健康年轻成年人的胫骨膝内翻与原发性髌骨关节面形态：一项揭示关节健康双重威胁的横断面研究

《Osteoarthritis and Cartilage Open》：Tibial Genu Varum and Primary Cam Morphology in Healthy Young Adults: A Cross-Sectional Study Uncovering the Double Threat to Joint Health

　　埃娃·A·巴克斯（Eva A. Bax）| 威廉·科林（William Colyn）| 约翰·贝勒曼斯（Johan Bellemans）| 哈里·韦南斯（Harrie Weinans）| 伦特耶·阿格里科拉（Rintje Agricola）| 弗勒尔·博埃尔（Fleur Boel）
荷兰乌得勒支大学医学中心骨科外科

**摘要**
**目的**
本研究调查了健康人群中髋关节α角与胫骨内翻（tibial genu varum）之间的关联，该人群的男女比例相等。同时研究了基于性别的差异，探讨了体育参与的影响，并评估了这些因素之间的相互作用。

**方法**
使用负重X光片，对200名年龄在20至27岁之间的健康志愿者（共400条腿）的胫骨、股骨、膝关节内变形以及髋关节α角进行了分析。回顾性地收集了Tegner评分，以区分高运动量和低运动量的人群。采用广义估计方程（generalized estimating equations）来分析下肢错位与髋关节α角之间的关联，并考虑了侧别和性别的影响。

**结果**
胫骨对齐情况与髋关节α角存在关联（β = -0.02，P = 0.002）；胫骨内翻与较高的髋关节α角相关。其他变形及其与运动量的相互作用与髋关节α角无关。男性患者的髋关节α角（β = 0.19，P < 0.001，Δ = 9.0°）和胫骨内翻程度（β = -0.95，P = 0.002，Δ = 1.1°）均高于女性。高运动量与胫骨内翻程度增加有关（β = -0.75，P = 0.02）。

**结论**
研究发现髋关节α角与胫骨内翻之间存在显著关联。男性患者的髋关节α角和胫骨内翻程度均高于女性。虽然高运动量与胫骨内翻相关，但在不同运动量水平之间未观察到髋关节α角的差异。这些发现提示未来研究应进一步探讨能够预防胫骨内翻和原发性凸轮形态（primary cam morphology）的机械负荷调整方法，从而降低患骨关节炎的风险。

**1. 引言**
凸轮形态（cam morphology）是指由于股骨头前外侧连接处骨骼异常形成导致的股骨头形状不规则，这显著增加了患髋关节骨关节炎的风险。凸轮形态主要在青春期逐渐发展，尤其是在参与高强度运动的年轻男性运动员中，这种形态被称为原发性凸轮形态。据认为，这种形态是由于反复的机械负荷引起的，它重新分配了应力并刺激了额外的骨骼生长。同样的现象也存在于胫骨中，高强度运动的运动员比非运动员更容易出现胫骨内翻。胫骨内翻会增加膝关节内侧的负荷，并是膝关节骨关节炎的预测因素。青少年时期的高强度运动与生长结束后胫骨内翻的发展有关。

凸轮形态和胫骨内翻似乎是在骨骼生长晚期、生长板闭合前对机械负荷的反应而形成的。尽管这两种情况具有相似的发育机制，但它们之间的相互作用尚未得到研究。因此，本研究的主要目的是在男女比例相等的健康人群中调查髋关节α角与胫骨内翻之间的关联。我们假设髋关节α角与胫骨内翻有关，因为它们具有共同的发育机制。次要目的是研究基于性别的髋关节α角和胫骨内翻的差异，并探讨体育参与对这些变化的潜在影响。临床上，凸轮形态和胫骨内翻都与髋关节和膝关节骨关节炎的风险增加相关。证明这两种情况之间存在显著关联将有助于了解可能的共同发育机制，并提示在骨骼生长期间调整机械负荷可能有助于预防这些结构变化，从而最终有助于预防髋关节和膝关节疾病，尤其是在骨关节炎发病率和患病率不断上升的情况下。

**2. 方法**
2.1. 参与者
共有200名年龄在20至27岁之间的健康年轻人参与了这项横断面研究。研究时间从2009年10月持续到2010年3月。参与者来自电影院、技术高中、大学校园和职业介绍所。入选标准要求没有骨科疾病或创伤史。研究组包括100名男性和100名女性。参与者被回顾性地调查了他们在生长期间的体育活动情况。所有参与者均签署了书面知情同意书，研究方案得到了比利时鲁汶大学伦理委员会的审查和批准（B32220097076）。

2.2. X光成像方案
所有参与者均按照Paley的方案进行了负重全腿X光检查。参与者赤脚站立，双脚并拢，呈“立正”姿势，髌骨朝前。X射线束与膝关节对齐，X光机距离为305厘米。X光参数设置为500 mA和75 kV，必要时进行个别调整。

2.3. X光测量
下肢错位包括三个组成部分：机械性胫骨近端内角（mMPTA）、机械性股骨远端外角（mLDFA）和关节线汇聚角（JLCA）（图1）。mMPTA用于量化胫骨平台的对齐情况，定义为胫骨机械轴与胫骨近端关节线之间的角度（图1）。正常mMPTA范围为85°至90°，胫骨内翻时角度大于90°；mLDFA用于测量股骨的对齐情况，定义为股骨机械轴与股骨远端关节线之间的角度（图1）。正常mLDFA范围为85°至90°，股骨外翻时角度小于90°；JLCA用于评估膝关节的对齐情况，定义为股骨和胫骨关节线之间的角度（图1）。正常JLCA范围为0°至2°，大于2°表示膝关节内翻，小于0°表示膝关节外翻。所有X光片均经过校准，由盲法检查者使用AGFA PACS软件（Agfa-Gevaert）进行下肢对齐的测量。

**3. 结果**
3.1. 患者特征
研究包括100名男性和100名女性。平均BMI为22.1 ± 3.1 kg/m2。平均髋关节α角为46.1°（IQR 10.4°）。其中54条腿（13.5%）的髋关节α角≥60°（中位α角67.2°，IQR 12.8°）。平均mMPTA为84.1 ± 2.1°，mLDFA为88.0 ± 1.8°，JLCA为0.3 ± 1.1°。66名参与者有胫骨内翻（平均mMPTA 83.8 ± 1.0°），26条腿有胫骨外翻（平均mMPTA 91.0 ± 0.9°）。19条腿有股骨外翻（平均mLDFA 84.1 ± 0.7°），42条腿有股骨内翻（平均mLDFA 91.0 ± 1.6°）。此外，21条腿有膝关节内翻（平均JLCA 2.5 ± 0.5°），117条腿有膝关节外翻（平均JLCA -1.1 ± 0.8°）。

3.2. 体育活动
在第二十年的平均Tegner评分为：男性6.3 ± 2.3，女性4.8 ± 1.8。92名参与者（46.0%）运动量较低，68名（34.2%）运动量较高，23名（11.6%）从高运动量转为低运动量，17名（8.5%）在儿童时期增加了运动量。在男性参与者中，54名（54.0%）儿童时期未踢足球，其中12名（12.0%）根据Tegner评分属于高运动量组。31名（31.0%）在整个儿童时期都踢足球。足球运动员的mMPTA低于非足球运动员和儿童时期高运动量的男性非足球运动员（表1）。此外，足球运动员的髋关节α角高于非足球运动员和儿童时期高运动量的男性非足球运动员（表1）。由于样本量有限，女性足球运动员未被纳入分析（仅2名女性儿童时期踢足球）。

**3.3. 性别、体育活动与X光测量结果之间的关联**
广义估计方程分析显示，mMPTA与髋关节α角存在显著关联（β = -0.02，95% CI [-0.03, -0.01]，P = 0.002）（图2A），表明较低的mMPTA（代表更严重的胫骨内翻）与较高的髋关节α角相关。比较三个胫骨组时也观察到相同趋势，胫骨内翻组的mMPTA对应的髋关节α角更高（图2B）。相比之下，mLDFA（β = -0.01，CI [-0.02, 0.00]，P = 0.21）和JLCA（β = 0.01，CI [-0.01, 0.02]）与髋关节α角之间没有显著关系。此外，运动量、mMPTA和JLCA之间的交互作用项也没有统计学意义。B) 三组胫骨的alpha角度箱线图：膝内翻（66条下肢）、中立（308条下肢）和膝外翻（26条下肢）。男性显示出的mMPTA显著低于女性（β = -0.95，CI [-1.56, -0.34]，P = 0.002），这考虑了性别和运动活动的影响（图3A）。男性的alpha角度也显著高于女性（β = 0.19，CI [0.14, 0.23]，P < 0.001）（图3B）。高运动活动与较低的mMPTA相关（β = -0.75，CI [-1.37, -0.13]，P = 0.02），这考虑了性别和运动活动的影响（图3C）。alpha角度和运动活动之间没有统计学上的显著差异（β = -0.01，CI [-0.05, 0.04]，P = 0.79）（图3D）。下载：下载高分辨率图像（266KB）下载：下载全尺寸图像图3. 男性和女性之间以及低运动活动组和高运动活动组之间的放射学测量差异。（A）男性和女性之间的mMPTA比较。（B）男性和女性之间的alpha角度比较。（C）低运动活动组和高运动活动组之间的mMPTA比较。（D）低运动活动组和高运动活动组之间的alpha角度比较。4. 讨论本研究调查了健康人群中髋部alpha角度与胫骨膝内翻之间的关联，该人群的男女比例相等。本研究最重要的发现是alpha角度与胫骨膝内翻之间存在显著关联，较低的mMPTA与较高的alpha角度相关。未检测到与运动活动之间的显著交互作用，表明mMPTA对alpha角度的影响不受活动水平的影响。原发性凸轮形态和胫骨膝内翻分别与髋关节和膝关节骨关节炎的风险增加有关2, 3, 4, 13，这表明它们之间的关联具有潜在的临床意义。此外，男性的alpha角度值显著高于女性，mMPTA也较低，这进一步证实了原发性凸轮形态和胫骨膝内翻在男性中更为常见5, 23, 24, 25, 26, 27, 28。现有文献强调了原发性凸轮形态与高强度运动（特别是足球）之间的关联，这可能是由于青春期髋部受到反复的机械应力所致2, 5, 7, 8, 29。我们的研究发现，在儿童时期，高运动活动组与低运动活动组之间的alpha角度没有显著差异。然而，男性足球运动员的alpha角度高于非足球运动员以及高运动活动的非足球运动员。文献进一步支持了参与运动与胫骨膝内翻增加之间的关联，强调了体育活动在塑造小腿对齐方式中的作用9, 10, 11, 12, 15。值得注意的是，小腿对齐方式已被广泛认为是运动损伤风险的一个因素30。我们的研究还显示，在性别平衡的健康人群中，儿童时期高运动活动的参与者mMPTA显著低于低运动活动的参与者。尽管有这些发现，但胫骨膝内翻与alpha角度之间的直接关系尚未得到充分探索。我们的研究通过证明胫骨膝内翻与凸轮形股骨头之间的显著关联来填补这一空白。我们的研究显示的是alpha角度与胫骨膝内翻之间的关联，而不是因果关系。虽然因果关系意味着直接的因果关系，但我们的发现仅表明了统计上的联系，并未确认直接的因果关系。Klij等人31指出，凸轮形态与膝内翻方向之间没有因果关系，因为这些特征似乎是在生长最后阶段同时发展的。有研究表明，O型腿的儿童在足球等运动中可能具有功能优势，这可能是由于自然选择的结果10。机械学研究（例如Hueter-Volkmann定律）解释了负荷如何影响膝关节的生长32, 33, 34, 35。原发性凸轮形态通常在骨骼成熟过程中逐渐发展，以应对反复的机械负荷，在近端股骨生长板闭合后趋于稳定5, 7。在年轻的足球运动员中，原发性凸轮形态在生长板闭合后变得明显5，这强调了特定运动负荷的作用。此外，先前的研究表明，下肢对齐方式与髋关节形态在运动链中是相互关联的。膝关节的前向对齐方式与髋关节形态和髋关节疼痛有关36，膝关节前向对齐方式的改变也可能导致髋关节前向对齐方式的变化37。此外，髋关节形状与膝关节骨关节炎有关，股骨形态与膝关节疼痛的发展有关38，这突显了髋关节结构和膝关节病理之间的复杂生物力学关系39。我们的发现表明，凸轮形态和膝内翻对齐方式可能是通过类似的生长板适应机制发展而来的。因此，观察到的关联可能部分反映了共同的发展因素，而不是直接的生物学联系。临床上，凸轮形态和膝内翻分别与髋关节和膝关节骨关节炎的风险增加有关。了解它们之间的关系可能有助于理解这些共同机制，并指导生长过程中的机械负荷调整策略，从而可能降低未来关节病变的风险16。需要进一步的研究来探索生长过程中的机械负荷调整如何预防胫骨膝内翻和凸轮形态的发展，从而可能降低未来骨关节炎的风险。原发性凸轮形态和胫骨膝内翻与髋关节2, 3, 4和膝关节骨关节炎14, 15, 40, 41的风险增加有关，对关节健康构成重大威胁。骨关节炎是一个主要的全球健康问题，医疗成本不断上升16, 42。老龄化和肥胖是关键的风险因素43, 44，预计到2030年肥胖率将达到50%45, 46，老年人口将持续增加47。因此，骨关节炎的患病率将进一步上升16。在骨骼生长期间采取有针对性的预防策略可能有助于降低骨关节炎的发病率。调整男性的膝关节负荷可能有助于防止胫骨膝内翻对齐及其相关的结构变化7, 10。同样，在关键生长期间修改运动活动可能影响原发性凸轮形态的发展7，这可能有助于降低骨关节炎的发病率。因此，未来的研究应探讨可以减少运动员髋关节和膝关节骨关节炎发病率的预防策略，从而促进长期的关节健康。本研究有几个局限性。其回顾性设计可能导致回忆偏差，特别是在青少年时期的自我报告运动参与情况方面。此外，下肢对齐的放射学评估由一位不知道其他信息的观察者进行。观察者的准确性可能会影响这些测量结果，可能导致系统偏差。然而，先前的研究表明，观察者内部和观察者之间的可靠性都非常高，这些测量的报告值超过0.8548, 49。alpha角度测量的准确性取决于准确的标志点放置。自动搜索模型是在主要由前后位骨盆X光片组成的数据集上训练的。然而，自动搜索模型的训练集也包含了当前研究中使用的长肢X光片。因此，我们认为这种自动化方法可以适当地应用于承重全腿X光片。另一个局限性是使用了承重X光片，膝关节的位置可能会影响测量的可靠性48, 50, 51。我们通过标准化肢体旋转来确保髌骨朝前17来缓解这一问题。然而，在承重全腿X光片上检测原发性凸轮形态受到投影的限制：凸轮形态通常位于股骨头颈连接处的前外侧，最好在髋关节轻微内旋或专门的侧位视图下观察。由于承重全腿X光片是在中立位置拍摄的，且没有可用的髋关节侧位视图，因此该队列中原发性凸轮形态的患病率可能被低估了。此外，横断面研究设计排除了任何因果推断的可能性，且研究队列由健康的年轻人组成，这可能限制了其对有股骨髋关节撞击症状人群的普遍性。最后，本研究没有进行功效计算。总之，本研究调查了健康参与者人群中下肢错位与alpha角度之间的关联，该人群的男女比例相等。我们发现alpha角度与胫骨膝内翻之间存在显著关联，膝内翻与较高的alpha角度相关。男性表现出更高的alpha角度和更多的胫骨膝内翻。虽然高运动活动与胫骨膝内翻相关，但alpha角度和膝关节内或关节内的畸形在不同活动水平之间没有差异。未来的研究应关注高风险个体的机械负荷调整，以潜在地预防腿部错位和凸轮形态，这可能有助于减少膝关节和髋关节骨关节炎的发病率，并改善长期的关节健康。知情同意所有参与研究的个体都获得了知情同意。伦理批准该研究得到了比利时鲁汶大学伦理委员会的批准（B32220097076）。贡献研究构思和设计：EB, HW, RA, FB数据采集：WC, JB数据分析和解释：EB, FB第一稿撰写：EBC终稿修订和最终稿批准：所有作者。EB, RA和FB可以完全访问研究中的所有数据，并对数据的完整性和数据分析的准确性负责。