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前交叉韧带断裂与膝关节不稳研究进展

一、前交叉韧带断裂继发膝关节软骨损伤的临床与实验研究
膝关节前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)断裂是发生率较高而又严重的运动性损伤,治疗不当会导致膝关节不稳并可继发关节内主要结构损伤,严重影响膝关节运动功能。为探讨ACL断裂后继发关节软骨损伤主要发生部位,发生时间,损伤特征,损伤程度及其与ACL伤后病程间的关系等,我们通过临床与实验室综合研究、分析、探讨ACL断裂后继发膝关节软骨损伤的原因及各种相关因素的作用,从而阐明ACL断裂后尽早施行修复与重建手术,尽快恢复膝关节稳定性,改善关节功能,预防、延缓、减轻软骨退变与损伤的发生的重要作用。
(1)前瞻性临床研究:应用关节镜观察ACL断裂后膝关节软骨损伤的病理改变、发生部位、损害程度,并对损伤发生率、时间、损伤程度与ACL断裂后病程的关系等进行分析对比。(2)回顾性临床研究:在前瞻性临床研究的基础上通过更大样本量病例临床资料进一步研究ACL断裂与继发膝关节软骨损伤的关系。(3)以兔为实验对象,通过ACL切断后不予以重建、即刻重建与择期(3周,待软骨出现轻度退变)重建的试验的方法,实验研究前交叉韧带断裂与继发膝关节软骨损伤的关系,验证临床研究。
通过关节镜观察87例ACL断裂患者发现陈旧性ACL断裂后膝关节软骨损伤发生率(75%)明显高于急性损伤(26%),软骨损伤的病理改变不同,股骨髁软骨“垄沟状”病损是其特征性改变;病程一年内者软骨损伤发生率为60%,一年以上为79.6%,且重度软骨损伤发生率(44.9%)明显高于病程一年内者(4.76%)。419例ACL断裂病例的回顾性研究在上述观察结果的同时发现急性期外髁损伤率(14.1%)明显高于内髁(5.2%),但随病程延长内髁软骨损伤发生率显著增加(38.1%),而外髁的趋于稳定。实验研究表明ACL切断后即刻重建,关节软骨退变明显轻于对照组;择期重建组关节软骨与对照组比较差别无显著性。
临床研究表明ACL断裂后膝关节软骨损伤发生率明显增高;损伤程度随病程延长而加重;软骨损伤以内髁负重区最为严重,但与半月板损伤无明显关系。ACL原始损伤时由于直接暴力造成外侧间室软骨损伤,伤后则主要由于膝关节不稳而继发内侧间室软骨损伤。实验研究表明ACL切断后可继发膝关软骨损伤,待关节软骨出现退变后再进行韧带重建,对其退变缓解作用不明显,然而切断后即刻重建ACL可以有效阻止关节软骨退变。ACL断裂引起膝关节不稳的同时可继发严重的关节软骨损伤,严重影响膝关节功能。ACL断裂后应尽早手术修复重建,尽快恢复关节的稳定性,改善功能,预防、延缓、减轻软骨退变与损伤的发生。
二、前交叉韧带双束重建的解剖、生物力学研究
根据解剖与生物力学特性,前交叉韧带ACL可分为AMB与PLB两束,这也是ACL双束重建的基础。文献报道AMB主要在屈膝时紧张,而PLB主要在伸直位紧张,其紧张程度随屈膝角度的改变而不同,二者表现为交替紧张。试验中发现,随着屈膝角度的增大(胫骨前向加载条件下,类似ADT),ACL中紧张的纤维束逐渐减少,屈膝60°时紧张的纤维束最少,之后紧张的纤维束逐渐增多,屈膝120°时所有纤维束基本都紧张。可见在屈膝90°位与30°位两个不同屈膝角度下确认AMB与PLB会出现两束重叠的现象(Harner等人分束法),即两束中间的纤维既被分在AMB又被分在PLB。在屈膝90°位(Mochizuki等人)区分AMB与PLB会将一些重新紧张的纤维化分为AMB,而这部分纤维在屈膝过程中的表现与PLB无明显区别。我们认为在屈膝60°位将ACL分为AMB与PLB两束是较为科学的,在该条件下,ACL中松弛的纤维束最多,紧张的纤维束最少,即所选定的AMB在屈膝过程中均保持紧张,但由于正常屈伸膝关节时,韧带本身受到的应力较小,紧张程度较低,为方便分束,所以分束时要给予胫骨前向加载。 
试验中发现AMB是ACL中防止胫骨前向移位的最主要功能束,因为它们在屈膝全范围内对抗胫骨前向载荷过程中均处于紧张状态。当然,不能认为该部分纤维完全具有等长性,因为膝关节在实验过程中处于持续的胫骨前向加载状态,纤维束较小的长度变化可以由胫骨向前轻度移位代偿,但可以认为本实验确定的AMB基本具有等长性,因为在屈膝过程中胫骨没有明显向前移位。PLB在膝关节伸直位及深度屈膝时(>120°)均紧张,其他角度时基本松弛,因此,我们认为PLB在维持膝关节前向稳定性方面起到了补充作用。 
最近文献报道主张ACL双束重建时解剖定位,认为只有解剖定位才可以发挥ACL双束重建的优越性,更好的恢复膝关节的稳定性。因此,ACL双束重建在文献上也被成为解剖重建。
除了解剖学观察外,生物力学测试证明ACL解剖双束重建可以完全恢复膝关节的稳定性,包括旋转稳定性,而非解剖双束重建不能有效恢复旋转稳定性。所用设备为机器臂/万用力矩测试系统。
关于ACL双束重建中骨道定位方面的解剖学及生物力学研究很多,该领域研究在最近几年一直是研究的热点,说明大家已经认识到骨道定位在ACL重建中的重要意义,也说明在骨道定位方面大家的认识还不统一,没有找到一个理想的定位方法。有一点是基本一致的,即绝大多数人采用的是中心定位法。将骨道定位于纤维束止点的中心以重建该纤维束是该方法默认的规则,没有得到试验证明。
我所研究发现:ACL双束重建时骨道位置并不应该都位于AMB与PLB止点的中心点。在股骨骨道方面,AMB骨道中心应该定位于over-the-top点,因为我们术中观察发现该点周围的纤维束在屈伸膝关节时紧张的范围最广,基本涵盖全伸屈范围,具有良好的等长性,是最能代表AMB功能的纤维束另外,目前ACL单束重建一般均采用该点做为骨道中心点,单束重建在维持胫骨前向稳定性方面的效果已经得到了大量试验和临床研究的证明,可见,应用over-the-top点做为AMB股骨骨道中心点是科学的,试验中我们发现over-the-top点与AMB股骨止点中心点并不是同一个点。
在胫骨骨道方面,既往的研究已经发现ACL在胫骨止点处呈现为坡脚状,并且证明ACL单束重建中胫骨骨道应该适当向后,否则移植物与股骨髁间窝之间将会发生撞击,导致重建失败。目前ACL双束重建均主张采用中心定位法,我们在试验中发现在ACL胫骨止点中存在“撞击线”,骨道位于该线之前就会发生移植物与髁间窝的撞击,而采用AMB止点中心做为骨道中心时,骨道已经位于撞击线之前,因此,我们认为应该采用新的定位理念,将AMB与PLB胫骨骨道均定位于撞击线之后。力是按照直线作用的,不经过滑轮样结构力是不能改变方向的。所以施加于ACL体部载荷是不能直接作用于“撞击线”前方止点的,而是通过B线后纤维和前方纤维的联系而作用于前方纤维。该部分止点的作用是增加韧带-骨界面面积,以减少止点处应力过分集中。ACL体部纤维载荷所直接作用的止点(本研究称为力学止点)应该均位于“撞击线”之后,即ACL胫骨止点中位于B线之后的部分为其力学止点。鉴于目前所用替代物均为条形或圆柱形等线性结构,ACL重建尚不能复制其胫骨止点的锚状结构,所以ACL重建时应该选用该纤维束胫骨止点处的力学止点,我们称之为力学重建。
应用上述定位理念,我们在新鲜尸体标本上进行了模拟重建,并进行了生物力学测试,结果发现应用上述定位理念双束重建ACL基本恢复了膝关节的稳定性(没有完全达到),较单束重建有明显的优越性。但临床上应用上进行ACL双束重建,并与单束重建对照组,结果发现二者在KT-2000及膝关节功能评分方面都没有明显差异。
三、前交叉韧带重建后有关稳定性的在体研究:
文献报道ACL双束临床效果好,但目前缺乏相关的检测手段,尤其是膝关节旋转不稳方面。因此,ACL重建后膝关节稳定性的在体研究成为了研究的热点。
1. 电磁技术方面
应用电磁效应量化Pivot shift test,电磁场具有三维定位与示踪的功能,该系统包括一个电磁发射器与3个电磁接收器,其中两个电磁接收器安放在受试者的大腿与小腿上,一个安装在标记笔上,应用标记笔标志所需解剖点的位置,分别在股骨与胫骨上建立坐标系统,以测量二者位移的距离与旋转的角度。
2. 术中导航技术在膝关节稳定性测量方面的应用
利用导航技术进行全膝置换术及交叉韧带重建术已经基本成熟,国内外均有很多报道,它主要是利用红外线三维定位与示踪技术,即在术中对膝关节进行影像学检查,将图像输入电脑,然后应用定位器将需要的解剖点标志到图像上,再将操作工具与图像间建立三维位置关系,该系统可以引导工具到达预定位置。
试验中将股骨与胫骨位置均进行了示踪,然后记录不同操作下胫骨与股骨的位置(各角度连续录像式记录),以股骨为参照物,将不同操作下胫骨的位置进行比较测量,计算出不同操作下胫骨的移位情况。例如,将Lachman test过程中胫骨位置与膝关节被动屈伸时胫骨位置比较,就可以计算出Lachman test中胫骨的移位情况,对Pivot shift test同样。
通过不同顺序进行ACL双束重建(组1:ACL断裂——AMB重建——PLB重建,组2:ACL断裂——PLB重建——AMB重建)分别进行试验测量。发现:ADT试验中AMB作用大于PLB(前向移位方面),Lachman test中PLB作用大于AMB,在Pivot shift test中两束均有控制胫骨前移的作用,PLB在控制胫骨旋转方面大于AMB。
3. 正交透视与MRI成像组合技术
1. MRI扫描与三维成像:即将MRI扫描图像进行3D重建,产生膝关节3D模型,并可将ACL分束。
2. 受试者在正交透视机下运动,产生正交透视图像,将以MRI图像为基础的3D模型置于该图像中,在6个自由度上调节大小与方向,最终让3D模型的正交投影与受试者真实的正交投影完全吻合。此时,3D模型的大小位置与试验者的膝关节高度一致,据研究其位移精度达到0.1mm,其旋转精度达到0.3°。可以进行多个体位或动作的透视与转换。
3.应用高清晰度MRI成像重建关节的3D模型,由于MRI成像有明显局限性,不能在患者做动作时进行瞬时成像,因此改用正交透视系统进行瞬时成像,通过模拟透视获得该模型的正交透视图,然后调整3D模型位置与大小,让两个正交透视图完全重合,从而使3D模型与受试者在该动作中关节的位置大小高度吻合,即间接获得了该动作时关节的3D瞬时成像。然后进行测量。
4. 高速双平面放射摄像系统
该系统没有MRI、CT等三维成像,主要依靠X线照相进行影像
学分析,需要术中植入钛金属标记物。患者运动速度可以稍快,可以模拟下坡,但测量精度有限,图像分析受限。通过下坡跑步分析,ACL单束重建没有恢复膝关节的旋转稳定性。
5. 开放式MRI技术
胫骨前移距离测量方法:先确定股骨外髁的中矢状面,再确定其中心点,然后测量该中心点与胫骨后缘的距离。 ACL重建后膝关节在Lachman test中的位移测量;完整膝关节在Lachman test中的位移测量(屈膝20°);ACL重建后膝关节在ADT中的位移测量;完整膝关节在ADT中的位移测量。该研究发现ACL单束重建后没有完全恢复膝关节的稳定性。

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