基層士兵踝關節軟骨厚度及負荷下厚度變化的MR研究

章思竹 張乾營 彭偉生 黃瑩 阿浣 韓曉兵 張善幽 劉娜紅 劉旭紅

軍事訓練是軍人的必修科目，尤其是基層士兵，訓練時間與強度更為繁重，長期的軍事訓練對踝關節軟骨都會有一定影響。既往有學者對運動員軟骨厚度的研究，大部分是觀察膝關節軟骨，并且大多是靜息狀態下（非負荷下）的軟骨，并不能全面評價長期處于體育運動或軍事訓練的軟骨應力情況；本次試驗研究不僅對比了靜息狀態下基層士兵和對照組之間踝關節軟骨厚度的差異情況，并利用自制下肢關節負荷裝置，得出負荷下踝關節軟骨厚度變化的差異情況，進一步對基層士兵踝關節軟骨應力情況進行研究分析。

資料與方法

1.研究對象

以20 例入伍兩年以上的青年基層士兵為實驗組（每周軍事訓練總時長平均約24.6 h），20 例青年健康人為對照組（每周體育運動總時長平均約2.3 h）。納入標準：（1）性別為男性；（2）年齡20～25 歲；（3）身高170～178 cm；（4）無MR 掃描禁忌證。排除標準：（1）有踝關節手術史及其他病史；（2）無法耐受負荷下檢查。本研究通過院倫理委員會審核，受試者均簽署知情同意書。

2.影像檢查方法

采用Siemens Skyra 3.0 T 磁共振掃描儀，利用頭頸聯合Head/Neck 18 通道線圈，掃描序列為T1VIBE 3D FS 序列。利用自制下肢關節負荷裝置，模擬人體站立狀態，對右踝關節施加約55%體重的負荷（根據雙足承重學說，右足承受55%的體重）；兩組受試者分別于加壓前后對右踝關節軟骨進行磁共振掃描。成像參數：T1VIBE 3D FS 序列圖：TR 10.5 ms，TE 4.92 ms，視野150 mm×150 mm，矩陣256×256，掃描時間2 min 16 s。

3.測量與計算方法

利用第三方工具Digimizer（醫學圖像分析軟件）測量；在MRI 的T1VIBE 3D FS 序列上對踝關節軟骨厚度進行測量，測量的踝關節軟骨厚度值為距骨軟骨和脛骨軟骨的厚度值總和。在踝關節MRI 冠狀位進行定位，在近正中矢狀位選取踝關節外側、中間、內側三個矢狀位，并在相應矢狀位圖像中進行測量，在矢狀位圖上做脛骨關節弧面前后最低點的連線，沿該線段中點做垂直線，垂直線上與距骨關節面、脛骨關節面兩個交點之間距離即為踝關節軟骨厚度值（圖1）。所選取的測量點接近于正中冠狀位，在正中冠狀位上脛骨軟骨與距骨軟骨之間幾乎無明確界限。本研究采用軟骨厚度壓縮比率來評價負荷下踝關節軟骨壓縮情況。

圖1 矢狀位圖上進行測量

4.數據處理

采用SPSS 26.0 軟件，兩組間的年齡、身高、體重差異分析采用獨立t 檢驗。兩組受試者各自3個部位踝關節軟骨厚度與年齡、身高、體重的相關性采用Pearson 簡單相關系數檢驗分析，兩組間的加壓前踝關節軟骨厚度值差異分析采用獨立t 檢驗；兩組受試者各自3 個部位軟骨的加壓前后兩次厚度值間對比分析采用配對t 檢驗；兩組間的負荷下踝關節軟骨厚度壓縮率差異分析采用獨立t 檢驗；青年男性基層士兵3 個部位軟骨負荷下厚度壓縮率與每周訓練總時長的相關性采用Spearman 簡單相關系數檢驗分析。P＜0.05 為差異具有統計學意義。

結果

實驗組與對照組兩組間的年齡、身高、體重差異無統計學意義（P＞0.05）；兩組受試者各自3 個部位踝關節軟骨厚度與年齡、身高、體重均無相關性（P＞0.05）；兩組間的外側、中間、內側3 個部位踝關節軟骨厚度值差異均具有顯著統計學意義（P＜0.001）（表1）；青年男性基層士兵加壓前后踝關節軟骨兩次厚度值差異、健康男性對照組加壓前后踝關節軟骨兩次厚度值差異均具有顯著統計學意義（P＜0.001）（表2、3）；兩組間的外側、中間、內側3 個部位負荷下踝關節軟骨厚度壓縮率的差異均具有顯著統計學意義（P＜0.001）（表4）；青年男性基層士兵的外側、中間、內側3 個部位負荷下踝關節軟骨厚度壓縮比率和每周訓練總時長均具有相關性（P＜0.001）（圖2）。

表1 兩組間踝關節軟骨厚度值比較（mm，）

表1 兩組間踝關節軟骨厚度值比較（mm，）

表2 青年男性基層士兵加壓前后踝關節軟骨厚度變化（mm，）

表2 青年男性基層士兵加壓前后踝關節軟骨厚度變化（mm，）

表3 健康男性加壓前后踝關節軟骨厚度變化（mm，）

表3 健康男性加壓前后踝關節軟骨厚度變化（mm，）

表4 兩組間負荷下踝關節軟骨厚度壓縮率比較（%，）

表4 兩組間負荷下踝關節軟骨厚度壓縮率比較（%，）

討 論

1.基層士兵與對照組軟骨厚度值差異分析

機械刺激被認為是骨關節系統的調節器，深刻地影響負重關節軟骨及軟骨下骨的健康發育、生長及適應［1］；功能適應是組織根據特定環境要求發展和維持其結構的能力［2］，在高應變運動中，關節軟骨可能通過增厚進行功能適應［3］。在膝關節中，行走、騎自行車和跑步等活動中的負荷會導致骨密度和軟骨厚度的變化，并會形成相應依賴性［4］。Bini 等［5］研究表明，體育運動與軟骨厚度的增加有關，相反，在沒有機械刺激的情況下，關節軟骨會萎縮［3］。本次研究結果表明，經過軍事訓練的基層士兵踝關節軟骨厚度值高于對照組，與Grzelak 等［3］、Babayeva 等［6］研究運動員的軟骨厚度較久坐的人要更厚的結果相仿。在一定水平動態負荷下通過軟骨與軟骨接觸可能為軟骨厚度變化提供一個有利的機械環境［7］，軟骨-軟骨接觸區內較厚的軟骨會減少接觸應力，在相同負荷條件下，較厚軟骨比較薄軟骨承受更低的接觸應力峰值，較厚軟骨可提供較好的負載吸收［8］；當然也有人研究結果持相反觀點，Eckstein 等［2］報告表示鐵人三項職業運動員與正常人軟骨厚度并無明顯差別，并表示關節軟骨是沒有血管，其營養主要來源于關節滑液的滲透，增厚的軟骨不利于其營養代謝；然而，本研究表明在負荷下關節軟骨厚度值會減小，說明人體在站立或運動過程中，軟骨是壓縮的、其厚度變薄，而且基層士兵軟骨厚度壓縮比率更大，因此，對于長期訓練的士兵或運動員，增厚的軟骨并不影響其營養代謝，反而運動擠壓可以促進滑液進入軟骨基質營養細胞［9］，刺激軟骨生長。因此，本研究認為基層士兵踝關節軟骨增厚是一種潛在的適應機制。

2.加壓前后踝關節軟骨厚度變化的分析

圖2 青年男性基層士兵負荷下踝關節軟骨厚度壓縮比率和每周訓練總時長的相關性

關節軟骨是由固體基質及其間質液體組成的生物復合材料，固體基質主要由膠原和蛋白聚糖組成，其力學性能取決于基質與液體之間的相互作用［10］；軟骨內的液體主要提供較大的靜水流體壓力，以保護軟骨固體基質免受可能導致組織破壞的高剪切和拉伸應力［11］。Harkey 等［12］研究表明，在動態或靜態荷載作用下，關節軟骨會發生一定程度的變形，在去除荷載后，軟骨緩慢恢復成原來狀態；在一天的活動中，關節軟骨厚度會隨之改變［13］。本次研究表明，在負荷下踝關節軟骨會壓縮變?。辉诮o關節軟骨施加負荷過程中，荷載最初由組織內間質靜水流體壓力支撐，隨后間質液體在基質中重新分布，軟骨開始變形；在持續負荷條件下，流體將逐漸從組織中排出，降低水壓，引起更多變形；最終，靜水壓力接近零，流體流動停止，整個負荷由軟骨固體基質支持［14］。既往研究［15］表明軟骨固體基質是幾乎不可壓縮的，軟骨壓縮應變主要取決于基質間的流體；因此，負荷下關節軟骨壓縮變薄，是由于流體在軟骨內重構引起軟骨變形或因為流體從軟骨內流出導致軟骨縮小。

3.負荷下踝關節軟骨厚度壓縮率差異的分析

關節軟骨減少應力的相關生物學機制是關節表面積增加［16］，因為關節軟骨的功能是提供一個無摩擦的光滑表面，將負載相對均勻地從一個關節面傳遞到另一個關節面［17］，更大的軟骨表面積提供較大接觸面積，機械力重新分布范圍也越廣，從而使關節表面的應力保持在合理范圍內［2,18］。在負荷情況下，關節軟骨主要通過壓縮變形來提供較大的關節軟骨表面積。為了排除軟骨初始厚度的影響，本研究采用軟骨厚度壓縮比率來評價負荷下踝關節軟骨的壓縮情況。結果表明基層士兵在負荷下軟骨厚度壓縮率明顯高于對照組，且每周軍事訓練時長越久、壓縮率相對越高，軟骨的壓縮應變，與其負載程度相關，較大的壓縮應變可以消散更大力量［15］，說明基層士兵在繁重的軍事訓練中，需要較大的軟骨壓縮應變功能適應。當然并非壓縮應變越大，就能夠帶來更大好處；過度的壓縮應變，也可能提示早期軟骨損傷。Cher 等［19］研究表明，運動后踝關節脛骨軟骨經歷了3%的整體壓縮應變、距骨軟骨經歷了2%整體壓縮應變，負荷后壓縮應變若發生異常改變，可能提示軟骨損傷，將導致踝關節發生退變。Brett 等［20］也指出關節軟骨過度的壓縮變形，會破壞軟骨的正常穩態，可能是早期骨性關節炎的原因。

綜上所述，本研究提供了靜息狀態及模擬站立狀態下踝關節軟骨厚度的相關定量參數，進一步研究軟骨對運動訓練的反應情況。