《Journal of Biomechanics》：Angular knee jerk and fluctuation analysis for individuals with anterior cruciate ligament reconstruction and knee osteoarthritis
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前交叉韧带损伤后的膝关节不稳可能会加速膝骨关节炎的发展。本研究评估了前交叉韧带重建组、膝骨关节炎组和对照组在步行过程中的膝关节角加速度（jerk）生物力学特征。三个队列（1：前交叉韧带重建组，2：膝骨关节炎组，3：健康对照组）在10米自选速度行走过程中对其膝关
前交叉韧带损伤后的膝关节不稳可能会加速膝骨关节炎的发展。本研究评估了前交叉韧带重建组、膝骨关节炎组和对照组在步行过程中的膝关节角加速度（jerk）生物力学特征。三个队列（1：前交叉韧带重建组，2：膝骨关节炎组，3：健康对照组）在10米自选速度行走过程中对其膝关节角加速度进行量化。研究人员量化了矢状面和额状面的角加速度幅度（峰值、最小值和范围）、成本（承重期和全支撑期）和波动性内容（平均频率、中位频率、峰值功率频率和总功率），并使用Kruskal-Wallis H检验评估队列差异。额状面而非矢状面的角加速度幅度和频率受队列影响。膝骨关节炎组表现出更大的额状面角加速度峰值和最小值（p = 0.020 和 p = 0.039），而前交叉韧带重建组和膝骨关节炎组均表现出比对照组更大的额状面角加速度范围（p = 0.001 和 p = 0.028）。此外，与对照组相比，前交叉韧带重建组的额状面平均频率更小（p = 0.017），而前交叉韧带重建组和膝骨关节炎组的峰值功率频率也更小（p = 0.020 和 p = 0.041）。在承重期和全支撑期的角加速度成本方面，各组之间未观察到显著差异（p = 0.124 和 p = 0.107）。患有膝关节损伤和疾病的个体表现出更大的额状面角加速度幅度和更低的波动频率，这表明关节的神经肌肉功能发生了改变，可能使其易患或加重膝骨关节炎。临床医生在对前交叉韧带损伤患者进行康复治疗时，可能需要充分解决神经肌肉成分的问题，以更好地促进短期和长期的临床预后。
论文解读文章
1. 研究背景与问题
前交叉韧带断裂后，无论是否进行手术重建，个体都极易罹患退行性关节疾病，如膝骨关节炎。研究表明，超过50%的前交叉韧带损伤患者在伤后约7年会出现影像学上的膝骨关节炎。前交叉韧带富含机械感受器，为中枢神经系统提供关键的膝关节本体感觉信息，包括静态关节位置、动态运动及加速度感知，并参与膝关节肌肉调节。然而，前交叉韧带损伤会破坏这些感受器，导致关节源性肌肉抑制现象，即通过抑制股四头肌的自主激活和力量产生来保护脆弱的软组织免受巨大伤害。但这种保护机制被认为会阻碍关节康复并改变负重任务中的关节负荷，从而增加创伤后膝骨关节炎的风险。目前，尚不清楚这些神经生理变化如何直接影响步行中的关节稳定性及其对软骨健康的长期后果。
角加速度是关节角度的三阶时间导数，描述了关节运动的平滑度，可作为负重活动中神经肌肉控制的替代测量指标。急促的运动可能预示着动态不稳定和较差的关节控制。现有研究多在时域内分析角加速度的幅度和成本，但频域分析能更深入地揭示潜在的神经肌肉控制机制，因为它描述了信号的波动性内容。因此，本研究的目的是确定前交叉韧带重建和膝骨关节炎对步行时膝关节角加速度（幅度、成本和波动性内容）的影响。
2. 研究方法
本研究共招募了46名成年人，分为三个队列：前交叉韧带重建组14人、放射学确诊的膝骨关节炎组9人和健康对照组14人。所有参与者均在10米长的步道上以自选速度行走。研究人员使用10台高速光学摄像机（240 Hz）和一块测力台（2400 Hz）同步采集三维下肢运动学和地面反作用力数据。随后，基于关节坐标系方法计算支撑相的三维膝关节旋转角度，并通过自定义MATLAB代码计算矢状面和额状面的膝关节角加速度。具体而言，角加速度被定义为膝关节角度的三阶时间导数。研究人员量化了角加速度的幅度指标（峰值、最小值和范围）、成本指标（基于角加速度平方的半积分，分别用于承重期和全支撑期）以及波动性内容指标。波动性分析通过对角加速度-时间曲线进行快速傅里叶变换获得功率谱密度，并计算平均频率、中位频率、峰值功率频率、总功率和变异系数。最后，对所有因变量进行非参数Kruskal-Wallis H检验，以确定队列的主效应，并对显著结果进行事后两两比较。
3. 研究结果
3.1 角加速度幅度
队列因素影响了额状面而非矢状面的角加速度幅度。具体来说，膝骨关节炎组的额状面角加速度峰值和最小值均显著大于健康对照组。同时，前交叉韧带重建组和膝骨关节炎组的额状面角加速度范围均显著大于健康对照组。然而，前交叉韧带重建组与膝骨关节炎组之间的峰值和范围无显著差异。
3.2 角加速度成本
在承重期和全支撑期，额状面角加速度成本的组间差异未达到统计学显著性。
3.3 角加速度波动性
队列因素同样影响了额状面而非矢状面的角加速度波动频率。前交叉韧带重建组的额状面平均频率显著小于健康对照组。此外，前交叉韧带重建组和膝骨关节炎组的额状面峰值功率频率均显著小于健康对照组。但这两个临床组之间的平均频率和峰值功率频率均无显著差异。额状面角加速度的总功率和变异系数在各组间无显著差异。
4. 讨论与结论
讨论总结
本研究首次量化了膝关节损伤和疾病对步行时膝关节角加速度生物力学的影响。结果部分验证了研究人员的假设：膝骨关节炎组显示出更大的角加速度幅度，而前交叉韧带重建组和膝骨关节炎组则显示出更小的波动频率。
出乎意料的是，两个临床队列均未在矢状面角加速度上表现出显著改变。这可能是因为步行时矢状面的运动受到线性任务的约束，变异性较小；同时，膝关节周围肌肉在矢状面上具有较大的力臂和机械优势，使得个体能够补偿因损伤导致的神经肌肉缺陷，例如通过限制屈曲运动来增加关节刚度。
相反，额状面的角加速度表现出了显著的组间差异。由于巨大的内侧膝关节间室压力会增加膝骨关节炎风险，个体需要足够的额状面稳定性来最小化内外侧关节力。然而，膝关节损伤患者的神经肌肉功能下降（如股四头肌力量减弱、内外翻本体感觉降低）削弱了他们提供这种稳定性的能力。本研究中，临床队列的额状面角加速度幅度增加了35%至56%，这与长时间负重行军后观察到的角加速度增加一致，表明运动平滑度出现了类似的恶化。这种在承重期出现的较大额状面角加速度可能反映了维持关节内外侧稳定所需的神经力学努力增加，以及内侧关节间室负荷的增加，从而增加了膝骨关节炎发生和发展的风险。
尽管角加速度成本的增加未达到统计学显著性，但其增幅（35%-99%）可能代表了膝关节运动平滑度的显著降低，具有临床相关性。持续的“急促”膝关节运动会累积性地增加关节软骨的机械负荷，加剧膝骨关节炎的进展。
在波动频率方面，前交叉韧带重建组和膝骨关节炎组的额状面平均频率和峰值功率频率均降低。这反映了这些个体通过限制额状面运动来减少内外侧摆动，理论上是一种旨在提供关节稳定性和保护的保护性机制。然而，这种步态适应可能导致关节软骨的非正常负荷，结合已知的神经肌肉改变（如肌肉共收缩增加、运动单位募集减少等），反而可能增加膝骨关节炎的风险。
结论翻译
总之，前交叉韧带重建组和膝骨关节炎组均表现出额状面膝关节角加速度幅度和波动频率的改变，这可能使他们易患有害的退行性关节疾病。具体而言，与健康对照组相比，前交叉韧带重建组和膝骨关节炎组表现出更大的额状面角加速度幅度，但波动频率更低。尽管这原本是一种生物保护机制，但这些发现提供了早期证据，表明角加速度幅度增加和波动频率降低是神经肌肉功能受损的标志，并可能促成膝骨关节炎的发生和发展，尤其是在前交叉韧带损伤之后。
