单隧道双束和单束ACL重建的生物力学比较研究

王 庆，黄华扬，张 余，郑小飞，李凭跃，王泽锦，沈洪园

关节外科专题

单隧道双束和单束ACL重建的生物力学比较研究

王 庆，黄华扬，张 余，郑小飞，李凭跃，王泽锦，沈洪园

目的比较单隧道双束和单隧道单束ACL重建膝关节稳定性的差异。方法选用6侧人体膝关节标本，保留完整的关节囊及周围韧带，行单隧道双束和单束ACL重建，在MTS-858生物材料试验系统上测试膝关节在胫前加载（134 N）和旋转加载（5 N·m内旋胫骨）下屈曲0°、15°、30°、60°、90°位时的运动学反应。每个膝关节在4个不同条件下进行测试：ACL完整、ACL损伤、单隧道双束重建ACL以及单隧道单束重建ACL，其中单隧道双束及单束ACL均采用双股腘绳肌腱。结果（1）胫前加载：双束组在屈曲30°、60°和90°位，单束组在屈曲90°位时关节前后稳定性获得良好恢复（P＞0.05）；在屈曲60°位时双束组的胫前位移明显低于单束组，差异有统计学意义（P＜0.05)。（2）旋转加载：与ACL完整组相比较，双束组的胫骨内旋角度在屈曲0°、60°位时无明显变化（P＞0.05），屈曲90°位时明显减少（P＜0.05）；单束组在屈曲0°时无明显变化（P＞0.05）。屈曲60°和90°位时双束组的胫骨内旋角度明显小于单束组，差异有统计学意义（P＜0.05）。结论与单隧道单束ACL重建相比，单隧道双束ACL重建能够更好地恢复膝关节前后稳定性及旋转稳定性。

前交叉韧带；移植，同种；生物力学

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）是膝关节重要的静力与动力性稳定结构，与膝关节周围韧带软组织共同维持胫股关节的正常活动。ACL损伤将导致膝关节不稳，进而出现关节软骨和半月板的损害，加速膝关节的退行性改变和骨性关节炎的发生。目前ACL损伤的治疗多以手术为主。单束ACL重建在屈伸活动时能够获得令人满意的膝关节前后稳定性，但无法恢复其旋转稳定性。双束技术（double-bundle technique，DBT）能更好地模拟ACL的解剖结构，尸体研究证实其具有更好的膝关节稳定性[1]，但双束技术具有操作难度大、手术时间长、手术费用高的缺点，推广受到一定限制。有学者提出使用单股骨单胫骨隧道、通过在隧道内分离并重建两个不同功能束的单隧道双束重建技术[2]。尸体生物力学研究证实，与单束ACL重建相比，该技术在更好地恢复正常膝关节运动学功能的同时还能够限制膝关节的活动[3-4]。考虑到研究中移植物固定角度、固定方法以及牵拉韧带张力的差异可能对结果造成的影响，我们采用生物力学测试系统定量测量单隧道双束和单隧道单束ACL重建在两种不同加载条件下的膝关节稳定性，并对测量结果进行比较分析，以期探讨单隧道双束ACL重建技术治疗ACL损伤的可行性和有效性。

1 材料与方法

1.1 膝关节标本选择及处理

取6侧福尔马林浸泡的成人（死亡时间在半年内，平均死亡年龄45岁）尸体膝关节。检查透视排除前后交叉韧带及半月板损伤。实验前将膝关节周围肌肉剔除，保留完整的关节囊及韧带，分离半腱肌、股薄肌以备用。保留膝关节间隙上端20 cm股骨和下端13 cm胫腓骨，使用螺钉和聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）骨水泥将剔除软组织的胫腓骨和股骨固定于包埋盒中，包埋块纵轴平行，保持膝关节活动不受影响（图1），每个标本均在包埋后12 h内完成测试。

1.2 膝关节生物力学测试

测试在MTS-858生物材料试验系统（图2）上进行，测试前手动伸屈膝关节10次（从完全伸直至完全屈曲）以消除组织粘滞性，调整MTS试验系统基座角度、固定膝关节标本包埋盒，确定零加载时的胫骨位置。依次测试ACL完整组、ACL损伤组、单隧道双束重建ACL组（简称双束组）、单隧道单束重建ACL组（简称单束组）4组膝关节在屈曲0°、15°、30°、60°、90°的胫前位移和胫骨内旋角度。1.2.1胫前加载（134 N）下的胫前位移 设置胫骨最大应力为134 N，速度为10 N/s，方向为胫骨相对于股骨由后向前（胫骨前移），重复进行3次加载/卸载循环，记录每次最大应力时胫骨移动的距离。

1.2.2 胫骨内旋加载（5 N·m内旋胫骨）下的胫骨内旋角度 设置胫骨的最大扭矩为5 N·m，速度为1 N·m/s，方向为胫骨相对于股骨由外向内旋转（胫骨内旋），重复进行3次加载/卸载循环，记录每次最大扭矩时胫骨的旋转角度（图3）。

图1 剔除周围肌肉并已包埋好的膝关节标本

图2 MTS-858生物材料试验系统 图3旋转加载

1.3 手术方法

1.3.1 ACL切除 取膝关节内侧切口，切除ACL以模拟ACL损伤的膝关节（如有黏膜系带亦切除），间断缝合关节囊。

1.3.2 隧道制备 使用ACL胫骨定位器定位，内口位于髁间棘距后交叉韧带止点前7 mm，以9 mm空心钻钻孔建立胫骨隧道。使用7 mm股骨定位器定位，位于髁间窝右膝10点，左膝2点（以髁间窝顶为12点）处，髁间窝外侧壁距后壁约7 mm，以9 mm空心钻钻孔建立股骨骨隧道。

隧道位置评价：将制备好隧道的膝关节标本置于64排双源CT机中扫描，对扫描数据进行三维重建，骨隧道位置已达到隧道定位要求的进行下一步重建（图4，5）。

1.3.3 单隧道双束重建 不同颜色7号丝线分别连续套缝、编织单股半腱肌、单股股薄肌肌腱两端，末端使用细钢丝加固备用。首先安装韧带股骨端，前内侧束（半腱肌肌腱）位于股骨隧道前内侧（左膝11点/右膝1点），后外侧束（股薄肌肌腱）位于股骨隧道后外侧（左膝5点/右膝7点），调整直径为8 mm的界面螺钉由外向内固定（位于两束中间），韧带远端（胫骨端）左膝顺时针旋转90°，右膝逆时针旋转90°，屈伸膝关节20次，屈膝45°位，每束20 N力牵拉两束韧带，以直径8 mm的界面螺钉固定胫骨端。间断缝合关节囊（图6～8）。

1.3.4 单隧道单束重建 将单股半腱肌、单股股薄肌肌腱两端编织在一起，末端使用细钢丝加固备用。使用单隧道双束ACL重建的隧道，先安装韧带股骨端，用直径8 mm的界面螺钉由内向外固定，屈伸膝关节20次，屈膝45°位，40 N力牵拉韧带，以直径9 mm的界面螺钉固定胫骨端。间断缝合关节囊。所有手术操作均由同一术者完成。

1.4 统计学处理

将数据输入Excel 2007，计算每个膝关节在不同加载、屈曲角度下的位移数值和胫骨内旋角度，然后将数值导入SPSS 13.0统计软件包进行分析，数据以均数±标准差表示，组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用配对t检验，P＜0.05认为差异有统计学意义。

图4 三维重建股骨隧道 图5三维重建胫骨隧道 图6单隧道双束ACL重建的膝关节标本 图7单隧道双束重建前内侧束、后外侧束位置示意图 图8单隧道双束ACL重建示意图

2 结果

CT三维重建发现1例膝关节标本股骨隧道定位过前，可能是将“住院医师嵴”误认为过顶点，予重新定位、钻孔、重建。通过大体观察、手动测试等检查证实每次测试后韧带无明显损伤。

表1 胫前加载（134N）下各组在不同屈曲角度时的胫前位移（mm±s）

表1 胫前加载（134N）下各组在不同屈曲角度时的胫前位移（mm±s）

注：﹡与ACL完整组比较，P＜0.05，#与单束组比较，P＜0.05

组别ACL完整组ACL损伤组双束组单束组F值P值屈曲0° 3.5±0.9 12.4±2.0﹡5.5±0.7﹡5.1±0.6﹡64.418 0.000屈曲15° 5.4±1.0 15.8±2.1﹡7.6±1.1﹡8.2±1.1﹡63.300 0.000屈曲30° 6.6±1.1 17.3±1.8﹡7.9±0.8 8.4±0.8﹡103.760 0.000屈曲60° 4.9±0.3 14.7±2.3﹡5.4±0.4#7.7±1.3 68.623 0.000屈曲90° 4.6±1.1 11.8±2.3﹡5.2±0.7 4.6±0.6 39.533 0.000

表2 胫骨内旋加载（5N·m内旋胫骨）下各组在不同屈曲角度时的胫骨内旋角度（°±s）

表2 胫骨内旋加载（5N·m内旋胫骨）下各组在不同屈曲角度时的胫骨内旋角度（°±s）

注：﹡与ACL完整组比较，#与单束组比较，P＜0.05

组别ACL完整组ACL损伤组单隧道双束组单隧道单束组F值P值屈曲0° 5.3±0.8 13.7±1.2﹡5.6±0.8 6.0±1.1 103.461 0.000屈曲15° 7.7±1.4 16.1±0.9﹡11.8±1.6﹡10.4±1.0﹡47.373 0.000屈曲30° 11.0±1.3 19.5±1.1﹡14.6±1.7﹡13.5±1.7﹡35.989 0.000屈曲60° 12.1±0.4 20.5±1.6﹡12.6±0.9#15.4±0.8﹡82.005 0.000屈曲90° 18.4±0.8 11.5±0.9﹡9.5±0.7﹡#13.0±0.8﹡134.216 0.000

2.1 胫前加载（134 N）下的胫前位移

如表1所示，在胫前加载下，ACL完整组的最大胫前位移出现在屈曲15°位和屈曲30°位，分别为（5.4±1.0）mm和（6.6±1.1）mm。与ACL完整组比较，ACL损伤组的胫前位移在屈曲0°、15°、30°、60°和90°位时明显增加，差异有统计学意义（P＜0.05）；双束组的胫前位移在屈曲0°、15°位时显著增加，而在屈曲30°、60°和90°位时无明显变化（P＞0.05）；单束组的胫前移位在屈曲0°、15°、30°、60°位时明显增加（P＜0.05）；而在屈曲90°位时无明显变化（P＞0.05）。

在胫前加载下，双束组与单束组相比较，胫前位移在屈曲60°位时明显减少，差异有统计学意义（P＜0.05），在屈曲0°、15°、30°和90°位时差异无统计学意义（P＞0.05）。

2.2 胫骨内旋加载（5N·m内旋胫骨）下的胫骨内旋角度

如表2所示，在胫骨内旋加载下，ACL损伤组的最大胫骨内旋角度出现在屈曲30°位和60°位，分别为（19.5±1.1）mm和（20.5±1.6）mm。与ACL完整组比较，ACL损伤组的胫骨内旋角度在屈曲0°、15°、30°、60°和90°位时明显增加，差异有统计学意义（P＜0.05）；双束组在屈曲15°、30°位时明显增加，90°位时明显减少（P＜0.05），在屈曲0°位和60°位时差异无统计学意义（P＞0.05）；单束组在屈曲15°、30°、60°和90°位时明显增加（P＜0.05），在屈曲0°位时无明显变化（P＞0.05）。

在胫骨内旋加载下，双束组与单束组相比较，胫骨内旋角度在屈曲60°和90°位时明显减少（P＜0.05），而在屈曲0°、15°和30°位时差异无统计学意义（P＞0.05）。

3 讨论

ACL是由前内侧束和后外侧束两束不同功能束组成的，前内侧束在膝关节屈曲位紧张，伸直位松弛；后外侧束在伸直位紧张，屈曲位松驰。前内侧束维持膝关节屈曲位的前后稳定性，限制胫骨的过度前移；后外侧束通过维持膝关节在屈曲位的旋转稳定性协同前内侧束的功能，在伸直位限制膝关节的过伸。膝关节伸直时前内侧束和后外侧束扭曲，屈曲时呈高度交叉[5-6]。在整个膝关节的屈伸运动中，它们相互协同，互为补充，在任何位置都有部分纤维处于紧张状态，以维持恒定的张力和功能性等长，使膝关节在运动过程中保持稳定[6]。

ACL重建对ACL损伤后膝关节不稳具有较好的恢复作用，目前已成为一种较为成熟的治疗手段[7]。ACL重建主要包括单隧道单束、双隧道双束以及单隧道双束重建，单隧道单束ACL重建主要以重建前内侧束功能为目的，能恢复膝关节的前后稳定性，但不能完全恢复膝关节的旋转稳定性。双隧道双束ACL重建模拟重建前内侧束和后外侧束功能，具有与正常ACL相似的解剖形态，能够在不同的屈曲角度用不同的初始移植张力为两束移植物提供不同的张力，重建后的两束在膝关节屈伸过程中交替紧张，理论上具有更好的前后稳定性和远期效果；生物力学研究亦显示其具有更好的膝关节旋转稳定性[8-9]。在Yagi等[1]进行的生物力学研究中，134 N胫前加载下解剖双隧道双束ACL重建较ACL完整的膝关节在完全伸直和屈曲30°位时出现更大的胫前位移，而Petersen等[10]报告的结果则表明，解剖双隧道双束ACL重建和ACL完整膝关节在134 N胫前加载下的胫前位移无统计学差异。但该技术需要4个隧道，骨隧道的增多不仅增加手术难度，延长手术时间，而且大大提高因隧道定位错误所致重建失败的风险；多隧道的存在还造成翻修困难，易导致股骨外侧髁骨折；多束移植物增大髁间窝撞击的可能性，从而导致术后移植物松弛以及双股骨和胫骨隧道间骨桥的破坏，造成固定困难或失败[7]。

与双隧道双束相比，单隧道双束重建ACL使用单一的股骨和胫骨隧道来重建两个功能束，隧道定位与单束重建相同，避免了复杂的手术过程，也可以像单束重建一样行翻修手术，同时还可减少界面螺钉对股骨端肌腱的切割，具有操作简单、手术时间短、费用低等优点。但单隧道双束重建在何种固定角度及韧带张力组合情况下固定效果最佳，目前尚无相关的生物力学研究报道[2-4]。

我们的生物力学实验结果发现，在胫前加载下，与ACL完整组相比，ACL损伤组胫前位移明显增大，而单束组能减少胫前位移，在屈曲90°位时回复至正常水平；在屈曲0°、15°、30°，60°位时增大，但最大差值＜3 mm，这与单束重建主要模拟前内侧束进行生理性等长重建，前内侧束在膝关节屈曲位紧张、伸直位松弛的状态相吻合。双束组的胫前位移在屈曲30°、60°和90°位时较ACL完整组无明显改变，在屈曲60°位时较单束组小，可能与单隧道双束重建ACL的双束能部分模拟正常的前内侧束和后外侧束功能有关，伸膝过程中后外侧束紧张，在一定程度上起到了部分减少胫前位移的作用，但由于其不能完全模拟后外侧束功能，故在屈曲0°、15°位时双束组的胫前位移仍较ACL完整组增加。

本实验的结果还显示，在胫骨内旋加载下，与ACL完整组比较，ACL损伤组的胫骨内旋角度明显增大，双束组在屈曲90°位时减小，在屈曲0°、60°位时无明显改变。而与单束组相比，双束组在屈曲60°、90°位时胫骨内旋角度减小，这表明单隧道双束重建ACL能部分模拟后外侧束功能，屈膝时维持旋转稳定性，高屈曲时的胫骨旋转较单束重建ACL降低，但屈曲90°位时可能会轻度限制胫骨内旋。

在胫前加载下单隧道双束ACL重建均未出现胫前位移明显小于ACL完整膝关节的情况，而在胫骨内旋加载下屈膝90°位时胫骨内旋角度小于ACL完整膝关节，轻度限制屈膝90°位时胫骨内旋运动，这与Gadikota等[3]在单隧道双束和单束ACL重建生物力学研究中单隧道双束在膝关节高屈曲时限制膝关节活动的结论有所不同，推测可能是由于固定角度及韧带张力组合不同所致。我们在屈膝45°、每束20 N力（共40 N）的情况下牵拉两束韧带，而Gadikota实验中是在屈膝0°、每束40 N力的条件下牵拉韧带。屈膝45°时前内侧束和后外侧束均处于较为适宜的松紧状态，此时给予一个中度的牵拉张力固定可以避免前内侧束在高屈曲过程中出现过度紧缩。但其双束的力量分布尚不清楚，对其在何等条件下能够达到最好的固定效果亦未可知。

ACL重建循环加载后移植物张力显著降低，可导致膝关节松弛加重。Fithian等[11]的远期疗效研究显示，只有50%的患者恢复到原来的活动水平，而超过90%的ACL重建患者于术后7年X线表现为膝关节退行性改变。本实验采用双股腘绳肌进行ACL重建并将股骨隧道放置在10点，双股腘绳肌的张力较4股张力低，但仍大于完整ACL，股骨隧道放置于10点亦较11点表现出更好的旋转稳定性[12]，可以借此较好地模拟ACL重建远期移植韧带张力降低、膝关节稳定性下降时的运动情况。

本实验也存在一些缺陷：由于新鲜尸体标本来源及数量等客观原因，本实验采用6侧死亡时间在半年之内、经由福尔马林浸泡的膝关节标本，实验结果与我们在1例截肢获取的膝关节标本上进行的实验结果基本相符，但福尔马林浸泡的膝关节标本弹性较正常膝关节下降；标本数量不多亦导致部分实验数据在正态分布之外，这些都对实验结果造成一定程度的影响。此外，由于实验条件的限制，未能使用关节镜进行镜下重建并测试胫骨内旋+外翻复合加载下的膝关节运动学相关数据。

综合本实验的生物力学实验结果，我们认为，单隧道双束ACL重建较单束重建能够更好地恢复膝关节的前后稳定性及旋转稳定性，是治疗ACL损伤的一种较好选择。

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Biomechanical comparison of single-tunnel double-bundle and single-bundle reconstruction of anteriorcruciate ligament

WANG Qing,HUANG Hua-yang,ZHANG Yu,ZHENG Xiao-fei,LI Ping-yue,WANG Ze-jin, SHEN Hong-Yuan.Department of bone and joint diseases,Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command,Guangzhou,Guangdong 510010,China

HUANG Hua-yang,E-mail:johnhzy@sina.com

Objective To compare the difference in stability of the knee joint after single-tunnel double-bundle and single-bundle anterior cruciate liagament(ACL)reconstruction.Methods Six formalin-soaked specimens of the human knee with retained joint capsule and surrounding ligaments underwent the single-tunnel double-dundle and single-bundle ACL reconstruction.The kinematic response of the knee joint under anterior tibial load(134 N) and rotational load(internal rotation of tibia,5 N·m)when the knee flexion was 0°,15°,30°,60°and 90°were investigated using the MTS-858 biomaterial test system.Each knee was tested sequentially under 4 conditions: intact ACL,deficient ACL,single-tunnel double-bundle ACL reconstruction as well as single-tunnel single-bundle ACL reconstruction.All ACL reconstructions utilized double quadrupled hamstring tendon grafts.Results(1) Anterior tibial load condition:the anterior-posterior stability of knee joint restored when the knee was flexed at 30°,60°and 90°in double-bundle group and 90°in single-bundle group(P＞0.05),the anterior tibial translations in double-bundle group were smaller than those after single-bundle ACL reconstruction when knee flexion at 60°(P＜0.05).(2)Rotational load condition:compared with the internal rotation degrees under the condition of intact ACL,those in double-bundle group had no statistical difference with knee flexion at 0°and 60° (P＞0.05),but decreased at 90°flexion(P＜0.05);those in single-bundle group changed slightly with knee flextion at 0°(P＞0.05).There was statistical significance between double-bundle and single-bundle group whenknee flexion at 60°and 90°(P＜0.05).Conclusion The single-tunnel double-bundle ACL construction can effectively provide more anterior-posterior and rotational stability than single-bundle ACL reconstruction.

Anterior cruciate ligament;Transplantation,homologous;Biomechanics

R687.4，R336

A

1674-666X(2010)04-0271-06

2010-01-30；

2010-09-28）

（本文编辑 白朝晖）

10.3969/j.issn.1674-666X.2010.04.006

广东省科技计划攻关项目（2010B031100016）

510010广州军区广州总医院骨病关节科

黄华扬，E-mail：johnhzy@sina.com