髌骨轨迹测量影响因素的研究进展
髌骨轨迹是在膝屈曲和伸展时髌骨相对于股骨或股骨滑车的运动过程。许多髌股关节疾病常和髌骨轨迹异常有关。了解正常的髌骨轨迹，对于髌股关节疾患的治疗，对于全膝置换术和髌股关节置换术的假体设计和手术技术的改进，都具有重要意义。然而，国内外大量的活体和尸体研究，仍然未能描绘出一个被普遍认同的正常髌骨轨迹模式，其主要原因之一就是髌骨轨迹测量的影响因素纷繁复杂和不确定性，这已引起广泛的关注，并进行了深入研究。现就髌骨轨迹研究进展作一综述。
1 测量研究方法因素
1.1 坐标系统和运动轴 坐标系统和运动轴是轨迹研究所要面临的一个首要问题[1，2] 。同一个实验如果用不同的坐标系统会得出不同的轨迹模式，同时轨迹测量结果对于轴的确定是非常敏感的[1] 。
使用不同的运动轴会导致轨迹测量的结果出现差别，髌骨运动基本上可以按3个相互垂直的移动和3个相互垂直的旋转6个自由度来进行描述，这6个自由度是内外侧偏移、远近端移动、前后移动、内外侧旋转、内外侧倾斜和前后屈伸。另外Grood和Suntay等提出的一个三圆柱状开放性链系统，即围绕髌骨长轴的旋转、围绕髌骨前后轴的旋转和围绕股骨髁内外轴的旋转。已被广泛地用于描述膝关节运动，也被用于描述髌骨运动[3] ，可能是目前最有意义的系统[1] 。有的作者以胫骨轴作为髌骨偏移的参考轴[4] ，这不能令人满意，因为髌骨轨迹研究的是髌股关节及髌骨和股骨之间的相对运动。另外，因为胫骨在膝屈曲早期有相对股骨的内旋，这可能使得髌骨处于胫骨结节相对外侧的位置，如果以此为参考点的话，髌骨可能被认为处于外侧位，而事实上髌骨处于关节股骨滑车中心。
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1.2 股骨滑车或股骨参照 Lafortune以股骨滑车为参照，Powers则运用了股骨后髁或前后髁作为参照 [5] ，也有相当 一部分作者将股骨作为一个整体来进行参照，以描述髌骨的 运动和位置 [3，6] 。每种方法都有其优点和不足，但是由于这些坐标系统不同，使得要想将他们的结果进行比较综合，从而得出一个普遍认同的轨迹模式是很困难的。
以髌骨相对于股骨的运动作为一个固定的参考系统，可以提供基本的三维空间模式，但无法对髌骨和髌骨沟间的相互作用进行评估。以股骨沟为参照可以使描述髌骨轨迹更直接，但这无法鉴别和排除形态畸形和方向异常的滑车对轨迹造成的影响。因此，这种方法通常用于膝位于某个屈曲角度时来提供一个髌骨的瞬间印象，而不是一个持续运动轨迹。
以股骨前髁作为参考点的测量方法已经被用于测量放射片中髌骨对线的指标，诸如外侧髌股角、外侧髌骨脱位，适合角。这些经常会产生误差[7] ，而且易受股骨髁前部形状和高度的影响[5] ，髌股关节紊乱病人的股骨滑车常有异常。另外，在无症状人群中，股骨远端可能有不同的形态结构。目前认为后髁形态变异的可能性较低，已经有作者考虑用后髁作为参照点[2] 。
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1.3 测量系统的精确性 测量系统的精确性会影响到髌骨轨迹的量化，也会影响髌骨移动和旋转的表达而出现误差。这也依赖于轴的选择或描述运动所用的方法 [1] 。在目前的研究中，推荐的精确度是:移动0.05～1.5mm;旋转0.03°～2°。另一个应该被确定和清楚描述的因素是测量方法的可重复性。一些研究胫骨结节移位对髌骨轨迹影响的实验已证实这类手术只能获得髌骨轨迹大约移动2mm和倾斜2°的变化[8] 。髌骨轨迹极小的变化可以导致接触压极大的改变，因此其重要性是显而易见的。轨迹不良可能是些许细微的，如果想测出其中细小的变化，使用一个具有良好分辨率的精确的测量系统是至关重要的。认为在评估所需要的精确度时，首先要决定你所期望的测量参数的精确程度，然后将这些参数十等分作为测量系统的精确度和分辨率。例如，通过干涉，如果想使髌骨偏移1mm，那么髌骨测量系统的精确度和分辨率应该是±0.1mm
[9] 。
2 生理因素
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2.1 静态或动态的髌骨和膝运动的方向 用静态方法对轨迹进行测量具有明显局限性，这种方法是在膝屈曲不同角度时对髌骨位置进行一系列的测量。静态的滑车上髌骨测量结果可能会导致对膝关节真正的屈伸运动模式产生误解。因为，当髌骨处于静态时，对固定的各屈曲度所摄取的影像进行评估有可能使人将静态的测量结果误解为动态的模式。特别是在活体当股四头肌作用非常重要时，它们的差别就更明显了。Brossmann运用MRI对同样的课题进行静态和动态评估时发现了其轨迹存在着差异[2] 。应该注意到当轨迹紊乱可能只发生在一小段运动弧度或在膝运动的某个运动速度时才表现出来时，静态的方法就很可能检查不出来。
运动方向也有其重要性，这主要有两个原因。第一，当膝从伸展到屈曲和从屈曲到伸展时，髌骨轨迹可能是不同的[8] 。因此，在运动时进行测量是特别重要的，而使用静态的测量方法可能效果欠佳。第二，在描述髌骨运动时，如果膝运动的方向颠倒了，髌骨滑行方向也是颠倒的。例如，当膝屈曲时髌骨总体上是向外侧滑动的，而当膝伸展时总体上是向内侧滑动的。在大部分研究中，都未考虑到对膝运动方向的描述，都假设在膝的两个运动方向上轨迹是一样的，而事实上不是这样 [8] 。这在临床上很重要，因为临床症状往往仅和髌骨一个方向的运动有关。
, 百拇医药
2.2 股四头肌负荷:负荷量和方向 股四头肌的生物力学机制对髌骨轨迹有着重要的影响。股内侧肌除了参与膝伸展外，还部分地起到内侧和后侧对髌骨进行限制的作用[10] 。在尸体研究时，股四头肌的负荷是通过加载在绳索上来实现的，因此，当负荷作用的方向发生变化时，所用负荷的作用效果就会发生变化。最常用的方法就是使牵拉的绳索平行于股骨，起到类似于股直肌和股内侧肌的作用。但是，随着对股四头肌不同部分分力作用研究的不断增加，建立多条绳索的研究也越来越常见[11] 。一些作者发现了负荷方向发生变化时髌骨轨迹的变化，但也有些作者发现未有变化[12] 。
这些情况在活体研究时要复杂得多，肌肉力量对髌骨轨迹的精确影响目前还未能确定出来。尸体模拟实验提供了一些对股四头肌产生的影响的了解，但都是有限的。肌肉收缩可以是集中的、单独的或等长的，作用的方式可因条件的变化而变化。例如，在步态的某个姿态瞬间，在脚后跟接地之后股直肌立刻单独收缩，在产生负荷反应时，转而联合收缩。另外，股直肌是连接两个关节的，在股直肌步态循环的不同阶段它是单独收缩的。下肢旋转时，肌力线也会发生改变。和髌骨轨迹不良有关的症状会发生在步态循环或诸如爬楼梯的特定阶段。它们可能和在特定阶段的肌肉活动状态以及骨的 解剖关系有关。因此，在髌骨轨迹测量时，应该将这些因素考 虑进去，有些作者在实验时企图通过行走和奔跑来测定髌骨轨迹 [9] 。尽管这些数据有些问题，但因为它们反映了一些生理条件下的情况，可能对许多临床治疗有帮助。
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2.3 胫骨旋转 胫骨旋转影响了髌骨轨迹
[3] ，尽管对胫骨旋转的确切影响还有些争议。例如，胫骨旋转可以使髌骨向同侧倾斜，或向另一侧倾斜，这主要看膝屈曲时是否导致髌骨跨上了一侧股骨髁，而使髌骨向另一方向倾斜。这还依赖于髌骨最初的位置，当胫骨内侧旋转而髌骨位于高位外侧髁时，髌骨很可能滑入髌股沟，但当髌骨位于内侧时很可能出现外侧倾斜，这是因为内侧髁的挤压作用。当膝被动伸展和屈曲时，很容易导致不经意的胫骨旋转。要避免这些就必须控制胫骨旋转。选择性地重复对胫骨旋转瞬间进行测量可能是一个更好的方法，这能获得有关胫骨旋转的一系列数据 [3] 。与此方法相关的一个问题就是获得的数据变化幅度可能较大，而正常数据可能只在这套数据变化范围的任何一点上。另一个方法就是让膝像正常活动时一样自由地活动，这可能是理想的方法，但正常行走时的状态要更为复杂。膝关节会出现内旋和外旋，这都可能影响行走时的髌骨轨迹[13] 。
2.4 膝外翻和膝内翻 膝屈伸时，膝所处的外翻位和内翻位会发生改变[13] 。一些作者忽视了这个问题，认为这是被动活动的一部分。这可能由股骨髁的形状所导致，测得的结果也可能被坐标的选择所影响，因为坐标轴不同的旋转位置会改变已测得的外翻或内翻的结果。其他一些限制性的内外翻位被认为对轨迹有重要的影响。
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2.5 膝活动度的检查范围 轨迹的异常可以发生在膝运动弧度的任何一点，但是大多数主要问题被认为是发生在完全伸直到屈曲20°之间。但是，Pinar强调只在这个有限的活动范围内对轨迹异常进行评估的话，可能会错过某些异常的轨迹 [9] 。当膝屈曲超过90°时，股四头肌负荷方向的改变也应该考虑进去，包括其对运动的轴和方向的影响。在分析结果时，屈曲超过90°的情况往往被忽视了，同时也忽视了由此产生的一些问题。
3 展 望
正常的髌骨轨迹一直让人难以琢磨，但是它对于理解髌股疾病和指导治疗都至关重要。许多因素可以影响髌骨轨迹的测量研究这已有共识，目前更重要的是要全面地认识可能产生误差的各类影响因素，如何将这些因素进行标准化处理的问题。只有在对各类测量影响因素进行标准化处理后，在一个生理状态下运用各类现代技术才有可能得到一个理想的标准的髌骨轨迹模式。
参考文献:
, 百拇医药
[1] Bull AMJ，Katchburian MV，Shih YF，et al.Stan-dardisation of the description of patellofemoral mo-tion and comparison between different techniques [J].KneeSurgSportsTraumatolArthrosc，2002，10:184-193.
[2] Grelsamer RP，Weinstein CH.Applied biomechanics of the patella[J].Clin Orthop，2001，(389):9-14.
[3] Hefzy MS，Jackson WT，Saddemi SR，et al.Effects of tibial rotations on patellar tracking and patello-femoral contact areas[J].J Biomed Eng，1992，14:329-343.
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[4] Stein LA，Endicott AN，Sampalis JS，et al.Motion of the patella during walking:A video digital-fluoro-scopic study in healthy volunteers [J].AJR Am J Roentgenol，1993，161:617-620.
[5] Powers CM，Shellock FG，Pfaff M.Quantification of patellar tracking using kinematic MRI[J].J Magn Reson Imaging，1998，8:724-732.
[6] Hsu HC，Luo ZP，Rand JA，et al.Influence of lateral release on patellar tracking and patellofemoral con-tact characteristics after total knee arthroplasty[J].J Arthroplasty，1997，12:74-83.
, 百拇医药
[7] Nagamine R，Otani T，White SE，et al.Patellar track-ing measurement in the normal knee[J].J Orthop Res，1995，13:115-122.
[8] Katchburian MV，Bull AMJ，Heatley FW，et al. Patellar tracking in vivo:Quantifying the effect of tibial tubercle medialisation [J].Trans Eur Soc Biomech，2000，12:11.
[9] Thomas OL，Harding ML.The evaluation of tibial tubercle transfer for anterior knee pain[J].Knee，1998，6:39-42.
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[10] Farahmand F，Senavongse W，Amis AA.Quantitative study of the quadriceps muscles and trochlear groove geometry related to instability of the patellofemoral joint[J].J Orthop Res，1998，16:136-143.
[11] Farahmand F，Tahmasbi MN，Amis AA.Lateral force-dispalcement behaviour of the human patella and its variation with knee flexion:A biomechanical study in vitro[J].J Biomech，1998，31:1147-1152.
[12] Senavongse W，Bull AMJ，Taylor AR，et al.Muscle imbalance alone does affect patellar tracking:An in vitro investigation[J].J Bone Joint Surg(Br)，1998，80:258.
[13] Lafortune MA，Cavanagh PR，Sommer HJ，et al.Three-dimensional kinematics of the human knee during walking[J].J Biomech，1992，25:347-357.
(1.宁波市第六医院关节外科，浙江宁波 315040;2.第二军医大学附属长征医院关节中心，上海 200003), 百拇医药(何志勇 ，吴海山，狄正林)
1 测量研究方法因素
1.1 坐标系统和运动轴 坐标系统和运动轴是轨迹研究所要面临的一个首要问题[1，2] 。同一个实验如果用不同的坐标系统会得出不同的轨迹模式，同时轨迹测量结果对于轴的确定是非常敏感的[1] 。
使用不同的运动轴会导致轨迹测量的结果出现差别，髌骨运动基本上可以按3个相互垂直的移动和3个相互垂直的旋转6个自由度来进行描述，这6个自由度是内外侧偏移、远近端移动、前后移动、内外侧旋转、内外侧倾斜和前后屈伸。另外Grood和Suntay等提出的一个三圆柱状开放性链系统，即围绕髌骨长轴的旋转、围绕髌骨前后轴的旋转和围绕股骨髁内外轴的旋转。已被广泛地用于描述膝关节运动，也被用于描述髌骨运动[3] ，可能是目前最有意义的系统[1] 。有的作者以胫骨轴作为髌骨偏移的参考轴[4] ，这不能令人满意，因为髌骨轨迹研究的是髌股关节及髌骨和股骨之间的相对运动。另外，因为胫骨在膝屈曲早期有相对股骨的内旋，这可能使得髌骨处于胫骨结节相对外侧的位置，如果以此为参考点的话，髌骨可能被认为处于外侧位，而事实上髌骨处于关节股骨滑车中心。
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1.2 股骨滑车或股骨参照 Lafortune以股骨滑车为参照，Powers则运用了股骨后髁或前后髁作为参照 [5] ，也有相当 一部分作者将股骨作为一个整体来进行参照，以描述髌骨的 运动和位置 [3，6] 。每种方法都有其优点和不足，但是由于这些坐标系统不同，使得要想将他们的结果进行比较综合，从而得出一个普遍认同的轨迹模式是很困难的。
以髌骨相对于股骨的运动作为一个固定的参考系统，可以提供基本的三维空间模式，但无法对髌骨和髌骨沟间的相互作用进行评估。以股骨沟为参照可以使描述髌骨轨迹更直接，但这无法鉴别和排除形态畸形和方向异常的滑车对轨迹造成的影响。因此，这种方法通常用于膝位于某个屈曲角度时来提供一个髌骨的瞬间印象，而不是一个持续运动轨迹。
以股骨前髁作为参考点的测量方法已经被用于测量放射片中髌骨对线的指标，诸如外侧髌股角、外侧髌骨脱位，适合角。这些经常会产生误差[7] ，而且易受股骨髁前部形状和高度的影响[5] ，髌股关节紊乱病人的股骨滑车常有异常。另外，在无症状人群中，股骨远端可能有不同的形态结构。目前认为后髁形态变异的可能性较低，已经有作者考虑用后髁作为参照点[2] 。
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1.3 测量系统的精确性 测量系统的精确性会影响到髌骨轨迹的量化，也会影响髌骨移动和旋转的表达而出现误差。这也依赖于轴的选择或描述运动所用的方法 [1] 。在目前的研究中，推荐的精确度是:移动0.05～1.5mm;旋转0.03°～2°。另一个应该被确定和清楚描述的因素是测量方法的可重复性。一些研究胫骨结节移位对髌骨轨迹影响的实验已证实这类手术只能获得髌骨轨迹大约移动2mm和倾斜2°的变化[8] 。髌骨轨迹极小的变化可以导致接触压极大的改变，因此其重要性是显而易见的。轨迹不良可能是些许细微的，如果想测出其中细小的变化，使用一个具有良好分辨率的精确的测量系统是至关重要的。认为在评估所需要的精确度时，首先要决定你所期望的测量参数的精确程度，然后将这些参数十等分作为测量系统的精确度和分辨率。例如，通过干涉，如果想使髌骨偏移1mm，那么髌骨测量系统的精确度和分辨率应该是±0.1mm
[9] 。
2 生理因素
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2.1 静态或动态的髌骨和膝运动的方向 用静态方法对轨迹进行测量具有明显局限性，这种方法是在膝屈曲不同角度时对髌骨位置进行一系列的测量。静态的滑车上髌骨测量结果可能会导致对膝关节真正的屈伸运动模式产生误解。因为，当髌骨处于静态时，对固定的各屈曲度所摄取的影像进行评估有可能使人将静态的测量结果误解为动态的模式。特别是在活体当股四头肌作用非常重要时，它们的差别就更明显了。Brossmann运用MRI对同样的课题进行静态和动态评估时发现了其轨迹存在着差异[2] 。应该注意到当轨迹紊乱可能只发生在一小段运动弧度或在膝运动的某个运动速度时才表现出来时，静态的方法就很可能检查不出来。
运动方向也有其重要性，这主要有两个原因。第一，当膝从伸展到屈曲和从屈曲到伸展时，髌骨轨迹可能是不同的[8] 。因此，在运动时进行测量是特别重要的，而使用静态的测量方法可能效果欠佳。第二，在描述髌骨运动时，如果膝运动的方向颠倒了，髌骨滑行方向也是颠倒的。例如，当膝屈曲时髌骨总体上是向外侧滑动的，而当膝伸展时总体上是向内侧滑动的。在大部分研究中，都未考虑到对膝运动方向的描述，都假设在膝的两个运动方向上轨迹是一样的，而事实上不是这样 [8] 。这在临床上很重要，因为临床症状往往仅和髌骨一个方向的运动有关。
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2.2 股四头肌负荷:负荷量和方向 股四头肌的生物力学机制对髌骨轨迹有着重要的影响。股内侧肌除了参与膝伸展外，还部分地起到内侧和后侧对髌骨进行限制的作用[10] 。在尸体研究时，股四头肌的负荷是通过加载在绳索上来实现的，因此，当负荷作用的方向发生变化时，所用负荷的作用效果就会发生变化。最常用的方法就是使牵拉的绳索平行于股骨，起到类似于股直肌和股内侧肌的作用。但是，随着对股四头肌不同部分分力作用研究的不断增加，建立多条绳索的研究也越来越常见[11] 。一些作者发现了负荷方向发生变化时髌骨轨迹的变化，但也有些作者发现未有变化[12] 。
这些情况在活体研究时要复杂得多，肌肉力量对髌骨轨迹的精确影响目前还未能确定出来。尸体模拟实验提供了一些对股四头肌产生的影响的了解，但都是有限的。肌肉收缩可以是集中的、单独的或等长的，作用的方式可因条件的变化而变化。例如，在步态的某个姿态瞬间，在脚后跟接地之后股直肌立刻单独收缩，在产生负荷反应时，转而联合收缩。另外，股直肌是连接两个关节的，在股直肌步态循环的不同阶段它是单独收缩的。下肢旋转时，肌力线也会发生改变。和髌骨轨迹不良有关的症状会发生在步态循环或诸如爬楼梯的特定阶段。它们可能和在特定阶段的肌肉活动状态以及骨的 解剖关系有关。因此，在髌骨轨迹测量时，应该将这些因素考 虑进去，有些作者在实验时企图通过行走和奔跑来测定髌骨轨迹 [9] 。尽管这些数据有些问题，但因为它们反映了一些生理条件下的情况，可能对许多临床治疗有帮助。
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2.3 胫骨旋转 胫骨旋转影响了髌骨轨迹
[3] ，尽管对胫骨旋转的确切影响还有些争议。例如，胫骨旋转可以使髌骨向同侧倾斜，或向另一侧倾斜，这主要看膝屈曲时是否导致髌骨跨上了一侧股骨髁，而使髌骨向另一方向倾斜。这还依赖于髌骨最初的位置，当胫骨内侧旋转而髌骨位于高位外侧髁时，髌骨很可能滑入髌股沟，但当髌骨位于内侧时很可能出现外侧倾斜，这是因为内侧髁的挤压作用。当膝被动伸展和屈曲时，很容易导致不经意的胫骨旋转。要避免这些就必须控制胫骨旋转。选择性地重复对胫骨旋转瞬间进行测量可能是一个更好的方法，这能获得有关胫骨旋转的一系列数据 [3] 。与此方法相关的一个问题就是获得的数据变化幅度可能较大，而正常数据可能只在这套数据变化范围的任何一点上。另一个方法就是让膝像正常活动时一样自由地活动，这可能是理想的方法，但正常行走时的状态要更为复杂。膝关节会出现内旋和外旋，这都可能影响行走时的髌骨轨迹[13] 。
2.4 膝外翻和膝内翻 膝屈伸时，膝所处的外翻位和内翻位会发生改变[13] 。一些作者忽视了这个问题，认为这是被动活动的一部分。这可能由股骨髁的形状所导致，测得的结果也可能被坐标的选择所影响，因为坐标轴不同的旋转位置会改变已测得的外翻或内翻的结果。其他一些限制性的内外翻位被认为对轨迹有重要的影响。
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2.5 膝活动度的检查范围 轨迹的异常可以发生在膝运动弧度的任何一点，但是大多数主要问题被认为是发生在完全伸直到屈曲20°之间。但是，Pinar强调只在这个有限的活动范围内对轨迹异常进行评估的话，可能会错过某些异常的轨迹 [9] 。当膝屈曲超过90°时，股四头肌负荷方向的改变也应该考虑进去，包括其对运动的轴和方向的影响。在分析结果时，屈曲超过90°的情况往往被忽视了，同时也忽视了由此产生的一些问题。
3 展 望
正常的髌骨轨迹一直让人难以琢磨，但是它对于理解髌股疾病和指导治疗都至关重要。许多因素可以影响髌骨轨迹的测量研究这已有共识，目前更重要的是要全面地认识可能产生误差的各类影响因素，如何将这些因素进行标准化处理的问题。只有在对各类测量影响因素进行标准化处理后，在一个生理状态下运用各类现代技术才有可能得到一个理想的标准的髌骨轨迹模式。
参考文献:
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[1] Bull AMJ，Katchburian MV，Shih YF，et al.Stan-dardisation of the description of patellofemoral mo-tion and comparison between different techniques [J].KneeSurgSportsTraumatolArthrosc，2002，10:184-193.
[2] Grelsamer RP，Weinstein CH.Applied biomechanics of the patella[J].Clin Orthop，2001，(389):9-14.
[3] Hefzy MS，Jackson WT，Saddemi SR，et al.Effects of tibial rotations on patellar tracking and patello-femoral contact areas[J].J Biomed Eng，1992，14:329-343.
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[6] Hsu HC，Luo ZP，Rand JA，et al.Influence of lateral release on patellar tracking and patellofemoral con-tact characteristics after total knee arthroplasty[J].J Arthroplasty，1997，12:74-83.
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[12] Senavongse W，Bull AMJ，Taylor AR，et al.Muscle imbalance alone does affect patellar tracking:An in vitro investigation[J].J Bone Joint Surg(Br)，1998，80:258.
[13] Lafortune MA，Cavanagh PR，Sommer HJ，et al.Three-dimensional kinematics of the human knee during walking[J].J Biomech，1992，25:347-357.
(1.宁波市第六医院关节外科，浙江宁波 315040;2.第二军医大学附属长征医院关节中心，上海 200003), 百拇医药(何志勇 ，吴海山，狄正林)