膝關節前交叉韌帶損傷的生物力學機制研究進展

劉海濤

(河南大學體育學院，河南 開封 475001)

前交叉韌帶(ACL)位于膝關節內，連接股骨與脛骨，具有限制脛骨的前移的作用，并且在完成技術性較強的下肢動作時輔助維持膝關節的穩定。ACL損傷是膝關節運動損傷的常見現象。該損傷發生后，患者的運動能力下降，生活幸福感降低[1]。生物力學是研究人體運動現象和規律的學科，它融合了力學原理與生理學和醫學的知識體系，從而更好地解釋闡述生命健康方面的科學問題，生物力學在ACL損傷研究中應用極為廣泛。因此，本文在閱讀國內外相關文獻基礎上對導致ACL損傷的生物力學因素進行綜述，希望對預防和治療ACL損傷提供幫助。

一、脛骨近端向前的剪切力與ACL損傷

有學者通過尸體標本的膝關節研究發現，雖然膝關節內外翻與內外旋力矩對ACL損傷有一定影響，但是ACL前、中束張力大小在很大程度上取決于脛骨近端向前的剪切力。當對脛骨近端加以向前的剪切力時，ACL受到的載荷會增大。只有當脛骨近端受到向前的剪切力時，膝關節內外翻與內外旋力矩才會增大ACL的載荷。當脛骨近端剪切力向前時ACL承受載荷，此時，髕腱作用力是影響ACL載荷的主要因素。還有研究[2]具有相同的發現，他們認為脛骨近端向前的剪切力改變會影響膝關節的內外翻與內旋力矩，從而增加ACL載荷。

由此可知，脛骨近端向前的剪切力增大會增加ACL的受力載荷，是導致ACL損傷的一個因素。

二、膝關節屈曲角度與ACL損傷

研究籃球的急停起跳動作發現，著地時膝關節屈伸角度與ACL受到的載荷有關[3]。有研究報道閉鏈練習時膝關節屈曲角度減小會增加ACL載荷。如果其他條件不變，膝屈曲角度越小，ACL載荷越大；著地時增加膝屈曲角度對減小ACL損傷非常重要。有研究表明[3]，與普通人群男性相比，女性初始觸地時刻有較小的膝屈曲角度，著地階段有較小的最大膝屈曲角度。對業余運動員的研究也發現女性業余運動員在急?？v跳著地階段減小了膝屈曲角度。這與前人報道女性運動員比男性發生ACL損傷概率更大相一致。一項為期13年的研究表明，女子足球和籃球運動員ACL損傷率高于男子運動員，更有甚者發現女子籃球運動員ACL損傷率是男性的1.6倍。

綜上所述，在運動過程中當膝關節的屈曲角度減小時，ACL受到的載荷將增加。在跳躍動作中，膝關節屈曲角度減小可能是ACL致傷的一個因素。

三、地面反作用力與ACL損傷

眾多文獻表明著地時較大的沖擊力可能是膝關節損傷的一個危險因素，特別是ACL損傷。一項研究表明，膝關節在跳躍動作中受到外展力矩易造成ACL損傷，而膝關節外展力矩的產生正是由于向外的地面反作用力。也有研究發現著地階段的地面反作用力峰值與膝關節ACL受到載荷峰值出現的時間相一致[3]。還有報告指出那些容易發生ACL損傷的高風險人群在業余活動中往往具有較大的地面反作用力。這是因為較大的地面反作用力，需要更大的股四頭肌收縮力提供，因而導致ACL所承受的載荷增大。

由此可知，地面反作用力增大可能是導致ACL損傷的另一個因素。

四、下肢矢狀面生物力學與ACL損傷

下肢矢狀面生物力學顯著影響ACL載荷。有學者測量了伸膝練習時活體ACL張力，發現ACL張力與膝伸力矩正相關。因為髕腱的收縮力來自股四頭肌，而股四頭肌是主要的伸膝肌群。有研究發現平路行走時ACL載荷峰值出現的時刻與股四頭肌力峰值、脛骨近端向前的剪切力峰值一致，均發生在初始著地之后，膝屈曲較小時。還有研究者測量了跳躍著地時活體ACL張力，發現ACL張力在初始著地后開始增加，ACL張力峰值出現時刻與膝屈曲角度最小時刻和地面反作用力峰值出現時刻相一致。也有文獻認為下肢矢狀面內、外的生物力學因素可能對ACL損傷起共同作用，也可能是下肢矢狀面內的生物力學因素單獨起作用[2]。

由此可知，地面水平向后和垂直地面反作用力峰值、脛骨近端向前的剪切力峰值、膝伸力矩峰值等矢狀面下肢生物力學參數基本同時出現。提示下肢矢狀面生物力學在ACL損傷機制方面充當重要角色。

五、小結

綜合前人研究，可以發現脛骨近端向前剪切力和地面反作用力增大，以及膝關節屈曲角減小均會增加前交叉韌帶的載荷。而下肢矢狀面生物力學參數改變會導致前交叉韌帶損傷發生率增大。

[1]Grover M.Evaluating acutely injured patients for internal derangement of the knee[J].Am Fam Physician，2012，85(3)：247-52.

[2]劉卉，蘇玉林，于冰.非接觸性前交叉韌帶損傷特點及機制的研究進展[J].醫用生物力學，2008(03).

[3]Yu B，Lin CF，Garrett WE.Lower extremity biomechanics during the landing of a stop-jump task[J].Clin Biomech(Bristol，Avon)，2006，21(3)：297-305.