膝关节内侧副韧带浅层(sMCL)止点的解剖学及有限元分析
2020-04-02
北京大学第三医院运动医学研究所,北京市运动医学关节伤病重点实验室(北京100191)
内侧副韧带(medial collateral ligament,MCL)是维持膝关节稳定的重要结构之一[1]。内侧副韧带分为深(deep MCL,dMCL)、浅(superficial MCL,sMCL)两层,其与后斜韧带(posterior oblique ligament,POL)、关节囊和内侧肌腱止点一起被称为膝关节的内侧韧带复合体[2]。在膝关节的各韧带中,内侧副韧带浅层损伤发病率较高,占膝关节韧带损伤的42%[3]。该结构的损伤可以导致膝关节内侧的不稳定,同时也可增加其他相关韧带(如前交叉韧带,anterior cruciate ligament,ACL)损伤的风险[4]。
临床上对于内侧副韧带浅层(sMCL)损伤的治疗可分为保守治疗及手术治疗。目前关于治疗原则尚未完全达成共识。保守治疗通常适用于单独的Ⅰ度或Ⅱ度损伤的患者,而Ⅲ度损伤、同时合并多发韧带损伤、止点撕脱骨折、慢性膝关节内侧不稳的患者则通常需要手术干预[5]。手术主要是针对内侧副韧带浅层进行缝合、加强修复或重建。如同时合并后斜韧带损伤,则可同期对二者进行手术处理[6]。对于急性损伤的患者,行断端缝合即可重新恢复其解剖结构。而慢性内侧副韧带损伤的患者,由于其韧带瘢痕形成及挛缩,单纯缝合的手术难度增大,因此,对于这类患者,行重建手术是一种更合理的选择[7]。重建手术的目的在于恢复sMCL的原始解剖结构,包括恢复其纤维走行及止点位置[8]。然而,目前的研究多关注于内侧副韧带浅层的止点中心点,以中心点定位进行重建手术,但手术重建sMCL 时尚未将其止点的形态及其力学特性考虑在内。本研究的目的即是探究内侧副韧带浅层的股骨及胫骨止点的位置、形态及大小,并通过有限元分析计算得到内侧副韧带浅层的力学止点分布,从而为手术治疗内侧副韧带浅层损伤提供解剖依据。
1 材料与方法
1.1 解剖研究
本实验选取10例中国成人新鲜膝关节标本,男6例,女4例。排除有明显膝关节退行性变及解剖异常的关节,关节囊及各韧带结构完整。本研究开始前经北京大学第三医院伦理委员会审查批准,严格遵循人体标本研究的伦理标准。
沿膝关节内侧切开皮肤,逐层分离皮下组织,完整显露内侧副韧带浅层。仔细游离内侧副韧带浅层,沿其中段横行切断,充分暴露其股骨及胫骨止点并标记。对于股骨止点,在止点上方1 mm处用手术刀垂直于纤维走行切断韧带,记录其止点的相关参数。对于胫骨止点,由于其附着面较大呈片状,缓慢沿韧带走行方向将韧带从骨面撕离。拍摄用记号笔标记好的止点,并利用Image J 软件测量止点的相关参数。
1.2 有限元分析
本研究扫描利用正常膝关节的三维薄层核磁影像(MR 0.7 mm*0.6 mm*0.7 mm,分辨率256*256,medic3d sag fs),利用三维重建软件MIMICS 建立膝关节三维模型,进而通过有限元分析软件ANSYS 建立人体膝关节有限元模型,包括股骨、胫骨、腓骨、前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带,通过布尔操作建立韧带与其骨上的附着点的固定连接,内侧副韧带和股骨内侧远端、胫骨内侧近端为光滑摩擦接触。骨组织材料属性设置为弹性模量17 GPa,泊松比(Poission ratio)为0.36;韧带组织的材料属性设置为弹性模量390 MPa,泊松比0.4。模拟临床伸膝内侧副韧带侧方应力试验,固定股骨,胫骨施加外翻力矩10 N·m。数据通过ANSYS 软件求解,分析胫骨和股骨上的sMCL止点的应力分布特点。
2 结果
2.1 内侧副韧带浅层(sMCL)的大体解剖观察
sMCL的股骨止点位于股骨内上髁(medial epicondyle)后上方,距离股骨内上髁距离为6.82 ± 0.64 mm。sMCL的股骨止点呈椭圆形,平均面积为61.64± 7.02 mm2(图1)。sMCL的胫骨止点附着于胫骨嵴(tibial crest)上,距离关节线距离为60.02 ± 0.55 mm。sMCL的胫骨止点近似为矩形,长为28.69 ±4.13 mm,宽为8.99 ± 0.62 mm,长宽比为3.19∶1,面积为217.78 ± 50.32 mm2(图2)。
图1 sMCL股骨止点
图2 sMCL胫骨止点
2.2 内侧副韧带浅层(sMCL)的有限元分析结果
模拟伸膝侧方应力试验,分析股骨与胫骨端的sMCL 止点的应力分布见图3,韧带体部的应力分布见图4。有限元分析结果显示,在固定股骨并施加胫骨外翻应力后,sMCL的体部均存在应力,其中韧带中上部与近胫骨止点处应力最大。sMCL 股骨应力较高处位于股骨内上髁后方,近似一椭圆形,而sMCL 胫骨应力较高处位于胫骨嵴上,形状近似一矩形,与解剖观察的止点位置基本相符。
图3 模拟伸膝侧方应力试验时sMCL股骨和胫骨止点的应力分布图
3 讨论
3.1 sMCL止点的解剖学结果及临床意义
sMCL的解剖学基础对于临床上手术治疗sMCL有重要指导意义,本研究从定性及定量两个方面分别描述了sMCL 止点的形状、大小及与周围解剖标志的距离。目前国际上的文献报道sMCL的股骨止点位于股骨内上髁近端后方,平均面积为71.4~79.6 mm2。而胫骨止点距离膝关节线49.6~62.4 mm,平均面积为266.8~348.6 mm2[1,2,4]。本研究与上述研究一起可为今后sMCL的手术治疗提供解剖学参考。本研究的止点面积较上述研究略小,可能与标本量较少、国人骨骼较小有关。
图4 模拟伸膝侧方应力试验时sMCL体部(从内侧面观)的应力分布图
本研究同时对sMCL 胫骨止点的长和宽进行了测量,结果显示sMCL平均长度为28.69 ± 4.13 mm,平均宽度为8.99 ± 0.62 mm,长∶宽为3.19∶1。该结果揭示了sMCL胫骨止点极其狭长的特性,具有重要的临床意义。目前,临床上在重建sMCL胫骨止点时通常采用的固定方式有缝线锚钉固定[9]、挤压螺钉固定[10,11]、皮质骨螺钉结合带齿垫片固定[12]。上述文献中报道的固定装置的直径范围在5 mm~18 mm 之间。然而,本研究的数据显示,上述方法重建后的止点较sMCL原始胫骨止点小,且形状为圆形,均不能很好地与sMCL 原始的胫骨止点相匹配。这种匹配不当可能会造成重建止点应力发生改变,从而无法使术后重建的韧带恢复sMCL原始的生物力学功能。
3.2 有限元结果分析及生物力学止点重建sMCL的理念
近年来,多项研究证明重建sMCL 可显著改善sMCL损伤患者的临床主观和客观评分[5,9,12],缩小内侧关节间隙及恢复膝关节的外翻稳定性[8,13]。而在ACL与MCL 出现合并损伤时,同时行ACL 与sMCL 重建可以有效恢复膝关节的外翻及旋转稳定性[14]。Delong等[8]在系统回顾了sMCL和后内侧结构的手术效果后,发现解剖重建、非解剖重建及肌腱转移重建sMCL均可明显改善患者症状和体征,而解剖重建效果要优于非解剖重建。无论是何种重建方式,其目的都是重建膝关节的内侧结构,从而恢复sMCL原始的生物力学功能。目前已有文献报道MCL纤维在膝关节不同角度下的应力情况[15,16],然而,尚未有文献报道MCL止点的应力情况。
本研究的有限元结果显示伸膝外翻膝关节时sMCL的应力点接近其止点的位置和形态,表明sMCL原始止点的完整性是其生物力学功能的基础。同时sMCL 胫骨止点的最大应力处位于止点近端,表明sMCL 狭长形止点的近端受到的应力最大。上述结果在重建时均应予以考虑。依据本研究解剖学及有限元分析结果,借鉴本研究所之前对于ACL 止点研究的理念[17],本研究提出生物力学止点重建(biomechanical insertion reconstruction,BIR)sMCL的理念,旨在说明在重建过程中应将sMCL止点的形态及大小也考虑在内,而非传统的中心点定位理论。生物力学止点重建sMCL不仅能恢复其止点的原始形态,达到解剖重建的目的,更重要的是能最大程度地恢复sMCL止点原始的生物力学功能。我们的设想是将sMCL 胫骨重建后的止点变成一狭长形,定位可参照本研究中止点中心点与关节间隙的距离进行定位。具体方法为:在关节间隙下方60 mm处确定sMCL胫骨止点中心点位置,接着结合sMCL 原始胫骨止点的位置,向上和向下各约10~15 mm,向前和向后各约5 mm确定重建止点范围,借鉴肩袖手术中的单排缝合、双排缝合或缝线桥技术[18],将移植物牢固固定于胫骨上。目前国外有文献报道[19]应用“双排缝线-桥”技术,将sMCL重建后的胫骨止点改良成一长条形。生物力学及影像学结果也表明该方法在0°和20°屈膝时与完整膝关节标本无统计学差异,表明其取得了较好的效果。我国目前的研究尚未见对sMCL的重建止点进行改造的相关技术,未来的研究应进一步探究生物力学止点重建sMCL的方法与结果。
4 结论
本研究通过对膝关节sMCL的解剖学探究阐明了sMCL 止点的形态、大小及与相关解剖标志的距离,应用有限元软件分析了sMCL止点的力学分布,同时提出了生物力学解剖重建sMCL的理念,为未来sMCL 手术治疗提供了理论依据及新的重建理念。