膝关节内侧副韧带浅层（sMCL）止点的解剖学及有限元分析

北京大学第三医院运动医学研究所，北京市运动医学关节伤病重点实验室（北京100191）

内侧副韧带（medial collateral ligament，MCL）是维持膝关节稳定的重要结构之一[1]。内侧副韧带分为深（deep MCL，dMCL）、浅（superficial MCL，sMCL）两层，其与后斜韧带（posterior oblique ligament，POL）、关节囊和内侧肌腱止点一起被称为膝关节的内侧韧带复合体[2]。在膝关节的各韧带中，内侧副韧带浅层损伤发病率较高，占膝关节韧带损伤的42%[3]。该结构的损伤可以导致膝关节内侧的不稳定，同时也可增加其他相关韧带（如前交叉韧带，anterior cruciate ligament，ACL）损伤的风险[4]。

临床上对于内侧副韧带浅层（sMCL）损伤的治疗可分为保守治疗及手术治疗。目前关于治疗原则尚未完全达成共识。保守治疗通常适用于单独的Ⅰ度或Ⅱ度损伤的患者，而Ⅲ度损伤、同时合并多发韧带损伤、止点撕脱骨折、慢性膝关节内侧不稳的患者则通常需要手术干预[5]。手术主要是针对内侧副韧带浅层进行缝合、加强修复或重建。如同时合并后斜韧带损伤，则可同期对二者进行手术处理[6]。对于急性损伤的患者，行断端缝合即可重新恢复其解剖结构。而慢性内侧副韧带损伤的患者，由于其韧带瘢痕形成及挛缩，单纯缝合的手术难度增大，因此，对于这类患者，行重建手术是一种更合理的选择[7]。重建手术的目的在于恢复sMCL的原始解剖结构，包括恢复其纤维走行及止点位置[8]。然而，目前的研究多关注于内侧副韧带浅层的止点中心点，以中心点定位进行重建手术，但手术重建sMCL 时尚未将其止点的形态及其力学特性考虑在内。本研究的目的即是探究内侧副韧带浅层的股骨及胫骨止点的位置、形态及大小，并通过有限元分析计算得到内侧副韧带浅层的力学止点分布，从而为手术治疗内侧副韧带浅层损伤提供解剖依据。

1 材料与方法

1.1 解剖研究

本实验选取10例中国成人新鲜膝关节标本，男6例，女4例。排除有明显膝关节退行性变及解剖异常的关节，关节囊及各韧带结构完整。本研究开始前经北京大学第三医院伦理委员会审查批准，严格遵循人体标本研究的伦理标准。

沿膝关节内侧切开皮肤，逐层分离皮下组织，完整显露内侧副韧带浅层。仔细游离内侧副韧带浅层，沿其中段横行切断，充分暴露其股骨及胫骨止点并标记。对于股骨止点，在止点上方1 mm处用手术刀垂直于纤维走行切断韧带，记录其止点的相关参数。对于胫骨止点，由于其附着面较大呈片状，缓慢沿韧带走行方向将韧带从骨面撕离。拍摄用记号笔标记好的止点，并利用Image J 软件测量止点的相关参数。

1.2 有限元分析

本研究扫描利用正常膝关节的三维薄层核磁影像（MR 0.7 mm*0.6 mm*0.7 mm，分辨率256*256，medic3d sag fs），利用三维重建软件MIMICS 建立膝关节三维模型，进而通过有限元分析软件ANSYS 建立人体膝关节有限元模型，包括股骨、胫骨、腓骨、前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带，通过布尔操作建立韧带与其骨上的附着点的固定连接，内侧副韧带和股骨内侧远端、胫骨内侧近端为光滑摩擦接触。骨组织材料属性设置为弹性模量17 GPa，泊松比（Poission ratio）为0.36；韧带组织的材料属性设置为弹性模量390 MPa，泊松比0.4。模拟临床伸膝内侧副韧带侧方应力试验，固定股骨，胫骨施加外翻力矩10 N·m。数据通过ANSYS 软件求解，分析胫骨和股骨上的sMCL止点的应力分布特点。

2 结果

2.1 内侧副韧带浅层（sMCL）的大体解剖观察

sMCL的股骨止点位于股骨内上髁（medial epicondyle）后上方，距离股骨内上髁距离为6.82 ± 0.64 mm。sMCL的股骨止点呈椭圆形，平均面积为61.64± 7.02 mm2（图1）。sMCL的胫骨止点附着于胫骨嵴（tibial crest）上，距离关节线距离为60.02 ± 0.55 mm。sMCL的胫骨止点近似为矩形，长为28.69 ±4.13 mm，宽为8.99 ± 0.62 mm，长宽比为3.19∶1，面积为217.78 ± 50.32 mm2（图2）。

图1 sMCL股骨止点

图2 sMCL胫骨止点

2.2 内侧副韧带浅层（sMCL）的有限元分析结果

模拟伸膝侧方应力试验，分析股骨与胫骨端的sMCL 止点的应力分布见图3，韧带体部的应力分布见图4。有限元分析结果显示，在固定股骨并施加胫骨外翻应力后，sMCL的体部均存在应力，其中韧带中上部与近胫骨止点处应力最大。sMCL 股骨应力较高处位于股骨内上髁后方，近似一椭圆形，而sMCL 胫骨应力较高处位于胫骨嵴上，形状近似一矩形，与解剖观察的止点位置基本相符。

图3 模拟伸膝侧方应力试验时sMCL股骨和胫骨止点的应力分布图

3 讨论

3.1 sMCL止点的解剖学结果及临床意义

sMCL的解剖学基础对于临床上手术治疗sMCL有重要指导意义，本研究从定性及定量两个方面分别描述了sMCL 止点的形状、大小及与周围解剖标志的距离。目前国际上的文献报道sMCL的股骨止点位于股骨内上髁近端后方，平均面积为71.4～79.6 mm2。而胫骨止点距离膝关节线49.6～62.4 mm，平均面积为266.8～348.6 mm2[1，2，4]。本研究与上述研究一起可为今后sMCL的手术治疗提供解剖学参考。本研究的止点面积较上述研究略小，可能与标本量较少、国人骨骼较小有关。

图4 模拟伸膝侧方应力试验时sMCL体部（从内侧面观）的应力分布图

本研究同时对sMCL 胫骨止点的长和宽进行了测量，结果显示sMCL平均长度为28.69 ± 4.13 mm，平均宽度为8.99 ± 0.62 mm，长∶宽为3.19∶1。该结果揭示了sMCL胫骨止点极其狭长的特性，具有重要的临床意义。目前，临床上在重建sMCL胫骨止点时通常采用的固定方式有缝线锚钉固定[9]、挤压螺钉固定[10，11]、皮质骨螺钉结合带齿垫片固定[12]。上述文献中报道的固定装置的直径范围在5 mm～18 mm 之间。然而，本研究的数据显示，上述方法重建后的止点较sMCL原始胫骨止点小，且形状为圆形，均不能很好地与sMCL 原始的胫骨止点相匹配。这种匹配不当可能会造成重建止点应力发生改变，从而无法使术后重建的韧带恢复sMCL原始的生物力学功能。

3.2 有限元结果分析及生物力学止点重建sMCL的理念

近年来，多项研究证明重建sMCL 可显著改善sMCL损伤患者的临床主观和客观评分[5，9，12]，缩小内侧关节间隙及恢复膝关节的外翻稳定性[8，13]。而在ACL与MCL 出现合并损伤时，同时行ACL 与sMCL 重建可以有效恢复膝关节的外翻及旋转稳定性[14]。Delong等[8]在系统回顾了sMCL和后内侧结构的手术效果后，发现解剖重建、非解剖重建及肌腱转移重建sMCL均可明显改善患者症状和体征，而解剖重建效果要优于非解剖重建。无论是何种重建方式，其目的都是重建膝关节的内侧结构，从而恢复sMCL原始的生物力学功能。目前已有文献报道MCL纤维在膝关节不同角度下的应力情况[15，16]，然而，尚未有文献报道MCL止点的应力情况。

本研究的有限元结果显示伸膝外翻膝关节时sMCL的应力点接近其止点的位置和形态，表明sMCL原始止点的完整性是其生物力学功能的基础。同时sMCL 胫骨止点的最大应力处位于止点近端，表明sMCL 狭长形止点的近端受到的应力最大。上述结果在重建时均应予以考虑。依据本研究解剖学及有限元分析结果，借鉴本研究所之前对于ACL 止点研究的理念[17]，本研究提出生物力学止点重建（biomechanical insertion reconstruction，BIR）sMCL的理念，旨在说明在重建过程中应将sMCL止点的形态及大小也考虑在内，而非传统的中心点定位理论。生物力学止点重建sMCL不仅能恢复其止点的原始形态，达到解剖重建的目的，更重要的是能最大程度地恢复sMCL止点原始的生物力学功能。我们的设想是将sMCL 胫骨重建后的止点变成一狭长形，定位可参照本研究中止点中心点与关节间隙的距离进行定位。具体方法为：在关节间隙下方60 mm处确定sMCL胫骨止点中心点位置，接着结合sMCL 原始胫骨止点的位置，向上和向下各约10～15 mm，向前和向后各约5 mm确定重建止点范围，借鉴肩袖手术中的单排缝合、双排缝合或缝线桥技术[18]，将移植物牢固固定于胫骨上。目前国外有文献报道[19]应用“双排缝线-桥”技术，将sMCL重建后的胫骨止点改良成一长条形。生物力学及影像学结果也表明该方法在0°和20°屈膝时与完整膝关节标本无统计学差异，表明其取得了较好的效果。我国目前的研究尚未见对sMCL的重建止点进行改造的相关技术，未来的研究应进一步探究生物力学止点重建sMCL的方法与结果。

4 结论

本研究通过对膝关节sMCL的解剖学探究阐明了sMCL 止点的形态、大小及与相关解剖标志的距离，应用有限元软件分析了sMCL止点的力学分布，同时提出了生物力学解剖重建sMCL的理念，为未来sMCL 手术治疗提供了理论依据及新的重建理念。