7.3.1 研究背景

7.3.1 研究背景

前交叉韧带是膝关节中的重要韧带，对维持膝关节的稳定性有着至关重要的作用，主要起到限制胫骨过度前移和过度旋转的作用。前交叉韧带的损伤不仅容易导致膝关节失稳和屈伸功能的障碍，而且还会逐渐的影响到关节内其他组织，如半月板和软骨等的继发性损伤。超过50%的前交叉韧带损伤患者均发生了不同程度的骨关节炎，严重情况下不得不进行膝关节置换，因而显著的影响了生活质量[21，22]。前交叉韧带损伤在膝关节运动性损伤中非常常见，尤其是在滑雪和跳跃着陆等运动中。研究者们提出了各种各样的训练方法和护具来降低膝关节的损伤率，但效果并不显著[23，24]。而且，前交叉韧带一旦撕裂之后难以自动愈合，由于它位于膝关节的关节腔内部，血供较差，撕裂后难以使断端再次连接愈合。保守治疗即使数年之久，仍然难以在刚度和强度上达到正常的水平。

前交叉韧带重建是目前应用最多的解决该韧带撕裂的临床手术方法，该手术通过一条自体或者异体的韧带移植体来替换掉撕裂的前交叉韧带，从而再次重建膝关节正常的约束结构。该手术的三项基本流程要素为：韧带移植体的制备，骨隧道的创建和韧带移植体的固定，如图7-17所示。目前的研究显示，手术成功的关键因素之一是要重建膝关节正常的生物力学环境。此种方法能在术后的短期内恢复膝关节的稳定性，降低膝关节骨性关节炎的发生率[22]。但是就术后长期疗效来说，一些并发症并未得到有效的解决，如骨隧道扩大及骨性关节炎。

骨隧道扩大是指胫骨或股骨隧道的宽度增大，导致韧带移植体与骨之间发生松动，进而无法稳定的结合，此时一般需进行翻修手术。在翻修术中，骨隧道扩大对于移植物的重固定和愈合都是巨大的挑战，这些因素也恰恰是决定翻修手术术后效果的重要因素。在前交叉韧带重建后，骨隧道附近的力学环境可能发生改变，继而导致了该处异常的骨重建，尤其是手术中植入物可能产生的应力遮挡效应，使得骨隧道与骨之间的界面发生骨吸收现象。导致骨隧道的扩大。此外，由于韧带移植体往往利用螺钉固定在骨隧道深处，在关节面附近，骨隧道和韧带移植体之间存在着一定程度上滑动和摩擦，加之关节液的渗入，也可能是导致骨隧道扩大的重要因素。

骨性关节炎是一种退行性病变，是指由各种因素导致的慢性的关节软骨退化性损伤，多表现为关节疼痛、活动受限及关节畸形等。虽然导致骨关节炎的因素复杂多样，但生物力学因素在其中起到了重要的影响。例如，关节载荷过量、肥胖、损伤等都对骨关节炎的发生有促进作用。前交叉韧带手术恰恰在一定程度上恢复了关节正常的运动学规律，因而降低了骨关节炎的发病率。

综上所述，上述两种关于前交叉韧带重建的并发症的发病机理虽未得到清楚的认识，但研究已表明，生物力学因素在其中扮演着重要的角色。前交叉韧带重建手术有可能导致术后膝关节力学环境的改变，进而影响正常骨重建及关节软骨代谢，同时影响韧带移植体与骨隧道的结合，因此有必要对前交叉韧带重建的力学环境进行详细的研究。

前交叉韧带重建可以在一定程度上恢复膝关节的运动学规律，临床上提出了双束前交叉韧带重建的手术方案。按照力学功能及解剖形态的不同，临床上将前交叉韧带定义为前内侧束和后外侧束，前内侧束主要限制胫骨相对于股骨的过度前移，且在膝关节屈曲时张紧，伸直时松弛；后外侧束主要限制膝关节的过度内旋，且在膝关节屈曲时松弛，伸直时张紧。因此，临床上提出采用两条韧带移植体来替换损伤的前交叉韧带，以期重建后的韧带能同时实现前内侧束与后外侧束的约束功能，如图7-18所示。有离体研究表明，双束重建比单束重建更能有效恢复膝关节稳定性[25]，并且双束重建比单束重建更能很好地恢复膝关节的剪切及旋转稳定性，从而恢复膝关节的正常运动学规律[26]。在术后短期内，该手术的成功率接近90%[27]。然而，一些远期的术后并发症如骨隧道扩大等问题不容忽视。

在韧带重建的手术中，必须在胫骨和股骨中建立骨隧道，从而对韧带移植体进行固定。骨组织中的骨隧道结构可能会破坏骨组织中正常的载荷传递，从而影响膝关节中，尤其是骨隧道周围的力学环境，进而可能导致异常的骨重建现象，成为引发骨隧道扩大和骨关节炎的诱因。而与单束前交叉韧带重建相比，双束重建不得不建立两条骨隧道，以固定额外的韧带移植体。因此，可能会对膝关节中的力学环境产生更为严重的影响。Au等人在单一骨隧道模型的基础上提出，骨隧道的出现会导致骨组织上的应力遮挡。而根据Wolff定律，应力遮挡导致的骨吸收效应会使骨隧道形态发生变化而表现为隧道宽度增大，从而有可能成为骨隧道扩大的重要因素。不难推测，当骨隧道增加为两条时，骨组织上的应力遮挡现象将更为严重，即双束重建可能因此破坏膝关节的正常力学环境而导致术后远期骨隧道扩大。部分临床研究表明，骨隧道的存在及其所处位置确实会影响前交叉韧带重建的术后疗效，也有学者提出，单束或双束重建的选择应参考患者的个体差异[2831]。然而骨隧道的存在及其所处位置究竟是如何具体影响关节上应力分布及手术效果还未得到有效的定量性认识。

另一方面，骨隧道的位置和角度也会对术后膝关节中的力学环境产生影响。由于韧带移植体固定于股骨和胫骨的骨隧道中，所以骨隧道的位置和角度直接影响到韧带移植体对膝关节的约束效果，从而改变膝关节正常的运动规律及骨组织上的力学环境。此外，不合适的骨隧道可能会导致韧带移植体与股骨髁发生碰撞，是韧带重建手术失败的重要原因之一[26]。传统的经胫骨重建的手术方式较易产生以上的问题，因而，目前临床上较多的采用解剖学重建方式，即使得骨隧道在关节面处的出口尽量位于正常前交叉韧带的生理止点处，这样可以使韧带移植体的力学功能尽可能地接近正常前交叉韧带的水平。

然而，即使能够确保骨隧道在关节面的端口位于正常前交叉韧带的生理止点处，远离关节面的另一端也没有具体的解剖参考点（图7-19）。临床上骨隧道的位置由手术中的钻孔导向角决定。钻孔导向角是胫骨骨隧道与胫骨平台的夹角，可以在手术中由医学专用瞄准器测量得到。若钻孔导向角过小，骨隧道太靠近胫骨平台，骨隧道与胫骨平台之间的骨组织就会偏薄，容易造成该处的微骨折。此外，钻孔导向角越小，骨隧道往往越短，使得韧带移植体与骨隧道结合的长度变短，且要求使用更短的界面螺钉，因此不利于韧带移植体的良好固定。若钻孔导向角过大，骨隧道远离胫骨平台而更长，可能使患者失去更多骨量而不利于其术后康复。再者，较长的骨隧道要求制备更长的韧带移植体，从而加大手术难度。此外，较大的钻孔导向角使得骨隧道远离关节面的一端钻入点过低，术中容易损伤附着于胫骨上的肌腱。临床上常见的钻孔导向角在45°至65°之间。有尸体研究表明，钻孔导向角不同，骨隧道端口的形态及尺寸也不同。而不理想的隧道端口形态有可能对周围软骨及半月板的正常生理活动造成影响。并且，骨隧道的位置还会影响韧带移植体张力及其与骨隧道间的相互作用[32，33]。然而，骨隧道角度对膝关节骨组织上应力环境的具体影响还没有清楚的认识。

本研究中，建立前交叉韧带重建后的膝关节有限元建模，主要针对关节面附近，骨隧道周围的应力环境进行分析研究，因为该区域是骨隧道扩大的高发区，是诱发关节软骨退化的潜在因素。