男女前十字韧带损伤的调查

前交叉韧带(ACL)是膝关节的主要稳定剂之一。仅在美国，每年就有多达25万人(约1200人中就有一人)的ACL骨折。在较年轻的人群(15至45岁)中，ACL损伤的发生率更高，高达1 / 1750。据估计，每年用于ACL重建的财政费用超过10亿美元。大约70%的伤害是由非接触式机构造成的，包括突然减速、切割和旋转等动作。此外，在进行同样的运动时，女性ACL损伤的风险是男性的2到8倍。在女性中如此高的发病率，加上参加体育运动的女性人数的显著增加，使许多人认为这一现象是一种流行病。

这项研究计划代表了该研究所和匹兹堡大学肌肉骨骼研究中心(MSRC)之间的合作努力(Savio L-Y Woo博士)。为了更好地理解ACL对关节稳定性的贡献，以及量化ACL中的原位力，已经进行了大量的工作。我们的大部分发现已经转化为临床实践，因为改进的ACL重建程序已经基于完善的生物力学原则发展起来。在本次研究中，我们努力在两所研究所的经验基础上，研究ACL在体内的功能。

通过结合两个研究中心新开发的技术，我们将能够推进我们对ACL在体内(碰巧)所经历的力量的知识。因此，我们的总体目标是获得更好的性别ACL功能的定量数据，从而有助于理解女性非接触性ACL损伤发生率较高的原因和机制。为了做到这一点，我们将量化活动过程中原力和前交叉韧带中的力分布，并研究性别之间的潜在差异。此外，我们将评估女性运动员的预防性训练如何通过降低这条韧带的力量来减少ACL损伤的风险。了解ACL损伤机制将有助于设计有效的预防训练方案，以减少非接触性ACL损伤，以及设计性别和/或患者特定的手术治疗和术后康复协议。这进而将通过减少再次损伤的风险，以及防止ACL重建后骨关节炎的最终发展，从而改善患者的预后。

为了实现我们的目标，我们将利用我们的高速、双平面透视系统，该系统已经开发出来，用于收集健康志愿者从跳跃起降时的体内准确的胫股关节运动学。然后，将使用匹兹堡大学的高有效载荷机器人/万能力力矩传感器(UFS)测试系统在匹配的人类尸体膝盖上复制受试者特定的膝关节运动学，以确定在原位置的力和ACL中的力分布。在体膝关节运动学的六自由度(6-DOF)也将作为输入数据，以特定的有限元模型与ACL的复杂本构模型，以确定在同一动态跳跃着陆运动中ACL的应力和应变分布。

该双平面透视系统由两个商用BV Pulsera c臂(Philips Medical Systems, Best, Holland)组成，根据适当的FDA指南和科罗拉多州辐射安全法规进行了修改。图像增强器从c臂配置中移除，安装在定制的机架上，允许可变源到图像的距离(SID;生成器到成像平面距离)的1.0-2.0米，以及两种透视系统之间的可变光束角度配置，以允许优化查看体积、移动自由和技术因素。

使用该系统，膝关节运动将被捕捉到膝关节到图像增强器的距离为25-40厘米，曝光持续时间为1.0 s。为了捕捉着陆运动的高速特性，使用定制设计界面，将每秒1,000帧速率的两台耦合的高速高分辨率(1024 x 1024)数码相机与透视系统的两个图像增强器进行交互。

然后，我们继续验证了该方法在人体尸体膝盖上的复杂运动。为此，在研究所的双平面透视系统上使用珠子标记和骨追踪记录了尸体膝关节的运动学。膝盖，连同它记录的运动学，然后被运送到匹兹堡的MSRC，在我们的高有效载荷机器人/UFS测试系统上重放。运动学显示膝关节屈曲15到108度，并在屈曲时向内旋转约17度。由于膝关节运动的特点，胫骨在屈曲时向前后方向平移，作为股骨回滚机制的一部分。使用提出的方法，在重放该动作时测量了ACL中的原位力。前交叉韧带的受力范围从伸展方向的最小8 N，到屈曲方向的最大约24 N。