后交叉韧带与相关结构的生物力学.docx

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后交叉韧带与相关结构的生物力学

后交叉韧带与相关结构的生物力学

【关键词】生物

　　人们对膝关节后交叉韧带（posteriorcruciateligament，PCL）的大体解剖和功能已有了必然的熟悉。

PCL有一个相对密集的胫骨附着部，位于内、外侧半月板后角之间，关节线下方的胫骨后窝，纤维向上前方走行，呈扇形，在股骨有相对更普遍区域的附着部，位于股骨内侧髁的髁间窝面，自临近髁软骨面的前上部向后下延伸。

许多研究己说明PCL是跨越膝关节最壮大的韧带，要紧限制胫骨后移。

尽管有了这些大体知识，但PCL仍是未解之谜，一部份PCL断裂的病人膝关节功能并无明显障碍，许多医生对单纯PCL损伤不主张手术医治［1,2］。

按生物力学—组织形态适应的法那么，壮大的韧带应经受大的应力。

很明显，如此壮大的PCL断裂后并非引发明显膝关节功能障碍的确令人费解。

自从膝关节前交叉韧带（anteriorcruciateligament，ACL）损伤的后果和轴移不稳固现象被描述以来，30连年前人们先是尝试关节外重建手术，以减少胫骨平台外侧面的过度前移。

后来关节内髌腱移植重建术兴起，关节外重建的方式渐渐被舍弃，医生们更注重如何关节内解剖重建交叉韧带，而忽略了关节外韧带结构的重要性，轻忽了除交叉韧带损伤外，若是存在关节外韧带损伤也需修复重建。

本文的目的在于揭露相对不被重视的关节外韧带结构与PCL的协同作用，并解答什么缘故单纯PCL断裂后膝关节仍能维持较好功能。

　　1PCL生物力学

　　强度

许多研究者报导了PCL的整体张应力强度。

Kennedy报导为1051N，Marinozzi报导为855N，Prietto报导为1627N，Trent报导为739N［3］。

这些数据可能低估了PCL的强度，因为PCL纤维走行方向不同，单向牵拉整个韧带时，韧带纤维被拉紧时发生接踵的断裂。

Butler等［4］发觉分束对PCL进行测试，其总强度高于整个PCL的测试强度。

一样以为PCL由两个功能纤维束组成，按它们在股骨附着的相对位置被称为前外侧束和后内侧束。

Race和Amis［5］分束测试PCL强度，发觉前外侧束强度为1620N，后内侧束为258N，这种不同与两束的截面积（别离为43mm2，10mm2）和组织经受最大应力（别离为MPa，MPa）的不同有关，这一研究说明前外侧束是PCL最强的部份。

以上测试标本均取自平均75岁的老年人，青年人ACL强度是老年人的倍，假设在PCL也是如此，估量在青年人PCL强度为kN，为体重的5～6倍。

　　胫骨后移

单纯切断PCL，在伸膝位很少发生胫骨后移，而在屈膝位那么胫骨后移增大。

故此，临床检查PCL应采纳屈膝90°位的后抽屉实验。

多数研究以为PCL的两束在伸屈膝关节不同位置的松紧度是明显不同的，前外侧束在伸膝位松弛，MRI表现为PCL信号呈弧线状，而中度屈膝位拉紧；后内侧束那么在完全伸膝位拉紧，中度屈膝位松弛。

Race和Amis［6］在选择性切断实验中发觉，前外侧束在屈膝30°～120°，是限制胫骨后移的要紧结构，在此屈伸活动弧内，后内侧束分担前外侧束的部份负荷；而在深度屈膝时后内侧束成为限制胫骨后移的要紧结构。

尽管后内侧束在完全伸膝位时拉紧，但它对限制胫骨后移的作用并非大，因为它的纤维主若是上下排列，此种排列走向无益于限制胫骨后移。

以上研究说明，PCL的两束在不同屈膝角度时限制胫骨后移的作用交互转变，可是Papannagari等［7］和Jordan［8］的人体MRI研究发觉：

PCL前外侧束与后内侧束在膝关节0°～120°伸屈范围，其长度均在增加，超过120°后其长度均减少，提示两束间并非存在交互功能转变。

两束的行走方向提示在深度屈膝位前外侧束要紧限制内外移位，而后内侧束要紧限制前后移位。

值得注意的是在完全伸膝位至屈膝20°位，要紧限制胫骨后移的是其它结构，而不是PCL。

这确实是说假设近伸膝位后侧不稳固极可能是其它结构而并非PCL损伤。

此种情形下，单纯重建PCL不能恢复正常稳固性。

　　胫骨内、外旋和内、外翻

许多研究说明PCL关于完整膝关节的旋转与内外翻仅是次要稳固结构，这是因为PCL接近膝关节中心，仅有相对小的力矩，关于旋转与内外翻稳固的作用途于力学上不利的位置。

　　2后外侧结构

　　功能解剖

膝关节后外侧区又称后外侧角（posterolateralcorner，PLC），其韧带样结构的解剖既复杂又有变异。

其中一些结构，如弓形韧带、小豆腓韧带在许多人并非恒定存在。

腘腓韧带是直接连接股骨与腓骨的韧带结构，具有限制胫骨外旋的作用，但连年来对它们解剖及功能一直熟悉不足［9］。

腘腓韧带与腘肌的主动张力作用相复合，而腘肌是具有内旋胫骨的作用。

总的来讲，外侧副韧带（lateralcollateralligament，LCL）和所有附着于股骨外上髁LCL止点后侧的其它结构，如关节囊、弓形韧带、小豆腓韧带等，在完全伸膝位紧张，而屈膝时放松。

相较之下，腘腓韧带复合体是等张结构，它在屈伸膝关节的所有的角度均具有稳固作用，而LCL在屈膝超过30°那么松弛。

以上结构是由股骨向后下斜行止于胫骨，因此具有限制胫骨后移和胫骨外旋的作用，此结构损伤表现为后外侧旋转不稳固（posterolateralrotationalinstability，PLRI），即胫骨后移与外旋异样增加的综合表现。

伸膝位可观看PLC复合体紧张，并抗击后抽屉应力，说明正是此结构而不是PCL关于限制伸膝位胫骨后移相当重要。

　　后外侧结构的强度

两个实验研究了LCL和腘腓韧带的强度。

Maynard等［9］发觉其强度别离为750N和425N，而Sugita和Amis［10］在平均70岁尸身标本上测定结果别离为309N和186N。

这说明LCL显著强于腘腓韧带。

　　　胫骨后移

如前文所述，单纯PCL断裂仅致使伸膝位轻度的胫骨后不稳，而其它结构才是伸膝位后侧要紧稳固因素。

也确实是说，过伸和内翻损伤致使的单纯后PLC断裂在伸膝位表现后侧不稳最明显。

实验说明，完全伸膝位在100N的后抽屉力作用下，胫骨后移由结构完整时的3mm增加至切断后外侧结构后的10mm，而在屈膝90°位时，那么仅由5mm增加至6mm。

这说明后PLC损伤要紧阻碍伸膝位的后侧稳固性，而PCL损伤那么阻碍屈膝90°位后侧的稳固性［3］。

假设PLC归并PCL损伤那么胫骨后移明显增加，Gollehon等［11］和Grood等［12］发觉联合切断PCL和PLC可造成屈膝90°位25mm左右的胫骨后移。

　　胫骨内、外旋转

由于后外侧结构由前上向后下斜行，小腿内旋时使其松弛，故后外侧结构损伤对小腿内旋稳固性没有阻碍，相反，后外侧结构要紧限制胫骨外旋。

研究发觉单纯PCL切断对胫骨外旋稳固性并无可测量到的阻碍［11，12］；切断PLC那么致使的胫骨外旋明显增加，在膝关节伸屈0°～30°位最明显，而在屈膝90°位时，对外旋稳固性的阻碍较小；假设同时切断PLC与PCL，在屈膝90°位外旋不稳进一步增加。

Veltri等［13，14］的研究说明腘腓韧带复合体是膝关节屈伸范围中限制胫骨外旋的大体结构，因为它在膝关节屈伸范围内均处于紧张状态［10］。

PLRI描述的是后外侧结构损伤所致的胫骨外侧平台的过度活动。

若是PCL维持完整，胫骨平台整体上并非后坠，而表现为围绕中央轴的胫骨过度外旋。

但是，假设PCL也断裂，胫骨仅内侧被拴系着，表现出胫骨后移加上过度外旋，可见到腓骨小头过度的病理性活动。

这种伴发的旋转运动在行后抽屉实验时会自然发生。

很明显，屈膝0°～30°位胫骨外旋显著增加是诊断后外侧结构损伤的依据，通常采纳“拨表盘实验”来检查胫骨外旋。

双手握好病人双足，施加外旋力，伤侧表现为过度外旋。

　　胫骨内翻

LCL近伸膝位处于紧张状态，是限制屈膝5°～25°位膝内翻的要紧结构，占屈膝5°位抗内翻作用的55％～69％，后关节囊结构，如弓形韧带、小豆腓韧带等，仅占5°屈膝位抗内翻作用的13％，而在进一步屈膝时这些结构那么松弛［15］。

ACL于近伸膝位时拉紧，是次要的膝内翻限制结构。

尽管ACL比LCL强壮，但它位于髁间部，在内翻活动的轴点周围，力矩明显变小。

　　3后内侧结构

　　功能解剖

内侧副韧带（medialcollateralligament，MCL）由2层组成，内侧副韧带浅层（sMCL）起自股内收肌结节前下方，纤维呈纵向平行向下行走，止于关节线下6～8cm胫骨骨膜。

内侧副韧带深层（dMCL）起于sMCL股骨附着手下方，与内侧半月板周缘相附着，止于关节线下胫骨平台内侧缘。

sMCL纵向平行纤维的后方，深、浅两层融合，对此结构有不同的熟悉。

Warren和Marshall［16］将此部份统称为“后内侧关节囊”（posteromedialcapsule，PMC），而Hughston和Eilers［17］以为此部份有着明确的纤维走向，是一种独立的韧带，称之为后斜韧带。

总之，这部份纤维走向是在完全伸直位即被拉紧，而在屈膝位时松弛。

PMC在股骨上的附着部较宽大，由内侧副韧带浅层的后方跨越股骨内侧髁后的凸起的近侧。

在伸膝位股骨髁撑开后内侧关节囊，并将其拉紧。

伸膝位PMC纤维向后下行走，朝向关节线，因此，此结构拉紧时抗击胫骨后移和内旋。

屈膝时，PMC松弛，深度屈膝位时该结构移至内侧副韧带浅层后缘的深部。

在关节线远侧，PMC纤维向后下行走，附着于内侧副韧带浅层后侧。

有学者提出半膜肌腱鞘可牵张PMC，但也有学者以为在低度屈膝位时半膜肌的作使劲与股骨干纵轴平行，向近侧牵拉PMC。

由于PMC的近侧部在关节线的近侧，故肌肉收缩时该部份仍维持松弛，可不能产生动态稳固作用。

Robinson等［18］将膝关节后内侧韧带结构统称为后内侧角（posteromedialcorner）或称内侧副韧带复合体（medialcollateralligamentcomplex），包括sMCL、dMCL和PMC三部份。

　　韧带强度

许多学者研究并取得了MCL的强度数据。

Kennedy等报告MCL强度为665N，Marinozzi等报导为465N，Trent等报导为516N［３］。

但以上数据均是测定的整个后内侧结构。

Robinson等［19］别离对后内侧结构进行力学测试，dMCL平均拉长7mm时断裂，其强度为194N；sMCL平均拉长mm时断裂，强度为534N;PMC在平均拉长12mm后断裂，强度是425N。

这说明平均77岁的标本总MCL强度超过1kN，要比以前想象的强度高，高于同年龄段ACL的强度。

另外，该资料还提示dMCL断裂发生在7°外翻张开损伤，而MCL完全损伤那么需12°外翻损伤。

　　胫骨后移

PCL缺失、屈膝90°位的条件下，Ritchie等［20］发觉假设胫骨维持于内旋位，胫骨后移减少，切断后内侧关节囊可造成胫骨移位增加～mm，假设进一步切断sMCL那么造成胫骨移位增加mm。

因此，sMCL似乎是PCL缺失屈膝位情形下最重要的限制胫骨后移结构。

当膝关节伸直位时，PMC拉紧，限制胫骨后移。

不管PCL完整或断裂，后内侧结构在胫骨内旋位对阻止胫骨后移均具有重要作用。

Robinson等［21］发此刻伸膝胫骨内旋位PMC抗击150N后抽屉应力的42％。

系列切断研究说明：

屈膝15°位完整膝关节后侧松弛度为mm，切断PCL和MFL后增加至mm，进一步切断PMC那么增加至mm［3］。

　　胫骨内、外旋

PMC和sMCL在完整膝关节是抗击胫骨内旋的重要结构，伸膝位切断sMCL和dMCL对胫骨内旋稳固性无显著阻碍，但切断PMC胫骨内旋增加8°～23°。

当屈膝30°以上时，PMC抗击胫骨内旋的作用减弱，而sMCL的作用增强，成为要紧的限制胫骨内旋的结构，屈膝60°～90°时，单纯切断sMCL胫骨内旋增加7°。

总之，伸膝位或接近伸膝位时PMC是限制胫骨内旋要紧结构，而屈膝位sMCL是限制胫骨内旋的要紧结构［２１］。

dMCL和sMCL在正常膝关节均具抗击胫骨外旋的作用，dMCL在深度屈膝时作用更明显。

尽管dMCL并非是内侧韧带复合体最强壮的部份，但由于它所处的位置深在，长度较短，故在外旋应力的作用下，它的张力快速升高。

sMCL在伸曲范围内均具有限制外旋的重要作用。

而PMC的纤维走形在胫骨外旋位是松弛的，故不能限制胫骨外旋。

Pritsch等［22］发觉切断MCL能够致使与PLC损伤类似的胫骨外旋异样增加，故在临床检查时应注意行内、外翻应力实验，以区别两种损伤。

　　胫骨外翻

Mains等［23］别离切断sMCL、dMCL、PMC，施加3.

5Nm的外翻力矩后测定松弛度。

切断sMCL，膝关节伸曲0°位时外翻张开°，屈膝20°～25°时为张开5°，屈膝45°时为4°；切断dMCL，在屈膝45°时也造成4°外翻松弛的增加。

sMCL被以为是要紧外翻稳固结构，而dMCL相对作用较小。

PMC似乎于膝过伸发挥抗击膝外翻的作用，但其作用大小并未测定。

Nielsen等［24］发觉屈膝60°位膝外翻松弛度最大，切断MCL外翻松弛度增加2°，进一步切断内侧关节囊松弛度增加至9°，再进一步切断ACL松弛度增加至24°，但Nielsen的研究并未分析各结构的作用大小。

Grood等［15］发觉屈膝25°位，内侧胫股关节间隙张开6mm时，MCL是限制外翻的要紧结构，抗击负荷的78％，但没有别离测定dMCL和sMCL。

他们注意到屈膝25°位时PMC松驰，其限制膝外翻的作用仅占4％，在屈膝5°位时，PMC开始拉紧，其作用增加至18％。

ACL、PCL和后关节囊是膝外翻稳固的次要结构。

而关节囊主若是提供内侧半月板附着的重要结构。

但不是限制膝外翻的要紧结构。

sMCL的纵向平行纤维在整个膝关节伸屈活动弧都是限制膝外翻的要紧结构。

此结构损伤后，伸膝位显现3°外翻增加，而屈膝30°位表现为5°的增加，这与临床检查所见相符合。

在屈膝30°位更易发觉sMCL损伤，因为在伸膝位后关节囊拉紧，不容易检查出外翻松弛。

dMCL对外翻稳固性的作用较小，屈膝15°～90°时，大约为3°。

尽管在整个膝关节伸曲范围内，sMCL是要紧的限制膝外翻的结构，但PMC在伸膝位对外翻稳固性有重要作用。

完全伸膝时PMC抗击29％的外翻力矩，屈膝30°时减少为14％，屈膝90°时<5％［21］。

与尸身切断研究不同，临床上所见的病例很少是单纯某一个结构的损伤。

即即是仅一个要紧韧带束断裂，其它相关结构也会受到不可逆的牵拉，这意味着临床检查会面到更明显的不稳固。

　　4半月板股骨韧带

　　功能解剖

两条半月板股骨韧带（meniscofemoralligaments，MFLs）连接于外侧半月板后角与股骨内侧髁髁间窝面，别离走行于PCL的前侧和后侧。

Humphry韧带，又称前半月板股骨韧带（aMFL）行走于PCL的前侧止于股骨内侧髁髁间窝面近关节软骨处。

Wrisberg韧带又称后半月板股骨韧带（pMFL）行走于PCL的后侧，止于髁间窝顶内侧。

aMFL于屈膝位紧张，而pMFL于伸膝位紧张，彼此相反的紧张与松弛功能在与PCL的两束类似。

93％的标本至少有1条MFL存在［25］。

在青年人标本中2条MFL共存的比率更高一些［26］，说明随着年龄的增加MFL退变。

MFLs的高显现率和其特性提示它们有稳固膝关节的功能。

　　强度

aMFL的强度一样略低于pMFL，抗张力强度别离300.

5N和N，与PCL的后内束相当，而其弹性模量与PCL前外侧束类似［27］。

　　胫骨后移

MFLs是限制胫骨后移的次要结构［28］，在完整或PCL缺失膝切断MFLs都会造成后侧松弛度的增加，以屈膝位时这种现象最明显。

在完整膝屈曲90°，MFLs抗击后抽屉力的28％，当PCL缺失时，其作用增加至70％。

因此在完整膝关节MFLs起到PCL的协同作用，当PCL断裂时MFLs发挥类似PCL的作用。

　　胫骨内、外旋

MFLs斜行走向，提示它们可能有维持旋转稳固性的作用，但选择性切断研究并未发觉它们具有明显作用。

这可能是MFLs位于胫骨旋转轴心，故对旋转稳固性的作用较小。

　　5临床相关问题

PCL：

是膝关节最壮大的韧带，正因如此，PCL损伤多是由壮大暴力所致，多伴有PLC或PMC损伤，而单纯PCL断裂少见。

因此，临床上应高度重视PCL损伤所归并的关节外韧带损伤的诊断与处置［29,30］。

PCL由两条功能纤维束组成，很明显，PCL不是等长结构，无法行等长重建。

Harner等［31］学者提出双束重建PCL，并在实验研究证明双束重建恢复膝后侧稳固的成效优于单束重建，但尚无双束重建优于单束重建的临床报告。

后外侧结构手术重建的结果尚不够理想。

从生物力学的角度，后外侧结构要紧限制胫骨内翻和外旋和近伸膝位胫骨后移，以维持行走时膝关节负重的功能位置，其在功能上可能比PCL更重要。

因此，需要进一步了解后外侧结构的生物力学，改良重建术式。

对后内侧结构最近几年来重视不够，仅对它在稳固膝关节的作用有大体熟悉。

很明显，sMCL是抗击膝外翻的要紧结构，另外，后内侧结构关于操纵胫骨后移，专门是胫骨内旋、伸膝位的胫骨后移具有重要意义。

PMC损伤应手术修复或重建［29］。

现已熟悉到MFLs是抗击胫骨后移的次要结构，采纳关节镜和影像学检查识别这些结构是不是存在是成心义的，专门是在PCL断裂的情形下。

在PCL重建时保留MFLs是有利的，因为完整的MFLs有助于PCL缺失膝的后侧稳固，使其维持相对较好的功能。

总之，膝关节后内侧与后外侧结构是操纵胫股关节后侧稳固的重要结构，专门是在伸膝位其作用更为重要，而以往多以为后侧稳固都是PCL的功能，事实上，粗大的PCL主若是在屈膝位发挥作用，而在伸膝位PCL松弛。

需进一步研究PCL和它与后内侧、后外侧结构和MFLs的功能和谐关系，指导临床诊治方案的制定及加倍合理的重建术设计与进展。

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