主要内容

1. 膝关节生物力学

膝关节的运动可以在六个方向内发生，但这些运动可以围绕三个主轴进行描述，胫骨可以沿着这些主轴平移或旋转（图 1）。前后轴允许前后平移和外翻-内翻旋转。垂直轴允许上下平移和内外旋转。内外轴允许内外平移和膝关节屈曲和伸展。这些运动范围受到与膝关节相关的各种结构因素的限制，包括骨骼形状和各种软组织结构（即韧带、软骨和肌肉/肌腱）。在负重期间（例如步行和着陆），健康的膝关节表现出相对较小的平移活动范围（< 6 mm），外翻-内翻和内-外旋分别达到 5°和 20°的偏移。在大多数运动中，负重腿矢状面上的屈膝角度通常在 0°（完全伸展）到 90°之间，但在上下楼和高速奔跑等常见动作的摆动阶段中会出现超出此范围的偏移。ACL 的主要作用是防止胫骨前移，但关于ACL损伤和负荷增加机制的研究表明，应该考虑三个轴上的其他运动，以及引起它们的力和力矩。在本篇综述中，我们根据在胫骨上发生的运动来描述三个轴的力和力矩。例如，外翻力矩引起胫骨相对于股骨的外翻旋转，前剪切力引起胫骨相对于股骨的前平移。

图1：在 OpenSim 中使用先前描述的肌肉骨骼模型来说明膝关节的自由度

2. ACL损伤和负荷机制

分析ACL损伤的相关视频时，我们发现ACL损伤的共同机制是非接触性动态动作，如单腿着地，突然减速和快速变向。ACL损伤往往发生在触地后不久，膝关节发生较大程度的膝外翻和旋转(内旋或外旋），从而对ACL施加了高机械负荷。虽然视频分析的准确性有限，但这些发现与尸体研究一致，表明了膝关节力学在冠状面和水平面是如何影响ACL的负荷。在冠状面，较大的膝关节外翻或内翻力矩都有可能增加ACL负荷。在视频分析中，膝关节外翻已被报道确定是更常见的损伤机制。在水平面上，胫骨相对股骨的内旋力矩比外旋力矩带给ACL更大的负荷，尤其当其结合前剪切力时。由于ACL的主要作用是抵抗胫骨相对股骨的前移，因此，前后剪切力可以增加或减轻ACL负荷。膝关节挤压也被认为是ACL损伤的一个因素。早期的研究认为，由于胫骨平移减少，增加关节挤压是有利的；然而最近的研究显示，由于胫骨后倾角的存在，关节轴向挤压可能会增加ACL的形变。

该研究的结果表明，前平移、膝外翻和膝内旋（或产生这些动作的力和力矩）常被作为ACL负荷的替代指标。因此，了解肌肉如何促进或抵抗这些膝关节负荷，可能有助于揭示这些肌肉如何增加和减小ACL应力。

3. 肌肉对ACL负荷的作用（关键信息）（研究中每个肌肉对ACL产生负荷大小及数值见原文献）

1) 腘绳肌和比目鱼肌通过在胫骨产生后切力可以有效地减轻ACL负荷。对于腘绳肌，这种影响取决于屈膝角度是否大于20°-30°。

2) 在负重运动中，臀中肌比任何其他肌肉更能抵抗膝外翻力矩，减轻ACL负荷。

3) 股四头肌和腓肠肌倾向于通过在胫骨处产生前切力来增加ACL的负荷。对于股四头肌，这种影响仅在膝关节屈曲小于30°-50°时存在。

文章结论

以上提到的跨膝和非跨膝肌肉都可以增加或减少ACL的负荷。腘绳肌、比目鱼肌和臀中肌是减轻ACL负荷最有力的肌肉，而股四头肌和腓肠肌则对增加ACL负荷有最大影响，尤其是伸膝时。腘绳肌在下肢负重过程中，对胫骨产生后剪切力的能力（从而减轻ACL负荷）比其他肌肉都强，但当屈膝角度小于20°-30°时，产生后剪切力的能力要小得多。这种效应是显著的，并且在这个角度股四头肌产生前剪切力有最大的机械优势（从而增加ACL的负荷），因此ACL损伤通常发生在屈膝角度较小时。比目鱼肌在对胫骨产生后剪切力的作用仅次于腘绳肌，但对屈膝角度不敏感，因此可能会作为屈膝角度较小时ACL损伤机制的重要拮抗肌。然而，在实际上，比目鱼肌的功能很难与腓肠肌区分，而腓肠肌在负重动作期间对胫骨产生相当大的前剪切力（仅次于股四头肌）。臀中肌对产生的后剪切力作用很小，但它在负重动作中抵抗膝外翻（产生ACL负荷的因素）负荷的能力超过其他所有肌肉。如果目标是减少ACL损伤风险，建议考虑针对这些特定肌肉的功能设计干预措施。