前交叉韧带重建术后移植体力学属性的演变与下肢运动模式相互影响的生物力学研究

Anterior cruciate ligament injury is common in knee sport injury, for which ligament reconstruction is the popular treatment. However, the pathomechanism remains unclear for the long-term complications, such as knee laxity and osteoarthritis. Since histological change in tendon graft has been observed after surgery, it is hypothesized that the mechanical property of the graft will also change after surgery. This change could affect the lower-limb kinematics, and bring the feedback effect to the mechanical environment in knee. This factor may contribute to the long-term post-operative complications. Previous studies have optimized the short-term mechanical environment of the knee after surgery, but the long-term mechanical change of the tendon graft and its influence on lower-limb kinematics remains unclear. This project aims to quantify the mechanical change of the graft after surgery; then to establish the relationship between the graft change and lower-limb kinematics; and to analyze the feedback effect of the kinematical alteration on the mechanical environment in knee and graft. This project focuses on the dynamic evolution and feedback mechanism in the post-operative knee. The findings could help to understand the predisposing factor of long-term complications, and could advance the technology of surgery and rehabilitation.

前交叉韧带损伤是常见的膝关节运动损伤，韧带重建是主要的治疗方法，但术后远期易发生膝关节松弛和骨关节炎等并发症，其机理尚未明确。已有研究发现，手术后韧带移植体的组织学结构经历了持续的改变。由此提出猜想，移植体的力学属性也将发生演变，该演变会影响人体下肢正常的运动模式，进而再反馈作用于膝关节的局部力学环境，成为影响远期康复的重要因素。既往的研究主要着眼于优化术后即刻的力学环境，而对移植体在术后远期的改变和反馈规律了解甚少。本项目拟通过动物模型来测量韧带移植体的力学属性在手术后的持续演变规律；进而采用有限元模拟与步态分析，研究移植体力学属性的演变对人体下肢运动模式的影响；并且分析下肢运动模式对膝关节，尤其是移植体局部力学环境的反馈。本研究着眼于术后力学环境的动态演变和反馈规律，能为阐明术后远期并发症的诱因提供新的研究思路，也能为改进手术技术和康复训练提供理论基础。

前交叉韧带撕裂是常见的膝关节运动损伤，韧带重建是主要的治疗方法，但术后远期易发生膝关节松弛和骨关节炎等并发症，其机理尚未明确。项目组成员之间长期合作，开展了前交叉韧带重建术后移植体力学属性的演变与下肢运动模式相互影响的生物力学研究，主要包括：（1）建立了前交叉韧带重建的新西兰兔动物模型，定量获取了术后不同时期移植体力学特性的变化规律，以此为基础分析人体韧带重建后移植体力学特性变化的可能模式,为进一步认识术后并发症的机理提供了生物力学的依据。（2）建立并验证了人体下肢有限元模型和逆向动力学模型，研究了移植体力学属性变化对关节运动学、动力学以及肌肉力的影响。进一步定量研究了手术前后膝关节在体运动规律，研发了在体测量方法和分析软件，并采用标本实验验证了算法的精度，可为本项目科学问题的深入探索提供方法学的基础，也可应用于临床辅助诊断和手术评价。（3）探讨了人体下肢髋关节、膝关节和踝关节在运动中的相互联系，在此过程中提出了足踝关节运动学的等效刚度指标和动态内外翻指标，阐明了各类传统指标之间的内在联系，并初步应用于矫形诊断和治疗。分析了下肢运动对移植体力学环境的反馈，讨论了影响韧带重建远期疗效的内在因素，能为改进手术技术和康复训练方法提供理论基础。综上所述，本研究的成果初步揭示了前交叉韧带重建术后，“韧带移植体--宿主膝关节”之间的活组织相互作用和改重建机制是影响手术远期疗效的重要因素，且这一因素通过改变下肢运动系统整体运动模式，对下肢不同关节组织以及移植体本身的力学环境产生作用，逐渐影响术后远期的疗效。仅仅考虑重建术前及术中的因素不足以决定术后远期的疗效。项目组将继续深入开展本研究，建立移植体组织层面的演变规律与运动系统的定量联系，提出创新的重建方法和植介入器械。