前交叉韧带中前内束与后外束功能上的差异研究

田鑫铎，尹文哲，孙 敏，叶义杰，江磊磊，任 聪

膝关节的稳定性包括前后向稳定性、内外翻稳定性和旋转稳定性。前交叉韧带(ACL)作为维持膝关节稳定性的重要结构之一，近年来的文献报道［1］证明其损伤主要导致膝关节的前向不稳定及旋转不稳定，并且远期往往并发不同程度的关节退变甚至畸形。

ACL按功能可分为前内束(AMB)和后外束(PLB)两束韧带，定义其分束主要基于附着于胫骨的止点不同，也正由于膝关节在不同屈曲角度下，两束韧带的形态以及应力方向的不同，理论上体现了二者对维持膝关节稳定性方面有各自独立的功能［2］。本实验将针对此进行进一步研究。

材料与方法

1 实验材料

1.1 标本 选取6具成人新鲜尸体标本(总共12具膝关节标本)，平均死亡年龄为47.5岁(37～58岁)。膝关节以上部分保留15cm左右的股骨，以下部分也保持15cm左右。膝关节标本用关节镜检查后，无ACL损伤，无严重的关节退变及半月板损伤，关节无内外翻畸形。

1.2 实验装置 湖北武汉一百电公司生产的电阻应变片、应变仪及应变仪校验数据软件，应变片固化胶水，拉力电子秤，电钻及克氏针。电阻应变片本身由1根电阻丝组成敏感栅，通过其专用的固化剂与被测物体固化后，随着被测物体在外力作用下产生应变同时应变片本身也发生形变，从而引起阻值的变化，其公式满足dR/R=K·dL/L(R为电阻，L为长度，K为材料本身的常数)，根据欧姆定律U=I·R，因此被测物体本身应力与输出电压值呈正比线性关系，即输出电压值的变化大小能够反映力的变化大小。

2 实验方法

2.1 将膝关节标本按照内侧髌旁入路切开直至关节腔，屈曲膝关节并外翻髌骨，显露关节腔内各个结构，充分清除髁间窝滑膜使ACL清晰显露，并用弯钳小心钝性分离其AMB与PLB(图1)。

图1 用弯钳分离两束韧带

2.2 将两片电阻应变片以应变片固化胶水分别粘贴于AMB与PLB韧带的体部(图2)，并将其以全桥电路连接好之后，接于应变仪主板上，将应变仪校验数据软件安装于电脑中，将主板USB接口连接电脑。

图2 电阻应变片分别黏附于AMB与PLB上

2.3 将软件启动通讯与测试，将电压值调零(图3)。股骨端固定，分别将膝关节保持 0°、15°、30°、60°及90°时，将胫骨远端固定，用1个两端带钩的约束带兜住小腿后部(约平胫骨结节平面水平)，并用一拉力电子秤钩住约束带两端的钩，在每个角度分别给予100N的胫骨前负荷，分别记录每个角度AMB与PLB两束韧带原位力的输出电压值。

图3 应变仪校验数据系统

2.4 用电钻将一克氏针沿胫骨内外髁冠状面平行于胫骨平台打入，两端各留10cm的力矩，末端弯成钩形。在膝关节分别屈曲 0°、15°、30°下，将拉力电子秤勾住克氏针一端并给予50N的内旋负荷，即内旋力矩为5Nm。并记录每个角度AMB与PLB原位力的输出电压值。

结 果

1 在对胫骨施加100N前负荷时，AMB在屈膝60°时原位拉力所输出的电压值最大，为(1912.68±39.11)μV，并且AMB在屈膝60°和90°的原位拉力显著＞完全伸直位和屈膝15°时(P＜0.05)。PLB在屈膝15°时原位拉力所输出的电压值最大，为(1884.30±34.44)μV，并且PLB在膝关节完全伸直位和屈膝15°的原位拉力要显著 ＞屈膝30°、60°和90°时(P＜0.05)。在膝关节完全伸直位和屈膝15°时PLB 显著 ＞AMB(P ＜0.05)，而在屈膝30°、60°和90°时AMB则显著＞PLB(P＜0.05)(表1和图4)。

2 在对胫骨施加5Nm的内旋扭矩负荷时，AMB随着膝关节屈曲角度的增加原位拉力的输出电压值逐渐增大，PLB则相反。在屈膝15°和30°下AMB的原位拉力显著＞PLB(P＜0.05)，而在膝关节完全伸直位时二者无统计学差异(P＞0.05)(表2和图5)。

表1 在提供100N的胫骨前负荷下，AMB与PLB在膝关节不同屈曲角度下原位拉力的输出电压值(±s，n=12)

表1 在提供100N的胫骨前负荷下，AMB与PLB在膝关节不同屈曲角度下原位拉力的输出电压值(±s，n=12)

images/BZ_151_233_858_2246_913.pngAMB 1071.67±21.57 1318.35±16.14 1597.53±47.91 1912.68±39.11 1701.15±22.69 PLB 1772.76±12.49 1884.30±34.44 1025.64±14.80 716.76±8.95 514.80±23.76

表2 在提供5Nm的胫骨内旋扭矩下，AMB与PLB在膝关节不同屈曲角度下原位拉力的输出电压值(¯±s，n=12)

表2 在提供5Nm的胫骨内旋扭矩下，AMB与PLB在膝关节不同屈曲角度下原位拉力的输出电压值(¯±s，n=12)

images/BZ_151_233_1254_1192_1313.pngAMB 1271.63±16.25 1387.51±9.73 1639.76±18.37 PLB 1015.24±20.10 831.25±26.09 623.29±21.43

图4 在提供100N的胫骨前负荷下，AMB与PLB在膝关节不同屈曲角度下原位拉力的输出电压值

图5 在提供5Nm的胫骨内旋扭矩下，AMB与PLB在膝关节不同屈曲角度下原位拉力的输出电压值

讨 论

ACL重建的手术已经广泛应用于临床，而传统的单束重建，其股骨与胫骨的定位止点更接近于AMB的附着位置，其术后膝关节由于缺乏PLB维持其稳定性的功能，关节长期仍有并发退变的可能性。朱超华等［3］通过对93例分别行ACL单束和双束重建手术的患者进行术后随访，通过对患者进行前抽屉试验、Lachman试验和轴移试验的检查，结果显示术后24个月双束重建的患者膝关节稳定性要明显优于单束重建组。董宇等［4］比较了股骨端传统过顶位定位点(OSB)与解剖中心点(ASB)单束重建ACL，证明了二者虽然在前抽屉试验中并无显著差异，但是轴移试验的稳定性ASB组要明显优于OSB组。由于ASB重建方法兼顾了PLB的原解剖位置及走行，这也充分说明了PLB在维持膝关节稳定性尤其是旋转稳定性也起了非常重要的作用。

本实验分别在两种胫骨负荷条件下研究了膝关节ACL双束的原位拉力承受分布情况，即胫骨的前负荷与胫骨内旋负荷。在对胫骨施加100N前负荷情况下，AMB从膝关节完全伸直位到屈曲角度较小的状态下，原位拉力都比较小且增加不明显，随着屈曲角度的增加所受的拉力显著增大，到60°时达到最大值并且随着继续屈曲拉力逐渐减小。PLB则是在膝关节完全伸直位及接近伸直位的较小的屈曲角度位时原位拉力较大，在屈曲15°时达到最大，以后随着屈曲角度的增大拉力则显著减小。此结果显示，在膝关节接近伸直位或屈曲角度较小的条件下，PLB对维持膝关节前向稳定性起主要作用;在屈曲角度较大的条件下，AMB则对维持膝关节前向稳定性起到主要作用。二者作为ACL的两个功能部分，在防止胫骨前移作用方面相互协同。在行ACL双束解剖重建手术时，为了防止膝关节在屈伸过程中移植物承受的拉力过大，导致移植物被拉长，我们通常分别在AMB与PLB原位拉力最大时的膝关节屈曲角度时，进行胫骨端的移植物位置的固定［5］。因此本实验的结果表明，在进行胫骨端固定时，AMB在屈膝60°时为最佳位置，而PLB则在屈膝15°时为最佳位置。

在对胫骨施加10Nm的内旋扭矩负荷条件下，本实验结果显示了AMB在屈膝0°、15°以及30°时原位拉力均＞PLB，并且随着角度的增大此差距越趋明显。尽管如此，PLB在维持膝关节旋转稳定性的作用仍然不可忽视，尤其在接近伸直位以及小的屈膝角度时。Yagi等［6］通过ACL 3种重建方法(双束解剖重建、传统单束AMB重建及单束PLB重建)对膝关节稳定性进行比较，证实了双束解剖重建对维持膝关节旋转稳定性要明显优于传统单束AMB重建，而单束PLB重建虽然理论上恢复了膝关节接近伸直位时的旋转稳定性，但在较复杂的联合胫骨负荷下维持膝关节稳定却明显不足。因此，PLB对防止膝关节内旋尤其在接近伸直位时起到了不可忽视的作用。

本实验是以尸体的膝关节标本来评估正常人膝关节ACL双束的生物力学功能，其局限性在于对尸体标本的负荷只能通过人为的施加外力，并且一般为单一方向的负荷，因此无法模拟活体正常行走或做其他运动时，其自身的肌肉收缩导致各方向复杂的联合负荷对膝关节稳定性的影响。而且对尸体膝关节标本的选用均遵循无骨性关节炎、半月板损伤及内外翻畸形等，因此无法有效评估有膝关节疾病的人群。另外，温度的变化也是影响电阻值的因素之一，在本实验中全桥电路接通后，随着实验的进行电流会逐渐引起电阻应变片温度的升高，因此此因素也会对最终的读数结果产生微小的影响。

总之，ACL的主要作用为防止胫骨前移，次要作用为防止胫骨内旋，对维持膝关节稳定性起着非常重要的作用。在ACL的整体功能中，本实验证实了AMB为起到主要功能作用的一束，是ACL的主体部分，PLB则起次要作用。但尽管如此，PLB的辅助作用仍然重要，在膝关节接近伸直位时尤为体现，并且其功能与AMB并不彼此孤立，两束韧带功能上是互补的，这也对双束解剖重建ACL相对于单束重建术后的优越性提供了一定的理论依据。

结论:(1)在膝关节接近伸直位及屈曲角度较小的条件下，PLB对防止胫骨前移起主要作用;在屈膝角度较大的条件下，AMB对防止胫骨前移起主要作用。(2)在防止胫骨内旋方面，PLB起到了不可忽视的作用，在膝关节接近伸直位时尤为明显。(3)总体来看，AMB是ACL中起主要作用的一束，但PLB的作用亦不可忽视，两束韧带互相协同，共同维持膝关节的前向及旋转稳定性。

［1］ Andriacchi TP，Dyrby CO.Interactions between kinematics and loading during walking for the normal and ACI deficient knee［J］.J Biomech，2005，38(2):293-298.

［2］ Zantop T，Herbort M，Raschke MJ，et al.The role of the anteromediaI and posteralateraI bundles of the anterior cruciate ligament in anterior tibial translation and internal rotation［J］.Am J Sports Med，2007，35(2):223-227.

［3］朱超华，陈百成，孙然，等.关节镜下单、双束同种异体肌腱重建前交叉韧带的疗效比较［J］.中国修复重建外科杂志，2011，25(8):912-916.

［4］董宇，陈世益，李云霞，等.前交叉韧带解剖位单束重建与传统过顶位重建的疗效比较［J］.中国修复重建外科杂志，2011，25(8):908-911.

［5］ Wu JL，Seon JK，Gadikota HR，et al.In situ forces in the anteromedial and posterolateral bundles of the anterior cruciate ligament under simulated functional loading conditions［J］.Am J Sports Med，2010，38(3):558-563.

［6］ Yagi M，Kuroda R，Nagamune K，et al.Double-bundle ACL reconstruction can improve rotational stability［J］.Clin Orthop Relat Res，2007，45(4):100-107.