趙逢源 史尉利 張繼英 任博 張辛 胡曉青 敖英芳

北京大學第三醫(yī)院運動醫(yī)學研究所（北京 100191）

北京市運動醫(yī)學關(guān)節(jié)傷病重點實驗室（北京 100191）

橢圓形骨道改良重建兔前交叉韌帶動物模型的建立

趙逢源 史尉利 張繼英 任博 張辛 胡曉青 敖英芳

北京大學第三醫(yī)院運動醫(yī)學研究所（北京 100191）

北京市運動醫(yī)學關(guān)節(jié)傷病重點實驗室（北京 100191）

目的：解剖研究兔前交叉韌帶止點的大體形態(tài)，建立橢圓形骨道改良重建兔前交叉韌帶動物模型。方法：18只新西蘭大白兔（2.5～3kg），8只用于前交叉韌帶止點解剖研究，10只用于橢圓形骨道動物模型的建立。去除兔膝關(guān)節(jié)股骨內(nèi)髁和前交叉韌帶周圍軟組織，觀察兔前交叉韌帶股骨和脛骨止點形態(tài)，并使用游標卡尺對止點長短徑進行測量。制作橢圓形骨道擴孔器（截面1.6mm×2.5mm），對10只新西蘭大白兔右腿行橢圓形骨道重建前交叉韌帶作為橢圓形骨道組，對其左腿用傳統(tǒng)方法圓形骨道（截面直徑2mm）重建前交叉韌帶作為圓形骨道組。取兔自體半腱肌放入骨道并固定，觀察移植物與骨道的匹配程度。術(shù)后立即對兔雙側(cè)膝關(guān)節(jié)行三維CT掃描，對股骨和脛骨骨道的截面積、長徑、短徑、直徑進行測量。結(jié)果：兔前交叉韌帶止點的解剖形態(tài)為橢圓形。股骨止點的長徑為5.28±0.83mm，短徑為2.61± 0.33mm。脛骨止點長徑為5.33±0.40mm，短徑為2.68±0.11mm。移植物肌腱與骨道匹配良好，未見明顯空隙。橢圓形骨道組股骨骨道截面積為3.18±0.09mm2，脛骨骨道截面積為3.26±0.15mm2。圓形骨道組股骨骨道截面積為3.13±0.10mm2，脛骨骨道截面積為3.11±0.11mm2。橢圓形骨道組和圓形骨道組之間骨道截面積無顯著差異。結(jié)論：兔前交叉韌帶止點為橢圓形。使用自制橢圓形骨道擴孔器可成功構(gòu)建與圓形骨道相對應(yīng)的兔橢圓形骨道動物模型，并有很好的移植物與骨道匹配性，為下一步深入研究奠定了實驗動物模型基礎(chǔ)。

橢圓形骨道；前交叉韌帶；重建；動物模型；解剖

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷是一種多發(fā)而又嚴重的運動損傷。目前，關(guān)節(jié)鏡下ACL重建術(shù)是治療ACL斷裂的主要手術(shù)方式。每年美國要進行20萬例ACL重建術(shù)，全球每年有超過40萬例ACL重建術(shù)[1-3]。隨著對疾病認識的加深和經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，近些年來我國ACL重建術(shù)逐年增加。

ACL重建的目的是恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的解剖和生物穩(wěn)定性，這對于延緩骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生具有重要意義[4]。隨著ACL止點解剖研究的發(fā)展，學者們認識到ACL的非解剖重建是手術(shù)失敗的最重要原因[1]。

近年來解剖研究認為ACL無法自然分為前內(nèi)束和后外束，由完整一束構(gòu)成[5]。ACL股骨止點為橢圓形[6]，脛骨止點為鴨腳形或橢圓形[7]。ACL由中心束和扇形纖維構(gòu)成[6，8]，形成兩端止點寬大中段狹長的“沙漏”樣結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對于緩解韌帶止點應(yīng)力具有重要意義。

解剖單束重建ACL是目前ACL重建研究的一個熱點。使重建ACL止點和原始止點解剖形態(tài)相一致可以取得更好的生物力學效果。Petersen等學者對于橢圓形骨道重建ACL進行了初步探索，認為橢圓形骨道重建ACL可以取得良好的臨床效果[9-11]。

然而，目前尚缺乏關(guān)于橢圓形骨道重建ACL的組織學、生物力學、影像學相關(guān)研究。因此，構(gòu)建橢圓形骨道重建ACL動物模型對于橢圓形骨道的深入研究具有重要意義。本研究通過自制橢圓形骨道擴孔器制作骨道，構(gòu)建了兔橢圓形骨道重建ACL動物模型，并進行骨道影像學測量觀察對比研究，為下一步深入研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 兔ACL止點形態(tài)研究

8只成年新西蘭大白兔，體重2.5～3kg，由北京大學醫(yī)學部動物部提供。每只動物取左側(cè)下肢，去除肌肉等軟組織暴露膝關(guān)節(jié)。使用擺鋸去除股骨內(nèi)髁，使用眼科剪去除后交叉韌帶、側(cè)副韌帶、半月板、跳躍韌帶和粘膜韌帶等結(jié)構(gòu)，暴露ACL股骨止點和脛骨止點。使用標記筆對兔ACL股骨止點和脛骨止點范圍進行標定。從ACL股骨止點和脛骨止點處剪斷韌帶，觀察兔ACL止點形態(tài)。使用游標卡尺測量兔ACL止點長徑和短徑。見圖1。

圖1 兔ACL止點解剖

1.2 橢圓形骨道改良重建兔前交叉韌帶動物模型研究

1.2.1 實驗動物分組

10只成年新西蘭大白兔，體重2.5～3kg，由北京大學醫(yī)學部動物部提供。每只動物右膝關(guān)節(jié)行橢圓形骨道重建ACL作為橢圓形骨道組，左膝關(guān)節(jié)行圓形骨道重建ACL作為圓形骨道組。

1.2.2 橢圓形擴孔器的制作

依據(jù)橢圓形面積計算公式S=π（圓周率）×A×B/4（A、B分別是橢圓的長軸、短軸的長），以及圓形面積計算公式S=π×（D/2）2（D表示直徑）。如果橢圓形面積和圓形面積相等，則A×B=D×D。圓形骨道組擬定鉆直徑2mm的圓形，則橢圓形骨道組相對應(yīng)的面積相等的橢圓可以為1.6mm×2.5mm。制作一橫截面積為1.6mm×2.5mm的橢圓形骨道擴孔器，深圳市華美天創(chuàng)金屬材料有限公司提供。擴孔器含直徑1.4mm圓形空心結(jié)構(gòu)，可插入直徑1.2mm克氏針，指導(dǎo)擴孔器方向和定位。擴孔器頭端為一尖端結(jié)構(gòu)，便于穿破骨皮質(zhì)。見圖2。

圖2 橢圓形骨道擴孔器

1.2.3 動物模型的建立（圖 3）

手術(shù)步驟具體如下：采用耳緣靜脈注射20%烏拉坦（5 ml/kg）對動物進行全身麻醉，無菌條件下行右膝內(nèi)側(cè)髕骨旁切口逐層分離打開關(guān)節(jié)腔，將髕骨向外脫出暴露ACL。使用眼科剪分別于股骨止點和脛骨止點剪斷ACL，并將離體ACL組織去除，查前抽屜試驗陽性。使用直徑1.2mm克氏針鉆入ACL股骨止點中心區(qū)域并穿破對側(cè)骨皮質(zhì)。將橢圓形骨道擴孔器沿克氏針扎入ACL止點，調(diào)整擴孔器方向。使用小骨錘敲擊骨道擴孔器，逐漸突破對側(cè)骨皮質(zhì)，拔出克氏針和擴孔器。采用相同方法制備脛骨骨道，同樣首先由內(nèi)向外鉆入直徑1.2mm克氏針，然后使用擴孔器將骨道擴為相對應(yīng)的橢圓形。沿內(nèi)側(cè)副韌帶后緣和膝關(guān)節(jié)交點做一小切口，暴露半腱肌，利用眼科剪完整取出半腱肌。使用滌綸3-0血管縫線（上海醫(yī)用縫合針廠有限公司）編織縫入半腱肌兩端，作為牽引線。通過自制過腱器將移植物放入股骨骨道和脛骨骨道，屈膝30°位骨橋法固定ACL于股骨和脛骨。觀察移植物與骨道匹配情況，二者之間是否存在明顯縫隙。使用直徑0.8mm探針嘗試插入移植物與骨道之間的縫隙，作為判斷移植物與骨道匹配程度的標準。生理鹽水沖洗關(guān)節(jié)腔，將髕骨復(fù)位，查前抽屜試驗陰性，逐層縫合關(guān)節(jié)腔和皮膚。左膝行圓形骨道重建ACL，相同方法暴露ACL并切斷，使用直徑2mm的克氏針由內(nèi)向外分別鉆股骨骨道和脛骨骨道。相同方法取半腱肌、過腱并固定肌腱于兩端，同樣方法判斷移植物與骨道的匹配性，生理鹽水沖洗關(guān)節(jié)腔，逐層縫合。為防止術(shù)后關(guān)節(jié)感染，術(shù)后給予每只動物肌注青霉素40萬單位，連續(xù)3天。分籠飼養(yǎng)，自由活動。

圖3 兔橢圓形骨道模型建立

1.2.4 膝關(guān)節(jié)CT檢查

術(shù)后在麻醉狀態(tài)下立即對實驗動物行雙膝關(guān)節(jié)（左右膝分別檢查）三維CT掃描，于西門子Definition Flush二代雙源CT檢測（德國西門子公司）。放射參數(shù)：管電壓120 kv，100 mA×s，使用骨算法，層間距0.4mm，層厚0.6mm。

1.2.5 骨道數(shù)據(jù)測量

兩位運動醫(yī)學醫(yī)師和一位放射科醫(yī)師分別對橢圓形骨道組和圓形骨道組骨道橫截面積和直徑進行分析。使用AW Volumeshare 4軟件（美國通用公司）對骨道數(shù)據(jù)進行測量。首先建立與骨道長徑相垂直的平面，其次由骨道口向外逐漸移動，測量第一個出現(xiàn)的完整截面的數(shù)據(jù)。見圖4。

圖4 骨道測量

1.2.6 術(shù)后 4周大體觀察

術(shù)后4周使用過量麻醉方法處死實驗動物。沿髕骨內(nèi)側(cè)旁切口入路逐層切開，暴露膝關(guān)節(jié)，觀察橢圓形骨道組和圓形骨道組移植物大體形態(tài)。使用擺鋸去除股骨內(nèi)髁，觀察移植物肌腱與骨道壁形成的新止點。

1.3 統(tǒng)計學分析

計量資料采用均數(shù)±標準差來表示，采用SPSS22.0軟件進行統(tǒng)計學分析，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布（KS值和SW值大于0.05），兩組均數(shù)比較采用配對t檢驗，P＜0.05為有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 兔ACL止點形態(tài)及幾何測量

兔ACL股骨止點和脛骨止點都為橢圓形，止點纖維較寬大，中段較狹窄。見圖1。股骨止點的長徑為5.28±0.83mm，短徑為2.61±0.33mm，長短徑間差異具有統(tǒng)計學意義（P=0.004）。脛骨止點長徑為5.33±0.40mm，短徑為2.68±0.11mm，長短徑間差異具有統(tǒng)計學意義（P=0.001）。見表1。

表1 兔ACL止點解剖數(shù)據(jù)（單位：mm）

2.2 術(shù)中移植物與骨道周邊匹配情況觀察

橢圓形骨道組移植物在骨道口處呈扁條帶形，與骨道匹配良好，未見明顯縫隙，探針難以插入骨道內(nèi)。圓形骨道組移植物在骨道口處呈圓柱體形，與骨道匹配良好，未見明顯縫隙，探針難以插入骨道內(nèi)。見圖5。

圖5 移植物骨道匹配情況觀察

2.3 橢圓形骨道截面積和長短徑測量

橢圓形骨道組股骨骨道截面積為3.18±0.09mm2，長徑為2.46±0.09mm，短徑為1.62±0.07mm。脛骨骨道截面積為3.26±0.15mm2，長徑為2.50±0.08mm，短徑為1.63±0.10mm。見表2。

表2 橢圓形骨道組截面測量數(shù)據(jù)

2.4 圓形骨道截面積和直徑測量

圓形骨道組股骨骨道截面積為3.13±0.10mm2，直徑為1.99±0.05mm。脛骨骨道截面積為3.11± 0.11mm2，直徑為1.99±0.07mm。見表3。

表3 圓形骨道組截面測量數(shù)據(jù)

2.5 橢圓形骨道和圓形骨道截面積

橢圓形骨道組和圓形骨道組股骨骨道截面積分別是3.18±0.09mm2和3.133±0.10mm2，P=0.446，差異無統(tǒng)計學意義。橢圓形骨道組和圓形骨道組脛骨骨道截面積分別是3.26± 0.15mm2和3.11± 0.11mm2，P=0.056，差異無統(tǒng)計學意義。見圖6。

圖6 骨道截面積對比

2.6 股骨骨道截面積和脛骨骨道截面積

橢圓形骨道組股骨骨道和脛骨骨道截面積分別是3.18±0.09mm2和3.26±0.15mm2，P=0.030，差異具有統(tǒng)計學意義。圓形骨道組股骨骨道和脛骨骨道截面積分別是3.13±0.10mm2和3.11±0.11mm2，P= 0.587，差異無統(tǒng)計學意義。見圖6。

2.7 術(shù)后 4周大體觀

ACL重建術(shù)后4周，橢圓形骨道組和圓形骨道組移植物仍位于關(guān)節(jié)內(nèi)，韌帶張力良好，查前抽屜試驗陰性。去除股骨內(nèi)髁后可見移植物肌腱與骨道壁已形成新的止點相連接，橢圓形骨道組移植物與骨道壁之間無縫隙，移植物與骨道匹配良好。見圖7。

圖7 橢圓形骨道組4周大體觀

3 討論

3.1 兔ACL止點解剖形態(tài)的研究

近年來ACL解剖研究認為ACL由整體一束構(gòu)成，無法自然分為前內(nèi)束和后外束，解剖單束重建ACL成為研究熱點[5]。王健全等對30例膝關(guān)節(jié)標本解剖研究，得到ACL股骨止點長徑為19.32±2.42mm，短徑為10.52±2.24mm，人ACL股骨止點為橢圓形[12]。Fu等對100例病人關(guān)節(jié)鏡下ACL脛骨止點進行了測量和幾何分型，結(jié)果顯示，人ACL脛骨止點的長徑是16.1±2.6mm，短徑是9.6±1.5mm，ACL脛骨止點為橢圓形、三角形或“C”形[13]。

兔膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)與人的相近，且大小適中，已廣泛用于膝關(guān)節(jié)軟骨、半月板、韌帶研究的動物模型[14-16]。Nikolaou解剖研究了兔ACL脛骨止點，認為兔ACL脛骨止點是寬大的，不是圓形[17]。然而作者并沒有測量ACL止點長徑和短徑，且對兔ACL止點形態(tài)無詳細描述。劉平等對兔ACL進行了解剖研究，認為兔ACL上端最細，向下逐漸增粗，扇形止于脛骨[18]。本研究對8例兔膝關(guān)節(jié)ACL止點進行解剖研究和測量，與人相類似，兔ACL股骨和脛骨止點也是橢圓形，長徑約為短徑長度的2倍，長徑與短徑差異具有統(tǒng)計學意義。因此，選擇兔作為橢圓形骨道重建ACL模型具有解剖學基礎(chǔ)。

3.2 橢圓形骨道動物模型的建立

傳統(tǒng)單束重建ACL的骨道截面為圓形，無法模擬ACL橢圓形解剖形態(tài)。Noh通過并排鉆兩個相交的圓形骨道的方法，近似構(gòu)建了一橢圓形骨道，并對患者進行了兩年的隨訪觀察，結(jié)果顯示，橢圓形骨道組患者術(shù)后Lysholm評分較圓形骨道組高，差異具有統(tǒng)計學意義[10]。然而目前尚未見關(guān)于橢圓形骨道重建ACL的組織學、生物力學和影像學研究。目前對于橢圓形骨道對ACL重建影響的研究尚處于初始階段。動物模型的建立對于進一步研究橢圓形骨道對ACL重建后組織學、生物力學和影像學影響具有重要意義。

綜合考慮兔半腱肌截面大小和ACL止點大小，本研究選擇直徑2mm圓形骨道作為對照組[19，20]。依照面積相等原則，則橢圓形骨道組截面為1.6mm×2.5mm。由于兔ACL止點范圍狹小，很難使用骨鉆精確構(gòu)造橢圓形骨道。故制作橢圓形骨道擴孔器，采用擴孔法完成橢圓形骨道的制備。術(shù)中觀察橢圓形骨道組與圓形骨道組移植物與骨道的匹配情況，兩組均未見明顯縫隙，說明移植物與骨道匹配良好。橢圓形骨道組移植物肌腱在骨道口處呈扁條帶形，更符合兔ACL止點解剖形態(tài)。

術(shù)后三維CT測量的橢圓形骨道組骨道數(shù)據(jù)以及圓形骨道組骨道數(shù)據(jù)較理論值存在差異。原因可能是：（1）使用骨鉆鉆取圓形骨道時存在操作手微小晃動可能，造成骨道形態(tài)發(fā)生微小改變；（2）使用橢圓形骨道擴孔器擴孔過程中，骨道在敲擊力的作用下發(fā)生膨脹擴大；（3）使用軟件在CT上測量骨道截面時，存在誤差可能。

術(shù)后三維CT測量骨道截面積，結(jié)果顯示橢圓形與圓形骨道組骨道截面積基本相同，骨道徑線存在差異。這表明橢圓形骨道組較圓形骨道組截面形態(tài)發(fā)生了變化，但面積匹配良好。橢圓形骨道組骨道截面較圓形骨道組稍大（差異無統(tǒng)計學意義），原因可能是使用擴孔器擴骨道時發(fā)生骨道壁膨脹擴大。然而橢圓形骨道組較圓形骨道組骨道截面積無統(tǒng)計學差異，且無骨道壁打爆的發(fā)生。這表明使用擴孔法將一個小圓擴成相應(yīng)的橢圓形骨道的方法安全有效。橢圓形骨道動物模型造模成功。

橢圓形骨道組脛骨骨道截面積較股骨骨道大，具有統(tǒng)計學差異（P=0.03），可能原因是脛骨骨道較股骨骨道長，在使用擴孔器擴骨道時更容易發(fā)生骨道壁膨脹擴大。且脛骨骨道壁骨密度較股骨骨道壁差[21]，這也更易發(fā)生骨道壁擴大。

ACL重建4周后橢圓形骨道組移植物形態(tài)良好，前抽屜試驗陰性，較圓形骨道組無明顯差異，表明動物模型是可靠的。去除股骨內(nèi)髁后可見移植物肌腱與骨道壁已形成新的止點，無明顯縫隙，說明移植物與骨道之間匹配良好。

3.3 本實驗的局限性

兔ACL止點面積較小，使用游標卡尺目測測量存在誤差可能，若使用精度更高的方法會更精確。

4 結(jié)論

兔ACL股骨和脛骨止點為橢圓形；通過制作橢圓形骨道擴孔器，使用擴孔法可以構(gòu)建與圓形骨道相對應(yīng)的橢圓形骨道動物模型，并有很好的移植物與骨道匹配性，表明橢圓形骨道重建ACL動物模型可行，為下一步深入研究奠定了實驗動物模型基礎(chǔ)。

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A Novel Animal Model for Anterior Cruciate Ligament Reconstruction Using Oval Tunnels

Zhao Fengyuan，Shi Weili，Zhang Jiying，Ren Bo，Zhang Xin，Hu Xiaoqing，Ao Yingfang
Institute of Sports Medicine，Peking University Third Hospital，Beijing 100191，China
Beijing Key Laboratory of Sports Injuries，Beijing 100191，China

Ao Yingfang，Email：yingfang.ao@vip.sina.com

ObjectiveTo study the general shape of anterior cruciate ligament(ACL)insertion in rab?bits and establish an animal model of ACL reconstruction using oval tunnels.MethodsEighteen mature white New Zealand rabbits were used in this study.Eight of them were used for anatomy study and the other 10 were for building an animal model.After removal of the medial femoral condyle and oth?er soft tissues around ACL，the morphology of the ACL insertion was examined and the diameter of ACL insertions was measured using a caliper.An oval-tunnel dilator(1.6mm×2.5mm)was designed to make an oval-tunnel in the right knee of the rabbits while a round tunnel was drilled using a 2mm diameter Kirschner wire in the left knee of the rabbits.Their hamstring tendon grafts were har?vested as grafts for both sides and the compatibility between the bone tunnel and graft was examined for both groups.Right after the surgery，the knees of both sides were given the three-dimensional CT scan.ResultsThe shape of ACL insertion of rabbits was oval.In the femur side，the average major andminor diameter of the ACL insertion was 5.28±0.83mm and 2.61±0.33mm respectively.In the tibial side，the major and the minor diameter of the ACL insertion was 5.33±0.40mm and 2.68± 0.11mm.The bone tunnel was compatible with the graft in both groups.In the oval tunnel ACL recon?struction group，the cross sectional area of the femoral bone tunnel was 3.18± 0.09mm2and the cross sectional area of the tibial bone tunnel was 3.26±0.15mm2.In the round tunnel ACL recon?struction group，the corresponding measurements were 3.13±0.10mm2and 3.11±0.11mm2respective?ly.There was no significant difference between the two groups.Conclusion The shape of ACL inser?tion in rabbits is oval.Using the self-made oval tunnel dilator we have successfully built an oval tun?nel ACL reconstruction animal model with a good compatibility between the bone tunnel and graft. This lays the foundation for further research in the future.

oval tunnel，anterior cruciate ligament，reconstruction，animal model，anatomy

2017.02.09

北京市科技新星計劃[項目編號：xx2014003（A）]

第1作者：趙逢源，Email：mickeyzhaofy@163.com；

：敖英芳，Email：yingfang.ao@vip.sina.com