新进展：滑雪非接触性膝关节损伤模型

作者：Roman Trobec, Gregor Kosec, Matja Veselko

翻译：胡世亮 校对：王宇，李新

人们广泛认为，大多数膝关节受伤是由于垂直力增加而引起的，垂直方向的力增加的常见原因包括偶然的滑雪坠落、碰撞或跳高等。来自斯洛文尼亚约瑟夫・斯特凡研究所的 Roman Trobec 教授，最近在《运动医学与健康科学（英文）》（Sports Medicine and Health Science）上发表的论文，提出了一种新的非接触式膝关节损伤模型，这种模型可能在滑雪转弯时发生。这种损伤是由内侧滑雪板的突然向内转向，随之内侧腿摆动，然后在被髋关节和膝关节锁定时几乎立即停止运动所致。滑雪者和滑雪设备行业对所描述的膝关节受伤机制的认识可以作为重要的损伤预防因素。

引言

几项研究表明，在过去十年中，滑雪中下肢损伤的风险略有降低。但是，在总的滑雪损伤发生率中，膝关节受伤的比例仍然很高。例如，挪威 1996 年至 2012 年的 16 年间，这一比例约为 24％；在日本，1996 年至 2014 年的 18 年间约为 30％。在过去的十年中，滑雪方式已从传统的高山滑雪转变为更易受伤的刻滑滑雪，降低膝关节损伤仍然是预防高山滑雪损伤的主要课题。胫骨平台压缩性骨折是最严重的膝关节损伤之一，占所有滑雪损伤的 0.52％，及所有滑雪相关骨折的 3.4％。从 1972/73 年到 2005/06 赛季的 34 年中，胫骨平台骨折的风险增加了 187％。这种变化可能与人口老龄化相关，因此随着时间的推移损伤风险增加的趋势可能与滑雪人口的平均年龄增加有关。

根据已发表的尸检实验研究，在用经典滑雪板的休闲滑雪者之中，44％ 的胫骨平台骨折病例里，过度伸展和外翻移位被认为是主要的和特征性机制。其他报道中，胫骨平台骨折的原因包括从高处跌落（着陆不当）、意外跌倒或扭曲，以及被另一位滑雪者撞击时膝关节的侧面直接受力。我们假设在滑雪者摔倒之前或者甚至没有摔倒，非接触式膝关节损伤可能发生。

滑雪过程中产生的垂直力至少比参考文献 9 和 12 中报道的临界力小一个数量级。在胫骨上产生作用力的合理机制是，身着滑雪装备相对较重的腿在几厘米的移位内突然减速。这样的减速可能在滑雪转弯时出现，如在经过雪包或空心凹陷处时转弯半径瞬时减小，或者是在雪面上撞到障碍物。

在这项研究中，提出了一种非接触性膝关节损伤的新机制，适用于高山滑雪，但也适用于其他运动。在大多数情况下，实际损伤是不同机制的组合，例如跌落、碰撞或跳跃。本研究基于腿、靴子和滑雪板的后外侧旋转的生物力学进行建模。髋关节和膝关节的解剖结构将旋转限制在某些角度，这些角度可能会使旋转的环节突然减速，惯性能量被相对较小的骨关节区域吸收，从而导致压缩性骨折。由于已经进行了简化，该模型并不能提供准确的结果，但是它表明非接触的事故也可能导致严重的膝关节损伤。

方法

本研究是根据实际损伤病例和先前公布的测量数据进行的对照观察实验研究。与将滑雪者视为一个整体的经典损伤观相反，本研究探讨的是身体不同部位与滑雪装备之间的相互作用。研究方案已由卢布尔雅那大学医学中心的人类研究课题评审委员会批准，并符合赫尔辛基宣言。所有志愿者在参加研究之前均签署了书面知情同意书。

研究动机

这项工作的动机源于之前的两年研究，卢布尔雅那大学医学中心的外科部门已对 1 065 例滑雪损伤进行了研究。我们发现了胫骨近端骨折 33 例（3.1％）。其中 5 例（15％）是内侧髁骨折，13 例（39％）是外侧髁骨折。其余（46％）为双侧骨折。所有滑雪者关于胫骨骨折的描述都有一个共同点――受伤是在刻滑转弯时发生的，原因是我的内侧滑雪板突然拉扯，然后内侧腿膝关节剧烈疼痛。此外，许多没有记载且被忽视的非接触式损伤可能具有相同的伤害机制，而这些损伤往往仅以疼痛和肿胀或韧带损伤而告终。幸运的是，作用力不足以造成压缩性骨折，但仍足以引起明显的骨骼或韧带损伤。

Fig. 1 Coronal (a), sagittal (b) and transverse (c) images of the right knee of patient with a lateral tibial compression fracture

图 1 展示了严重骨折的CT影像：外侧胫骨平台前部约为 3.7 x 10 4m2，2.5 x 10 2m 深的凹陷。通过对矢状面压缩性骨折的形状和位置分析指出只有股骨外髁后侧才能造成这样的损伤，所以受伤时膝关节处于半屈位，胫骨外旋。这些假设满足病人对受伤情景的描述。

Fig. 2 The scheme of accident for model variables

我们推论出以下两个假设：（i）由于没有碰撞而受伤，胫骨外侧平台上如此巨大的作用力不仅由滑雪时产生的垂直作用力组成，还应有其他来源。（ii）通过CT扫描重建骨折后股骨轴和胫骨轴之间的近似角度（β）为大约 β=0.52 rad，这是事发后小腿横向运动或摆动的幅度。

为了排除仅对所假设机制有影响的因素，我们进行了一些假设。事发之前，滑雪者以恒定的速度刻滑转弯。滑雪板未在地面上滑动。由于受伤的机制在伸展和半蹲膝关节中相似，因此我们没有对受伤前的内侧膝关节弯曲进行建模。模型排除了可以产生与模型相同的作用力的碰撞，没有考虑滑雪运动产生的较小的垂直力。为了方便，我们也忽略了由于关节摩擦、组织变形以及肌肉影响的能量损失。这种假设影响最终结果，但是，我们寻求的是对损伤机制的解释，而不是对真实损伤案例的精确定量描述。

讨论

了解损伤机制是防止运动中受伤的关键。由于内侧滑雪板突然减速而导致的外侧胫骨平台骨折的发生机制与滑雪板的形状有关，属于其他损伤机制。刻滑技术需要考虑两个滑雪板上的重量分配，这在某些情况下满足不滑动的假设。如果滑雪板边缘未在地面上滑动，则地面力会直接传递到腿上。滑雪者的身体沿滑雪板转向的方向移动。减速的滑雪板可以解释为相对于滑雪者身体的后外侧摆动。在这里，我们仅描述了膝关节伸直位的损伤机制。但是，相同的模型也可以近似膝关节半屈位，这在滑雪期间更为常见。

先前的实验表明，不考虑肌肉以缓慢的力加载速率（F/t）作用于膝关节时，引起胫骨压缩性骨折所需的典型轴向力为 13~35 kN。考虑到胫骨平台凹陷 A=3.7X104 m2 的估计面积和滑雪速度 v0=13.5 m/s，我们获得了压缩压强 P=143 MPa。模型所得的压缩力（F）为 53 kN，比实验所得数据高但仍处在范围之内。在膝关节被周边传导力和控制动作的肌肉支持的情况下，轴向应力可能会更高。此外，损伤模型提供高力加载率（F/t= 2690 kN/S）对胫骨平台造成更高的压力。高力加载率可能是前述压缩性骨折在受过训练的竞技者中比较少见的原因。

根据模型的结果，大于 10 m/s 的速度能导致严重的外侧胫骨平台骨折。但值得注意的是，结果基于估计，因为骨头的硬度取决于骨的密度、形状以及承载冲量。实际造成骨折所需的力取决于施加外力的方向和时机等因素，对每个人来说都是不同的。另一方面，骨质疏松的存在可以使软骨下骨更容易粉碎或凹陷。被研究的滑雪者没有骨质疏松性骨折的病史，但属于有胫骨髁骨折风险的年龄组。在年轻的滑雪者中，相同的机制可能会损伤内侧或前韧带。但是，骨骼和韧带的静态和动态特性明显不同，这使我们无法得出非接触性损伤对韧带损伤影响的明确结论。

即使该研究的结果与以前的实验测量结果一致，我们也知道该模型并未经过损伤期间的实际测量结果验证，而实际测量的结果很少可用。我们使用患者的口述回忆损伤过程来描述损伤机制。但是，被分析的滑雪者经验丰富，并且始终知道发生了什么，因此可以将其描述视为可靠的。对于培训和比赛，可以提供视频以研究和分析损伤机制。

滑雪设备制造商还应该通过了解外侧胫骨平台骨折的机理，进一步开发可能减少膝关节损伤的装备技术。对滑雪装备的设计进行适当的修改可以降低受伤的风险。滑雪板和滑雪靴的质量增加导致较高的压力。应避免在滑雪转向过程中完全放松肌肉组织，尤其是未负重的内腿，以避免滑雪板不受控制地跳起。休闲滑雪者应注意其滑雪速度和任何不规则的雪面。滑雪者应注意，滑板边缘的半径越小，滑雪板突然侧向转弯的可能性就越大，因此，滑雪者应根据自己的身体状况和滑雪技巧选择定型滑雪板。雪道的整备应该保持一致，不要留下雪包和其他不规则之处，以避免法律后果。

结论

这里提出的分析和生物力学模型可以解释，在滑雪转向过程中无跌落或碰撞的非接触性膝关节损伤。本次分析表明，内侧滑雪板突然向内转向和随后的内侧腿摆动可能是非接触性膝关节损伤的机制，最严重的情况可能导致胫骨外侧压缩性骨折。我们所得的数据与已发表的先前测量结果高度一致。许多记录在案的休闲和竞技滑雪者的意外事故视频都验证了该模型。对休闲滑雪者和竞技选手的多种实际损伤的临床管理也支持我们的观点。最重要的是，专业滑雪者和滑雪装备生产商应意识到我们提出的非接触式膝部损伤机制，以便制定适当的预防措施。

文献来源：

Roman Trobec, Gregor Kosec, Matja Veselko. A model for potential non-contact ski injuries of the knee. Sports Medicine and Health Science, Volume 2, Issue 3, 2020, 126-131.

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