膝关节后内侧角并前交叉韧带损伤的生物力学及临床研究

发布时间：2020-08-20 17:29

【摘要】：第一部分新鲜猪膝关节内侧副韧带及前交叉韧带对膝关节轴向稳定性的生物力学研究目的:膝关节内侧副韧带(Medial collateral ligament,MCL)合并前交叉韧带(Anterior cruciate ligament,ACL)损伤是临床常见的运动损伤类型。由于MCL具有非常强的自身愈合能力,因此大多数患者通过保守治疗即可达到理想的治疗效果,但对于严重外翻暴力导致的MCL断裂,往往伴有膝后内侧角(Posterior medial corner,PMC)损伤,加之ACL的受损,膝关节将处于外翻,外旋和轴向三平面不稳定状态,严重影响患者的运动水平。但是MCL治疗的与ACL不同,学者对MCL损伤的治疗一直存在较大的分歧。有学者认为几乎所有的MCL损伤均可通过保守治疗达到与手术治疗类似的结果;但大多数学者支持MCL损伤的治疗应根据损伤严重程度采取不同的治疗方式;尤其是对于严重的侧方暴力引起的PMC损伤应该及时手术治疗以恢复膝关节多平面不稳定,但是PMC的手术方式的选择又存在广泛的争议,尤其是当单纯PMC的最重要结构浅层内侧副韧带(Superficial Medial collateral ligament,sMCL)合并ACL损伤时,大部分学者认为应当时只手术重建ACL,sMCL先保守治疗,因为一些临床研究已经证实sMCL损伤在合并损伤中并不是必要的,但是也有一些学者支持在二者合s MCL并损伤中应当同时手术治疗,因此对于sMCL合并ACL损伤后是否需要手术治疗是本研究中的目的之一。关于sMCL的手术重建方式很多,临床主要采用Borden等介绍的双束sMCL的方法来同时重建sMCL的前束及后束的功能;笔者也曾介绍三角矢量重建内侧副韧带的方法且临床随访中该方法能恢复外翻及旋转稳定性。当前文献关于s MCL损伤后膝外旋不稳定的相关研究屡见不鲜,而对于sMCL合并ACL引起的轴向不稳定,国内外的相关报道甚少;对二者共同损伤的治疗也仅局限于修复或重建以改善各自独立的功能范畴,因此本研究比较两组临床常见的sMCL重建方法对膝轴向稳定性影响的机制研究以及恢复二者控制内外旋稳定性的生物力学研究,对改善膝关节多平面不稳定有着非常重要的意义。方法:所有完整的新鲜膝关节标本随机分成A,B两组,所有的手术均由本人完成。对于A组所有膝关节(n=10)采用MCL三角矢量重建和ACL单束解剖重建;对于B组(n=10)膝关节采用MCL平行重建和ACL单束解剖重建。将猪尸体标本成型后固定于六自由度的UFS系统的机械臂中,将胫骨侧置于机械臂中,股骨侧置于固定的底座中。在膝关节标本处于伸直位(30°屈曲)时于距关节线15cm处施加2N的扭力。在此位其他自由度(前后位、内外旋转和内外翻)均被设置为0。设置胫骨平台坐标系,其中以胫骨长轴设为Z轴,以胫骨平台内外侧凸起连线为X轴,二者的交点为坐标原点(0),通过0点做X-Z平面的垂线Y轴。膝关节在由伸直位至90°屈曲位的全过程中以0.5°的增量变化,保持屈伸过程中最小的移植物张力和在六个自由度上最小的力矩,分别在膝关节标本位于30°,45°,60°和90°的屈曲位时,施加89N的胫骨前向作用力(类似模拟KT1000测试)得到ATT数据,其中载荷力保持大约5mm/min的缓慢速率,使标本类似于在准静态下进行模拟测试;通过模拟轴移试验,进而评估膝关节的旋转稳定性,分别固定屈膝30~90°时,联合使用4.0N-m的胫骨内扭矩和5.0N-m的膝关节外翻扭矩,同时限制其他方向的自由度;通过模拟外翻试验,进而评估膝关节的外翻稳定性,分别固定屈膝30°,45°,60°的屈曲位时,使用7N-m膝关节外翻扭矩,同时限制其他方向的自由度得到外翻实验数据。力学测试顺序为1)完整膝关节;2)sMCL切段ACL完整的膝关节(dMCL保留);3)s MCL重建(三角矢量或平行重建)ACL完整的膝关节(dMCL保留);4)sMCL重建(三角矢量或平行重建)ACL重建的膝关节(d MCL保留);5)sMCL重建(三角矢量或平行重建)ACL切段的膝关节(dMCL保留);6)sMCL和ACL均切段的膝关节(dMCL保留);收集数据,对两组标本在30°,45°,60°和90°的前向,外翻,内旋,外旋的数据采用统计学方法进行分析对比。结果:1膝关节前向稳定性的力学测试对于ACL合并sMCl损伤,ACL单束解剖重建不能恢复膝关节胫骨前向稳定性(ATT)两种sMCL重建方式加ACL单束解剖重建能够在膝关节屈曲30°胫骨前向稳定性,但是在膝关节屈曲60°和90°时,三角矢量重建能有效恢复膝关节前向稳定性,而平行重建不能恢复膝关节前向稳定性。2外翻稳定性力学测试对于ACL合并sMCl损伤,单纯ACL单束解剖重建不管在30°,60°还是90°均不能恢复膝关节外翻稳定性,ACL单束解剖重建和平行重建比ACL单束解剖重建和三角矢量重建在30°,60°,90°更能有效恢复膝关节外翻稳定性,两组间比较差异有显著性(P0.05)。3内旋稳定性力学测试对于ACL合并sMCl损伤,两种MCL重建方法加ACL单束解剖重建不管在30°,60°还是90°均能恢复膝关节内旋稳定性,两组间比较差异无显著性(P0.05)。4外旋稳定性力学测试对于ACL合并sMCl损伤,ACL单束解剖重建和平行重建比ACL单束解剖重建和三角矢量重建在30°,60°,90°更能有效恢复膝关节外旋稳定性,两组间比较差异有显著性(P0.05)。5原位张力(in situ force)5.1在胫骨前向位移拉力负荷下,ACL单束解剖重建的移植物张力较正常自身ACL的张力降低,sMCL重建的移植物张力较正常自然sMCL张力增高。ACL单束解剖重建不能恢复正常自然的ACL的原位张力。5.2在内旋扭矩下,sMCL的断裂或损伤会增加正常自然的ACL的原位张力,并且两组中正常自然的ACL的原位张力依靠单纯ACL单束解剖重建不能有效恢复;同时在内旋扭矩下,正常自然ACL的原位张力在sMCL切断的时比正常自身ACL和sMCL状态下会发生显著性改变。在膝关节屈曲60°时,sMCL平行重建组不论是正常自然ACL还是单束解剖重建的ACL移植物均不能恢复其原位张力。5.3在外翻拉力负荷下,正常自然ACL和ACL移植物的张力均会随着sMCL的切断而增加,但是在sMCL重建后(不论平行重建还是三角矢量重建),其原位张力会恢复。5.4在外旋扭矩下,正常自然ACL和ACL移植物的原位张力与ACL完整sMCL切段的情况下发生显著性改变,但是在sMCL重建后(不论平行重建还是三角矢量重建),其原位张力会恢复。小结:基于以下发现:1.对于ACL和sMCl合并损伤,单纯ACL重建并不能恢复膝关节运动力学及原位张力,非常有必要行sMCL重建手术以恢复膝关节旋转及前向稳定性;2.三角矢量重建技术能更好的恢复胫骨前向稳定的,平行重建方法能更好的恢复外翻及外旋稳定性,三角矢量和平行重建两种方法都能恢复内旋稳定性。本研究支持ACL,MCL合并损伤时同时重建二者以更好的恢复膝关节运动力学本研究对临床常见的两种方法做了生物力学研究,我们的研究发现三角矢量技术更好的恢复膝关节前向稳定性,而平行重建能更好的恢复膝关节外翻和旋转稳定功能。上述结论能为临床提供更多的理论指导。第二部分急性内侧副韧带合并前交叉韧带损伤的临床治疗选择目的:膝关节最常见损伤的韧带是MCL损伤,它是应对外翻应力的主要内侧静态稳定结构,并且为下肢的外部旋转力提供阻力。MCL损伤的治疗从非手术治疗发展到积极的外科修复或重建。在临床中,单独的三级MCL损伤非常罕见,伴随韧带损伤的发生率为78%。伴随韧带损伤的病例中95%涉及ACL。对于III级MCL损伤合并ACL撕裂的治疗应采用何种策略现在也存在一定程度的争论。有学者建议ACL重建应该在膝关节活动完全恢复的亚急性期内进行,在此期间应评估外翻不稳定性,持续性外翻不稳定的患者需进行MCL修复或重建。然而,在亚急性期中进行MCL修复不是一个好的选择,因为MCL会出现不完全愈合和瘢痕,并且MCL在亚急性期很难识别;这些结构的修复很难取得令人满意的临床效果。更重要的是,从功能的角度来看,MCL和ACL都有助于维持旋转稳定性,如果这两种结构同时受到伤害,多平米不稳定性就会加重。三角矢量MCL重建技术被报道并被证实可修复膝关节外翻和旋转稳定性,急性期MCL修复被认为是恢复解剖结构的一种方法;然而,我们不知道急性解剖增强修复是否也能达到同样的临床效果。因此,本研究的目的是评估三角矢量韧带重建和修复这两种方法治疗急性Ⅲ级MCL损伤合并前交叉韧带撕裂的和功能的临床疗效。方法:所有患者均签署知情同意书。在2009年1月至2011年10月期间,共有234名被诊断为ACL和MCL损伤(包括I级、II级和III级MCL损伤)的患者。在这234名患者中,我们招募了84名有外伤的III级MCL损伤患者。纳入标准如下:(1)患者单侧膝关节损伤,而对侧膝关节经磁共振检查诊断为正常。(2)患者同意在急性期内接受手术治疗,受伤与手术的时间间隔不超过3周。(3)体格检查发现膝关节侧方应力测试,前抽屉试验,Lachman测试为阳性。(4)磁共振检查显示,完全MCL和ACL断裂在放射应力位置成像中显示的内侧开口比对侧膝关节大10毫米以上。10名患者被排除在外,因为他们没有符合纳入标准。这10例患者中,有5例为不完全性ACL撕裂,2例有髁间棘撕脱骨折,3例有膝关节手术史。此外,3例患者拒绝接受同种异体移植,2例患者不同意接受2年随访。根据住院天数(偶数或奇数天),将招募的患者分配到2个治疗组中的1个。即一组接受MCL三角矢量重建(偶数天数),另一组接受MCL解剖位修复(奇数天数)(图1)。术后所有患者遵循一系列康复方案。结果:69名患者同时接受了ACL和MCL手术。其中MCL修复35例,MCL重建34例。半月板修复或半月板切除术17例(重建组7例,修复组10例)。5例(重建组1例,修复组4例)软骨损伤行微骨折,这5例患者在第6周开始负重。在44个病例中,包括40例Slocum试验诊断为前内侧旋转不稳定的病人,和4例(TLR组1例,ALR组3例)术前Slocum试验阴性的病人,直视下可见不同程度的POL撕裂。在重建组中,28例为近端MCL撕裂,3例为内侧髌股韧带撕裂,7例为远端MCL撕裂,6例为半月板股骨韧带撕裂。在最终随访中,5例(7.2%)(ALR组3例,TLR组2例)失访,其余64例仍在我们的研究中。我们采用后处理分析方法验证了前内侧旋转不稳定性的应力。实验数据显示,在每个组32个样本中,影响范围平均为0.7755,应力平均为0.863。1.两组膝关节外翻和旋转稳定性比较手术前,受伤膝关节的伸展位应力外翻测试显示,所有病例内侧均不稳定,均没有固定的端点。然而,这一现象在随访过程中得到了明显的改善。两组术前内侧开口明显减小。术前和随访两组间无显著差异(P0.05)。在随访中,重建组的前内侧旋转不稳定性的发生率与修复组相比明显下降(P0.05)。2.两组患者手术前后IKDC主观评分比较在随访中,重建组中87.5%的患者和修复组中90.6%的患者运动能力恢复至正常或接近正常水平;与术前IKDC评分相比,两组的随访IKDC主观评分均显著提高(P0.05)。相比之下,10.9%的患者的运动能力仍处于异常水平。没有患者报告运动能力程度为D级。两组间IKDC主观评分相比较在术前和随访中均无显著性差异(P0.05)。3.两组患者手术前后IKDC ROM评分比较所有患者在受伤前膝关节伸屈活动均正常。在随访中,大多数患者在日常生活中没有出现问题的迹象,ROM均正常或接近正常。2例(3.1%)有超过6°的伸展受限,3例(4.7%)有超过25°屈曲受限。对两组间伸展和屈曲受限程度进行比较无显著差异(P0.05)。4.两组手术前后疼痛症状比较所有患者在术前都主诉有膝关节内侧疼痛的症状。在最近的随访中,有这些症状的49例(76.6%)患者根据IKDC评分被评为正常或接近正常。重建组中的11例(34.4%)患者和修复组中的4例(12.5%)患者主诉膝关节内侧疼痛或压痛。这些症状被认为是不正常的。两组间比较无显著性差异(P0.05)。一名患者的放射应力位置成像显示在膝关节股骨内侧髁上显示出爆米花样高密度影。这15例患者的诊断为膝关节内侧慢性炎症。5.两组患者手术并发症比较2例患者因慢性内侧不稳定进行了翻修术,4例患者因前后不稳定行前交叉韧带翻修术;这6例患者均来自修复组。重建组的一名患者因屈曲问题行膝关节松解术。一名重建组的患者由于在手术后3个月从股骨隧道中取出螺钉,导致MCL未能长入股骨。随访期间未发现移植物排斥、内侧麻木或感染等并发症。小结:在急性期III级MCL损伤合并ACL撕裂患者中,行ACL单束解剖重建加MCL三角矢量重建和MCL修复缝合在短期内的IKDC评分和内侧开口评估无显著差异。然而,在最终的随访中,三角矢量重建提供了比修复缝合更好的旋转稳定性。第三部分类解剖重建膝关节内侧副韧带及后斜韧带的临床研究目的:内侧副韧带(MCL)是最容易受伤的膝关节韧带之一,其作为最主要的膝关节内侧稳定结构,主要拮抗膝关节的外翻;同时MCL和POL共同拮抗胫骨的外旋,如果此二者存在合并损伤,由于稳定性丧失的叠加效应,会导致显著外翻和旋转不稳定。膝关节MCL为膝关节内侧稳定性控制的重要结构,分为浅、深两层。浅层较长,是膝关节内侧稳定结构的第二层的主要组成部分,起于股骨内髁内收肌结节处(关节线上方约4-5cm处),韧带纤维前束纵行前下走行止于胫骨近端内侧面,鹅足止点后方(关节线下方约7-8cm处),后束纤维纵行后下走形续于关节后内侧角处,并与关节囊、半膜肌腱鞘纤维互相交织一起,止于胫骨近端内髁后缘。深层较短,与关节囊纤维交织一起,密不可分,亦分为前部、中部和后部纤维,起于股骨内上髁浅层止点下方,向下纵向走行止于胫骨平台内侧缘;深层中部纤维与内侧半月板存在连接。有解剖学研究报道阐明了MCL和POL两者之间不平行的空间位置。当膝关节处于伸直位状态时,MCL平行走行于股骨胫骨轴线,此时,POL则与股骨胫骨轴线呈25°角度。由于二者的不平行关系,两条韧带的延长线必然存在一个位于股骨内侧髁内侧面的交点。本研究目的在于阐述一种类解剖三角矢量重建MCL的手术操作,用来重建MCL和POL,从而获得满意的术后膝关节长期稳定性。方法:从2013年7月至2017年5月期间,共有47名患者罹患MCL损伤。类解剖三角矢量重建内侧副韧带的适应证:(1)陈旧性MCL损伤搬内侧不稳定;(2)Hughston III度的急性或亚急性内侧副韧带损伤且伴有后内侧结构损伤。最终共有26名患者接受了类解剖三角矢量重建MCL并且被纳入我们的研究之中。通过病历记录,体格检查,术前应力位X线片,手术记录和术前、术后的临床功能评分等收集参与者数据资料。术前术后临床评估使用Lysholm评分,Tegner活动水平评分,IKDC膝关节功能评分。26例参与患者平均随访时机为24.4个月,且留存完整的临床随访资料及术后体格检查资料。手术方法为在膝关节内侧做一弯弧形切口,起于股骨内侧髁内收肌结节上方1cm处,向下切开至关节线下6cm处。暴露伤处,探查内侧副韧带和后斜韧带的止点位置。胫骨内侧副韧带止点定位在胫骨平台后缘狭窄处前方1cm、胫骨平台下方4.5cm处。胫骨后斜韧带止点定位于胫骨后内侧外2mm、胫骨平台下方2cm处。当股骨内侧髁暴露出来之后,分别确认内侧副韧带和后斜韧带股骨侧止点。内侧副韧带股骨止点大约位于股骨内髁内收肌结节前下方,股骨内上髁下方3mm、股骨内侧髁后缘前方5cm。股骨侧后斜韧带止点位于股骨内侧髁下方8mm和股骨内侧髁后院前方6mm,使用2根克氏针定位并连接内侧副韧带和后斜韧带胫骨、股骨止点,两根克氏针在股骨内髁处的焦点即可确定股骨隧道定位点(MCL外缘与POL成25°夹角,通过空间夹角关系确定股骨侧类解剖点)。将一根2mm的导针放入交叉韧带导向器,固定后钻去胫骨隧道,胫骨隧道则将2个胫骨侧韧带止点连接贯通。之后使用一根直径5mm的骨钻拓宽胫骨隧道,使用牵引导针将移植物编织端拉入胫骨隧道。股骨骨钻定位点选取之前克氏针交点,使用另一根克氏针在此交点打入骨钻,方向为沿矢状面斜向上30°,可以避开骨钻传入股骨髁间窝,骨钻从股骨外侧髁外侧面穿出。再使用一根直径7mm的骨钻沿之前的导针拓宽骨隧道以容纳股骨侧移植物,拓宽深度约2.5cm。在移植物两个尾端共同拉入股骨隧道后,第二次测量调整移植物长度,再将移植物另一端编织适当的长度。使用牵引导针将移植物两个自由端引入股骨隧道,将膝关节维持在屈曲30°和中立位内翻状态,给予移植物牵拉张力。使用一颗同股骨隧道直径的生物界面螺钉挤压固定移植物。术后随访时,26名参与患者术后平均随访时间为24.38±3.23月,再次接受临床检查,包括膝关节内侧间隙张开和膝关节胫骨外旋角度;临床评分包括Lysholm评分,Tegner活动程度评分和IKDC评分,采用统计学软件对上述方法进行分析。结果:共有26名参与患者纳入研究(男性:21名,女性:5名)。平均年龄27.42±4.19岁,一共24名参与患者的膝关节患侧相对于健侧的内侧间隙张开程度在膝关节0°位时超过5 mm,所有26名参与患者膝关节患侧相对于健侧的内侧间隙张开程度在膝关节30°位时超过5 mm。平均随访时间为24.4个月,术前跟术后的观察性数据均显示出统计学差异(P.001):0°位膝关节患者相对于健侧的内侧间隙张开由9.76±2.76 mm降低到2.79±1.02 mm,且两组数据之间存在统计学意义(P.001);30°位膝关节患者相对于健侧的内侧间隙张开由10.32±2.75 mm降低到3.13±0.85 mm,且两组数据之间存在统计学意义(P.001)。同时,膝关节胫骨外旋角度由术前的53.38±6.71°下降到27.15±4.92°,且二者之间存在统计学意义(P.001)。临床评分和膝关节活动度评分,Lysholm评分由49.42±5.32提高到90.35±4.55,Tegner活动程度评分由1.65±0.56提高到5.77±0.86,IKDC由47.85±5.17提高到87.88±3.62,三组评分数据术前术后均存在统计学差异(P.001)。并发症分析发现,2名(7.7%)参与患者主诉膝关节内侧疼痛,存在股骨隧道口处的异位骨化。止痛药物对症处理后患者未再出现疼痛主诉。1例(3.8%)参与患者由于股骨隧道处固定螺钉断裂失败,接受了翻修手术。所有患者在损伤时期内未出现移植物排斥反应。小结:类解剖三角矢量重建术能够在狭小的止点位置空间内,使移植物覆盖韧带解剖止点位置,恢复解剖位置和生物学功能。不仅膝关节外翻稳定性和旋转稳定性均可以较术前有更好的恢复,而且可以减少患者体内植入物的使用,进而降低免疫排斥反应的发生率,减少病患的临床花费。结论:基于以下发现:1.对于ACL和sMCl合并损伤,单纯ACL重建并不能恢复膝关节运动力学及原位张力,非常有必要行sMCL重建手术以恢复膝关节旋转及前向稳定性;2.三角矢量重建技术能更好的恢复胫骨前向稳定的,平行重建方法能更好的恢复外翻及外旋稳定性,三角矢量和平行重建两种方法都能恢复内旋稳定性。本研究支持ACL,MCL合并损伤时同时重建二者以更好的恢复膝关节运动力学。本研究对临床常见的两种方法做了生物力学研究,我们的研究发现三角矢量技术更好的恢复膝关节前向稳定性,而平行重建能更好的恢复膝关节外翻和旋转稳定功能。在急性期III级MCL损伤合并ACL撕裂患者中,行ACL单束解剖重建加MCL三角矢量重建和MCL修复缝合在短期内的IKDC评分和内侧开口评估无显著差异。类解剖三角矢量重建术能够在狭小的止点位置空间内,使移植物覆盖韧带解剖止点位置,恢复解剖位置和生物学功能。
【学位授予单位】：河北医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R687.4
【图文】：

UFS机械臂系统

膝关节,样本,机械臂,人体

图2 UFS机械臂和人体膝关节样本2 The UFS robotic and human knee sd femur were placed in aluminiumo the robotic arm, and the femoral c

内侧副韧带

cylinder connected to the robotic arm, and the femoral cylinder was fixed toa stationary base.图3 内侧副韧带重建Fig.3 MCL ReconstrionReconstruction of the MCL using a parallel MCL reconstruction and btriangular vector MCL reconstruction with single-bundle ACL reconstruction.

【参考文献】