后交叉韧带与相关结构的生物力学

【关键词】  生物

　　人们对膝关节后交叉韧带(posterior cruciate ligament，PCL)的基本解剖和功能已有了一定的认识。PCL有一个相对密集的胫骨附着部，位于内、外侧半月板后角之间，关节线下方的胫骨后窝，纤维向上前方走行，呈扇形，在股骨有相对更广泛区域的附着部，位于股骨内侧髁的髁间窝面，自临近髁软骨面的前上部向后下延伸。许多研究己表明PCL是跨越膝关节最强大的韧带，主要限制胫骨后移。尽管有了这些基本知识，但PCL仍是未解之谜，一部分PCL断裂的病人膝关节功能并无明显障碍，许多医生对单纯PCL损伤不主张手术治疗［1,2］。按生物力学—组织形态适应的法则，强大的韧带应承受大的应力。很明显，如此强大的PCL断裂后并不引起明显膝关节功能障碍的确令人费解。
   
    自从膝关节前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)损伤的后果和轴移不稳定现象被描述以来，30多年前人们先是尝试关节外重建手术，以减少胫骨平台外侧面的过度前移。后来关节内髌腱移植重建术兴起，关节外重建的方法渐渐被放弃，医生们更注重如何关节内解剖重建交叉韧带，而忽略了关节外韧带结构的重要性，忽视了除交叉韧带损伤外，如果存在关节外韧带损伤也需修复重建。本文的目的在于揭示相对不被重视的关节外韧带结构与PCL的协同作用，并解答为什么单纯PCL断裂后膝关节仍能保持较好功能。

　　1 PCL生物力学

　　1.1  强度
   
许多研究者报道了PCL的整体张应力强度。Kennedy报道为1051 N，Marinozzi报道为855 N，Prietto报道为1627 N，Trent报道为739 N［3］。这些数据可能低估了PCL的强度，因为PCL纤维走行方向不同，单向牵拉整个韧带时，韧带纤维被拉紧时发生相继的断裂。Butler等［4］发现分束对PCL进行测试，其总强度高于整个PCL的测试强度。一般认为PCL由两个功能纤维束构成，按它们在股骨附着的相对位置被称为前外侧束和后内侧束。Race和Amis［5］分束测试PCL强度，发现前外侧束强度为1620 N，后内侧束为258 N，这种差别与两束的截面积(分别为43 mm2，10 mm2)和组织承受最大应力(分别为35.9 MPa，24.4 MPa)的不同有关，这一研究表明前外侧束是PCL最强的部分。以上测试标本均取自平均75岁的老年人，青年人ACL强度是老年人的2.5倍，若在PCL也是如此，估计在青年人PCL强度为4.5 kN，为体重的5～6倍。

　　1.2  胫骨后移
   
    单纯切断PCL，在伸膝位很少发生胫骨后移，而在屈膝位则胫骨后移增大。故此，临床检查PCL应采用屈膝90°位的后抽屉试验。多数研究认为PCL的两束在伸屈膝关节不同位置的松紧度是明显不同的，前外侧束在伸膝位松弛，MRI表现为PCL信号呈弧线状，而中度屈膝位拉紧；后内侧束则在完全伸膝位拉紧，中度屈膝位松弛。Race和Amis［6］在选择性切断试验中发现，前外侧束在屈膝30°～120°，是限制胫骨后移的主要结构，在此屈伸活动弧内，后内侧束分担前外侧束的部分负荷；而在深度屈膝时后内侧束成为限制胫骨后移的主要结构。虽然后内侧束在完全伸膝位时拉紧，但它对限制胫骨后移的作用并不大，因为它的纤维主要是上下排列，此种排列走向不利于限制胫骨后移。以上研究表明，PCL的两束在不同屈膝角度时限制胫骨后移的作用交互变化，但是Papannagari等［7］和Jordan［8］的人体MRI研究发现：PCL前外侧束与后内侧束在膝关节0°～120°伸屈范围，其长度均在增加，超过120°后其长度均减少，提示两束间并不存在交互功能变化。两束的行走方向提示在深度屈膝位前外侧束主要限制内外移位，而后内侧束主要限制前后移位。值得注意的是在完全伸膝位至屈膝20°位，主要限制胫骨后移的是其它结构，而不是PCL。这就是说若近伸膝位后侧不稳定很可能是其它结构而并非PCL损伤。此种情况下，单纯重建PCL不能恢复正常稳定性。

　　1.3 胫骨内、外旋和内、外翻
   
    许多研究表明PCL对于完整膝关节的旋转与内外翻仅是次要稳定结构，这是因为PCL接近膝关节中心，仅有相对小的力矩，对于旋转与内外翻稳定的作用处于力学上不利的位置。
   
　　2  后外侧结构

　　2.1  功能解剖
   
    膝关节后外侧区又称后外侧角(posterolateral corner，PLC)，其韧带样结构的解剖既复杂又有变异。其中一些结构，如弓形韧带、小豆腓韧带在许多人并非恒定存在。腘腓韧带是直接连接股骨与腓骨的韧带结构，具有限制胫骨外旋的作用，但多年来对它们解剖及功能一直认识不足［9］。腘腓韧带与腘肌的主动张力作用相复合，而腘肌是具有内旋胫骨的作用。总的来说，外侧副韧带(lateral collateral ligament，LCL)和所有附着于股骨外上髁LCL止点后侧的其它结构，如关节囊、弓形韧带、小豆腓韧带等，在完全伸膝位紧张，而屈膝时放松。相比之下，腘腓韧带复合体是等张结构，它在屈伸膝关节的所有的角度均具有稳定作用，而LCL在屈膝超过30°则松弛。以上结构是由股骨向后下斜行止于胫骨，因此具有限制胫骨后移和胫骨外旋的作用，此结构损伤表现为后外侧旋转不稳定(posterolateral rotational instability，PLRI)，即胫骨后移与外旋异常增加的综合表现。伸膝位可观察PLC复合体紧张，并抵抗后抽屉应力，表明正是此结构而不是PCL对于限制伸膝位胫骨后移至关重要。

　　2.2  后外侧结构的强度
   
    两个试验研究了LCL和腘腓韧带的强度。Maynard等［9］发现其强度分别为750 N和425 N，而Sugita和Amis［10］在平均70岁尸体标本上测定结果分别为309 N和186 N。这说明LCL显著强于腘腓韧带。

　　2.3　胫骨后移
   
    如前文所述，单纯PCL断裂仅导致伸膝位轻度的胫骨后不稳，而其它结构才是伸膝位后侧主要稳定因素。也就是说，过伸和内翻损伤导致的单纯后PLC断裂在伸膝位表现后侧不稳最明显。实验表明，完全伸膝位在100N的后抽屉力作用下，胫骨后移由结构完整时的3 mm增加至切断后外侧结构后的10 mm，而在屈膝90°位时，则仅由5 mm增加至6 mm。这表明后PLC损伤主要影响伸膝位的后侧稳定性，而PCL损伤则影响屈膝90°位后侧的稳定性［3］。若PLC合并PCL损伤则胫骨后移明显增加，Gollehon等［11］和Grood等［12］发现联合切断PCL和PLC可造成屈膝90°位25 mm左右的胫骨后移。

　　2.4 胫骨内、外旋转
   
    由于后外侧结构由前上向后下斜行，小腿内旋时使其松弛，故后外侧结构损伤对小腿内旋稳定性没有影响，相反，后外侧结构主要限制胫骨外旋。研究发现单纯PCL切断对胫骨外旋稳定性并无可测量到的影响［11，12］；切断PLC则导致的胫骨外旋明显增加，在膝关节伸屈0°～30°位最明显，而在屈膝90°位时，对外旋稳定性的影响较小；若同时切断PLC与PCL，在屈膝90°位外旋不稳进一步增加。Veltri等［13，14］的研究表明腘腓韧带复合体是膝关节屈伸范围中限制胫骨外旋的基本结构，因为它在膝关节屈伸范围内均处于紧张状态［10］。
   
    PLRI描述的是后外侧结构损伤所致的胫骨外侧平台的过度活动。如果PCL保持完整，胫骨平台整体上并不后坠，而表现为围绕中央轴的胫骨过度外旋。然而，若PCL也断裂，胫骨仅内侧被拴系着，表现出胫骨后移加上过度外旋，可见到腓骨小头过度的病理性活动。这种伴发的旋转运动在行后抽屉试验时会自然发生。很明显，屈膝0°～30°位胫骨外旋显著增加是诊断后外侧结构损伤的依据，通常采用“拨表盘试验”来检查胫骨外旋。双手握好病人双足，施加外旋力，伤侧表现为过度外旋。

　　2.5 胫骨内翻
   
    LCL近伸膝位处于紧张状态，是限制屈膝5°～25°位膝内翻的主要结构，占屈膝5°位抗内翻作用的55％～69％，后关节囊结构，如弓形韧带、小豆腓韧带等，仅占5°屈膝位抗内翻作用的13％，而在进一步屈膝时这些结构则松弛［15］。ACL于近伸膝位时拉紧，是次要的膝内翻限制结构。虽然ACL比LCL强壮，但它位于髁间部，在内翻活动的轴点附近，力矩明显变小。

　　3 后内侧结构

　　3.1 功能解剖
   
    内侧副韧带(medial collateral ligament，MCL)由2层构成，内侧副韧带浅层(sMCL)起自股内收肌结节前下方，纤维呈纵向平行向下行走，止于关节线下6～8 cm胫骨骨膜。内侧副韧带深层(dMCL)起于sMCL股骨附着部下方，与内侧半月板周缘相附着，止于关节线下胫骨平台内侧缘。sMCL纵向平行纤维的后方，深、浅两层融合，对此结构有不同的认识。Warren和Marshall［16］将此部分统称为“后内侧关节囊”(posteromedial capsule，PMC)，而Hughston和Eilers［17］认为此部分有着明确的纤维走向，是一种独立的韧带，称之为后斜韧带。总之，这部分纤维走向是在完全伸直位即被拉紧，而在屈膝位时松弛。PMC在股骨上的附着部较宽大，由内侧副韧带浅层的后方跨越股骨内侧髁后的凸起的近侧。在伸膝位股骨髁撑开后内侧关节囊，并将其拉紧。伸膝位PMC纤维向后下行走，朝向关节线，因此，此结构拉紧时抵抗胫骨后移和内旋。屈膝时，PMC松弛，深度屈膝位时该结构移至内侧副韧带浅层后缘的深部。在关节线远侧，PMC纤维向后下行走，附着于内侧副韧带浅层后侧。有学者提出半膜肌腱鞘可牵张PMC，但也有学者认为在低度屈膝位时半膜肌的作用力与股骨干纵轴平行，向近侧牵拉PMC。由于PMC的近侧部在关节线的近侧，故肌肉收缩时该部分仍保持松弛，不会产生动态稳定作用。Robinson等［18］将膝关节后内侧韧带结构统称为后内侧角(posteromedial corner)或称内侧副韧带复合体(medial collateral ligament complex)，包括sMCL、dMCL和PMC三部分。

　　3.2  韧带强度
   
    许多学者研究并获得了MCL的强度数据。Kennedy等报告MCL强度为665 N，Marinozzi等报道为465 N，Trent等报道为516 N［３］。但以上数据均是测定的整个后内侧结构。Robinson等［19］分别对后内侧结构进行力学测试，dMCL平均拉长7 mm时断裂，其强度为194 N；sMCL平均拉长10.2 mm时断裂，强度为534 N;PMC在平均拉长12 mm后断裂，强度是425 N。这说明平均77岁的标本总MCL强度超过1 kN，要比以前想象的强度高，高于同年龄段ACL的强度。此外，该资料还提示dMCL断裂发生在7°外翻张开损伤，而MCL完全损伤则需12°外翻损伤。

　　3.3 胫骨后移
   
    PCL缺失、屈膝90°位的条件下，Ritchie等［20］发现若胫骨保持于内旋位，胫骨后移减少，切断后内侧关节囊可造成胫骨移位增加4.1～4.5 mm，若进一步切断sMCL则造成胫骨移位增加20.3 mm。因此，sMCL似乎是PCL缺失屈膝位情况下最重要的限制胫骨后移结构。
   
    当膝关节伸直位时，PMC拉紧，限制胫骨后移。无论PCL完整或断裂，后内侧结构在胫骨内旋位对阻止胫骨后移均具有重要作用。Robinson等［21］发现在伸膝胫骨内旋位PMC抵抗150 N后抽屉应力的42％。系列切断研究表明：屈膝15°位完整膝关节后侧松弛度为6.5 mm，切断PCL和MFL后增加至10.2 mm，进一步切断PMC则增加至13.2 mm［3］。

　　3.4  胫骨内、外旋
   
    PMC和sMCL在完整膝关节是抵抗胫骨内旋的重要结构，伸膝位切断sMCL和dMCL对胫骨内旋稳定性无显著影响，但切断PMC胫骨内旋增加8°～23°。当屈膝30°以上时，PMC抵抗胫骨内旋的作用减弱，而sMCL的作用增强，成为主要的限制胫骨内旋的结构，屈膝60°～90°时，单纯切断sMCL胫骨内旋增加7°。总之，伸膝位或接近伸膝位时PMC是限制胫骨内旋主要结构，而屈膝位sMCL是限制胫骨内旋的主要结构［２１］。
   
    dMCL和sMCL在正常膝关节均具抵抗胫骨外旋的作用，dMCL在深度屈膝时作用更明显。虽然dMCL并不是内侧韧带复合体最强壮的部分，但由于它所处的位置深在，长度较短，故在外旋应力的作用下，它的张力快速升高。sMCL在伸曲范围内均具有限制外旋的重要作用。而PMC的纤维走形在胫骨外旋位是松弛的，故不能限制胫骨外旋。Pritsch等［22］发现切断MCL可以导致与PLC损伤类似的胫骨外旋异常增加，故在临床检查时应注意行内、外翻应力试验，以区别两种损伤。

　　3.5 胫骨外翻
   
    Mains等［23］分别切断sMCL、dMCL、PMC，施加3.
5 Nm的外翻力矩后测定松弛度。切断sMCL，膝关节伸曲0°位时外翻张开2.5°，屈膝20°～25°时为张开5°，屈膝45°时为4°；切断dMCL，在屈膝45°时也造成4°外翻松弛的增加。sMCL被认为是主要外翻稳定结构，而dMCL相对作用较小。PMC似乎于膝过伸发挥抵抗膝外翻的作用，但其作用大小并未测定。Nielsen等［24］发现屈膝60°位膝外翻松弛度最大，切断MCL外翻松弛度增加2°，进一步切断内侧关节囊松弛度增加至9°，再进一步切断ACL松弛度增加至24°，但Nielsen的研究并未分析各结构的作用大小。Grood等［15］发现屈膝25°位，内侧胫股关节间隙张开6 mm时，MCL是限制外翻的主要结构，抵抗负荷的78％，但没有分别测定dMCL和sMCL。他们注意到屈膝25°位时PMC松驰，其限制膝外翻的作用仅占4％，在屈膝5°位时，PMC开始拉紧，其作用增加至18％。ACL、PCL和后关节囊是膝外翻稳定的次要结构。而关节囊主要是提供内侧半月板附着的重要结构。但不是限制膝外翻的主要结构。
   
    sMCL的纵向平行纤维在整个膝关节伸屈活动弧都是限制膝外翻的主要结构。此结构损伤后，伸膝位出现3°外翻增加，而屈膝30°位表现为5°的增加，这与临床检查所见相符合。在屈膝30°位更易发现sMCL损伤，因为在伸膝位后关节囊拉紧，不容易检查出外翻松弛。dMCL对外翻稳定性的作用较小，屈膝15°～90°时，大约为3°。尽管在整个膝关节伸曲范围内，sMCL是主要的限制膝外翻的结构，但PMC在伸膝位对外翻稳定性有重要作用。完全伸膝时PMC抵抗29％的外翻力矩，屈膝30°时减少为14％，屈膝90°时<5％［21］。与尸体切断研究不同，临床上所见的病例很少是单纯某一个结构的损伤。即便是仅一个主要韧带束断裂，其它相关结构也会受到不可逆的牵拉，这意味着临床检查会见到更明显的不稳定。   

　　4 半月板股骨韧带

　　4.1 功能解剖
   
    两条半月板股骨韧带(meniscofemora lligaments，MFLs)连接于外侧半月板后角与股骨内侧髁髁间窝面，分别走行于PCL的前侧和后侧。Humphry韧带，又称前半月板股骨韧带(aMFL)行走于PCL的前侧止于股骨内侧髁髁间窝面近关节软骨处。Wrisberg韧带又称后半月板股骨韧带(pMFL)行走于PCL的后侧，止于髁间窝顶内侧。aMFL于屈膝位紧张，而pMFL于伸膝位紧张，彼此相反的紧张与松弛功能在与PCL的两束类似。93％的标本至少有1条MFL存在［25］。在青年人标本中2条MFL共存的比率更高一些［26］，说明随着年龄的增加MFL退变。MFLs的高出现率以及其特性提示它们有稳定膝关节的功能。

　　4.2 强度
   
    aMFL的强度一般略低于pMFL，抗张力强度分别300.
5 N和302.5 N，与PCL的后内束相当，而其弹性模量与PCL前外侧束类似［27］。

　　4.3胫骨后移
   
    MFLs是限制胫骨后移的次要结构［28］，在完整或PCL缺失膝切断MFLs都会造成后侧松弛度的增加，以屈膝位时这种现象最明显。在完整膝屈曲90°，MFLs抵抗后抽屉力的28％，当PCL缺失时，其作用增加至70％。因此在完整膝关节MFLs起到PCL的协同作用，当PCL断裂时MFLs发挥类似PCL的作用。

　　4.4胫骨内、外旋
   
    MFLs斜行走向，提示它们可能有维持旋转稳定性的作用，但选择性切断研究并未发现它们具有明显作用。这可能是MFLs位于胫骨旋转轴心，故对旋转稳定性的作用较小。

　　5 临床相关问题
   
    PCL：是膝关节最强大的韧带，正因如此，PCL损伤多是由强大暴力所致，多伴有PLC或PMC损伤，而单纯PCL断裂少见。因此，临床上应高度重视PCL损伤所合并的关节外韧带损伤的诊断与处理［29,30］。
   
    PCL由两条功能纤维束构成，很明显，PCL不是等长结构，无法行等长重建。Harner等［31］学者提出双束重建PCL，并在实验研究证实双束重建恢复膝后侧稳定的效果优于单束重建，但尚无双束重建优于单束重建的临床报告。
   
    后外侧结构手术重建的结果尚不够理想。从生物力学的角度，后外侧结构主要限制胫骨内翻和外旋以及近伸膝位胫骨后移，以保持行走时膝关节负重的功能位置，其在功能上可能比PCL更重要。因此，需要进一步了解后外侧结构的生物力学，改进重建术式。
   
    对后内侧结构近年来重视不够，仅对它在稳定膝关节的作用有基本认识。很明显，sMCL是抵抗膝外翻的主要结构，此外，后内侧结构对于控制胫骨后移，特别是胫骨内旋、伸膝位的胫骨后移具有重要意义。PMC损伤应手术修复或重建［29］。
   
    现已认识到MFLs是抵抗胫骨后移的次要结构，采用关节镜和影像学检查辨认这些结构是否存在是有意义的，特别是在PCL断裂的情况下。在PCL重建时保留MFLs是有益的，因为完整的MFLs有助于PCL缺失膝的后侧稳定，使其保持相对较好的功能。
   
    总之，膝关节后内侧与后外侧结构是控制胫股关节后侧稳定的重要结构，特别是在伸膝位其作用更为重要，而以往多认为后侧稳定都是PCL的功能，实际上，粗大的PCL主要是在屈膝位发挥作用，而在伸膝位PCL松弛。需进一步研究PCL以及它与后内侧、后外侧结构和MFLs的功能协调关系，指导临床诊治方案的制定及更加合理的重建术设计与发展。

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作者单位：解放军第88医院骨科中心，山东 泰安 271000