前交叉韧带损伤与全膝关节置换术

张亮 蒋毅 周一新

（北京积水潭医院矫形骨科，北京100035）

前交叉韧带（anterior cruciate ligament,ACL）损伤及其继发的膝关节不稳定可以导致关节软骨磨损以及骨关节炎（osteoarthritis,OA）的提前发生[1,2]，据估计，美国每年发生的ACL损伤病例可超过20万例[3]。某项针对单纯ACL损伤患者平均35年的随访研究提示，该病例组患者恢复高强度运动后发生半月板和软骨损伤以及继发OA的几率超过95%[4]；另一项研究提示，运动员在发生ACL损伤后即使不合并膝关节不稳定的临床症状而发生膝关节退行性OA的几率为100%[5]，上述两组患者在35年内接受全膝关节置换术（total knee arthroplasty,TKA）的风险至少在40%以上[4,5]。因此，该类患者正在成为TKA的重要治疗对象之一。

原发性膝关节OA患者也可在无明确创伤史的背景下发生ACL的继发性断裂或功能不全[6]，这也成为严重膝关节OA的特征性病理改变之一。文献报告严重OA患者的ACL功能不全发生率为25%～33%[7-9]。Wada等[9]在术中发现OA和类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis,RA）出现ACL功能不全的比例高达75%，其中完全缺失者占50%，部分撕裂者占25%；但该比例在因轻度OA而行关节镜清理术的病例中仅为7%[10]。因此对于OA和RA患者而言，TKA对于ACL功能状态的评价及其保留与替代也是一个值得关注的问题。

1 ACL损伤的病理改变

Louboutin等[10]总结了ACL损伤后继发膝关节OA的主要原因：①关节软骨、半月板以及ACL的原发损伤；②创伤后引发的关节不稳定；③ACL损伤后的局部生物力学机制变化。ACL的主要生理功能在于限制胫骨在矢状面的前后移位以及提供膝关节旋转方位的稳定性。同时，作为限制胫骨前向移位的动力结构，腘绳肌在发挥其生理功能时有赖于ACL上的本体感受器，一旦后者发生损伤，该拮抗机制削弱甚至丧失，加速内侧半月板、内侧关节面软骨以及周围关节囊和韧带的退变和磨损，并使膝关节对于因不稳定而发生继发性损伤的易感性明显增加[11,12]。从文献中所报告的TKA治疗因ACL损伤继发OA而行TKA的结果来看，ACL的原发损伤和后续治疗将会对TKA手术造成一定的难度。Hoxie等[13]报告了36例ACL外伤重建后行TKA的结果，患者行TKA时的平均年龄为53岁，距ACL重建平均间隔19.1年，平均随访45个月，术后功能评分以及伸膝迟滞水平与对照组相比并无显著性差异。术前髌骨低位的发生率为11%，考虑由ACL重建后髌腱短缩所致，而术后无一例出现髌骨低位。Demey等[14]报告了57例ACL外伤重建后行PS型TKA的结果，患者平均年龄为70岁，认为该病例组的主要技术难点在于胫骨侧的显露困难和胫骨后内侧的骨缺损。Magnussen等[15]的研究也得到了类似的结论，TKA术中胫骨侧显露困难，术后容易僵直，术后麻醉下推拿的比例较高。

另一方面，近年来随着TKA治疗原发性膝关节OA所取得的巨大成功，该类患者在进行TKA术前ACL的病理改变和功能状态正在日益受到学者们的关注。特别是对于亚洲人群而言，由于生活、劳动以及宗教活动的需要，膝关节活动范围更大，很多病例属于终末期OA，畸形严重。因此，ACL功能与关节畸形及磨损方式之间的关系值得探讨。

首先，关注组织学层面的研究结果[16-19]。Cushner等[16]在组织学层面证明了ACL在退行性OA病例中的受损状态，在TKA术中切除的19例ACL组织切片中，共有9例（47%）出现了中重度退行性改变，仅有5例（26%）表现正常。Mullaji等[19]对45例OA病例中的ACL和后交叉韧带（posterior cruciate ligament,PCL）的组织学改变进行了对比研究，发现前者出现缺失、断裂及退变的程度明显高于后者，而且ACL退变程度与OA严重程度和关节畸形（内翻）角度呈正相关，而PCL则未表现出上述趋势。

Johnson等[20]利用Lachman试验（麻醉状态下）和MRI评价了200例TKA术中ACL的完整性，经术中证实有155例（78%）的ACL正常。单纯使用Lachman试验的敏感性较差，而合用Lachman试验和MRI的敏感性和特异性可分别高达93.3%和99%。本研究提示利用MRI对TKA术前ACL解剖和功能状态进行评估具有良好的前景。而严重OA患者股骨髁间窝狭窄、髁间及后髁骨赘增生以及关节囊挛缩等病理因素限制了股胫前后位移，临床上进行前抽屉试验或Lachman试验所得到的阳性率会比术中所见低一些。

生理情况下，ACL在膝关节屈曲位呈螺旋状，与股骨髁间光滑的软骨面发生摩擦而极少发生磨损。病理条件下，股骨髁间软骨面逐渐剥脱并被骨赘所替代，研究发现股骨髁间窝狭窄以及骨赘增生可导致ACL的撞击与磨损，进而出现ACL功能的丧失[21-24]。Hernigou等[21]通过屈曲30°前位X线片和CT研究证实因骨赘形成所导致的股骨髁间窝狭窄（具体表现为髁间窝切迹宽度＜12 mm，髁间窝角＜42°）与ACL的缺失密切相关。严重膝内翻患者由于外侧结构相对松弛，于行走过程中出现的外甩（lateral thrust）现象也可能加重ACL的损伤[25,26]。

从合并膝内翻的膝关节OA病例胫骨平台的软骨磨损情况分析，ACL功能不全者以后内侧平台受损为主，而ACL相对完好者以前内侧受累为主。合并ACL功能不全者膝内翻程度更加严重[6,24,27,28]。膝外翻胫骨平台软骨磨损以后侧为主。这种关节磨损模式的改变主要与ACL功能受损所导致的膝关节四联杆稳定结构（four-bar linkage）丧失有关。由于ACL对胫骨前脱位趋势的限制能力下降，股骨内髁相对胫骨平台后移，胫骨侧的股胫接触位点发生后移。同时，ACL功能不全者外侧平台软骨受损比例更高，且与关节力线异常程度（膝内翻）无关，考虑原因与关节运动轨迹改变及关节不稳定有关[8,29]。此外，有研究认为ACL功能不全伴发的本体感觉缺失也会与上述关节磨损模式变化有关[25]。

人工膝关节假体磨损学研究也有类似发现。对于ACL功能完好的固定负重型单髁膝关节假体而言，胫骨聚乙烯衬垫的磨损主要发生在前内侧，而平面对平面型设计的PCL保留型全膝关节假体（PCR）的磨损就主要发生在平台后部。PS型假体由于常规切除ACL而呈现出ACL缺失状态，如股胫接触点后移，导致PCL替代装置凸轮-立柱（Cam-Post）结构发生撞击，局部接触应力明显提高，从而加速立柱前部的磨损。

2 ACL保留型假体设计及其运动学机制

目前国际上众多主流TKA假体均要求切除ACL，尽管中远期随访研究已经证明了其良好的临床效果，但就术后患者的主观感受以及功能状态，如伸膝装置效率和步态仍然存在某些问题[8,30-32]。众多运动学机制研究已经证明了保留ACL在TKA假体设计方面的优越之处[33-36]。Stiehl等[33]通过对ACL和PCL保留型全膝关节假体（BCR和PCR）的比较发现，两者在伸直位股胫接触位点均位于胫骨平台中线偏后方，且PCR的后移现象更加显著。屈曲过程BCR表现为渐进性的股骨髁后滚，只是前后位移距离较小并在高度屈曲位出现反常性的前移；而PCR出现了明显的股骨髁矛盾性前移（paradoxical anterior translation），且以内侧髁为主，违背了膝关节的内侧轴心（medial pivot）股胫旋转机制。Komistek等[34]对ACL保留型和PCL替代型（PS）TKA假体进行了步态比较研究，结果也证明前者的步态参数（包括股骨髁后滚、轴向旋转以及股胫接触位点等）更接近正常膝关节。Moro-oka等[35]比较了在体条件下BCR和PCR假体在步态周期内的运动学机制，前者无论在最大屈曲位还是不同步态位点其股骨外髁的后移和胫骨内旋程度均显著高于后者，再次验证了保留ACL可以在一定程度上恢复正常膝关节的运动学机制。近年来还出现了引导活动式（guided motion）全膝关节假体的概念，其旨在通过关节假体的几何外形和凸轮-立柱替代结构重建膝关节的稳定性和运动机制。引导活动式假体引入了前置凸轮-立柱，替代了ACL在屈膝0°～20°发挥伸直位限制胫骨前脱位的作用，其中以美国施乐辉公司推出的双交叉韧带替代（bicruciate substituting,BCS）型Journey为代表。该假体的股骨凸轮结构采取了非对称性设计，旨在复制屈曲位股骨生理性的内旋机制[37-39]。相关的运动学研究已经证明了BCS假体的运动学机制仍然有别于生理状态，但明显优于其他类型的膝关节假体。

3 ACL保留型假体应用的临床结果

从恢复膝关节生理性的运动模式和力学环境、改善膝关节稳定性和本体感觉以及提高术后功能的角度来说，保留或替代ACL一直是现代TKA孜孜以求的目标。但是保留ACL的确会给TKA造成众多技术上的困难以及远期疗效上的不确定性。首先，保留ACL在胫骨平台上的止点会对手术显露过程以及后续操作造成困难，对于严重畸形的病例并不适宜。其次，胫骨平台金属托将不得不留出ACL的解剖空间从而缩小其表面积，同时无法沿用传统的髓内杆和龙骨（keel）固定方式，使假体的远期固定效果存在疑问。此外，为保证ACL的张力合适还要求保证关节线高度和胫骨后倾角度的稳定。

早期保留ACL的膝关节假体，如多中心型膝关节（polycentric）和几何型膝关节（geomedic），尽管在屈曲度以及远期固定效果方面差强人意，但是患者的主观感受和运动学参数还是要优于同期的ACL切除型假体7年，Townley[40]即报告了采用非限制性解剖型膝关节假体（anatomic knee）的成功经验。Andriacchi等[41]比较了包括全髁型假体（total condylar）、双髌型假体（duopatellar）、几何型假体（geomedic）、Gunston型假体以及Cloutier假体在内的多款早期假体的步态分析数据，结果发现只有采用BCR型假体的患者获得了接近正常的上下楼梯功能。Cloutier[42]报告了45例Cloutier假体TKA术后10年的随访结果，ACL保留组成功率为96%，ACL切除组仅为75%；前者的屈曲度、稳定性以及股四头肌功能也显著优于后者。随后，Cloutier等[43]又报告了163例BCR型Cloutier假体随访9～11年，97%的病例获得优秀或良好的临床结果且未出现胫骨衬垫后内侧严重磨损的问题。Pritchett[44]报告了50例双侧TKA一侧采用PCR假体，另一侧采用BCR假体的比较性研究结果。BCR的术后满意度为70%，而PCR仅为10%，而术后评分、活动度以及伸膝力量等并无显著差异。Pritchett[45]随后再次发表了关于TKA术后患者满意度研究的结果，BCR假体满意度显著高于PCL和PS假体。此外，Buechel和Pappas[46]报告了21例采用BCR半月板承重型LCS假体的12年随访结果，假体生存率为91%，接近CR和PS型假体组的水平。

综上所述，ACL损伤及其继发的膝关节不稳定可以导致关节软骨磨损以及OA的提前发生。而ACL继发性断裂或功能不全是严重膝关节OA的一个特征性病理改变，并且影响到关节畸形和磨损的严重程度。离体和在体运动学和生物力学分析结果证明了ACL保留在现代人工关节设计理念中的意义，这将有可能影响到假体的远期寿命，特别是当今TKA所面临的患者人群正在呈现低龄化的趋势。因此尽管TKA术中ACL保留存在诸多技术难题，但其的确有助于恢复膝关节生理性的运动模式和力学环境，其对于患者术后主观感受和客观功能方面的改善也已被一系列临床报告结果所证实。ACL替代型假体的问世同样具有诸多理论上的优势，其临床效果有待随访分析所证实。

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