后交叉韧带与相关结构的生物力学

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。