前交叉韧带重建后步长增加对膝关节运动学和动力学不对称性步态的影响

doi:10.12307/2025.827

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (33): 7109-7115.doi: 10.12307/2025.827

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

前交叉韧带重建后步长增加对膝关节运动学和动力学不对称性步态的影响

刘梦玲1，2，李永杰2，刘洪举2

1华东交通大学体育与健康学院，江西省南昌市 330013；2北京积水潭医院贵州医院康复医学科，贵州省贵阳市 550014

收稿日期:2024-06-19 接受日期:2024-08-12 出版日期:2025-11-28 发布日期:2025-04-12
通讯作者: 刘洪举，博士，主任医师，北京积水潭医院贵州医院康复医学科，贵州省贵阳市 550014
作者简介:刘梦玲，女，1999年生，贵州省贵阳市人，汉族，华东交通大学在读硕士，初级康复治疗师，主要从事运动损伤生物力学与运动康复方向的研究。
基金资助:
2023年度贵州省科技支撑计划(黔科合支撑[2023]一般179)，项目负责人：刘洪举

Effect of increased stride length on knee kinematics and dynamics of asymmetric gait after anterior cruciate ligament reconstruction

Liu Mengling1, 2, Li Yongjie2, Liu Hongju2

1College of Physical Education and Health, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, Jiangxi Province, China; 2Department of Rehabilitation Medicine, Guizhou Hospital, Beijing Jishuitan Hospital, Guiyang 550014, Guizhou Province, China

Received:2024-06-19 Accepted:2024-08-12 Online:2025-11-28 Published:2025-04-12
Contact: Liu Hongju, MD, Chief physician, Department of Rehabilitation Medicine, Guizhou Hospital, Beijing Jishuitan Hospital, Guiyang 550014, Guizhou Province, China
About author:Liu Mengling, Master candidate, Junior rehabilitation therapist, College of Physical Education and Health, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, Jiangxi Province, China; Department of Rehabilitation Medicine, Guizhou Hospital, Beijing Jishuitan Hospital, Guiyang 550014, Guizhou Province, China
Supported by:
2023 Guizhou Science and Technology Support Program, No. [2023]179 (to LHJ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

动力学：指生物体在运动过程中与步态有关的力学参数，包括地面反作用力、关节力矩等，其意义是可以有效帮助人体优化运动效果预防运动损伤。
不对称性：通过计算给定参数的左右两侧肢体之间的相对差异来评估不对称行为的程度，可以用此来区分正常和病理步态。

背景：前交叉韧带重建后的主要目标之一是恢复正常步态模式。但迄今为止，对前交叉韧带重建后步态不对称性变化的研究数量有限。

目的：探索不同步长条件下膝关节运动学和动力学的不对称性变化。
方法：纳入30例单侧膝关节前交叉韧带重建术后3个月受试者(男15例，女15例)，每个受试者分别进行了3种不同步长的行走测试，分别是正常步长和正常步长的基础上增加30%及50%的步长。通过意大利BTS红外运动捕捉系统和测力台采集膝关节运动学和动力学指标，其中运动学指标包括膝关节屈曲角度、膝关节伸展角度和膝关节内收角度，动力学指标包括地面反作用力、膝关节屈曲力矩、膝关节伸展力矩和膝关节内收力矩。计算运动学和动力学指标的不对称性指数值，使用单因素方差分析比较不同步长条件下各参数的不对称性差异。

结果与结论：①与正常步长相比，步长增加30%时膝关节屈曲角度、膝关节屈曲力矩、膝关节内收力矩、膝关节伸展力矩、地面反作用力不对称指数显著降低(P < 0.05)，步长增加50%时膝关节内收角度、膝关节屈曲角度、膝关节伸展角度、膝关节内收力矩、膝关节伸展力矩、膝关节屈曲力矩、地面反作用力不对称指数显著降低(P < 0.05)；②当步长增加50%时，膝关节内收角度、膝关节伸展力矩和地面反作用力不对称指数显著低于步长增加30%(P < 0.05)；③结果表明，增加步长可以改善前交叉韧带重建后的步态不对称性，但增加50%更优，进而缓解在步行中前交叉韧带所承受的负荷；同时在以后的临床工作中可以将步长作为步态中一个可调节变量，来预防和缓解前交叉韧带重建后损伤患者疼痛的症状、改善膝关节功能，提高生活质量。

https://orcid.org/0009-0008-3828-501X (刘梦玲)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 前交叉韧带重建, 步长, 运动学, 动力学, 不对称性, 行走测试, 单因素方差分析

Abstract: BACKGROUND: One of the main goals after anterior cruciate ligament reconstruction is to restore normal gait patterns. However, to date, a limited number of studies have examined changes in gait asymmetry after anterior cruciate ligament reconstruction.
OBJECTIVE: To explore asymmetric changes in knee kinematics and dynamics under different stride length conditions.
METHODS: Thirty subjects (15 males and 15 females) 3 months after anterior cruciate ligament reconstruction of the single knee were included in this study. Among them, each subject received the walking test with three different stride lengths, a normal stride length and a 30% as well as a 50% increase in the normal stride length. Knee kinematic and kinetic indices were collected by means of an Italian BTS infrared motion capture system and a dynamometer table, where kinematic indices included knee flexion, extension, and adduction angles, and kinetic indices included ground reaction forces, knee flexion moments, knee extension moments, and knee adduction moments. The asymmetry index values of the kinematic and kinetic indices were calculated. A one-way analysis of variance was used to compare the differences in asymmetry of each parameter under different stride length conditions.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with the asymmetry indices of normal step length, the indices of knee flexion angle, knee flexion moments, knee adduction moments, knee extension moments, and ground reaction forces were significantly lower when the step length was increased by 30% (P < 0.05); the indices of knee adduction angle, knee flexion angle, knee extension angle, knee adduction moments, knee extension moments, knee flexion moments, and ground reaction forces were significantly lower when the step length was increased by 50% (P < 0.05). (2) When the step length was increased by 50%, the indexes of knee adduction angle, knee extension moments, and ground reaction forces were significantly lower than when the step length was increased by 30% (P < 0.05). (3) These findings suggest that increasing stride length improves gait asymmetry after anterior cruciate ligament reconstruction, but an increase of 50% is superior, which in turn relieves the loads placed on the anterior cruciate ligament during walking. Meanwhile, step length can be used as an adjustable variable in gait to prevent and relieve symptoms of pain, improve knee function, and enhance quality of life in patients with post-anterior cruciate ligament reconstruction injuries in future clinical work.

Key words: anterior cruciate ligament reconstruction, stride length, kinematics, dynamics, asymmetry, walking test, one-way analysis of variance

中图分类号:

刘梦玲, 李永杰, 刘洪举. 前交叉韧带重建后步长增加对膝关节运动学和动力学不对称性步态的影响[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(33): 7109-7115.

Liu Mengling, Li Yongjie, Liu Hongju. Effect of increased stride length on knee kinematics and dynamics of asymmetric gait after anterior cruciate ligament reconstruction[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(33): 7109-7115.

图/表（结果） 5

2.1 参与者数量分析纳入30例前交叉韧带重建患者，其中男15例，女15例，全部进入结果分析，无脱落。
2.2 试验流程图见图4。

2.3 不同步长行走条件下的运动学结果比较如图5所示，与正常步长相比，步长增加30%时膝关节屈曲角度大于正常步行(P < 0.05)，步长增加50%时膝关节屈曲角度大于正常步行；步长增加50%时膝关节内收角度的指标明显小于正常步行(P < 0.05)；与步长增加30%相比，步长增加50%时膝关节内收角度显著小于步长增加30%(P < 0.05)。

2.4 不同步长行走条件下的动力学结果比较如图6所示，步长增加50%时膝关节内收力矩、膝关节伸展力矩、膝关节屈曲力矩、地面反作用力均显著低于正常步行(P < 0.05)，膝关节内收力矩和膝关节伸展力矩显著低于步长增加30%(P < 0.05)。

2.5 不同步长行走条件下的运动学和动力学不对称性指数比较如图7所示，步长增加30%时膝关节屈曲角度、膝关节内收力矩、膝关节屈曲力矩、膝关节伸展力矩、地面反作用力不对称性指数低于正常步行(P < 0.05)；当步长增加50%时，膝关节内收角度、膝关节屈曲角度、膝关节伸展角度、膝关节内收力矩、膝关节屈曲力矩、膝关节伸展力矩、地面反作用力不对称性指数显著低于正常步行(P < 0.05)。当步长增加50%时膝关节内收角度、膝关节伸展力矩和地面反作用力不对称性指数显著低于步长增加30%(P < 0.05)。

2.6 不良事件所有受试者在步态测试过程中均未发生关节扭伤，或因运动不当发生跌倒及运动损伤等不良事件。

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引言

前交叉韧带损伤是较为常见的膝关节运动损伤[1-2]，前交叉韧带完全断裂可诱发其他膝关节病变，包括膝关节不稳定、半月板和软骨表面损伤以及骨关节炎[3]，而这些断裂通常通过前交叉韧带重建和康复治疗来恢复对称的肢体负荷以及膝关节稳定性，以达到限制再次损伤的可能[4]。有研究表明，前交叉韧带重建后6个月至1年内步态不对称持续存在，并与早发性放射学骨关节炎的发生有关[5]。步态可能是未来骨关节炎和膝关节进行前交叉韧带重建后再次损伤的一个潜在影响因子。
前交叉韧带重建术后患者膝关节的生物力学性能常常发生改变，进而对步态不对称性造成损害。步态的不对称性评估可通过不对称性指数来测量，不对称指数是通过计算给定参数的左右两侧肢体之间的相对差异来评估不对称行为的程度，接近于零的指数表明对称性良好[6]。多项研究指出量化运动学和动力学参数的不对称指数可有效评估步态的不对称性改变，并可以用此来区分正常和病理步态。因此，通过评估膝关节运动学和动力学参数的不对称性指数可以体现步态的不对称性。
既往有关膝关节前交叉韧带损伤的研究发现改变步态参数可能是改变膝关节生物力学参数简单可行的方法，其中大量研究指出增加步长可能有助于改善膝关节负荷[7-9]。
当前还有研究指出步长会影响前交叉韧带重建后不同时期运动学和动力学的变化[10-13]，此课题组前期研究也发现增加步长可能是降低膝关节内收力矩的重要方法[14]，然而当前还不清楚步长增加的最优比例。因而此次研究以前交叉韧带重建后3个月的患者为研究对象，进而探索增加不同长度的步长对前交叉韧带重建术后患者膝关节运动学和动力学不对称性的影响。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计下肢生物力学对比试验，单因素方差分析。
1.2 时间及地点试验于2023年9-10月在北京积水潭医院贵州医院完成。
1.3 对象选择2023年9-10月在北京积水潭医院贵州医院就诊的前交叉韧带重建患者30例，其中男15例，女15例，年龄20-30岁，体质量指数18-25 kg/m²，受试者一般资料见表1；所有受试者均接受了自体绳肌移植术或同种异体软组织移植术。重建后，所有受试者均接受基于相同标准的术后康复计划。
纳入标准：①单侧膝关节前交叉韧带重建术后3个月；②有正常的膝关节活动度(与健侧关节角度相同)；③单侧前交叉韧带断裂，不伴有或仅伴有Ⅰ度软骨损伤、半月板损伤者；④进行步行时下肢无疼痛；⑤自愿参加此次研究。
排除标准：①膝关节软骨缺损≥1 cm；②并发侧副韧带和后交叉韧带损伤，有骨折、关节脱位和肌肉损伤等其他肌肉骨骼疾病；③二次翻修手术者；④因其他疾病所导致的下肢疼痛或活动受限者；⑤并发感觉障碍、心血管疾病和精神疾病者。
此次研究经过北京积水潭医院贵州医院伦理委员会批准(批号：LW20230908)，受试者对试验数据的采集完全知情同意，并签署了知情同意书。
1.4 方法

1.4.1 步态测试在三维步态分析实验室进行，见图1。实验室配备BTS红外动作捕捉系统和三维测试台，其中红外动作捕捉系统由8个摄像头构成，采集频率为250 Hz；三维测力台由4块力台构成，镶嵌在步道中部，采集频率为500 Hz。在正式测试前向受试者说明测试目的以及测试步骤，并要求受试者穿着紧身短衣裤。

每个受试者分别进行了3类不同步长的行走测试，分别是正常的步长行走、在正常行走的基础上增加30%及50%的步长行走。有研究分析中国人的步行特征得出正常人的步长为56 cm[15]，故此次研究的正常步长取
56 cm，增加30%的步长长度取73 cm，增加50%的步长长度取84 cm。

在三维步态分析实验室中，提前在6 m长的走道上用彩色胶带贴好表示不同步长的地标，用以区分受试者行走时的不同步长，见图2。

根据Davis Heel模型，在受试者身上粘贴22个Mark点，分别是C7、双侧肩峰、双侧髂前上棘、双侧股股大转子、双侧股骨外侧髁、双侧股骨大转子和股骨外侧髁连线的中点、双侧腓骨外上髁、双侧外踝、双侧腓骨外上髁与外踝连线的中点、双侧跟骨、双侧第五跖骨、第五骶骨，见图3。

当贴好Mark点以后让受试者在提前标记好标志物的步道中以正常步速进行适应性行走。正式测试时，在进行不同的步长行走测试之前都会先采集受试者在力台上静止站立的数据，随后让受试者在步道上来回进行3次行走，从跑道起始点到终末段算一次测试，每次测试采集5个以上的步态周期，取中间5个完整步态周期的平均值，若步态周期用时相差较大，则让受试者休息3 min后重新测试。
1.4.2 数据处理和测试指标
(1)运动学和动力学分析：动力学分析基于Opensim 4.1仿真软件。Opensim 4.1软件是由美国斯坦福大学开发的一款开源性生物力学仿真分析软件。首先在BTSsmart-clinic中将运动学数据和动力学数据转化trc及mot文件格式，然后导入Opensim中，通过逆运动学仿真获取运动学数据，运动学指标包括膝关节屈曲角度、膝关节伸展角度、膝关节内收角度。通过逆动力学获取此次试验所需的关节力矩数据，力矩数据标准化为
Nm/kg，关节力矩指标包括膝关节内收力矩、膝关节屈曲力矩、膝关节伸展力矩、地面反作用力。

(2)不对称性指数分析：根据以上所获得的结果，步态不对称性根据ROBINSON 等[16]提出的不对称性指数在所选参数范围内进行研究。不对称性指数(方程)是指直接可测量的值，它代表左右之间差异的百分比[6]。其中，XL表示患侧步态变量，XP表示健侧的步态变量。当不对称性指数值为零时表示XL和XP之间没有差别，说明该步态变量有完美的步态对称性。

1.5 主要观察指标动力学、运动学不对称性指数。
1.6 统计学分析通过SPSS 22.0进行统计学分析，所有步态测量值都是在每个步长条件下进行3次试验记录的平均值。采用单因素方差分析比较不同步长条件下各参数的不对称性差异，以确定步长是否对测量值有影响，P < 0.05表示差异有显著性意义。文章的统计学方法已经过北京积水潭医院贵州医院生物统计学专家审核。

讨论

此次研究旨在探讨前交叉韧带重建术后患者在进行步行时，不同的步长距离对膝关节运动学和动力学不对称性的影响，以明确步长是否为前交叉韧带重建后潜在的可修改因素，以促进制定改变疾病进程的策略。有研究表明矢状面的关节力矩显著影响前交叉韧带的载荷[17]，膝关节伸展力矩和膝关节屈曲力矩是矢状面上主要作用于膝关节的力矩[3，18]。而膝关节内收力矩不仅是一个反映膝关节内侧间室的重要指标[19-20]，还是膝关节负荷的重要生物力学指标，当发生前交叉韧带损伤后，重建后膝关节内侧间室的生物力学可能会改变[21]，进而导致步行时双下肢动力学的不对称性增加。此次研究结果显示，与正常步长相比，当步行时增加步长不仅可以改善前交叉韧带重建侧膝关节负荷，还可以改善步行时膝关节运动学和动力学的不对称性，与既往研究结果一致[22-24]。
在步行中随着运动学的变化，动力学可能也会随之改变。在此次研究中，当步长增加时动力学指标均有所下降，这可能与运动学中的膝关节屈曲角度增加有关，与既往研究结果一致[25-26]。膝关节伸展力矩和膝关节屈曲力矩作为矢状面上主要作用于膝关节的力矩，它们的变化与前交叉韧带负荷的大小密不可分[3，27-28]，在步行时当膝关节屈曲力矩的数值增大时，通过增加膝关节屈曲角度可以降低该指数[29-31]，当行走时下肢在初始接触地面之前和初始接触地面时增加膝关节屈曲角度，可能会改变膝关节在从摆动阶段向站立阶段过渡时所承受的应力，随着膝关节屈曲角度的增加，人体固有的被动支撑系统(如半月板、关节软骨、滑液等)将有助于消散行走时膝关节所承受的应力。此外，股四头肌与行走时的膝关节动力学参数有显著的相关性[32-33]，故还可以通过股四头肌收缩产生膝关节伸展力矩来使膝关节屈曲力矩大小得以平衡[34-35]。股四头肌作为主要参与矢状面活动的肌肉，它会通过影响膝关节屈曲角度大小来对动力学指标产生影响。HOLLIS等[36]的研究显示施加的股四头肌力会导致前交叉韧带从完全伸展到膝关节屈曲 30°持续高度的应力，然后随着膝关节屈曲角度增加超过30°，前交叉韧带应力开始减少，因此可以通过改变股四头肌肌力来进一步改善膝关节屈曲角度的大小，使膝关节屈曲力矩及下肢动力学不对称性减小。SHARIFI等[37-38]和LI等[39]指出前交叉韧带的关节稳定性与膝关节屈曲角度和膝关节肌肉力量的变化相关，当膝关节屈曲角度增加时，股四头肌收缩加强使关节稳定性增加[40-41]。有文献指出，膝关节屈曲力矩峰值不对称现象在前交叉韧带重建手术后2年内持续存在，其中部分原因是股四头肌力量不
足[42]。股四头肌功能障碍是前交叉韧带重建后常见的慢性并发症，会导致步态生物力学异常和关节健康不良[43]。ITO等[44]的分析表明，前交叉韧带重建术后早期股四头肌功能的改变可能是导致发现膝关节负荷不对称的原因之一，与健侧肢体相比，患侧肢体达到股四头肌活动峰值的时间较早，达到膝关节屈曲峰值的时间较晚，并且患侧肢体的伸肌潜伏期较健侧肢体延长，这导致了下肢之间出现不对称性现象。而伸肌潜伏期延长可能与肌肉和肌腱僵硬、股四头肌无力和抑制、前交叉韧带损伤后股四头肌神经肌肉功能整体减弱等相关，在未来可以进一步研究和识别步态期间膝关节动力学和运动学改变背后的神经肌肉缺陷。以往研究和此次结果均显示，当步长增加时检测到股四头肌收缩加强，动力学指标下降。故在步行时可以通过增加膝关节屈曲角度，使矢状面力矩下降、关节稳定性增加来改善膝关节对称性，从而预防前交叉韧带的损伤。
另外，膝关节内收力矩作为反映膝关节内侧间室的重要指标，在此次研究中当步长增加时该指标降低，这和MYER等[45]的研究结果一致。对于膝关节内收力矩的变化，BEAULIEU等[46]指出，当膝关节内收力矩增大时，不仅增加了着地时的外展旋转范围，而且还由于机械耦合增加了胫骨前移和胫骨内旋，进而影响膝关节的负荷大小。在步行时，额状面的关节力矩关节力线会向内侧偏移，进而增加额状面力臂长度，而通过增加步长可以缩短地面反作用力在额状面中围绕膝关节中心的力臂进而减小膝关节内收力矩[8]。
综上，基于步长的影响和此次研究结果，在临床中可通过强化股四头肌肌力以及增加步行时的步长，来调整前交叉韧带重建术后步态运动学和动力学的不对称性。此次研究受样本量局限性、个体差异、疾病严重程度等因素的限制，如何针对增加步长改善膝关节步态对称性还需更多的研究论证，以减少临床对于预防步态不对称性出现所导致的不良影响，或者缓解前交叉韧带重建术后患者再次损伤的可能性。
结论：在步行中前交叉韧带重建术后3个月的患者通过改变步长会影响膝关节运动学和动力学等相关指标的对称性。因此，这些变量可用于临床步态监测指导前交叉韧带损伤患者的康复训练，或者用于预防前交叉韧带的再损伤。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

前交叉韧带重建后步长增加对膝关节运动学和动力学不对称性步态的影响

Effect of increased stride length on knee kinematics and dynamics of asymmetric gait after anterior cruciate ligament reconstruction

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