非跨膝肌肉有助于在非预期侧台阶切割过程中的照股剪切以及外翻和旋转关节反应力知

作者：朱瑶    北京积水潭医院

前交叉韧带（ACL）损伤是一种负担沉重的情况，因为潜在的手术需求和长期虚弱的风险增加。先前的研究表明，肌肉力量在韧带负荷的发展中起着重要作用，但这些研究通常使用仅考虑跨膝股四头肌、腘绳肌和腓肠肌群的尸体模型。使用肌肉骨骼建模方法，我们研究了在非预期侧台阶切割的重量接受阶段，下肢肌肉如何产生和对抗关键的胫股反作用力和力矩。能够对抗（或控制）膝盖前剪切力和外外翻力矩的肌肉被认为是保护前交叉韧带免受损伤的最大潜力。我们发现，产生后向剪切力的最佳肌肉是比目鱼肌、股二头肌长头肌和内侧腘绳肌，它们提供了与前向剪切力直接相反的173N、111N和77N的力。外翻力矩主要由臀中肌、臀大肌和梨状肌来对抗，这些肌肉的贡献高达32 牛米，19 牛米和21 Nm分别朝向膝盖内翻力矩。我们的研究结果突出了ACL预防和康复干预的关键肌肉目标。

前交叉韧带（ACL）损伤是一种负担沉重的情况，因为潜在的手术需求、大量的恢复和康复时间以及个人和医疗系统的相关财务成本。ACL损伤也被证明与早期发生膝关节骨性关节炎的风险增加有关，特别是如果伴有半月板损伤。因此，需要了解与ACL损伤和损伤风险相关的机械因素，以制定有效的预防策略。

尽管ACL的主要作用是抵抗胫骨相对于股骨的前向平移，但尸体和模型研究均表明，前向和横向平面膝盖力学也会影响ACL负荷。在正面，较大的“外部”膝外翻或内翻力矩有可能增加ACL的负荷。然而，据报道，膝外翻是视频分析研究中更常见的损伤机制。在横向平面中，发现导致胫骨相对于股骨内部旋转的“外部”力矩比导致胫骨相对于大腿外部旋转的“外”力矩使ACL承受更高的载荷。此外，非矢状面膝关节力矩已被证明对ACL负荷的影响最大，当它们同时发生时，尤其是与前剪切力一起发生时，。因此，更好地了解这些关键膝关节负荷的发展可能有助于改善ACL预防和康复策略。

肌肉产生的力可以引起和对抗这些关键的膝关节负荷。例如，股四头肌产生与ACL13直接相对的前胫股剪切力。相反，腘绳肌有可能减轻前胫股剪切力，从而与ACL一起控制膝关节处的前平移量。尽管迄今为止完成了大量的研究，但有关ACL高负荷相关生物力学变量的现有知识仍然非常有限。没有研究调查在高损伤风险任务（如意外切割）中，哪些肌肉对关键膝关节负荷的贡献最大。此外，通过“动态耦合”，身体中的任何肌肉都可能导致身体中任何部分的加速。例如，在快速改变方向的任务中，某些臀部肌肉可能会影响膝关节负荷。忽视臀部肌肉的作用可能意味着一些可以用来指导预防和康复干预的有价值的信息被忽视了。

肌肉骨骼建模能够评估高损伤风险任务期间肌肉力量和关节负荷之间的因果关系。随后，本研究的目的是研究下肢主要肌肉对与意外侧台阶切割过程中ACL损伤相关的关键胫股负荷参数的作用。具体而言，我们使用计算肌肉骨骼建模方法来预测下肢肌肉对膝关节前后剪切力以及前、横向平面力矩的贡献。我们的主要兴趣是确定哪些肌肉具有最大的能力来控制/最小化前剪切力以及膝外翻和内旋转力矩，因为这样的肌肉的功能可以在ACL预防计划中作为目标。

这项研究表明，跨膝肌和非跨膝肌都有助于在未预料到的快速侧台阶切割的重量接受阶段中的胫股反作用力和力矩。值得注意的是，我们发现双关节腘绳肌和比目鱼肌最有可能对抗前切反作用力，而髋外展肌（臀中肌、臀大肌和梨状肌）最有可能抵抗膝外翻反作用力。据作者所知，之前的研究没有计算出在意外的快速侧台阶切割过程中肌肉对膝关节负荷的贡献。

本文报告的数据与先前文献基本一致。实验运动学和基于逆动力学的关节力矩在2 调查类似切割任务的先前研究SD。此外，预测的肌肉激活显示出与从当前研究和文献中获得的侧台阶切割EMG数据的合理一致。虽然这种一致性提供了一些证据，证明我们的模拟在生理上是可接受的，但本研究的主要焦点是肌肉对胫股前后剪切反作用力以及前平面和横平面关节反作用力的贡献。据我们所知，只有Sritaran及其的一项研究报告了可比数据。他们计算了步态过程中肌肉对“外部”膝内翻力矩的贡献。请注意，Sritaran等人量化了肌肉对基于逆动力学的关节力矩的贡献，而不是我们在这里报告的关节反作用力/力矩。此外，他们没有包括我们在本研究中评估的所有肌肉。最后，他们研究了步行，这对侧步切割有着截然不同的生物力学要求。然而，当将Sritaran等人的数据与本研究的等效数据进行比较时，关键肌肉的一些一致功能作用是明显的。例如，我们观察到，臀肌群在侧步切割的重量接受阶段最有可能产生内翻膝关节反应力矩，即这些肌肉与在最后25%的重量接受期间发生的净外翻膝关节反应矩相反。同样，Sritharan等人发现，臀中肌和大肌是行走站姿阶段“外部”膝内翻力矩的主要贡献者。他们还发现，股肌和比目鱼肌是“外部”膝外翻力矩的主要贡献者，这与当前切割研究的结果一致。