前交叉韧带重建术后反向跳跃冲量与跑步动力学的关联研究

《Journal of Biomechanics》：Associations between countermovement jump impulse and running kinetics following ACL reconstruction

　　

前交叉韧带重建（ACLR）术后持续性下肢负荷缺陷较为常见，并可能影响跑步生物力学。反向跳跃（CMJ）冲量可提供阶段特异性力-时间特征测量，以反映肢体负荷能力；然而，其与跑步动力学的关系尚不明确。本研究旨在量化ACLR术后阶段特异性CMJ冲量，并探讨其与回归跑步阶段跑台跑步中垂直地面反作用力（vGRF）指标之间的关联。42名受试者在双测力台上完成三次单腿和双腿CMJ，并在装有仪器的跑台上以8 km/hr速度跑步。计算离心制动冲量、向心冲量和落地冲量。跑步变量包括负荷接受率、负荷接受峰值力和最大施加力。采用Wilcoxon检验/配对t检验评估肢体间差异。采用Pearson/Spearman相关分析和多元线性回归分析冲量与vGRF的关系。ACLR侧肢体在所有单腿和双腿CMJ阶段均表现出显著缺陷，但单腿落地冲量除外。单腿向心冲量缺陷最大（Δ1.3 Ns·kg^?0.67，d = 1.49，p < 0.001）。最大施加力的肢体对称指数（LSI）可由单腿向心冲量LSI解释（调整R² = 0.25，p < 0.001）。患侧最大施加力可由单腿向心冲量解释（调整R² = 0.38，p < 0.001）。患侧负荷接受峰值力可由单腿向心冲量和落地冲量解释（调整R² = 0.37，p < 0.001）。离心冲量或负荷接受率指标未观察到有意义的关系。这些发现表明，跳跃冲量测试可能为跑步动力学提供临床相关指标。

**研究背景**

前交叉韧带（ACL）损伤是最常见且影响最大的膝关节损伤之一。英国国家韧带登记处2013年1月至2022年12月共记录23,446名患者，其中75%接受了初次前交叉韧带重建（ACLR）手术。令人担忧的是，高达40%的ACLR患者未能恢复到伤前运动水平。ACL移植物再断裂或对侧ACL损伤的风险仍然很高，荟萃分析报告损伤率为2%至23%，取决于年龄、活动水平、手术技术和用于指导重返运动（RTS）的标准。证据表明，未达到关键功能基准即过早恢复多方向运动活动是ACL再损伤的强预测因素，再断裂风险最高的时期为ACLR术后最初几个月。

RTS连续体中最早期功能里程碑之一是回归跑步的能力。这一阶段代表康复中的重要过渡，运动员从静态任务转向主要在矢状面内的周期性推进（向心）和制动（离心）运动。这些动态需求对膝关节和重建韧带施加更大的机械应力。跑步过程中，垂直地面反作用力（vGRF）是膝关节负荷的主要贡献者，在支撑中期达到约2.0至2.9倍体重。ACLR术后，步态中长期适应不良的负荷重分布与膝关节软骨厚度减少和加速关节退变相关。因此，越来越多的共识认为应评估神经肌肉表现因素（如力量、功率和力-时间测量）以确定功能性负荷并指导康复进展。

尽管ACLR研究广泛，但回归跑步标准在临床实践中仍高度可变，尚无普遍接受的客观基准。约75%的临床医生采用基于时间的标准，最常见为3个月时，理由是确保移植物-骨愈合的充足时间。这种对时间的依赖在一项涵盖201项研究的范围综述中也有体现，其中不到20%的研究应用了额外的临床、力量或表现基准作为回归跑步标准。功能性测试指标（如跳跃测试LSI>70%）仅出现在4%的研究中。相比之下，一项国际调查报告膝关节肿胀（41%）、疼痛（37%）、伸肌力量（37%）和单腿深蹲（33%）是ACLR术后最常用的回归跑步标准。

建议将垂直单腿和双腿落地任务纳入身体表现测试，以更好地确定进展到跑步或运动的准备程度。这对回归跑步尤为可行，因为跳跃类任务在康复框架中常与跑步并列。大量研究表明，ACLR术后患者在单侧和双侧运动中表现出肢体不对称，尽管已恢复到伤前活动水平。特别是Kotsifaki等的最新研究发现垂直跳跃测试中存在显著不对称，尤其是向心冲量、离心冲量以及落地峰值力。即使达到足够股四头肌力量对称的患者，在RTS前后仍表现出持续性步态不对称。两者是否对应尚不明确；Pfeiffer等（2018）发现ACLR术后步行步态与跳跃落地生物力学或肢体对称指数之间无系统性关联。迄今为止，尚无研究直接比较跳跃与跑步生物力学。

测力台是评估神经肌肉和身体表现的确立模态，尤其在反向跳跃（CMJ）等跳跃测试中。在CMJ测试衍生的动力学变量中，冲量相关指标（量化特定时间内施加的力）已证明具有最高的组内和组间重测信度，变异系数（CV）≤8.3%。因此，冲量日益被认为是监测动态下肢功能的稳健且信息丰富的指标。

基于阶段的冲量分析（包括离心、向心和落地阶段）允许详细评估时间依赖性负荷分布，为损伤后代偿策略提供有价值的见解，并复制运动中关键的神经肌肉需求。鉴于非接触性ACL断裂常发生在初次触地后前50 ms内，评估负荷接受阶段的负荷吸收能力具有特别价值。尽管具有诊断潜力，冲量分析在ACLR等康复环境中仍未充分利用，而纳入可靠的表现测量可增强进展评估并提示再损伤风险。

为此，本研究旨在评估ACLR术后个体在回归跑步阶段肢体间阶段特异性CMJ冲量差异，并探讨其与跑台跑步中vGRF的关系。假设患侧肢体在所有CMJ阶段均表现冲量降低，且这些缺陷与跑步中vGRF改变相对应。具体而言，离心冲量和落地冲量预期与负荷接受阶段相关（因其同样利用髋膝屈曲吸收负荷），而向心冲量预期与最大施加力相关（反映支撑中期推进能力）。

**关键技术方法**

研究人员在伦敦运动、运动与健康研究所（ISEH）招募42名受试者进行横断面观察性研究。纳入标准为经物理治疗师临床评估后获准参加并完成至少一次监督下ACL康复课程。排除标准包括限制功能测试的膝关节疼痛或机械症状。研究人员使用ForceDecks双测力台（采样率1000Hz）采集单腿和双腿CMJ数据，使用配备两台串联压电测力台单元的仪器化跑台（h/p/cosmos, Kistler, Germany）采集8 km/hr跑步时vGRF数据（采样率250Hz）。CMJ数据采用ForceDecks默认设置处理，跑步vGRF数据采用四阶Butterworth滤波器30Hz低通截止频率处理。统计分析和回归分析均以p≤0.05为显著性水平，相关性分析采用Benjamini-Hochberg程序控制5%错误发现率，多元线性回归采用向后消除法（p_out=0.1）。

**研究结果**

**人口统计学特征**：42名受试者年龄29.9±6.8岁，男性30名、女性12名，身高173.9±8.4 cm，体重76.5±10.2 kg，BMI 25.6±5.8 kg·m^?2，术后时间4.1±0.9个月，移植物类型为腘绳肌腱31例、股四头肌腱11例。跑台vGRF数据显示患侧最大施加力（82.2±12.8 N·kg^?0.67）显著低于非患侧（87.8±11.9 N·kg^?0.67，p<0.001，d=1.09），患侧负荷接受峰值力（78.3±12.8 N·kg^?0.67）显著低于非患侧（82.5±11.5 N·kg^?0.67，p<0.001，d=0.94），负荷接受率肢体间无显著差异（p=0.310）。

**肢体特异性冲量差异**：配对比较显示，除单腿落地冲量（p=0.318）外，患侧与非患侧肢体在单腿和双腿CMJ的离心制动冲量、向心冲量和落地冲量方面均存在显著差异（p<0.001）。单腿向心冲量效应量最大（d=1.49），双腿向心冲量效应量d=1.29，单腿离心制动冲量效应量r=0.62，双腿离心制动冲量d=0.82，双腿落地冲量d=0.56。

**相关性分析**：在LSI相关性中，仅最大施加力LSI与单腿向心冲量LSI（r=0.48，p<0.001）和双腿向心冲量LSI（r=0.44，p=0.003）存在有意义的关联。负荷接受峰值力或负荷接受率LSI未发现显著关系。在患侧肢体比较中，最大施加力与单腿向心冲量呈强相关（r=0.60，p<0.001），与单腿落地冲量呈中度相关（r=0.45，p=0.003）。负荷接受峰值力与单腿向心冲量呈中度相关（r=0.58，p<0.001），与单腿落地冲量呈中度相关（r=0.47，p=0.002）。负荷接受率无有意义相关性，离心制动冲量与任何步态vGRF均无相关性。

**回归分析**：多元线性回归（向后消除法）保留单腿向心冲量LSI（β=0.173，p<0.001）和性别（β=0.031，p=0.092）作为最大施加力LSI的解释变量（调整R²=0.25）。患侧单腿向心冲量（β=4.43，p<0.001）和单腿落地冲量（β=2.05，p=0.08）为患侧最大施加力的解释变量（调整R²=0.38）。患侧负荷接受峰值力的解释变量为单腿向心冲量（β=4.24，p=0.001）和单腿落地冲量（β=2.30，p=0.04）（调整R²=0.37）。任何回归模型中均未保留双腿CMJ变量。

**讨论部分总结**

研究人员认为这是首个评估ACLR患者在回归跑步阶段CMJ肢体间冲量差异并将其与跑台跑步vGRF相关的研究。除单腿落地冲量外，单腿和双腿CMJ任务中均观察到显著肢体间差异。值得注意的是，单腿向心冲量表现出最大的肢体间缺陷（d=1.49），并且是跑步中最大施加力和负荷接受峰值力的解释变量。

这些结果与强调ACLR术后患者重建肢体相比健康对照存在显著动力学缺陷的研究相当。此类发现表明适应不良负荷模式产生的代偿策略，其特征通常为患侧肢体的适应性僵硬。这种机械适应常通过膝关节和髋关节活动度减少的任务观察到，由力量缺陷、神经肌肉抑制和/或疼痛驱动。通过将负荷重分布以偏向未受累肢体，这种适应可能无意中升高对侧损伤风险，一项系统综述报告对侧ACL撕裂的可能性是移植物失败的1.63倍。

单腿和双腿向心冲量缺陷的显著存在突显了重建肢体在康复早期推进力生成方面的实质性损害。单腿向心冲量与最大施加力之间的中度肢体内部关联表明，通过CMJ测试评估的推进能力可转化到患侧肢体的跑步动力学，尤其是在跑步更大的机械需求下。单腿向心冲量LSI与最大施加力LSI之间的关联意味着单腿CMJ不对称可能在识别肢体间负荷不对称方面具有一定价值。这些发现与先前研究一致，表明阶段特异性CMJ向心冲量不对称解释了ACLR术后膝关节动力学的最大方差。这些缺陷似乎主要受萎缩相关膝伸肌和动力链无力影响，进而可能与异常步态力学相关。这些发现强化了康复早期针对性股四头肌和动力链力量训练的重要性。在此背景下，单腿向心冲量可为临床医生提供评估功能恢复以确定跑步准备程度的有价值工具。

单腿CMJ落地冲量也被保留为跑台跑步中患侧负荷接受峰值力的解释变量，表明其在评估早期支撑负荷力学方面的相关性。ACLR康复早期个体常表现出延长的负荷接受阶段，据报道在下楼梯等任务中比未受伤对照长达50%。这一延长持续时间可能涉及观察到的落地冲量减少，继发于减负和动力链负荷吸收障碍。未来研究应探索落地冲量缺陷是否与跑步动力学纵向变化、康复进展或回归跑步耐受性相关。

单腿和双腿离心CMJ变量、基于速率的跑台指标或双腿CMJ LSI指数均未出现有意义的相关性。这种集体缺失可能反映了跑步与垂直CMJ之间的基本生物力学差异。跑步具有重复的次最大收缩和短暂触地时间（约200至300 ms），依赖快速拉伸-缩短周期（SSC）通过结缔组织回弹模式回收弹性势能。相比之下，CMJ延长的离心-向心过渡阶段延长了SSC以促进最大收缩需求，这种策略削弱了反射性肌肉-肌腱激活。由于SSC的表现优势主要在向心阶段实现，离心阶段冲量对步态动力学的预测性可能较低，尤其是在8 km/hr的适中跑步速度下，该速度可能不足以产生反映CMJ制动负荷的离心需求。同样，与负荷接受率的弱关联表明垂直冲量（大小）与力施加的时间特征之间存在解耦。足着地模式等因素（后足着地跑者表现出更高的负荷率）可能独立调节后者。双腿CMJ任务可能通过代偿策略掩盖肢体间差异。单腿CMJ测试的优越敏感性是否足以证明其相比双腿试验更大的理论损伤风险仍有待回答。

值得注意的是，所有受试者均无疼痛或不良症状地完成了跑步分析。在存在显著vGRF缺陷的情况下耐受跑步的能力表明被动结构（如跟腱-足底筋膜复合体和相关结缔组织吊索）通过弹性回弹减少收缩需求的功能贡献。这一观察意味着步态（或跳跃冲量）对称性并非开始渐进跑步计划的绝对前提。相反，早期症状限制性跑步可作为主动康复刺激，驱动神经肌肉再教育，逐步正常化肢体负荷模式。务实而言，阶段特异性冲量结合临床标准最好用于个体化跑步量和速度处方，而非施加任意LSI阈值来允许康复进展。

研究人员承认若干局限性：有限样本量限制了BMI、伤前运动参与水平或合并损伤（如半月板撕裂）等协变量的分析，后者可能延长非负重方案。跑台测试期间 footwear 未标准化，可能通过改变冲击和负荷传递影响vGRF。此外可能存在顺序效应，因双腿CMJ先于单腿试验，导致激活后增强效应。然而，热身方案预期可减轻此担忧。测力台（1000Hz）和跑台（250Hz）系统以不同频率运行，可能影响基于速率指标的时间精度。最后，测力台数据未考虑个体跳跃策略或运动质量（如反向运动膝关节屈曲程度），这可能独立于真实神经肌肉能力影响力生成。

未来研究有必要在康复方案和恢复阶段中验证发现，并确定持续性冲量不对称是否与ACLR术后较差长期结局相关。探索过地跑步和更快跑台速度下的动力学变量将进一步阐明真实世界运动环境的需求，并可能为冲量相关性和适应不良关节运动策略提供见解。认识到患者信心对ACLR患者功能结局有显著影响。整合辅助患者报告问卷如膝关节损伤和骨关节炎结局评分（KOOS）或ACL重返运动后损伤（ACL-RSI）可提供对意识或无意识负荷模式的见解并突出康复需求。进一步动态落地任务如跳深或跳跃至稳定训练可能需配合使用，以进一步揭示孤立CMJ测试中不明显的潜在神经肌肉不对称，从而实现功能表现的全面评估。

**研究结论**

本研究证明，单腿向心冲量LSI以及ACLR肢体单腿向心和落地冲量与ACLR术后患者在回归跑步阶段的跑台跑步vGRF相关。因此，基于阶段的冲量可提供量化与康复早期跑步相关的肢体负荷能力的实用手段，强化了该里程碑客观功能评估的证据基础。