前交叉韌帶生物力學止點重建的解剖學與有限元分析

張家豪，任 爽，邵嘉藝，牛星躍，胡曉青，敖英芳

(北京大學第三醫院運動醫學研究所，北京市運動醫學關節傷病重點實驗室， 北京 100191)

前交叉韌帶(anterior cruciate ligament, ACL)是維持膝關節正常運動的重要結構[1]，其損傷后會破壞膝關節穩定性，影響關節運動功能，繼發骨性關節炎[2]。ACL解剖重建術被認為是目前治療ACL斷裂的金標準[3]，然而目前主流的ACL解剖重建術集中于如何進行解剖定位，而多忽略了對于止點形態的研究與重建。近年來國內外多項關于ACL的解剖研究發現其脛骨直接止點為狹長的弧形或“C”型[4-6]，股骨直接止點類似于橢圓形[7-8]，由于傳統理念與手術方法的限制，臨床應用的ACL解剖重建術均以與移植物粗細相匹配的圓形骨鉆制作類圓形骨道進行重建，無法更好地恢復重建ACL的生物力學特性。模擬ACL止點解剖形態的重建技術應運而生，國外有學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]，但上述研究關于手術技術各有其局限性[13]。北京大學第三醫院運動醫學研究所于2014年開始對模擬ACL止點形態的重建技術展開研究，不斷改良手術技術，完善了橢圓形骨道重建技術的動物實驗及臨床效果的隨訪研究[13-14]。隨著理念的發展和對于ACL解剖認識的加深，本研究采用膝關節標本對ACL脛骨力學止點形態進一步觀察，并利用有限元分析方法對ACL脛骨及股骨止點受力特點進行分析，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例中國成人新鮮膝關節標本對ACL脛骨止點進行大體觀察及測量，男6例，女4例。選擇標準為排除有明顯膝關節退行性變及解剖異常的關節，關節囊及各韌帶結構完整。本研究開始前經北京大學第三醫院倫理委員會審查批準，嚴格遵循人體標本研究的倫理標準。

采取標準髕旁內側入路，仔細剔除膝關節周圍肌肉、關節囊及髕骨，保留交叉韌帶及半月板。去除ACL周圍脂肪及滑膜，因其脛骨止點與外側半月板前角解剖關系密切，由內向外逐漸分離，將ACL從脛骨止點剝除，同時描記止點輪廓，對止點形態進行大體觀察。利用數顯游標卡尺(精度0.01 mm，上海麥睿斯國際貿易有限公司)測量脛骨止點前后徑(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節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建立膝關節三維模型， 進而通過有限元分析軟件ANSYS建立人體膝關節有限元模型，包括股骨、脛骨、腓骨、前交叉韌帶、后交叉韌帶、內側副韌帶、外側副韌帶，通過布爾(boolean)操作建立韌帶與其骨上的附著點的固定連接。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Lachman試驗和pivot-shift試驗，并分析股骨和脛骨上ACL止點的應力分布特點。Lachman試驗加載條件：股骨近端和中端節點完全固定，脛骨與腓骨設置為綁定接觸，限制脛骨與腓骨的屈伸運動，脛骨近端施加134 N的前向力；pivot-shift試驗加載條件：股骨近端和中端節點完全固定，脛骨與腓骨設置綁定相對固定，脛骨施加外翻力矩10 Nm和內旋力矩5 Nm，限制脛骨和腓骨的屈伸運動。骨組織材料屬性設置為彈性模量17 GPa，泊松比(Poission ratio)為0.36；韌帶組織的材料屬性設置為彈性模量390 MPa，泊松比0.4[16]。通過ANSYS軟件求解，并分析脛骨和股骨上的ACL止點的應力分布特點。

2 結果

2.1 ACL脛骨止點解剖大體觀

ACL脛骨止點大體觀呈扁長的弧形，未見明顯分束，其致密纖維沿內側髁間嵴向前走行，跨過外側半月板前角止點并止于其前方，其前緣可觸及骨性標志前嵴(圖1)。測量所得ACL脛骨止點前后徑為(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 標本測量Figure 1 Specimen measurement

2.2 有限元分析結果

Lachman試驗和pivot-shift實驗時的脛骨和股骨端的ACL止點的應力分布見圖2和圖3，股骨端應力較高區域為住院醫師嵴(residents’ ridge)附近類橢圓形區域，脛骨端應力較高部分延內側髁間嵴(medial intercondylar ridge)呈狹長分布，與解剖觀察相符合，從理論上驗證了ACL止點的生物力學分布特點。

圖2 Lachman試驗時股骨(A)和脛骨(B)端的von Mises應力分布Figure 2 von Mises stress distribution on the femoral side (A) and tibial side (B)with Lachman test

3 討論

3.1 ACL脛骨止點解剖及有限元分析

國際上關于ACL脛骨止點的新近解剖研究顯示其止點分為直接止點和間接止點。直接止點呈一“C”形，平均長(12.6±2.3) mm，寬(3.3±0.4) mm，平均面積是(31.4±7.2) mm2。間接止點由扇形纖維構成，平均面積是(79.6±12.7) mm2，直接止點和間接止點共同構成一“鴨腳形”[4]。尤田等[6]對國內成人ACL脛骨止點進行解剖學研究發現脛骨直接止點呈弧形，起自內側髁間棘外側面，止于外側半月板前角前方，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脛骨止點形態與上述研究描述的直接止點基本一致，其間接止點覆蓋部位纖維稀疏。ACL脛骨止點與外側半月板前角關系密切，傳統ACL重建時易造成醫源性損傷[17]，而在直接止點重建ACL理論上可以避免對外側半月板前角造成損傷。本研究僅對脛骨止點進行了解剖研究，對于股骨止點形態類似橢圓形的爭議相對較小[7]，且本課題組先前通過對30例甲醛溶液處理的成人膝關節標本進行過股骨止點形態觀察[18]。

股骨與脛骨的生物力學止點理論上為主要承受膝關節前移和旋轉力量的力學止點。為了驗證這一猜想，本研究利用有限元分析軟件建立了膝關節模型，并給予其前向(134 N)和外翻位旋轉(外翻力矩10 Nm，內旋力矩5 Nm)的應力，應力分布求解發現其力學集中部位與解剖觀察一致，這可能為臨床ACL 重建帶來新的思考與技術創新。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骨和韌帶均采取了線彈性材料模型進行簡化，且模型中不包括關節軟骨和半月板，有待進一步深入研究。然而，考慮到本研究模擬的試驗為Lachman和pivot-shift試驗，其中ACL在限制脛骨前移中承擔了87%的力[15]，且本研究的目的是分析股骨和脛骨上的ACL止點的應力集中區域(ACL的生物力學止點)，因此，該簡化對研究結果的影響暫可忽略。

3.2 生物力學止點重建理念

圖3 Pivot-shift試驗時股骨(A)和脛骨(B)端的von Mises應力分布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]通過對12對膝關節標本進行解剖研究發現ACL脛骨止點前內界可以前嵴與內側髁間嵴構成的“L”型嵴標準為參考，外側界可以外側半月板前角為參照，ACL-BIR理念中脛骨圓矩形骨道即以前嵴和內側髁間嵴構成的反“L” 型嵴作為定位骨性標志，為防止個體變異情況，同時可參照與外側半月板前角游離緣的關系及 PCL前方纖維距離確認。進行脛骨骨道定位并鉆取骨道時，依據患者ACL脛骨止點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，一般對應直徑5 mm的骨鉆，依術中患者ACL脛骨止點形態而定，止點越狹長則選擇越小直徑骨道鉆。待鉆透骨道，再用骨道銼依據圓矩形骨道調整理論值,并調整骨隧道口為圓矩形，調整深度為10 mm，不影響遠端固定，術中利用鏡下比例尺輔助測量以達到標準化。脛骨骨道定位以脛骨前嵴和內側髁間嵴為骨性標志，分別界定脛骨骨道的前界和內側界，可提高脛骨骨道定位的準確性和可重復性，保證重建ACL的力學止點方向，最有效地發揮重建ACL的生物力學作用。利用骨道銼作為骨道調整工具，一方面可以降低骨道內壁破裂的風險，另一方面非骨道擴孔模具式一錘定音，在理論值基礎上可以選擇性對骨道長軸進行逐步調整，滿足了個性化力學止點重建的需要。

股骨骨道定位可通過前內側入路(anterior medial portal, AMP)或經脛骨隧道(transtibial, TT)實現，可結合住院醫師嵴及ACL股骨止點殘端與外髁軟骨后緣距離，通常在鐘表十或十二點鐘的位置，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，射頻標記定位點，穿透導針，4.5 mm空心鉆鉆透股骨外側皮質，測量股骨端細骨道長度。依據患者ACL股骨止點范圍及移植物直徑選取較小直徑空心鉆，但股骨止點不及脛骨止點狹長，因此不必要制備長短徑比較大的骨道。例如移植物直徑為8 mm時，一般為直徑6 mm的骨鉆，鉆取粗骨道，再用骨道銼依據橢圓骨道調整理論值，調整骨隧道口為橢圓形，調整深度為10 mm，不影響遠端固定術中亦利用鏡下比例尺測量輔助達到標準化。

綜上所述，本研究解剖觀察及有限元分析均證實ACL脛骨止點為一扁長的弧形，理想的ACL重建技術應依據其生物力學特點進行重建。ACL-BIR理念通過模擬ACL生物力學止點形態，進而改變移植物整體形態發揮最大生物力學作用，使移植物生物力學特性更接近于原有ACL，為臨床ACL重建提供一種全新的思路，具備較好的臨床應用前景。