前交叉韌帶中前內(nèi)束與后外束功能上的差異研究

田鑫鐸，尹文哲，孫 敏，葉義杰，江磊磊，任 聰

膝關節(jié)的穩(wěn)定性包括前后向穩(wěn)定性、內(nèi)外翻穩(wěn)定性和旋轉穩(wěn)定性。前交叉韌帶(ACL)作為維持膝關節(jié)穩(wěn)定性的重要結構之一，近年來的文獻報道［1］證明其損傷主要導致膝關節(jié)的前向不穩(wěn)定及旋轉不穩(wěn)定，并且遠期往往并發(fā)不同程度的關節(jié)退變甚至畸形。

ACL按功能可分為前內(nèi)束(AMB)和后外束(PLB)兩束韌帶，定義其分束主要基于附著于脛骨的止點不同，也正由于膝關節(jié)在不同屈曲角度下，兩束韌帶的形態(tài)以及應力方向的不同，理論上體現(xiàn)了二者對維持膝關節(jié)穩(wěn)定性方面有各自獨立的功能［2］。本實驗將針對此進行進一步研究。

材料與方法

1 實驗材料

1.1 標本 選取6具成人新鮮尸體標本(總共12具膝關節(jié)標本)，平均死亡年齡為47.5歲(37～58歲)。膝關節(jié)以上部分保留15cm左右的股骨，以下部分也保持15cm左右。膝關節(jié)標本用關節(jié)鏡檢查后，無ACL損傷，無嚴重的關節(jié)退變及半月板損傷，關節(jié)無內(nèi)外翻畸形。

1.2 實驗裝置 湖北武漢一百電公司生產(chǎn)的電阻應變片、應變儀及應變儀校驗數(shù)據(jù)軟件，應變片固化膠水，拉力電子秤，電鉆及克氏針。電阻應變片本身由1根電阻絲組成敏感柵，通過其專用的固化劑與被測物體固化后，隨著被測物體在外力作用下產(chǎn)生應變同時應變片本身也發(fā)生形變，從而引起阻值的變化，其公式滿足dR/R=K·dL/L(R為電阻，L為長度，K為材料本身的常數(shù))，根據(jù)歐姆定律U=I·R，因此被測物體本身應力與輸出電壓值呈正比線性關系，即輸出電壓值的變化大小能夠反映力的變化大小。

2 實驗方法

2.1 將膝關節(jié)標本按照內(nèi)側髕旁入路切開直至關節(jié)腔，屈曲膝關節(jié)并外翻髕骨，顯露關節(jié)腔內(nèi)各個結構，充分清除髁間窩滑膜使ACL清晰顯露，并用彎鉗小心鈍性分離其AMB與PLB(圖1)。

圖1 用彎鉗分離兩束韌帶

2.2 將兩片電阻應變片以應變片固化膠水分別粘貼于AMB與PLB韌帶的體部(圖2)，并將其以全橋電路連接好之后，接于應變儀主板上，將應變儀校驗數(shù)據(jù)軟件安裝于電腦中，將主板USB接口連接電腦。

圖2 電阻應變片分別黏附于AMB與PLB上

2.3 將軟件啟動通訊與測試，將電壓值調(diào)零(圖3)。股骨端固定，分別將膝關節(jié)保持 0°、15°、30°、60°及90°時，將脛骨遠端固定，用1個兩端帶鉤的約束帶兜住小腿后部(約平脛骨結節(jié)平面水平)，并用一拉力電子秤鉤住約束帶兩端的鉤，在每個角度分別給予100N的脛骨前負荷，分別記錄每個角度AMB與PLB兩束韌帶原位力的輸出電壓值。

圖3 應變儀校驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)

2.4 用電鉆將一克氏針沿脛骨內(nèi)外髁冠狀面平行于脛骨平臺打入，兩端各留10cm的力矩，末端彎成鉤形。在膝關節(jié)分別屈曲 0°、15°、30°下，將拉力電子秤勾住克氏針一端并給予50N的內(nèi)旋負荷，即內(nèi)旋力矩為5Nm。并記錄每個角度AMB與PLB原位力的輸出電壓值。

結 果

1 在對脛骨施加100N前負荷時，AMB在屈膝60°時原位拉力所輸出的電壓值最大，為(1912.68±39.11)μV，并且AMB在屈膝60°和90°的原位拉力顯著＞完全伸直位和屈膝15°時(P＜0.05)。PLB在屈膝15°時原位拉力所輸出的電壓值最大，為(1884.30±34.44)μV，并且PLB在膝關節(jié)完全伸直位和屈膝15°的原位拉力要顯著 ＞屈膝30°、60°和90°時(P＜0.05)。在膝關節(jié)完全伸直位和屈膝15°時PLB 顯著 ＞AMB(P ＜0.05)，而在屈膝30°、60°和90°時AMB則顯著＞PLB(P＜0.05)(表1和圖4)。

2 在對脛骨施加5Nm的內(nèi)旋扭矩負荷時，AMB隨著膝關節(jié)屈曲角度的增加原位拉力的輸出電壓值逐漸增大，PLB則相反。在屈膝15°和30°下AMB的原位拉力顯著＞PLB(P＜0.05)，而在膝關節(jié)完全伸直位時二者無統(tǒng)計學差異(P＞0.05)(表2和圖5)。

表1 在提供100N的脛骨前負荷下，AMB與PLB在膝關節(jié)不同屈曲角度下原位拉力的輸出電壓值(±s，n=12)

表1 在提供100N的脛骨前負荷下，AMB與PLB在膝關節(jié)不同屈曲角度下原位拉力的輸出電壓值(±s，n=12)

images/BZ_151_233_858_2246_913.pngAMB 1071.67±21.57 1318.35±16.14 1597.53±47.91 1912.68±39.11 1701.15±22.69 PLB 1772.76±12.49 1884.30±34.44 1025.64±14.80 716.76±8.95 514.80±23.76

表2 在提供5Nm的脛骨內(nèi)旋扭矩下，AMB與PLB在膝關節(jié)不同屈曲角度下原位拉力的輸出電壓值(ˉ±s，n=12)

表2 在提供5Nm的脛骨內(nèi)旋扭矩下，AMB與PLB在膝關節(jié)不同屈曲角度下原位拉力的輸出電壓值(ˉ±s，n=12)

images/BZ_151_233_1254_1192_1313.pngAMB 1271.63±16.25 1387.51±9.73 1639.76±18.37 PLB 1015.24±20.10 831.25±26.09 623.29±21.43

圖4 在提供100N的脛骨前負荷下，AMB與PLB在膝關節(jié)不同屈曲角度下原位拉力的輸出電壓值

圖5 在提供5Nm的脛骨內(nèi)旋扭矩下，AMB與PLB在膝關節(jié)不同屈曲角度下原位拉力的輸出電壓值

討 論

ACL重建的手術已經(jīng)廣泛應用于臨床，而傳統(tǒng)的單束重建，其股骨與脛骨的定位止點更接近于AMB的附著位置，其術后膝關節(jié)由于缺乏PLB維持其穩(wěn)定性的功能，關節(jié)長期仍有并發(fā)退變的可能性。朱超華等［3］通過對93例分別行ACL單束和雙束重建手術的患者進行術后隨訪，通過對患者進行前抽屜試驗、Lachman試驗和軸移試驗的檢查，結果顯示術后24個月雙束重建的患者膝關節(jié)穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于單束重建組。董宇等［4］比較了股骨端傳統(tǒng)過頂位定位點(OSB)與解剖中心點(ASB)單束重建ACL，證明了二者雖然在前抽屜試驗中并無顯著差異，但是軸移試驗的穩(wěn)定性ASB組要明顯優(yōu)于OSB組。由于ASB重建方法兼顧了PLB的原解剖位置及走行，這也充分說明了PLB在維持膝關節(jié)穩(wěn)定性尤其是旋轉穩(wěn)定性也起了非常重要的作用。

本實驗分別在兩種脛骨負荷條件下研究了膝關節(jié)ACL雙束的原位拉力承受分布情況，即脛骨的前負荷與脛骨內(nèi)旋負荷。在對脛骨施加100N前負荷情況下，AMB從膝關節(jié)完全伸直位到屈曲角度較小的狀態(tài)下，原位拉力都比較小且增加不明顯，隨著屈曲角度的增加所受的拉力顯著增大，到60°時達到最大值并且隨著繼續(xù)屈曲拉力逐漸減小。PLB則是在膝關節(jié)完全伸直位及接近伸直位的較小的屈曲角度位時原位拉力較大，在屈曲15°時達到最大，以后隨著屈曲角度的增大拉力則顯著減小。此結果顯示，在膝關節(jié)接近伸直位或屈曲角度較小的條件下，PLB對維持膝關節(jié)前向穩(wěn)定性起主要作用;在屈曲角度較大的條件下，AMB則對維持膝關節(jié)前向穩(wěn)定性起到主要作用。二者作為ACL的兩個功能部分，在防止脛骨前移作用方面相互協(xié)同。在行ACL雙束解剖重建手術時，為了防止膝關節(jié)在屈伸過程中移植物承受的拉力過大，導致移植物被拉長，我們通常分別在AMB與PLB原位拉力最大時的膝關節(jié)屈曲角度時，進行脛骨端的移植物位置的固定［5］。因此本實驗的結果表明，在進行脛骨端固定時，AMB在屈膝60°時為最佳位置，而PLB則在屈膝15°時為最佳位置。

在對脛骨施加10Nm的內(nèi)旋扭矩負荷條件下，本實驗結果顯示了AMB在屈膝0°、15°以及30°時原位拉力均＞PLB，并且隨著角度的增大此差距越趨明顯。盡管如此，PLB在維持膝關節(jié)旋轉穩(wěn)定性的作用仍然不可忽視，尤其在接近伸直位以及小的屈膝角度時。Yagi等［6］通過ACL 3種重建方法(雙束解剖重建、傳統(tǒng)單束AMB重建及單束PLB重建)對膝關節(jié)穩(wěn)定性進行比較，證實了雙束解剖重建對維持膝關節(jié)旋轉穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)單束AMB重建，而單束PLB重建雖然理論上恢復了膝關節(jié)接近伸直位時的旋轉穩(wěn)定性，但在較復雜的聯(lián)合脛骨負荷下維持膝關節(jié)穩(wěn)定卻明顯不足。因此，PLB對防止膝關節(jié)內(nèi)旋尤其在接近伸直位時起到了不可忽視的作用。

本實驗是以尸體的膝關節(jié)標本來評估正常人膝關節(jié)ACL雙束的生物力學功能，其局限性在于對尸體標本的負荷只能通過人為的施加外力，并且一般為單一方向的負荷，因此無法模擬活體正常行走或做其他運動時，其自身的肌肉收縮導致各方向復雜的聯(lián)合負荷對膝關節(jié)穩(wěn)定性的影響。而且對尸體膝關節(jié)標本的選用均遵循無骨性關節(jié)炎、半月板損傷及內(nèi)外翻畸形等，因此無法有效評估有膝關節(jié)疾病的人群。另外，溫度的變化也是影響電阻值的因素之一，在本實驗中全橋電路接通后，隨著實驗的進行電流會逐漸引起電阻應變片溫度的升高，因此此因素也會對最終的讀數(shù)結果產(chǎn)生微小的影響。

總之，ACL的主要作用為防止脛骨前移，次要作用為防止脛骨內(nèi)旋，對維持膝關節(jié)穩(wěn)定性起著非常重要的作用。在ACL的整體功能中，本實驗證實了AMB為起到主要功能作用的一束，是ACL的主體部分，PLB則起次要作用。但盡管如此，PLB的輔助作用仍然重要，在膝關節(jié)接近伸直位時尤為體現(xiàn)，并且其功能與AMB并不彼此孤立，兩束韌帶功能上是互補的，這也對雙束解剖重建ACL相對于單束重建術后的優(yōu)越性提供了一定的理論依據(jù)。

結論:(1)在膝關節(jié)接近伸直位及屈曲角度較小的條件下，PLB對防止脛骨前移起主要作用;在屈膝角度較大的條件下，AMB對防止脛骨前移起主要作用。(2)在防止脛骨內(nèi)旋方面，PLB起到了不可忽視的作用，在膝關節(jié)接近伸直位時尤為明顯。(3)總體來看，AMB是ACL中起主要作用的一束，但PLB的作用亦不可忽視，兩束韌帶互相協(xié)同，共同維持膝關節(jié)的前向及旋轉穩(wěn)定性。

［1］ Andriacchi TP，Dyrby CO.Interactions between kinematics and loading during walking for the normal and ACI deficient knee［J］.J Biomech，2005，38(2):293-298.

［2］ Zantop T，Herbort M，Raschke MJ，et al.The role of the anteromediaI and posteralateraI bundles of the anterior cruciate ligament in anterior tibial translation and internal rotation［J］.Am J Sports Med，2007，35(2):223-227.

［3］朱超華，陳百成，孫然，等.關節(jié)鏡下單、雙束同種異體肌腱重建前交叉韌帶的療效比較［J］.中國修復重建外科雜志，2011，25(8):912-916.

［4］董宇，陳世益，李云霞，等.前交叉韌帶解剖位單束重建與傳統(tǒng)過頂位重建的療效比較［J］.中國修復重建外科雜志，2011，25(8):908-911.

［5］ Wu JL，Seon JK，Gadikota HR，et al.In situ forces in the anteromedial and posterolateral bundles of the anterior cruciate ligament under simulated functional loading conditions［J］.Am J Sports Med，2010，38(3):558-563.

［6］ Yagi M，Kuroda R，Nagamune K，et al.Double-bundle ACL reconstruction can improve rotational stability［J］.Clin Orthop Relat Res，2007，45(4):100-107.