利用力矩-速度关系量化前交叉韧带重建术后的恢复情况

摘要

本方案旨在 展示临床医生如何评估前交叉韧带重建后的力矩-速度关系。

摘要

前交叉韧带重建术后，患者常表现出持续性的股四头肌肌力不足，这会降低生活质量并导致长期功能障碍。传统上，术后肌肉功能评估主要集中于等长收缩时的最大力矩或单一等速运动速度下的峰值力矩，忽视了不同活动对肌群施加的多样化需求，以及指导临床决策所需的精确性。本演示旨在说明如何通过在不同角速度下进行等速肌力测试，以表征前交叉韧带重建术后的力矩-速度关系。该方案包括受试者准备、测力计设置、关节活动范围设定，以及关键测试组件的校准，如座椅位置和测力计臂长。肌力评估包括等长膝关节伸展测试，以及在60°/s、180°/s和240°/s速度下的向心等速膝关节伸展与屈曲测试。对于两点法，力矩-速度关系通过慢速与快速测试速度下标准化力矩产出的差值计算（例如60°/s与180°/s）。对于完整的多速度特征分析，则将各速度下获得的峰值力矩数据导出至电子表格或统计软件，并采用回归分析方法进行处理。既往研究结果表明，前交叉韧带重建术后患者患侧肢体膝伸肌的力矩-速度关系幅度约为对侧肢体的一半。 采用两点法时，其斜率较对侧肢体更小；而采用多速度表征时，斜率亦小于对侧肢体。扭矩-速度关系可识别单速度测试未能捕捉到的持续性功能缺陷，并可用于随访监测恢复情况。

引言

前交叉韧带损伤是运动中最常见的损伤之一，每年在美国造成数十亿美元的医疗费用¹。尽管手术技术和临床护理不断进步，但在前交叉韧带重建术（ACLR）后，患者仍经常出现持续性的股四头肌无力^2,3。股四头肌功能的缺陷与生活质量下降、日常生活活动能力降低以及整体功能减退密切相关^4,5,6,7。鉴于股四头肌功能的重要性，包含对股四头肌进行客观评估的测试组合，是重返运动决策过程中所使用的多维度测试组合中的关键组成部分⁸。

目前临床对肌肉功能的评估主要以最大力量作为衡量肌肉能力的指标，但肌肉表现还受到其他生理学原理的影响^8,9,10。力-速度关系是一种基本的生理学原理，定义为收缩速度与力量产生之间的反比关系^11,12。该模型已在多种体外和体内研究中得到验证，并通过扭矩-速度关系在人体整块肌肉中得以证实^12,13。扭矩-速度关系以往通过等速动力学测定法进行表征，研究表明，前交叉韧带重建（ACLR）病史患者以及因制动、衰老和其他病理状态均使其发生改变^{14,15,16,17,18}。鉴于临床应用中通常仅在单速或双速条件下进行测试，本方法旨在监测肌肉基本生理学原理的变化。

在前交叉韧带重建术后（ACLR），等长测试和等速测试的应用广泛且被普遍接受^19,20。仅通过单速度下的等长或等速测试来评估单一速度下的扭矩输出，可能无法充分反映日常生活活动和高水平运动中所涉及的肌肉需求范围^14,21,22。已有研究发现，采用双点法来表征扭矩-速度关系具有良好的可靠性，只要所选择的速度之间角速度差异至少达到90°/s，则该方法在临床上可能具有实用价值^15,23。本方案展示了两种可用于临床的双速度等速测试方法，并介绍了使用多个速度更详细地刻画扭矩-速度关系的方法。尽管本方案重点在于峰值扭矩输出的分析，但测力系统也支持导出完整的时间序列数据，以便进行时间序列分析。峰值扭矩是最大力量或功率生成能力的指标，而诸如扭矩发展速率、达到峰值扭矩所需时间以及峰值扭矩对应角度等变量，则提供了评估受试者快速产生力量以及应对不同潜在需求能力的其他方法^24,25,26,27。

方案

所有代表性数据均在获得机构审查委员会批准后收集，并已从所有参与者处获得知情同意。以下方案已用于年龄至少为12岁且前交叉韧带重建术后4个月的参与者，对移植物类型无限制。排除标准包括妊娠、下肢附近严重感染、已知的肌肉异常以及心肺系统疾病史。

1. 方法1：受试者准备与测力计设置

注意：一致的测力计设置对于确保在不同测试阶段和受试者之间获得有效且可重复的扭矩评估至关重要。根据制造商的建议，测力计应每月校准一次。本方案中的扭矩、速度和位置数据以100 Hz的频率导出，除制造商内置的信号处理外，未进行额外的平滑或滤波处理。在患者完成康复期间的开链式膝关节伸展训练之前，不应实施本方案。

1. 所有操作均应从非受累肢体开始。
2. 让受试者完成标准化热身，包括以3.0 mph的固定速度在跑步机上行走约5分钟。
3. 打开测力计并安装测力计臂。
4. 将座椅靠背角度调节至85°，并将测力计旋转角度设置为40°，符合制造商标准。
5. 让受试者就座，髋关节屈曲约85°，并指导其保持直立姿势，在测试过程中避免抓握测力计手柄。
6. 调节座椅前后位置，使腘窝位于座椅边缘前方约3–4 cm处。
7. 调整座椅位置和测力计臂的方向，直至机械轴与股骨外侧髁对齐。
8. 将测力计臂的阻力垫置于小腿前部，距外踝近端约5 cm处^28,29。
9. 用绑带将测试肢体固定于测力计臂上。固定时应确保小腿保持中立位，避免旋转。使用躯干和骨盆固定带稳定受试者。
10. 用绑带固定测试侧大腿，防止髋关节屈曲，并使用可用的固定装置固定对侧肢体。除物理固定外，还需提示受试者在整个测试过程中仅主动伸展和屈曲被测肢体。
11. 被动移动肢体完成全范围关节活动，以确认无需进一步调整。记录座椅位置、测力计位置及臂长，以供后续评估使用。

2. 方法2：设定运动范围

注意：使用基于软件的停止功能和手动停止功能。

1. 将解剖学零位设定为180°/完全膝关节伸展。若受试者无法达到完全膝关节伸展，可使用测力计的偏移功能来补偿该限制。将当前肢体位置与解剖学零度之间的差值输入测力计的偏移设置中。活动范围的限制可能会影响波形分析及峰值扭矩角度。
2. 将测力计的伸展极限设定为175°（即从解剖学零位或最大可达到的膝关节伸展位置起，膝关节屈曲5°）。
3. 将测力计的屈曲极限设定为70°（即从解剖学零位起膝关节屈曲110°；若无法达到110°，则设定为最大可达到的膝关节屈曲角度）。
4. 相应地调整手动限位装置。
5. 测量肢体重量时应尽可能接近最大膝关节伸展位，同时确保受试者舒适，且不得超过其耐受范围。指导受试者放松，并快速连续测量肢体重量3–4次，直至重量读数趋于稳定。
   注意：若肢体重量波动小于1.5 Nm，可视为重量已稳定。一旦确认重量值，软件将自动应用重力校正。所有分析均应使用校正后的数值。

3. 方法三：评估强度

注意：提示和指令的一致性至关重要。应指导患者尽可能用力且快速地踢腿，并给予口头鼓励。

1. 从健侧肢体开始测试
2. 提供标准化的口头指令，例如：“尽可能用力且快速地踢出”，“尽可能用力且快速地将腿收回”，以及“始终是你在驱动设备，而不是设备在带动你”
3. 在所有测试过程中提供有力的口头鼓励

4. 方法4：等长测试

1. 在膝关节屈曲90度的关节角度下进行等长膝关节伸展测试。
2. 首先进行三次适应性重复练习。指导受试者用力蹬出，并分别以自感最大力量的25%、50%和75%维持收缩，每次收缩之间休息30秒。该休息间隔与其他采用等速和等长测力法的研究一致^24,26。
3. 指导受试者尽可能用力且快速地蹬出，并持续收缩3–5秒。
4. 进行2–3次最大努力测试，每次测试之间休息30秒。

5. 方法5：等速测试

1. 以以下速度进行向心等速膝关节伸展和屈曲测试：60°/s、180°/s、240°/s。
   注意：在向心等速测试期间，测力计设置默认配对主动肌和拮抗肌运动，但本研究结果将重点关注膝关节伸肌，因为既往已在此处发现功能缺陷。
2. 在每个速度下，
   1. 进行4次连续的次最大练习重复，从低强度逐步过渡到接近最大努力（25–75%）。
   2. 进行8次最大努力的重复动作。
   3. 提供实时视觉反馈，显示力矩-时间或力矩-位置曲线，并给予持续的口头鼓励。
   4. 每次更换测试速度后，允许休息30–60秒。此休息间隔与其他使用等速和等长测力法的研究一致^24,26。单速度测试通常采用30秒的休息间隔，但多项多速度测试研究表明，60秒的休息间隔足以减少疲劳的潜在影响^24,30,31。若受试者表现出明显疲劳迹象，可考虑根据具体情况适当延长休息时间。
3. 在前交叉韧带重建（ACLR）肢体上重复整个测试流程。
4. 若受试者出现剧烈疼痛或不适，应指导其立即停止测试。

6. 方法6：数据处理与结果指标

注意：用于临床时，应评估所有速度下峰值扭矩产生的对称性，并确认随着收缩速度增加，扭矩呈下降趋势。如果任意等速条件下的测试间变异系数超过10%，在时间允许的情况下应重新测试，除非患者报告有疼痛。

1. 从产生最高峰值扭矩的重复动作中，确定每种速度和收缩类型的峰值扭矩（即最高瞬时扭矩值）。
2. 将扭矩值归一化至体重（Nm/kg）。
3. 选择用于计算扭矩-速度关系的两个主要速度点（例如 60°/s 和 180°/s），采用两点法进行分析。对于两点法计算，扭矩-速度定义为慢速与快速下归一化扭矩输出之差。

7. 方法7：多速度力矩-速度特性表征（可选）

1. 导出每种测试条件下的峰值力矩值，包括等长收缩（0°/s）以及所有等速收缩速度（60°/s、180°/s、240°/s）。
2. 将数据输入 Microsoft Excel 电子表格软件：
   1. 第 A 列：角速度
   2. 第 B 列：患侧峰值力矩（Nm）
   3. 第 C 列：健侧峰值力矩（Nm）
      注：原始力矩值和标准化力矩值在单个受试者内部产生成比例的斜率。在受试者之间进行比较时，可在统计模型中将体重及其他个体化因素作为协变量纳入。
3. 在电子表格软件中使用 SLOPE 函数创建一个额外的行，公式为 =SLOPE(力矩值, 速度值)。
4. 创建一个额外的行，使用公式 =(患侧肢体斜率/健侧肢体斜率)*100 来分析对称性（图 1）。
5. 记录所得的斜率值。
6. 如需要，可导出完整的力矩、位置、速度和时间序列数据以供后续分析。导出的数据可用于计算其他变量，例如力矩发展速率（力矩随时间的变化）以及其他力矩-时间特征^26,32。

图1．简化的代表性扭矩-速度数据集及快速分析工作流程。峰值扭矩值被导出至电子表格软件中，并以角速度为横坐标绘制，采用线性回归线拟合。此图展示了单个受试者的简化数据录入方式，若需进行纵向评估，应为每位受试者及每次测试会话增加相应的数据列。请点击此处查看该图的放大版本。

结果

成功完成本方案后，应在零速度（等长）时获得最大力矩输出，并随着等速收缩速度的增加而出现力矩的逐步下降¹²。在先前的一项队列研究中，当检测有前交叉韧带重建（ACLR）史的患者时，未受累肢体的力矩下降程度大于ACLR肢体¹⁴。个体的力矩-时间或力矩-位置曲线应显示出相对一致的收缩。每组重复测试内的理想变异系数应为10%或更低。任何变异系数超过15%的测试可能提示最大努力不一致，应予以重复，除非受试者报告存在疼痛。

用于推导双点法和多速度扭矩-速度结果的代表性数据集及计算流程见图1。临床解读的主要结果将采用双点法。既往研究显示，前交叉韧带重建（ACLR）术后患者患侧肢体的膝伸肌扭矩-速度约为非患侧肢体的一半^14,33。以往在康复中期和康复后期分别采用90°/s和180°/s双点表征测试的研究发现，患侧肢体股四头肌扭矩-...

讨论

本方案描述了一种在前交叉韧带重建术后（ACLR）利用多模式测力法评估股四头肌力矩-速度关系的临床可行方法。股四头肌力量持续减弱在不同年龄组及不同ACLR移植物类型中均较为常见^36,37传统的术后重返运动测试量表主要关注最大肌力，但可能无法全面评估股四头肌在不同收缩需求下的功能14。在低速等速条件下进行单速度测试或等长测试最适合评估肌肉最大力量的产生能力，而在较高速度下测试则更适合评估最大功率的产生能力24。通过在多个角速度下对股四头肌进行评估，临床医生和研究人员能够考察随着收缩速度增加力矩下降这一基本生理学原理¹³两点法此前已显示出与更广泛速度范围测试的一致性，可能是测量最大力量和功率输出的一种时间效率较高的方法^23,38.

为了获得有效且可靠的结果，本方案中包含了若干关键步骤。必须将测力计的轴线与股骨...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
计算机工作站	Any commercial manufacturer	N/A	用于运行测力计软件并导出数据
电子倾角仪	Any commercial manufacturer	N/A	如需验证解剖学零位时使用
HUMAC NORM 测试与康复系统	CSMi Solutions	https://csmisolutions.com/	用于等长和等速膝关节力量测试的计算机化多模式测力系统
电子表格软件	Microsoft	Excel (version dependent)	用于扭矩数据的录入和处理
跑步机	Any commercial manufacturer	N/A	用于测试前的标准化热身