林澤楓，張 余，馬立敏，姚子龍，黃文漢

外側(cè)盤狀半月板損傷患者膝關(guān)節(jié)在體運動學(xué)參數(shù)研究

林澤楓，張 余，馬立敏，姚子龍，黃文漢

目的采集外側(cè)盤狀半月板損傷患者膝關(guān)節(jié)的在體運動學(xué)參數(shù)，探討紅外光導(dǎo)航技術(shù)在此類損傷患者在體穩(wěn)定性評估中的應(yīng)用價值。方法使用紅外光導(dǎo)航膝關(guān)節(jié)在體檢測系統(tǒng)Opti_Knee?分別采集正常人膝關(guān)節(jié)（n=24）及外側(cè)盤狀半月板損傷患者膝關(guān)節(jié)（n=24）的6個自由度數(shù)據(jù)，計算6個自由度的變化范圍。結(jié)果與正常膝關(guān)節(jié)相比，外側(cè)盤狀半月板損傷患者膝關(guān)節(jié)內(nèi)/外旋角度、前/后位移最大值及變化范圍以及股骨外移最大值、內(nèi)/外位移變化范圍均明顯減?。≒＜0.05）；而最小屈曲角則顯著增大（P＜0.05）。結(jié)論外側(cè)盤狀半月板損傷患者膝關(guān)節(jié)內(nèi)/外旋角度、前/后和內(nèi)/外位移等運動學(xué)參數(shù)變化明顯，紅外光導(dǎo)航檢測技術(shù)具有簡單快速、數(shù)據(jù)可靠的特點，是評估患者膝關(guān)節(jié)在體穩(wěn)定性的較好選擇。

盤狀半月板；膝損傷；動力學(xué)；步態(tài)；活動范圍，關(guān)節(jié)；紅外光導(dǎo)航

盤狀半月板損傷是常見的膝關(guān)節(jié)損傷，據(jù)報道，歐美人群中該損傷發(fā)病率較低，約為5%；而亞洲人群發(fā)病率則高于10%[1-2]。目前對此類損傷的檢測和評估通常依賴DR、CT和MRI等傳統(tǒng)影像學(xué)技術(shù)，獲取損傷部位的解剖結(jié)構(gòu)信息，但這些手段無法對患者的運動學(xué)特征進(jìn)行定量評價。近年來隨著關(guān)節(jié)運動測量技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們開始通過膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性測試進(jìn)行膝關(guān)節(jié)功能性評估，以此來判斷膝關(guān)節(jié)的損傷程度[3-4]。光導(dǎo)航技術(shù)可以在人體運動時利用光感應(yīng)裝置反射光信號來記錄標(biāo)記點的移動數(shù)據(jù)，分析膝關(guān)節(jié)三維活動情況并判斷在體穩(wěn)定性，進(jìn)而達(dá)到評估膝關(guān)節(jié)運動學(xué)特征的目的[5-6]。本研究采用紅外光導(dǎo)航技術(shù)獲取外側(cè)盤狀半月板損傷患者的步態(tài)數(shù)據(jù)，分析脛骨內(nèi)/外旋角度、前/后及內(nèi)/外位移等運動學(xué)特征，探討該技術(shù)評估盤狀半月板損傷的可行性和應(yīng)用價值。

1　資料與方法

1.1一般資料

選取正常志愿者以及于廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院就診的單側(cè)外側(cè)盤狀半月板損傷患者各24名，分別納入正常組與損傷組。其中正常組男12例，女12例；年齡14～59歲，平均年齡36.9歲；BMI指數(shù)為（21±4）kg/m2。損傷組男12例，女12例；左膝12例、右膝12例；年齡16～57歲，平均年齡32.7歲；BMI指數(shù)為（22±8）kg/m2；均通過MRI（圖1）及關(guān)節(jié)鏡檢查確診為外側(cè)盤狀半月板損傷，且不存在除外側(cè)盤狀半月板損傷之外的其他疾患。兩組性別分布、年齡、BMI指數(shù)等一般資料比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

1.2方法

使用紅外光導(dǎo)航膝關(guān)節(jié)在體檢測系統(tǒng)（Opti_Knee?，上海Innomotion公司，圖2）分別對兩組受試者進(jìn)行步態(tài)數(shù)據(jù)采集。具體方法：對受試者進(jìn)行骨性標(biāo)記定位，包括股骨頭外側(cè)大轉(zhuǎn)子、股骨外側(cè)髁、股骨內(nèi)側(cè)髁、脛骨平臺、腓骨頭外側(cè)、脛骨結(jié)節(jié)、內(nèi)踝和外踝；將2個紅外光感應(yīng)器固定于受試者股骨遠(yuǎn)端及脛骨近端（圖2C），確保紅外光發(fā)射源、接收器與紅外光感應(yīng)器之間的光路暢通；受試者在跑步機上進(jìn)行約2 min常規(guī)步行訓(xùn)練，直到再現(xiàn)與平地步行一樣的步態(tài)時，開始以30幀/s的頻率采集步態(tài)數(shù)據(jù)，采集時間為15 s，系統(tǒng)自動采集膝關(guān)節(jié)在每個活動周期內(nèi)股骨相對于脛骨的內(nèi)/外翻角、內(nèi)/外旋角、屈曲/伸展角、前/后位移、上/下位移以及內(nèi)/外位移等6個自由度數(shù)據(jù)并保存。采用Matlab軟件提取每個受試者的數(shù)據(jù)，將多周期數(shù)據(jù)擬合成1個周期并導(dǎo)出。通過Excel軟件確定每個自由度數(shù)據(jù)的最大值和最小值，以兩者的差值作為該自由度的活動范圍。

圖1　外側(cè)盤狀半月板患者M(jìn)RI圖像（白色箭頭指向為損傷部位）

圖2　Opti_Knee?設(shè)備組成 2A設(shè)備基本組成 2B紅外光發(fā)射/接收設(shè)備 2C紅外光感應(yīng)器及其體外固定

1.3統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x-±s）表示，損傷組與正常組6個自由度最大值、最小值以及活動范圍的比較采用兩獨立樣本t檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2　結(jié)果

2.1兩組運動角度最大值、最小值及變化范圍比較在步行狀態(tài)下，損傷組膝關(guān)節(jié)最大外旋角、最大內(nèi)旋角均低于正常組，而最小屈曲角則較正常組顯著增大（P＜0.05）；外翻角、內(nèi)翻角和屈曲角的最大值與正常組相比均無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞

0.05）。見表1。

如圖3所示，在步行狀態(tài)下，損傷組患者膝關(guān)節(jié)的內(nèi)/外旋角度范圍（10.5±1.1）°較正常組膝關(guān)節(jié)的（15.1±0.5）°顯著減小（t=—17.515，P= 0.000）。但比較損傷組和正常組的內(nèi)/外翻角[（6.0±0.5）°vs（5.9±1.5）°]和屈曲/伸展角[（54.0±5.1）°vs（55.8±5.1）°]，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（t=—0.245，—1.381；P=0.808，0.180）。

2.2兩組位移最大值、最小值及變化范圍比較

在步行狀態(tài)下，損傷組患者股骨前移、后移和外移最大值均較正常組顯著減?。≒＜0.05）；而在股骨上移最大/最小值與外移最小值方面，兩組比較，差異無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。見表2。

如圖4所示，損傷組患者膝關(guān)節(jié)的前/后位移范圍明顯小于正常膝關(guān)節(jié)[（0.86±0.08）mm vs（1.40±0.12）mm，t=—13.082，P=0.000]；內(nèi)/外位移范圍比較也得出類似結(jié)果[（0.72±0.12）mm vs（1.03±0.07）mm，t=—13.091，P=0.000）。但兩組膝關(guān)節(jié)上/下位移范圍比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義[（1.38±0.29）mm vs（1.35±0.22）mm，t= 0.609，P=0.548]。

表1　正常與外側(cè)盤狀半月板損傷膝關(guān)節(jié)運動角度比較結(jié)果（±s，n=24，°）

表1　正常與外側(cè)盤狀半月板損傷膝關(guān)節(jié)運動角度比較結(jié)果（±s，n=24，°）

膝關(guān)節(jié)運動角度最大外翻角最大內(nèi)翻角最大外旋角最大內(nèi)旋角最大屈曲角最小屈曲角正常組2.320±0.362 3.655±0.453 7.457±0.486 7.657±0.530 62.719±4.288 6.879±1.083損傷組2.732±0.990 3.161±1.353 5.343±0.703 5.111±0.566 63.960±5.440 9.927±1.451 t值1.733 1.608—11.550 13.603 0.918 10.429 P值0.097 0.121 0.000 0.000 0.368 0.000

圖3　正常與外側(cè)盤狀半月板損傷運動角度范圍比較 圖4正常與外側(cè)盤狀半月板損傷股骨位移范圍比較

表2　正常與外側(cè)盤狀半月板損傷股骨位移比較結(jié)果（±s，n=24，mm）

表2　正常與外側(cè)盤狀半月板損傷股骨位移比較結(jié)果（±s，n=24，mm）

股骨位移股骨前移最大值股骨后移最大值股骨上移最大值股骨上移最小值股骨外移最大值股骨外移最小值正常組1.10±0.108 0.30±0.06 1.62±0.11 0.27±0.2 1.35±0.16 0.32±0.13損傷組0.66±0.05 0.20±0.08 1.61±0.21 0.23±0.24 1.07±0.10 0.35±0.06 t值—19.072 3.930—0.010—0.773—9.589 1.130 P值0.000 0.001 0.921 0.447 0.000 0.270

3　討論

3.1盤狀半月板的損傷機制及臨床診斷

盤狀半月板是因半月板發(fā)育異常導(dǎo)致其增大、增厚，進(jìn)而形成的近似盤狀的結(jié)構(gòu)。盤狀半月板占據(jù)了股骨髁和脛骨平臺之間更多的空間，不利于膝關(guān)節(jié)的負(fù)荷傳導(dǎo)[7]，膝關(guān)節(jié)正?；顒訒r會在關(guān)節(jié)間隙產(chǎn)生病理性作用力[8]，進(jìn)而導(dǎo)致半月板損傷甚至斷裂，出現(xiàn)疼痛、腫脹、關(guān)節(jié)絞鎖、關(guān)節(jié)活動受限等臨床表現(xiàn)[9]。一旦出現(xiàn)損傷，將會導(dǎo)致軟骨磨損加劇，進(jìn)而誘發(fā)關(guān)節(jié)的退變[10]。臨床上一般結(jié)合患者癥狀表現(xiàn)和影像學(xué)特征來明確診斷，X線可輔助診斷，但特異性不高，往往需要進(jìn)行MRI檢查[11]。

3.2膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的評估研究

膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性測試是膝關(guān)節(jié)功能評估的重要內(nèi)容。既往主要依靠體格檢查和影像學(xué)檢查來完成，其中體格檢查與醫(yī)師的臨床經(jīng)驗以及患者受傷部位周圍的肌肉狀態(tài)關(guān)系密切，既缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，又無法量化評價膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性；影像學(xué)檢查可以較好地獲取受傷部位的解剖信息，尤其是對于盤狀半月板患者，MRI檢查確診率較高[12]，但僅依靠單純的靜態(tài)解剖結(jié)構(gòu)圖像并不能全面評價膝關(guān)節(jié)功能。從運動學(xué)和運動力學(xué)角度研究膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性是目前運動醫(yī)學(xué)的新熱點，膝關(guān)節(jié)損傷后關(guān)節(jié)內(nèi)部生物力學(xué)環(huán)境發(fā)生改變，關(guān)節(jié)在運動時其運動學(xué)參數(shù)將出現(xiàn)一定變化，通過運動學(xué)分析可以診斷和評估損傷的程度、評價手術(shù)治療效果以及指導(dǎo)術(shù)后康復(fù)計劃的制定[13-15]等。

最早用于膝關(guān)節(jié)運動學(xué)參數(shù)測量的設(shè)備是KT-1000/2000，可以量化觀察膝關(guān)節(jié)的移動[16]，但只能監(jiān)測股骨與脛骨在單平面上的相對位移；李鑒軼等[17]利用2D/3D配準(zhǔn)技術(shù)建立膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性在體評價系統(tǒng)，通過二維平面圖像與三維結(jié)構(gòu)的已知位點進(jìn)行配準(zhǔn)，建立三維結(jié)構(gòu)模型，能夠?qū)οリP(guān)節(jié)的運動功能進(jìn)行全面評價，但配準(zhǔn)過程比較繁瑣，操作不便。紅外光導(dǎo)航技術(shù)是新型三維空間定位技術(shù)，在人體表面固定數(shù)個紅外光感應(yīng)裝置，人體運動時即可對移動中的光感應(yīng)裝置進(jìn)行實時記錄，并分析膝關(guān)節(jié)的三維活動情況，操作簡單，數(shù)據(jù)可靠。目前在關(guān)節(jié)領(lǐng)域，該技術(shù)已開始用于交叉韌帶損傷的早期臨床診斷[18-19]以及手術(shù)前后膝關(guān)節(jié)功能的對比研究，是膝關(guān)節(jié)臨床診斷技術(shù)的有效補充。

3.3盤狀半月板損傷患者的步態(tài)分析

3.3.1運動角度 正常膝關(guān)節(jié)在伸直的最后階段，脛骨相對于股骨呈外旋，而屈曲時則相對股骨內(nèi)旋，在此過程中半月板會出現(xiàn)適應(yīng)性的微動[7]。由于盤狀半月板的高度和寬度較正常半月板異常增大，其覆蓋脛骨平臺關(guān)節(jié)面的面積也增大，占據(jù)了一定的關(guān)節(jié)腔空間，因此當(dāng)關(guān)節(jié)內(nèi)外旋活動時就會帶來非生理性的水平剪力，限制半月板的適應(yīng)性微動，如此既容易導(dǎo)致并加重盤狀半月板損傷的程度，也使膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外旋活動范圍受到限制，內(nèi)/外旋角度最大值及活動范圍均明顯縮小。此外，在步行過程中的膝關(guān)節(jié)逐漸伸直階段，由于盤狀盤月板體積比正常盤月板體積大，關(guān)節(jié)腔變窄，且損傷后引發(fā)疼痛，因而患者膝關(guān)節(jié)伸直受限，從自由度數(shù)據(jù)上體現(xiàn)為損傷組屈曲角最小值較正常組顯著增大；而在膝關(guān)節(jié)彎曲過程中，膝關(guān)節(jié)腔間隙不斷增大，亦不存在壓迫，損傷的盤狀半月板對這一過程影響較小，從自由度數(shù)據(jù)上則體現(xiàn)為兩組的屈曲角最大值和屈伸范圍均無統(tǒng)計學(xué)差異。

3.3.2位移 本研究結(jié)果提示，外側(cè)盤狀半月板損傷膝關(guān)節(jié)的前/后位移和內(nèi)/外位移范圍均較正常半月板顯著減小。推測主要有兩方面原因：一方面是因為盤狀半月板解剖外形比正常半月板更寬更高，導(dǎo)致關(guān)節(jié)活動受限，位移范圍受到影響；另一方面則是由于外側(cè)盤狀半月板損傷患者進(jìn)行膝關(guān)節(jié)活動時，股骨相對于脛骨的水平位移將對受損區(qū)域產(chǎn)生一定的壓迫，進(jìn)而引發(fā)疼痛，導(dǎo)致患者步行時會有意減小或避免這類壓迫以緩解疼痛。兩方面共同作用使股骨相對于脛骨平面的水平位移（前/后位移與內(nèi)/外位移）受限。從自由度數(shù)據(jù)上體現(xiàn)為損傷組股骨前/后位移最大值、股骨前/后位移范圍、股骨外移最大值以及股骨內(nèi)/外位移范圍均較正常組顯著減小。由于盤狀半月板損傷位置為外側(cè)，股骨向內(nèi)移動時未受到損傷部位的限制，從自由度數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為損傷組股骨外移最小值與正常組相似。而上下位移受重力及韌帶完整性影響較大，本研究受試者在檢測前已排除韌帶損傷的可能性，因此上下位移范圍并不因外側(cè)盤狀半月板損傷而產(chǎn)生明顯變化，本研究結(jié)果亦顯示，損傷組股骨上移最大值、最小值與股骨上/下位移范圍均無異于正常組。

本研究采用體表骨性標(biāo)記點的配準(zhǔn)定位方法，基于紅外光導(dǎo)航技術(shù)分別對正常人與外側(cè)盤狀半月板損傷患者的膝關(guān)節(jié)三維步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，對比其在6個自由度上的差異，為臨床診斷評估提供準(zhǔn)確的膝關(guān)節(jié)運動學(xué)功能信息，操作簡便，效率較高。未來該技術(shù)還可對外側(cè)盤狀半月板患者術(shù)后運動功能的恢復(fù)情況進(jìn)行實時快速的檢測分析，準(zhǔn)確反饋患者術(shù)后的康復(fù)進(jìn)展情況，指導(dǎo)患者更好地開展康復(fù)訓(xùn)練。但由于該方法采用體表標(biāo)記，實際操作中存在一定誤差，需要進(jìn)一步加以改進(jìn)；此外，該研究只對外側(cè)盤狀半月板患者的步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并未檢測內(nèi)側(cè)盤狀半月板損傷患者以及未出現(xiàn)損傷盤狀半月板患者的步態(tài)數(shù)據(jù)，需要在后續(xù)工作中加以完善。

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In vivo study on kinematic parameters of knee joints of the patients with lateral discoid meniscus injury

LIN Zefeng,ZHANG Yu,MA Limin,YAO Zilong,HUANG Wenhan.Hospital of Orthopaedics,Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command,Institute of Traumatic Orthopaedics of PLA,Medical Center of Assessment,Prevention and Treatment of Bone&Joint Diseases,Guangzhou,Guangdong 510010,China

ObjectiveTo collect the in vivo kinematic parameters of knee joints of the patients with lateral discoid meniscus injury,and to explore the application value of infrared optical navigation technology in the evaluation of in vivo knee joint stability of the patients.Methods Six degrees of freedom(DOF)of knee joints in 24 normal human(control group)and 24 patients with lateral discoid meniscus injuries(injury group)were collected respectively by in vivo Opti_Knee?assessment system using infrared optical navigation technology, then the ranges of six DOF were calculated.Results Compared with the data in control group,the maximum and the variation range of internal/external rotational angles,anterior/posterior displacement decreased significantly (P＜0.05),and the maximum of femoral outer displacement as well as the variation range of inner/outer displacement also reduced obviously(P＜0.05);While the minimum of flexion angle increased significantly(P＜0.05).Conclusions The kinematic parameters including internal/external rotational angles,anterior/posterior and inner/outer displacement of knee joints in the patients with lateral discoid meniscus injury changed obviously. Infrared optical navigation technique has the advantages of rapid examination and simple procedure with reliable results,which is a good choice to evaluate the in vivo stability of knee joint of the patients.

Discoid meniscus;Knee injuries;Kinetics;Gait;Range of motion,articular;Infrared optical navigation

R684.76，R319.9

A

1674-666X（2014）05-0291-06

2014-08-02；

2014-09-11）

（本文編輯：白朝暉）

10.3969/j.issn.1674-666X.2014.05.006

廣東省骨科矯形技術(shù)及植入材料重點實驗室基金（[2011]233-32）

510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院，全軍創(chuàng)傷骨科研究所，骨關(guān)節(jié)疾病醫(yī)學(xué)評估與防治中心

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