胫骨平台后倾角与前交叉韧带筋伤及筋重建的关联性研究

摘要

膝关节前交叉韧带(ACL)在祖国传统医学中被称之为“筋”，所以前叉韧带损伤则属于“筋伤”的范畴，主要的致伤原因为运动损伤。祖国经典医学著作中有不少关于膝关节“筋伤”医治办法，讲究的是“动静结合，内外兼治”。而古典医学书籍中记载的治疗方法一般主要是保守治疗的方法，缺少对于ACL解剖学和手术重建治疗的认识。
　　前叉韧带筋伤是膝关节常见的运动损伤，在美国普通人群中每3000人就有一人发生前叉韧带损伤，而对于运动员人群，一个赛季结束，约有3.0％运动员发生前叉韧带损伤，每年有40万患者接受前叉韧带重建手术。在国内，运动员人群前叉韧带断裂的发生率为0.47％。导致前叉韧带损伤的危因素是多方面的，内在因素包括性别、月经周期、髁间窝的过窄、基因遗传等等，关于胫骨平台后倾角(PTS)在前叉韧带损伤中的作用近年来备受关注，但研究结论却不尽相同，造成此结果的原因是多方面的，其中地域和人群的差异可能是其中原因之一，而目前，对广东地区人群，尤其是青壮年人群胫骨后倾角的研究较少，缺少胫骨后倾角与前叉韧带损伤相关性的研究。
　　以往对于PTS与前叉韧带损伤的研究主要集中在临床资料的观察和尸体标本研究方面，由于研究方法的限制、尸体标本解剖结构的参数较多且变化较多，难以人为控制，不能判断单一因素在损伤机制中的作用，因此，对于PTS单一因素对前叉韧带及膝关节生物力学影响有待于进一步的研究。
　　膝关节发生筋伤之后，尤其是常见的前叉韧带完全断裂，将造成膝关节稳定性丢失、关节功能紊乱，容易继发关节软骨和半月板的退变加速，并进而导致骨性关节炎的发生。因此，关节镜下重建交叉韧带成为治疗前叉韧带断裂后首选方法。目前主要的重建方式有过顶位重建、解剖单束重建和解剖双束重建，有关三种重建方法重建后的膝关节功能的报道结果也是存在不一致。对于不同的PTS患者，不同重建方法所重建的韧带在承受应力时又表现有什么样的不同，也需要研究明确，以便指导重建方式的选择和术后康复指导。
　　目的:
　　1.对广东地区青壮年前叉韧带筋伤患者PTS与非前叉韧带筋伤人群PTS特点，以及前叉韧带损伤与PTS的相关性进行初步的探讨和分析。
　　2.利用计算机三维有限元分析，探索在不同屈伸状态下，不同角度PTS对膝关节前叉韧带及膝关节稳定性的生物力学影响。
　　3.探索不同PTS对两种重建方式（过顶位重建和解剖单束重建法）所重建前叉韧带及重建后膝关节稳定性的生物力学影响，并对比在不同屈伸状态下，不同方法重建后前叉韧带及膝关节稳定性的生物力学特点，为临床根据不同个体选择筋重建方法提供理论依据。
　　方法:
　　1.广东地区青壮年前交叉韧筋伤与胫骨平台后倾角相关性的单中心初步研究
　　作为单中心初步研究，本研究回顾分析2012年1月至2015年12月之间，因膝关节疾病或者膝关节周围疾病在广东省第二人民医院行膝关节MRI检查并接治疗的全部患者的临床资料，将其分为前叉韧带筋伤组（前叉韧带完全断裂）和非前叉韧带筋伤组。各组按照纳入标准和排除标准进行筛选，其中前叉韧带筋伤组50例，非前叉韧带筋伤组按照就诊顺序依次选择连续100例，记录两组患者年龄、性别、左右侧别及体重指数(BMI)，通过MRI图像测量内侧胫骨平台后倾角(medial posterior tibialslope，MPTS)、外侧胫骨平台后倾角(lateral posterior tibial slope，LPTS)。使用SPSS20.0软件进行统计分析，对比两组患者在年龄、侧别、BMI、MPTS、LPTS在两组之间的差异，对比非前叉韧带筋伤组男女之间、筋伤组与非筋伤组男性之间MPTS、LPTS之间的差异。
　　2.胫骨平台后倾角对前叉韧带及膝关节稳定性影响的三维有限元分析
　　选择一名健康志愿者行左侧膝关节CT及MRI扫描，测量胫骨平台内侧后倾角为7°。将扫描数据导入Mimics软件，获得骨、软骨、半月板、韧带等结构的三维模型，然后利用Geomagic对图像进行修饰，再导入Solidworks软件中建立伸直位膝关节三维模型。利用Solidworks软件建立2°和12°两种不同后倾角的膝关节三维模型。在建立三组膝关节伸直位模型后，每组模型再分别建立屈膝30°和90°的模型。将膝关节不同三维有限元模型导入ANSYS有限元分析软件中，给予加载负荷进行计算分析:伸直位模型胫骨固定，股骨侧给予施加1150N的垂直应力;屈膝30°模型胫骨固定，股骨施加750N垂直应力及10N.m的外旋力矩;屈膝90度模型股骨侧固定，胫骨侧施加134N的前向应力。在各模型中分析前叉韧带所承受应力及胫骨-股骨的相对位移。
　　3.不同胫骨后倾角下，两种重建方法重建前叉韧带及膝关节稳定性的生物力学对比分析。利用前面研究中所建立的三种不同后倾角模型及不同屈膝角度的模型，去除原有的前叉韧带，利用Solidworks软件按照前叉韧带过顶位重建和解剖单束重建的方法和要求模拟重建（两者胫骨位点一致，股骨位点不同），共重建出不同后倾角、不同屈膝状态下的模型18个，无前叉韧带模型9个。将不同三维有限元模型导入ANSYS有限元分析软件中，给予加载负荷进行计算分析:伸直位模型胫骨固定，股骨侧给予施加1150N的垂直应力;屈膝30°模型胫骨固定，股骨施加750N垂直应力及10N.m的外旋力矩;屈膝90度模型股骨侧固定，胫骨侧施加134N的前向应力。在各模型中分析前叉韧带所承受最大应力及胫骨-股骨之间的相对位移情况。
　　结果
　　1.广东地区青壮年前交叉韧筋伤与胫骨平台后倾角相关性的单中心初步研究
　　①广东地区青壮年中，前叉韧带筋伤组和非前叉韧带筋伤组患者在年龄、BMI等方面无差异，前叉韧带筋伤组胫骨内侧后倾角为10.03±3.18°外侧后倾角为11.01±4.14°，非筋伤组胫骨内侧后倾角为8.53±3.06°，外侧后倾角为8.66±3.65°，前叉韧带筋伤组胫骨内、外侧平台后倾角均高于非前叉韧带筋伤组，差异有统计学意义;
　　②前叉韧带筋伤组男性内侧后倾角为9.88±2.85°，外侧平台后倾角为11.12±4.12°，非前叉韧带筋伤组男性内侧后倾角为8.00±3.11°，外侧平台后倾角为8.39±3.26°，前叉韧带筋伤组胫骨内、外侧平台后倾角均高于非前叉韧带筋伤组，差异有统计学意义;
　　③非前叉韧带筋伤组中，男性外侧后倾角为8.39±3.26°，女性外侧后倾角为9.04±4.16°，男性外侧后倾角略低于女性，但两者之间差异无统计学意义。男性内侧后倾角为8.00±3.11°，女性内侧后倾角为9.29±2.85°女性高于男性，两者之间差异有统计学意义。
　　2.胫骨平台后倾角对前叉韧带及膝关节稳定性影响的三维有限元分析
　　通过计算机虚拟技术，建立了膝关节三维有限元模型。经过有限元分析，在屈膝0°状态下，前叉韧带承受的张力随着胫骨后倾角的增加而增加:PTS为2°时前叉韧带张力为12.195MPa，7°时为12.639MPa，12°时为18.658MPa;胫骨-股骨相对位移:PTS为2°时为2.735mm，7°时为3.086mm，12°时为3.881mm。在屈膝30°的模型中，前叉韧带所承受的最大张力如下:2°时为24.585MPa，7°时为25.612MPa，12°时为31.481MPa，胫骨-股骨位移为:2°时为5.590mm，7°时为6.721mm，12°时为6.952mm。在屈膝90°的模型中，前叉韧带所承受的最大张力如下:2°时为5.119MPa，7°时为8.674MPa，12°时为9.314MPa。胫骨-股骨位移为:2°时为0.276mm，7°时为0.577mm，12°时为0.602mm。
　　3.不同胫骨后倾角下，两种方法重建前叉韧带及膝关节稳定性的生物力学对比分析
　　18个前叉韧带重建模型和9个前叉韧带缺失模型经有限元分析分别获得前叉韧带所承受应力及胫骨-股骨相对位移:①在膝关节伸直状态下，过顶位重建模型中:PTS为2°时前叉韧带张力为5.540MPa，7°时为5.918MPa，12°时为6.179MPa;胫骨-股骨相对位移:PTS为2°时为1.291mm，7°时为1.700mm，12°时为1.848mm。解剖重建模型中:PTS为2°时前叉韧带张力为5.699MPa，7°时为5.966MPa，12°时为8.955MPa;胫骨-股骨相对位移:PTS为2°时为1.545mm，7°时为1.818mm，12°时为1.876mm，在韧带缺失时胫骨-股骨移位为分别为:3.066mm，3.504mm，4.401mm。②膝关节屈曲30°状态下，过顶位重建模型中:PTS为2°时前叉韧带张力为1.795MPa，7°时为2.483MPa，12°时为2.815MPa;胫骨-股骨相对位移:PTS为2°时为1.081mm，7°时为1.312mm，12°时为1.339mm。解剖重建模型中:PTS为2°时前叉韧带张力为2.313MPa，7°时为3.071MPa，12°时为3.248MPa;胫骨-股骨相对位移:PTS为2°时为1.160mm，7°时为1.351mm，12°时为1.383mm，在韧带缺失时胫骨-股骨移位为分别为:6.050mm、7.356mm、8.231mm。③膝关节屈曲90状态下，过顶位重建模型中:PTS为2时前叉韧带张力为3.427MPa，7时为3.635MPa，12时为3.694MPa;胫骨-股骨相对位移:PTS为2时为0.334mm，7°时为0.367mm，12°时为0.377mm。解剖重建模型中:PTS为2°时前叉韧带张力为4.409MPa，7°时为5.940MPa，12°时为6.402MPa;胫骨-股骨相对位移:PTS为2°时为0.386mm，7°时为0.445mm，12°时为0.446mm，在韧带缺失时胫骨-股骨移位为分别为:0.946mm、1.036mm、1.369mm。
　　结论:对广东地区青壮年的的初步分析发现，非前叉韧带筋伤组女性内侧胫骨平台后倾角大于男性，前叉韧带筋伤与胫骨平台内、外侧后倾角均有关，内、外侧后倾角增大，增加了前叉韧带运动中承受的剪切力，成为前叉韧带损伤的危险因素，这一点在广东地区男性患者是明确的，对于女性需要进一步研究。
　　在膝关节三维模型中，PTS增大会明显增加前叉韧带承受的应力以及胫骨-股骨之间的相对位移也随之增加，表明PTS的增加导致膝关节不稳定性的增加，进一步验证了PTS是前叉韧带损伤的危险因素。
　　两种重建方法均能恢复膝关节的稳定性，胫骨后倾角对过顶位重建或解剖单束重建的选择并不产生直接的影响。无论胫骨平台后倾角大小如何，过顶位重建的前叉韧带在各个屈伸角度时承受的张力均小于解剖单束重建，膝关节的稳定性也优于解剖单束重建。本研究结果推荐将重建前叉韧带的股骨止点放在过顶位。考虑到较大的后倾角下，加载负荷后韧带承受的张力较大，建前叉韧带重建术后康复时应避免过早负重和过激的锻炼方式。

目录

声明

摘要

引言

第一章 文献研究

1 传统医学对膝关节交叉韧带筋伤的认识

2 前叉韧带的解剖与功能

3 前叉韧带的生物学特性

4 前叉韧带损伤的易感因素

4．1 运动

4．2 性别

4．3 骨骼与关节发育的解剖学因素

4．4 疲劳

4．5 易感基因

5 前叉韧带损伤后的重建

5．1 手术时机

5．2 移植物的选择

5．3 过顶位重建与解剖重建

5．4 单束重建和双束重建

第二章 广东地区青壮年前叉韧带筋伤与胫骨平台后倾角相关性的初步研究

1 资料与方法

1．1 纳入标准排除与排除标准

1．2 一般资料

1．3 胫骨平台后倾角的测量方法

1．4 统计学处理

2 结果

2．1 前交叉韧带筋伤组与非前交叉韧带筋伤组之间指标对比

2．2 前交叉韧带筋伤组与非前交叉韧带筋伤组男性之间指标对比

2．3 非前交叉韧带筋伤组男、女性之间各项指标对比

3 讨论

3．1 广东地区青壮年胫骨后倾角的特点

3．2 胫骨平台后倾角与前交叉韧带筋伤的相关性

4 小结

第三章 胫骨后倾角对前叉韧带及膝关节稳定性影响的三维有限元分析

1 材料与方法

1．1 研究对象及设备

1．2 膝关节三维有限元模型的建立

1．3 材料属性及边界条件

1．4 加载条件

2 结果

3．讨论

4 小结

第四章 不同胫骨平台后倾角下两种方法前交叉韧带重建的有限元分析

1 材料与方法

1．1 不同胫骨平台后倾角角度模型和屈膝角度模型建立

1．2 传统过顶位重建和解剖单束重建前交叉韧带的膝关节模型

1．3 材料属性及边界条件

1．4 负荷加载

2．结果

3 讨论

3．1 前交叉韧带筋重建中的过顶位重建与解剖重建

3．2 胫骨后倾角对过顶位或解剖单束重建重建方式的选择并不产生直接的影响

3．3 对过顶位重建和解剖单束重建优劣需要进一步的研究认识

4 小结

结论

结语

1 本研究的创新之处

2 本研究中存在的不足之处

参考文献

附录

在校期间发表论文情况

统计学审核证明

致谢