張家豪，任 爽，邵嘉藝，牛星躍，胡曉青，敖英芳

(北京大學(xué)第三醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究所，北京市運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)關(guān)節(jié)傷病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100191)

前交叉韌帶(anterior cruciate ligament, ACL)是維持膝關(guān)節(jié)正常運(yùn)動(dòng)的重要結(jié)構(gòu)[1]，其損傷后會(huì)破壞膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，影響關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能，繼發(fā)骨性關(guān)節(jié)炎[2]。ACL解剖重建術(shù)被認(rèn)為是目前治療ACL斷裂的金標(biāo)準(zhǔn)[3]，然而目前主流的ACL解剖重建術(shù)集中于如何進(jìn)行解剖定位，而多忽略了對(duì)于止點(diǎn)形態(tài)的研究與重建。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)關(guān)于ACL的解剖研究發(fā)現(xiàn)其脛骨直接止點(diǎn)為狹長(zhǎng)的弧形或“C”型[4-6]，股骨直接止點(diǎn)類似于橢圓形[7-8]，由于傳統(tǒng)理念與手術(shù)方法的限制，臨床應(yīng)用的ACL解剖重建術(shù)均以與移植物粗細(xì)相匹配的圓形骨鉆制作類圓形骨道進(jìn)行重建，無(wú)法更好地恢復(fù)重建ACL的生物力學(xué)特性。模擬ACL止點(diǎn)解剖形態(tài)的重建技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，國(guó)外有學(xué)者分別嘗試了利用類葫蘆形、矩形、橢圓形等形狀重建脛骨或股骨骨道[9-12]，但上述研究關(guān)于手術(shù)技術(shù)各有其局限性[13]。北京大學(xué)第三醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究所于2014年開(kāi)始對(duì)模擬ACL止點(diǎn)形態(tài)的重建技術(shù)展開(kāi)研究，不斷改良手術(shù)技術(shù)，完善了橢圓形骨道重建技術(shù)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床效果的隨訪研究[13-14]。隨著理念的發(fā)展和對(duì)于ACL解剖認(rèn)識(shí)的加深，本研究采用膝關(guān)節(jié)標(biāo)本對(duì)ACL脛骨力學(xué)止點(diǎn)形態(tài)進(jìn)一步觀察，并利用有限元分析方法對(duì)ACL脛骨及股骨止點(diǎn)受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，為臨床ACL重建提供新思路。

1 材料與方法

1.1 解剖研究

選擇10例中國(guó)成人新鮮膝關(guān)節(jié)標(biāo)本對(duì)ACL脛骨止點(diǎn)進(jìn)行大體觀察及測(cè)量，男6例，女4例。選擇標(biāo)準(zhǔn)為排除有明顯膝關(guān)節(jié)退行性變及解剖異常的關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)囊及各韌帶結(jié)構(gòu)完整。本研究開(kāi)始前經(jīng)北京大學(xué)第三醫(yī)院倫理委員會(huì)審查批準(zhǔn)，嚴(yán)格遵循人體標(biāo)本研究的倫理標(biāo)準(zhǔn)。

采取標(biāo)準(zhǔn)髕旁內(nèi)側(cè)入路，仔細(xì)剔除膝關(guān)節(jié)周圍肌肉、關(guān)節(jié)囊及髕骨，保留交叉韌帶及半月板。去除ACL周圍脂肪及滑膜，因其脛骨止點(diǎn)與外側(cè)半月板前角解剖關(guān)系密切，由內(nèi)向外逐漸分離，將ACL從脛骨止點(diǎn)剝除，同時(shí)描記止點(diǎn)輪廓，對(duì)止點(diǎn)形態(tài)進(jìn)行大體觀察。利用數(shù)顯游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm，上海麥睿斯國(guó)際貿(mào)易有限公司)測(cè)量脛骨止點(diǎn)前后徑(a)和左右徑，其中左右徑包含體部左右徑(b)和前緣左右徑(c)(圖1)。

1.2 有限元分析

本研究掃描利用正常膝關(guān)節(jié)的三維薄層核磁影像(MR 0.7 mm×0.6 mm×0.7 mm, 分辨率256×256，medic3d sag fs)，利用三維重建軟件MIMICS建立膝關(guān)節(jié)三維模型， 進(jìn)而通過(guò)有限元分析軟件ANSYS建立人體膝關(guān)節(jié)有限元模型，包括股骨、脛骨、腓骨、前交叉韌帶、后交叉韌帶、內(nèi)側(cè)副韌帶、外側(cè)副韌帶，通過(guò)布爾(boolean)操作建立韌帶與其骨上的附著點(diǎn)的固定連接。前交叉韌帶的主要作用之一是限制脛骨前移、軸移[15]，因此本研究模擬臨床體格檢查L(zhǎng)achman試驗(yàn)和pivot-shift試驗(yàn)，并分析股骨和脛骨上ACL止點(diǎn)的應(yīng)力分布特點(diǎn)。Lachman試驗(yàn)加載條件：股骨近端和中端節(jié)點(diǎn)完全固定，脛骨與腓骨設(shè)置為綁定接觸，限制脛骨與腓骨的屈伸運(yùn)動(dòng)，脛骨近端施加134 N的前向力；pivot-shift試驗(yàn)加載條件：股骨近端和中端節(jié)點(diǎn)完全固定，脛骨與腓骨設(shè)置綁定相對(duì)固定，脛骨施加外翻力矩10 Nm和內(nèi)旋力矩5 Nm，限制脛骨和腓骨的屈伸運(yùn)動(dòng)。骨組織材料屬性設(shè)置為彈性模量17 GPa，泊松比(Poission ratio)為0.36；韌帶組織的材料屬性設(shè)置為彈性模量390 MPa，泊松比0.4[16]。通過(guò)ANSYS軟件求解，并分析脛骨和股骨上的ACL止點(diǎn)的應(yīng)力分布特點(diǎn)。

2 結(jié)果

2.1 ACL脛骨止點(diǎn)解剖大體觀

ACL脛骨止點(diǎn)大體觀呈扁長(zhǎng)的弧形，未見(jiàn)明顯分束，其致密纖維沿內(nèi)側(cè)髁間嵴向前走行，跨過(guò)外側(cè)半月板前角止點(diǎn)并止于其前方，其前緣可觸及骨性標(biāo)志前嵴(圖1)。測(cè)量所得ACL脛骨止點(diǎn)前后徑為(13.8±2.0) mm，體部左右徑為(5.3±0.6) mm，前緣左右徑為(11.5±1.2) mm。

A, anterior cruciate ligament(ACL)tibial insertion extent; B, width measurement of midsubstance of ACL tibial insertion with vernier caliper；a, the anterior-posterior diameter of ACL tibial insertion; b, the width of midsubstance of ACL tibial insertion; c, the width of anterior margin of ACL tibial insertion.圖1 標(biāo)本測(cè)量Figure 1 Specimen measurement

2.2 有限元分析結(jié)果

Lachman試驗(yàn)和pivot-shift實(shí)驗(yàn)時(shí)的脛骨和股骨端的ACL止點(diǎn)的應(yīng)力分布見(jiàn)圖2和圖3，股骨端應(yīng)力較高區(qū)域?yàn)樽≡横t(yī)師嵴(residents’ ridge)附近類橢圓形區(qū)域，脛骨端應(yīng)力較高部分延內(nèi)側(cè)髁間嵴(medial intercondylar ridge)呈狹長(zhǎng)分布，與解剖觀察相符合，從理論上驗(yàn)證了ACL止點(diǎn)的生物力學(xué)分布特點(diǎn)。

圖2 Lachman試驗(yàn)時(shí)股骨(A)和脛骨(B)端的von Mises應(yīng)力分布Figure 2 von Mises stress distribution on the femoral side (A) and tibial side (B)with Lachman test

3 討論

3.1 ACL脛骨止點(diǎn)解剖及有限元分析

國(guó)際上關(guān)于ACL脛骨止點(diǎn)的新近解剖研究顯示其止點(diǎn)分為直接止點(diǎn)和間接止點(diǎn)。直接止點(diǎn)呈一“C”形，平均長(zhǎng)(12.6±2.3) mm，寬(3.3±0.4) mm，平均面積是(31.4±7.2) mm2。間接止點(diǎn)由扇形纖維構(gòu)成，平均面積是(79.6±12.7) mm2，直接止點(diǎn)和間接止點(diǎn)共同構(gòu)成一“鴨腳形”[4]。尤田等[6]對(duì)國(guó)內(nèi)成人ACL脛骨止點(diǎn)進(jìn)行解剖學(xué)研究發(fā)現(xiàn)脛骨直接止點(diǎn)呈弧形，起自內(nèi)側(cè)髁間棘外側(cè)面，止于外側(cè)半月板前角前方，寬度為(11.2±2.4) mm，厚度為(3.0±0.3) mm，橫斷面積為(28.8±7.8) mm2。完整脛骨止點(diǎn)左右徑為(9.5±1.8) mm，前后徑為(11.9±0.6) mm，橫斷面積為(117.8±12.5) mm2。本研究觀察到的ACL脛骨止點(diǎn)形態(tài)與上述研究描述的直接止點(diǎn)基本一致，其間接止點(diǎn)覆蓋部位纖維稀疏。ACL脛骨止點(diǎn)與外側(cè)半月板前角關(guān)系密切，傳統(tǒng)ACL重建時(shí)易造成醫(yī)源性損傷[17]，而在直接止點(diǎn)重建ACL理論上可以避免對(duì)外側(cè)半月板前角造成損傷。本研究?jī)H對(duì)脛骨止點(diǎn)進(jìn)行了解剖研究，對(duì)于股骨止點(diǎn)形態(tài)類似橢圓形的爭(zhēng)議相對(duì)較小[7]，且本課題組先前通過(guò)對(duì)30例甲醛溶液處理的成人膝關(guān)節(jié)標(biāo)本進(jìn)行過(guò)股骨止點(diǎn)形態(tài)觀察[18]。

股骨與脛骨的生物力學(xué)止點(diǎn)理論上為主要承受膝關(guān)節(jié)前移和旋轉(zhuǎn)力量的力學(xué)止點(diǎn)。為了驗(yàn)證這一猜想，本研究利用有限元分析軟件建立了膝關(guān)節(jié)模型，并給予其前向(134 N)和外翻位旋轉(zhuǎn)(外翻力矩10 Nm，內(nèi)旋力矩5 Nm)的應(yīng)力，應(yīng)力分布求解發(fā)現(xiàn)其力學(xué)集中部位與解剖觀察一致，這可能為臨床ACL 重建帶來(lái)新的思考與技術(shù)創(chuàng)新。本研究模型基于三維MRI影像，韌帶與骨組織均具有較高的幾何相似性。有限元分析的不足之處為本研究對(duì)骨和韌帶均采取了線彈性材料模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，且模型中不包括關(guān)節(jié)軟骨和半月板，有待進(jìn)一步深入研究。然而，考慮到本研究模擬的試驗(yàn)為L(zhǎng)achman和pivot-shift試驗(yàn)，其中ACL在限制脛骨前移中承擔(dān)了87%的力[15]，且本研究的目的是分析股骨和脛骨上的ACL止點(diǎn)的應(yīng)力集中區(qū)域(ACL的生物力學(xué)止點(diǎn))，因此，該簡(jiǎn)化對(duì)研究結(jié)果的影響暫可忽略。

3.2 生物力學(xué)止點(diǎn)重建理念

圖3 Pivot-shift試驗(yàn)時(shí)股骨(A)和脛骨(B)端的von Mises應(yīng)力分布Figure 3 von Mises stress distribution on the femoral side (A)and tibial side (B)with pivot-shift test

A,sectional view of round bone tunnel; B, sectional view of rounded-rectangle tibial tunnel of ACL-BIR; C, sectional view of oval femoral tunnel of ACL-BIR.圖4 骨道口截面示意圖Figure 4 Sectional sketch view of bone tunnel

Tensho等[19]通過(guò)對(duì)12對(duì)膝關(guān)節(jié)標(biāo)本進(jìn)行解剖研究發(fā)現(xiàn)ACL脛骨止點(diǎn)前內(nèi)界可以前嵴與內(nèi)側(cè)髁間嵴構(gòu)成的“L”型嵴標(biāo)準(zhǔn)為參考，外側(cè)界可以外側(cè)半月板前角為參照，ACL-BIR理念中脛骨圓矩形骨道即以前嵴和內(nèi)側(cè)髁間嵴構(gòu)成的反“L” 型嵴作為定位骨性標(biāo)志，為防止個(gè)體變異情況，同時(shí)可參照與外側(cè)半月板前角游離緣的關(guān)系及 PCL前方纖維距離確認(rèn)。進(jìn)行脛骨骨道定位并鉆取骨道時(shí)，依據(jù)患者ACL脛骨止點(diǎn)范圍及移植物直徑選取較小直徑骨道鉆，例如移植物直徑為8 mm時(shí)，一般對(duì)應(yīng)直徑5 mm的骨鉆，依術(shù)中患者ACL脛骨止點(diǎn)形態(tài)而定，止點(diǎn)越狹長(zhǎng)則選擇越小直徑骨道鉆。待鉆透骨道，再用骨道銼依據(jù)圓矩形骨道調(diào)整理論值,并調(diào)整骨隧道口為圓矩形，調(diào)整深度為10 mm，不影響遠(yuǎn)端固定，術(shù)中利用鏡下比例尺輔助測(cè)量以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化。脛骨骨道定位以脛骨前嵴和內(nèi)側(cè)髁間嵴為骨性標(biāo)志，分別界定脛骨骨道的前界和內(nèi)側(cè)界，可提高脛骨骨道定位的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，保證重建ACL的力學(xué)止點(diǎn)方向，最有效地發(fā)揮重建ACL的生物力學(xué)作用。利用骨道銼作為骨道調(diào)整工具，一方面可以降低骨道內(nèi)壁破裂的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面非骨道擴(kuò)孔模具式一錘定音，在理論值基礎(chǔ)上可以選擇性對(duì)骨道長(zhǎng)軸進(jìn)行逐步調(diào)整，滿足了個(gè)性化力學(xué)止點(diǎn)重建的需要。

股骨骨道定位可通過(guò)前內(nèi)側(cè)入路(anterior medial portal, AMP)或經(jīng)脛骨隧道(transtibial, TT)實(shí)現(xiàn)，可結(jié)合住院醫(yī)師嵴及ACL股骨止點(diǎn)殘端與外髁軟骨后緣距離，通常在鐘表十或十二點(diǎn)鐘的位置，骨道鉆取后的后壁厚度是 1～2 mm。一般用6 mm股骨骨道定位器定位股骨骨道，射頻標(biāo)記定位點(diǎn)，穿透導(dǎo)針，4.5 mm空心鉆鉆透股骨外側(cè)皮質(zhì)，測(cè)量股骨端細(xì)骨道長(zhǎng)度。依據(jù)患者ACL股骨止點(diǎn)范圍及移植物直徑選取較小直徑空心鉆，但股骨止點(diǎn)不及脛骨止點(diǎn)狹長(zhǎng)，因此不必要制備長(zhǎng)短徑比較大的骨道。例如移植物直徑為8 mm時(shí)，一般為直徑6 mm的骨鉆，鉆取粗骨道，再用骨道銼依據(jù)橢圓骨道調(diào)整理論值，調(diào)整骨隧道口為橢圓形，調(diào)整深度為10 mm，不影響遠(yuǎn)端固定術(shù)中亦利用鏡下比例尺測(cè)量輔助達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化。

綜上所述，本研究解剖觀察及有限元分析均證實(shí)ACL脛骨止點(diǎn)為一扁長(zhǎng)的弧形，理想的ACL重建技術(shù)應(yīng)依據(jù)其生物力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行重建。ACL-BIR理念通過(guò)模擬ACL生物力學(xué)止點(diǎn)形態(tài)，進(jìn)而改變移植物整體形態(tài)發(fā)揮最大生物力學(xué)作用，使移植物生物力學(xué)特性更接近于原有ACL，為臨床ACL重建提供一種全新的思路，具備較好的臨床應(yīng)用前景。