关节运动生物力学特性对前交叉韧带重建术后胫股关节内侧软骨退变的影响及机制研究

Cartilage degeneration in the medial tibiofemoral joint is common after anterior cruciate ligament reconstruction (ACLR), which may develop into knee osteoarthritis (disability rate 21.3%). Alterations in joint biomechanical properties play an important role in cartilage degeneration after ACLR. However, the mechanism remains unclear..Our research studied the joint kinematics and kinetics properties after ACLR and found significant changes in biomechanics in the ACLR knees. Therefore, this study will combine longitude biochemical changes in the cartilage to explore how the alterations in biomechanics would influence biochemical changes in the joint cartilage..This study will explore the joint biomechanical properties during functional activities by motion analysis, the effects of biomechanical properties on cartilage stress distribution by finite element analysis, the long-term biochemical changes in the joint cartilage by functional MRI. This study will establish prediction models for cartilage biomechanical changes in the mid-term based on joint biomechanical properties in the early stage after ACLR, and cartilage biomechanical changes in the long-term based on joint biomechanical properties in the mid-term after ACLR. The study aims to clarify the mechanism of cartilage degeneration after ACLR and search biomechanical risk factors, in order to provide methods for clinical prevention of cartilage degeneration after ACLR.

前交叉韧带重建术后多继发胫股关节内侧软骨退化，进而发展为膝骨关节炎（致残率为21.3%）。关节运动生物力学的改变是造成前交叉韧带重建后关节软骨退化的重要因素，然而其机制仍不明确。.课题组前期研究发现前交叉韧带重建后，关节的运动生物力学特性发生显著改变。因此本研究将结合术后关节内软骨生化特性的纵向改变，进一步探究前交叉韧带重建术后关节生物力学对软骨退化的影响及其机制。.本研究拟基于运动测试，探究前交叉韧带重建术后不同时期关节的运动生物力学特性；基于有限元分析，探究术后运动生物力学特性对软骨应力改变的影响；基于功能核磁，探究软骨生化参数随术后时间的纵向改变。研究将建立前交叉韧带重建术后，早期生物力学指标对中期软骨生化改变、及中期生物力学指标对长期软骨生化改变的预测模型；明确术后关节生物力学对关节软骨退化的影响机制；提出生物力学风险指标；以期为前交叉韧带重建术后关节软骨退化提供预防延缓的方法。

前交叉韧带（anterior cruciate ligament, ACL）断裂是膝关节的常见损伤，约占膝关节运动损伤的20%。前交叉韧带断裂诱发关节不稳，破坏关节的生物力学稳态，影响运动能力。前交叉韧带重建（ACL reconstruction，ACLR）手术是治疗前交叉韧带断裂的重要手段，通过手术可以有效恢复关节稳定性，提高运动功能。然而，即使通过重建手术获得了满意的稳定性效果，重建后10年内膝关节仍有很高的骨关节炎的风险。走路是最常见的周期性功能运动，ACL损伤及重建后，下意识的步态（也就是走路姿势）会发生改变，代偿性步态，会引起关节受力的改变，破坏关节软骨稳态，引起软骨损伤，进而发展为骨关节炎。因此，步行关节运动生物力学的改变是造成关节软骨退化甚至骨关节炎的重要因素。.本研究发现，ACL断裂后，步态支撑末期出现显著伸膝不足，且伸肌力矩与屈肌力矩显著降低，膝外旋显著增加。ACL重建术后3月，步态出现最多异常，除了断裂后的异常仍然存在，还出现旋转力矩和内收力矩显著降低。术后6个月时，内收力矩异常有所恢复，其他异常仍然存在。随着时间进展，ACLR术后1年及以上，患侧支撑末期膝关节矢状面屈伸角度和力矩，以及水平面旋转力矩已经恢复；ACLR术后2年左右，健侧及患侧承重反应期矢状面及冠状面力矩、摆动前期矢状面力矩以及支撑末期和摆动前期水平面旋转角度依旧存在异常。.研究说明，ACL断裂及重建术后早期、中期甚至长期，步态仍存在显著异常。常规术后康复计划无法完全恢复步态异常。因此，提示术前、术后应开展早期步态训练，通过神经肌肉控制模式训练来改善异常步态，恢复步态生物力学，纠正异常关节应力，降低继发损伤发生风险。.本课题为临床常见运动损伤的康复治疗提供了新的量化的依据，并且研究成果可与穿戴设备结合，开发运动损伤人群的步态训练设备与系统，用于临床应用转化与推广。