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前交叉韧带起于胫骨嵴前方的前外侧凹陷处,止于股骨外侧髁的内侧面。它是在人体运动中阻止胫骨前移的主要结构。前交叉韧带损伤是膝关节最常见的运动损伤,据估计美国每年有20万例前交叉韧带损伤,其中约有10万例需要行前交叉韧带重建术。前交叉韧带损伤的典型病史起于非接触性减速、跳跃以及造成膝关节剪力作用的运动。患者的主诉为膝关节过伸,或者有反复的膝关节错位及复位,患者本身可闻及或感受到膝关节内部弹响。Lachman实验是检查前交叉韧带损伤最为敏感的检查手段。与健侧膝关节对比,胫骨前方平移增加并且缺乏终点的抵抗感提示有前交叉韧带损伤。轴移试验以及KT-1000、KT-2000也是辅助诊断前交叉韧带损伤的重要手段。MRI是诊断前交叉韧带损伤的最为有效的放射学诊断技术。前交叉韧带重建术是前交叉韧带断裂的常规治疗手段。许多研究证实现行的单束前交叉韧带重建术可以有效的恢复膝关节的前方稳定性,然而最近的很多研究报道前交叉韧带重建术后10年影像学骨性关节炎普遍存在。所以,了解前交叉韧带重建术后骨性关节炎的发生机制对于预防膝关节长期退变极其重要。促使膝关节软骨退变的力学因素包括术后膝关节内的异常运动学和异常的力学分布。有体内试验报道现行的前交叉韧带重建术会导致软骨退变,一些尸体实验证实前交叉韧带重建术会恢复膝关节稳定性但是伴有移植物张力和软骨接触应力增大。由于尸体实验操作复杂,不能充分研究前交叉韧带重建术后膝关节在不同负荷下的生物力学包括运动学、移植物张力以及膝关节软骨接触应力。故而本实验用已验证过的膝关节三维有限元模型模拟前交叉韧带重建术,研究在不同负荷下不同因素对单束前交叉韧带重建术后关节软骨接触应力的影响。本实验分三个部分:1)比较解剖型前交叉韧带重建术和经胫骨型前交叉韧带重建术后的关节软骨接触应力。利用三维有限元模型分别模拟解剖型和经胫骨型单束前交叉韧带重建术。在每种重建术中都模拟了0度和30度固定,记录正常膝关节组、前交叉韧带断裂组、解剖型前交叉韧带重建组以及经胫骨型前交叉韧带重建组在134N前方负荷以及400N肌肉负荷下的生物力学表现。记录的指标有胫骨前移、胫骨内旋、移植物张力及内外侧关节软骨接触应力。实验结果显示解剖型和经胫骨型前交叉韧带重建术都不能完全恢复膝关节在各个角度的生物力学。在肌肉负荷下,解剖型前交叉韧带重建术在0度固定时能更好地恢复膝关节前方稳定性和关节软骨接触应力。而经胫骨型前交叉韧带重建术在30度固定时能更好地恢复膝关节前方稳定性和关节接触应力。2)研究股骨侧移植物位置对前交叉韧带重建术后软骨接触应力的影响。利用该有限元模型模拟前交叉韧带重建术中不同的股骨侧移植物位置。在胫骨侧移植物位于前交叉韧带止点区域的中心,在股骨侧以前交叉韧带止点区域中心为圆心做直径为10mm的隧道。以股骨解剖的前后及近远端方向将隧道划分为4个象限,取四条分割线上的外三分之一的点作为移植物在4个方向上的不同位置。所有移植物均在30度固定,记录正常组、前交叉韧带断裂组、不同股骨侧移植物位置前交叉韧带重建组在前方负荷和肌肉负荷下的生物力学表现。记录指标包括胫骨前移、移植物张力和内外侧关节软骨接触应力。结果表明前交叉韧带重建术中股骨侧移植物位置尤其是在前后方向上的位置对术后膝关节前方稳定性、移植物张力以及软骨接触应力影响较大。改变股骨侧移植物位置能改变前方负荷下胫骨前移及移植物张力在屈膝过程中的变化趋势。在股四头肌负荷下,后方位置和远端位置会导致内外侧关节软骨接触应力在伸直位增大。近端位置和中心位置的内外侧关节软骨接触应力最接近正常值。3)研究不同胫骨侧移植物位置对前交叉韧带重建术后关节软骨接触应力的影响。许多的研究证实了股骨侧移植物位置对前交叉韧带重建术后的生物力学有重要影响,然而只有很少研究胫骨侧移植物位置的影响。利用该三维有限元模型模拟单束前交叉韧带重建术,股骨侧移植物位于前交叉韧带止点的中心,按照胫骨侧正常前交叉韧带止点将胫骨侧移植物置于前内束、中点以及后外束三个位置。研究正常组、前交叉韧带断裂组、不同胫骨侧移植物位置的前交叉韧带重建组在前方负荷和肌肉负荷下生物力学表现。记录各组的胫骨前移、胫骨内旋、移植物张力、移植物张力在前后方向及近远端方向的分力、内外侧关节软骨接触应力。结果证明胫骨侧移植物位置对前交叉韧带重建术后前方稳定性及旋转稳定性影响较小但会影响移植物的张力和内外侧软骨接触应力。将移植物置于后外束位置上时会导致移植物张力的前后方分量减小、近远端分力增大。内外侧关节软骨接触应力也随着移植物位置后置而增大。本课题研究表明,现行的解剖型及经胫骨型前交叉韧带重建术均不能恢复正常的关节软骨接触应力。股骨侧移植物在前后方向上的位置对术后膝关节稳定性、移植物张力及关节软骨接触应力有显著影响。在股四头肌负荷下,后方位置和远端位置会导致内、外侧关节软骨接触应力在伸直位增大。近端位置和中心位置的内、外侧关节软骨接触应力最接近正常值。胫骨侧移植物位置影响移植物的张力在不同方向上的分布,将移植物置于后外束位置上时会导致内外侧关节软骨接触应力增大。