰值的提前可能导致肌肉等组织无法对膝关节前交叉韧带提供有效的保护，而这可能与女性膝关节前交叉韧带损伤的风险高于男性存在一定的联系。因此胫骨剪切力应是影响膝关节前交叉韧带损伤最直接的因素之一。
此外，膝关节前交叉韧带在解剖学位置上并非完全平行于矢状面。在运动中膝关节的扭转和翻转都会在膝关节前交叉韧带产生负荷。然而，这些研究多为描述性研究，只是揭示了其与膝关节前交叉韧带损伤之间的相关关系[36]。除一些尸体研究外，定量研究实际运动中膝关节扭转和翻转的力学研究的比较少。这主要受到研究方法的限制，因为这种运动相比于膝关节的屈伸运动，运动幅度过小。因此在研究时很难控制误差的影响水平。同时，将负载的人体结构简化为力学模型，本身就需要忽略一些细微的运动变化。所以，找到正确的研究方法对于指导膝关节前交叉韧带损伤的研究尤为重要。
2.2 膝关节前交叉韧带载荷测定方法学 由于膝关节前交叉韧带损伤对人体带来的严重后果，研究人员通过尝试不同的实验和研究方法对其机制进行了深入的探究。鉴于膝关节前交叉韧带生理学上的特殊位置，及其自身的复杂属性。研究人员现已开发出许多研究方法。大体上可归为：尸体研究、图像采集研究、肌骨模型力学推导以及仿真模拟。
2.2.1 尸体研究与图像采集技术 尸体研究与图像采集技术的优点在于可以比较直观的观察到膝关节前交叉韧带受力时长度的变化[52，55]。尸体研究通常包括在某些组织上人为施加作用力并观察其反应表现以及对某一组织(比如韧带)的拉伸实验。在尸体研究中，通过拉赫曼实验发现膝关节前交叉韧带受到的载荷与胫骨前移有很大关系[52]。当膝关节前交叉韧带撕裂时，垂直拉动胫骨会使胫骨前移更加明显。同时，尸体研究可以直观的对某一部分肌肉与膝关节前交叉韧带损伤之间的关系进行研究。然而，尸体研究的结果有时并不能准确反映实际运动的情况，其研究往往是在过于“理想化”的情况下进行的。因此为了观察运动中膝关节前交叉韧带的生理学变化，一些学者开发了图像采集研究。通过X射线、核磁共振等手段将膝关节的图像采集下来，以此分析膝关节前交叉韧带的变化。目前，一种新颖的方法是Taylor等[55]在2011年利用荧光摄像机和核磁共振成像来获得动态过程中膝关节前交叉韧带被拉长的程度。其主要原理是通过核磁共振成像将受试者膝关节进行图像采集下来，通过这些图像，受试者的骨表面，膝关节前交叉韧带在胫骨和股骨上的起止点位置被确定下来并建立模型。之后在膝关节周围固定标记点并采集动态数据，最后利用荧光摄影机将标记点与骨头的相对位置记录下来并经过一系列的计算，最终确定膝关节前交叉韧带起止点的位置的相对变化，从而得到动态过程中膝关节前交叉韧带被拉长的结果。图像采集法可以直观的获得数据，但是费用比较昂贵。
2.2.2 肌骨模型力学推导 直观上讲，通过图像捕捉来观察运动中膝关节前交叉韧带被拉长的情况提供了一种明确的手段来监控运动员的损伤情况。不过由于其昂贵的费用，以及技术尚未成熟。这种方法并不适合广泛应用。如前面所讲，如果韧带发生形变，那么一定是有力作用在上面。对于膝关节前交叉韧带，这个力就是使胫骨相对股骨发生移动的胫骨剪切力。力的作用方向垂直胫骨向前的话，会导致胫骨相对股骨向前移动，此时膝关节前交叉韧带被拉紧。所以如果能够计算出这个力的大小，那么就能够得到膝关节前交叉韧带在矢状面受到的载荷情况。从而在一定程度上反应损伤风险度。
对于胫骨前侧剪切力的计算，多年以来一直存在争议。逆向动力学可以用来计算膝关节关节受力[56]。于冰等人的研究是利用了逆向动力学计算膝关节处作用在胫骨上的关节合力和合力矩[40]。这个研究中使用了修改后的clauser模型参数。在这一方法中，膝关节的角速度和角加速度使用欧拉参数进行了估算。之后将膝关节合力与合力矩转换到胫骨坐标系中，并解析出前后方向，左右方向和轴向作用力以及屈伸、内收外展、内旋外旋力矩。然而，如果进一步考虑，这种方法似乎有一些问题，它只是单一的将胫骨剪切力定义为关节反作用力的一个分量。但这并不正确，因为影响膝关节胫骨剪切力的因素并不是只有地面反作用力，肌肉的作用也会对剪切力的数值产生影响。所以正如所说：通过逆向动力学计算得到的胫骨剪切力包含了关节反作用力，但没有考虑肌肉的作用，因此可能低估了这个力的水平[14]。不过，由于无法预测肌肉肌力作用方向与关节反作用力的作用方向之间的关系，因此是否一定是低估了剪切力，目前还不能给出结论。
如前面所讲，在计算剪切力时应该将肌肉的作用考虑进去。在Casey的研究中[57]，首先同样是通过逆向动力学的方法计算出膝关节处关节反作用力F[58]。之后将力F转换到胫骨坐标系中，其中沿着经骨长轴的力为Fy，垂直胫骨长轴的力为Fx，则：
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F²=Fx²+Fy²
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之后胫骨剪切力(TSF)与肌肉力量(Fm)以及关节反作用力的关系为：
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Fx=TSF+Fm
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在此研究中，在膝关节处产生作用的包括股四头肌、腘绳肌和腓肠肌肌力。而将他们转换到胫骨坐标系后，在X轴上的分量分别为Fqx、Fhx和Fgx。因此胫骨剪切力(TSF)的计算结果为：
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TSF=Fx-Fqx-Fhx-Fgx
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在这里应当注意，此公式的运算符号不是简单的加减关系，而是向量间的运算。
与之相似的是Devita在研究护膝对膝关节前交叉韧带重建患者的作用的研究中所使用的计算胫骨前侧剪切力的方法[59]。在这个研究中，由于他明确规定了计算的为胫骨前侧剪切力，因而规定了肌肉肌力在垂直胫骨长轴上分量的作用方向。股四头肌和腓肠肌为正向，即垂直胫骨长轴向前，腘绳肌为负向，即垂直胫骨长轴向后。这种方法较好的解释了各种作用力与胫骨剪切力之间的关系。
由于在计算胫骨剪切力数值的时候要考虑肌肉的作用，因此肌力的计算就显得尤为重要关于肌力的计算方法有很多种。一种直接的方法是在肌腱中植入传感器，可比较直观的获得肌肉的拉力值。不过这种方法会造成受试者身体创伤，并不适合广泛使用。此外，有人提出使用肌肉力量测试系统来测量肌肉力量。然而研究表明测得的肌肉力量并不能很好的匹配真实落地运动中的肌肉活动模式[38]。对于其中的原因，Bennect的研究给出了较为明确的解释：首先，股四头肌和腘绳肌是在不同点产生峰值力矩的。其次，峰值胫骨剪切力的产生是整个运动范围内的一个点，与股四头肌和腘绳肌最大力矩没有关系。在肌力测试时，受试者在整个运动范围内尽全力完成动作，而落地时并非如此。最后，虽然在落地过程中股四头肌表现为离心运动，不过腘绳肌的收缩方式是值得商榷的，目前还不清楚，这种收缩可能是离心、向心、甚至等长的。简单的认为腘绳肌进行的是某一种收缩方式并不能反映在落地中腘绳肌的实际运动。所以这种方法还需要继续的研究讨论。此外，通过肌电信号和速率-肌力模型也可以计算肌肉力量[57]。
2.2.3 仿真模拟技术 除了尸体研究和图像采集等手段外，关于使用模型仿真模拟计算膝关节周围各种组织结构在运动中的力学表现也是研究的热门之一。目前，比较常用的仿真模拟软件有Opensim、Anybody、Lifemod等。在一些模拟步态的实验中有用到这种方法。这种模型的建立，融合了解剖学、动力学，利用计算机模拟的方法，将实际运动学数据带入模型之中，利用正向动力学和逆向动力学来将它们有机的融合起来，再与真实运动的表现进行比较，验证其有效性。由于它具有实用，快速，低风险等优点，目前这种方法正用于损伤方面的研究[60-62]。以Pandy等[57]研究为例，首先将膝关节定义为一个具有6个自由度的空间关节，其股骨远侧段、胫骨近侧端和髌骨的几何形状是根据一定数量的尸体研究所获得的。然后将十字韧带、外侧副韧带以及髌骨韧带定义为弹性元，其起止点位置根据实际实验获得。同时还包括关节软骨、半月板等组织。最后定义了膝关节周围13块肌肉，并将关节运动、地面反作用力以及肌肉肌力等数据输入模型，通过正向动力学计算结果与逆向动力学输出结果比对[14]，循环计算使模型达到最优化。仿真技术得到的模型可以用于模拟真实的运动以及一些特殊情况下肢体的运动表现，比如去除膝关节前交叉韧带后落地过程中胫骨的位移变化，这种实验是很难在实际中进行的。不过仿真模拟技术能够提供这样一个平台，得到人们想要的结果。然而仿真技术也有一些难点，比如对于步态模型来说，其参数设计标准中有一个非常重要的一点就是肌肉做功的最小化，也就是说这里认为在人体常速行走时所有肌肉的做功是以合力“最省力”为标准的，显而易见，这种模型在用于模拟以发挥人体最大能力为目的的短跑运动中就不适合了，这种情况往往会导致计算错误。因此，高强度运动的仿真模拟研究应当作为以后的一个重点研究方向。
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在运动人群中，不当的运动方式常造成膝关节损伤，例如前交叉韧带、半月板和其它相关结构所受到的损伤。而其中前交叉韧带损伤是一种普遍潜在的损伤情况，并且多在运动时，例如落地、变向、扭转等动作中作为一种非接触性损伤所出现。Noyes等[1]研究发现80%的膝关节前交叉韧带损伤为非接触性损伤。所谓的非接触性损伤是指由于运动方式不当而非直接由外力作用所导致的损伤状况。据统计，在美国每年有约30万名新增膝关节前交叉韧带损伤患者，其中绝大多数需要重建手术治疗，由此所导致的资金的消耗可达到30亿美元[2]。即便是康复后，膝关节前交叉韧带损伤患者出现膝关节炎的比率仍然比正常人高得多。在有关膝关节前交叉韧带损伤的研究领域中，除了对膝关节前交叉韧带重建手术以及其术后康复的临床研究外，对膝关节前交叉韧带损伤的生物力学机制的探讨一直是受人关注的研究方向，因为这对于预防膝关节前交叉韧带损伤有着现实的指导意义。
从文献中可以发现，非接触性膝关节前交叉韧带损伤的生物力学研究主要涉及3个方面的内容：①膝关节前交叉韧带损伤的关联因素。②膝关节前交叉韧带载荷测定方法学。③运动训练对降低膝关节前交叉韧带损伤发生率的作用。目前，研究大都集中在对膝关节前交叉韧带损伤的关联因素的研究上，而对载荷测定方法学和损伤预防的研究相对较少。
1.1 资料来源 第一作者在2012年7月应用计算机检索PubMed数据库(Http://www.ncbi.nim.nih.gov/PubMed)，在英文标题和摘要中以关键词“ACL、biomechanics”、“ACL、 injury”、“landing injury”检索。同时检索CNKI数据库(www.cnki.net/inde x.htm)1979/2011，检索关键词为“逆向动力学”，检索时限1999年1
月至2012年7月。
1.2 入选标准
纳入标准：选择内容与膝关节前交叉韧带损伤的生物力学研究、落地与损伤的关系、损伤的预防等相关的文献。
排除标准：与临床治疗有关的文献，重复或较为陈旧的文献。
1.3 检索结果及评价 计算机初检到730篇，排除研究目的与本文无关的文献390篇，内容重复性研究及非核心文献273篇，共67篇文献符合标准，中文2篇，英文65篇。所有选用的文献均为相关性较强，并具有代表性和权威性，能体现出膝关节前交叉韧带损伤生物力学研究的最新动向。
文章回顾并总结了膝关节前交叉韧带损伤的导致因素、影响条件以及研究和预防方法等。作为人体最重要的关节之一，膝关节的组织结构的损伤关乎到人体的运动能力，所以对于损伤预防的方法的研究是尤为重要的。虽然大量的研究揭示了膝关节前交叉韧带损伤的原因，但其损伤因素是多方面的，因此，如何找到各种因素之间的内在联系并建立损伤机制模型以及正确的预防机制应当是今后研究的重点方向。
1 前交叉韧带损伤的影响因素包含多个方面，其研究方法有多种途径。已有一定数量的文献着重于研究前交叉韧带损伤机制以及预防手段。 2 虽然目前预防前交叉韧带损伤的方案有多种，但很少有能够含入影响损伤的确切生物力学因素。尤其考虑到这些因素与前交叉韧带非接触性损伤之间关系紧密，因而对于这些因素的准确把握有助于完善预防机制，降低损伤发生率。 3 前交叉韧带损伤在康复治疗中是一种常见的情况。了解影响损伤的生物力学机制可以丰富康复治疗中的治疗手段、监控恢复情况、降低损伤复发率。同时，可以显著降低前交叉韧带损伤康复患者出现膝关节骨关节炎的比率。
膝关节前交叉韧带损伤患者出现膝关节炎的比率仍然比正常人高得多，在有关膝关节前交叉韧带损伤的研究领域中，除了对膝关节前交叉韧带重建手术以及其术后康复的临床研究外，对膝关节前交叉韧带损伤的生物力学机制的探讨一直是受人关注的研究方向，因为这对于预防膝关节前交叉韧带损伤有着现实的指导意义。文章回顾并总结了膝关节前交叉韧带损伤的导致因素、影响条件以及研究和预防方法等。作为人体最重要的关节之一，膝关节的组织结构的损伤关乎到人体的运动能力，所以对于损伤预防的方法的研究是尤为重要的。
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