第二节　交叉韧带的解剖与功能

一、交叉韧带的大体解剖

从前方或者外侧观察，前后交叉韧带彼此交叉在一起形如十字，故又被称为“十字韧带”。根据胫骨附着点前后不同将其分别命名为前交叉韧带和后交叉韧带。

前交叉韧带自妊娠45天出现雏形，47天左右出现方向明确的细胞层。妊娠9～10周时，可以清楚地辨认ACL，并含有丰富血供。ACL起点位于股骨外髁髁间内侧面后部、股骨干纵轴正后方的髁间窝内，止于胫骨上端髁间隆起前部稍内侧及外侧半月板前角，呈扇形从后上向前下走行（图6-1）。ACL长31～35mm，宽约11mm，横截面积约为31.3mm2。也有学者测量ACL平均厚5mm，宽10mm，平均横截面积为50mm2。

股骨髁止点：ACL的股骨止点有两个重要的骨性标志，分别是髁间窝外侧棘（lateral intercondylar ridge，即住院医师棘，resident ridge）和髁间窝外侧分叉棘（lateral bifurcate ridge）。住院医师棘最初由William Clancy Jr提出，膝关节屈膝90°时，住院医师棘前后走行于髁间窝外侧侧壁，ACL在住院医师棘的下方（图6-2），而非髁间窝的顶部位置。髁间窝外侧分支棘垂直于住院医师棘，并在其下方，以此为界前后分别是AM束和PL束的股骨止点（图6-3）。膝关节伸直位时，ACL的股骨止点位置才会偏高，因此ACL的股骨止点往往被误解为在髁间窝偏高的位置，实际上，手术时膝关节位置常处于屈膝90°，此时ACL股骨的止点在髁间窝略偏下的位置。

交叉韧带分为前交叉韧带（ACL）和后交叉韧带（PCL），两者位于膝关节股骨髁间的间隙（图6-4）。交叉韧带属于关节内、滑膜外的韧带组织。ACL为滑膜皱褶覆盖，该滑膜起源于髁间窝后方入口延伸至前方ACL胫骨附着部，与脂肪垫和关节囊的滑膜相连续。膝关节屈曲90°时，ACL两束在股骨止点上水平排列，PL束在前，AM束在后。

胫骨止点：ACL的胫骨止点面积大于股骨止点，约是股骨止点面积的120％，ACL胫骨止点为椭圆形，平均宽度为11mm，平均长度为17mm。胫骨止点位置个体差异不大，可根据该平均数值，帮助选择骨道的位置和直径，ACL断裂的患者往往胫骨止点残端完整，因此可根据ACL残端的位置进行准确定位。

前交叉韧带不同解剖束的命名依据韧带束在胫骨附着的位置关系而定，可能是由疏松结缔组织分隔而形成。前交叉韧带分为长而细的前内侧束和大而短粗的后外侧束（图6-5），有的关节镜下双束结构并不明显，显示为单束结构（图6-6）。

Norwood对ACL各束支的功能解剖进行研究后将其分为三束，即前内、中间和后外侧束。他指出在去除其表面的滑膜前，这些独立的韧带束并不清晰。前内侧束止于胫骨髁间棘的内侧面，中间束附着于中线和棘的外侧部，位于前内侧束的外侧。后外侧束附着部位于髁间棘中线的外侧，恰位于中间束最外侧附着部的外侧。没有一束附着在胫骨嵴的结节上。前内侧束向后、上方附着于股骨外侧髁的内侧面。后外侧束偏向前、下方附着于股骨外侧髁。中间束附着于后外侧和前内侧束之间，并在股骨外侧髁皮质近侧和髁间的后部，形成半月形的股骨附着部。尽管人们对于韧带的解剖分支有争论，但都认为在运动过程中ACL韧带内部的纤维束功能是不同的。屈膝时前内侧束紧张，后外侧束松弛；伸直时后外侧束紧张，前内侧束松弛。中间束在膝关节屈伸运动中始终保持张力，并与侧副韧带及关节囊后方增厚部一起限制膝关节过伸。ACL与内侧副韧带具有大致相同的强度，约为PCL强度的一半，但近来也有研究者报道ACL的强度接近PCL。

后交叉韧带（PCL）位于膝关节的后方间室，起点位于股骨内髁外侧面前部，附着点呈圆弧形（月牙状），止点位于胫骨关节面部分后下方的凹陷部，通常有一束与外侧半月板的后角相混合，于关节下方斜向上、前内走行（图6-7）。

PCL比ACL大、短、直，后部宽大呈扇形，从胫骨到股骨横截面积逐渐增大，其股骨和胫骨止点比ACL的止点分别大50％和20％，强度是ACL的2倍。Hughston等指出PCL由形成韧带大部分的前外侧部和斜向胫骨后方的、较小的后内侧部组成。伸直时后方纤维紧张，而韧带的大部分则松弛。膝关节伸直位磁共振显示PCL从股骨到胫骨呈弧形曲线。相反，在屈膝时最后方的纤维松弛，而其余部分即前外侧束则紧张。

教科书上对于膝关节十字韧带的解剖明确的描述为前、后交叉韧带被折叠的滑膜相互分开，而1998年Morgan和Cross对30例尸体或截肢的膝关节标本进行十字韧带研究，发现30例标本的前、后交叉韧带之间都有胶原纤维组成的互连带，互连带中均有血管组织，86％有神经纤维。因此不应该把ACL和PCL相互独立起来，而应该综合起来考虑，称为“十字复合体”，并进一步证实膝关节十字韧带不仅有稳定膝关节的功能，而且有本体感受的功能。

交叉韧带主要血供来自膝中动脉，该动脉来源于腘动脉，直接进入后关节囊，进入韧带的股骨附着点附近的髁间沟，呈树枝状横向穿入，与韧带内平行于韧带胶原束的血管相吻合。次要血供来自供应髌下脂肪垫的膝下内、外侧动脉。膝下内和下外动脉经脂肪垫提供了丰富的血供，最近也有研究者认为，来自髌后脂肪垫区域的软组织和滑膜的前方血管，是更重要的血供来源。前交叉韧带的骨性附着点几乎对韧带不提供血供。

交叉韧带内有丰富的神经末梢，前交叉韧带受胫神经发出的神经纤维支配，具有本体感受器的功能。组织学研究表明该神经的神经纤维与纤维小束之间传递疼痛的神经大小一致。在韧带表面也发现有机械感受体存在，在韧带止点尤其股骨侧滑膜的下方机械感受体最多。Schultz等发现交叉韧带基质中的一些细轴索，以及韧带表面行经的轴索束。韧带中的机械感受器是类似Golgi肌腱器官的结构，主要位于韧带表面，滑膜衬层之下的止点处。人们推测这些结构主要以本体觉感受器的方式工作，传导韧带和关节的信号。

Schutte等认为人ACL存在三种形态的机械感受器和神经末梢。第一种即Ruffini末端，特点为慢适应，对韧带张力的轻度改变有反应；第二种Ruffini机械感受器也是慢适应类型，类似于Golgi肌腱器官；第三种Pacinian小体是快适应机械感受器。此外，还发现了传导疼痛的游离神经末梢，但比机械感受器为少。Wada等将白兔的右膝ACL切除后使用髌腱外1/2重建，术后重建韧带用改良氯化金方法染色，对标本中的感觉神经末梢进行形态学确认后记数。结果显示与髌腱对比，重建韧带上Pacinian小体和Ruffini末端的数目没有明显的改变。

二、交叉韧带的组织形态学

韧带是连接骨与骨的短纤维组织束，并为内部结构提供保护。韧带限制和引导关节运动，与骨的几何外形及肌肉和肌腱的动力方向相一致。肌腱是将肌肉和骨骼连接在一起，传递肌肉力量到骨关节，并使关节复合结构沿着肌肉收缩和松弛的方向运动。

组织学研究表明肌腱、韧带、筋膜和关节囊均属结缔组织，具有组织学上的同源性。在许多教科书上，肌腱和韧带一起被划分为致密的结缔组织。两者中Ⅰ型胶原纤维是主要的细胞外成分，其他为蛋白多糖成分和一些小分子蛋白质的组成成分，其数量有所区别。Ⅰ型胶原纤维以波浪状排列更为明显。这些区别使不同部位的韧带能在最大程度上适应力学的要求。两者根本不同之处包括胶原束的宽度、细胞形态、大小以及卷曲。卷曲是肌腱和韧带的共有特点，表现为基质中规则的正弦曲线模式。卷曲的周期和幅度具有结构特异性，可以通过轻度的纵向延长而起到缓冲的作用，纤维不会受到损伤，还可以沿着组织的长轴起到控制张力和吸收震荡的作用。当卷曲的生理机械限度被突破，就会发生不可逆的损害，组织的机械特性也会受损。尽管肌腱和韧带在束内发生卷曲，这两种结构的卷曲模式并不相同。ACL的中央束成直形或者波浪形，表现为平面波浪模式，而周围肌束则呈螺旋状模式。而在髌腱中，所有的肌束都弯曲成螺旋状模式。

交叉韧带肉眼观亮白颜色，主要成分为成纤维细胞和平行排列的胶原纤维束及部分弹力纤维，胶原纤维在较大的功能束内成簇状排列。胶原纤维呈复杂的三维走行，具有拉伸性和弹性特点，在不同的应力负载作用下将发生不同的形变过程。人的ACL主要含Ⅰ型胶原纤维，Ⅲ型胶原位于Ⅰ型胶原之间的疏松结缔组织内，Ⅱ型胶原位于上下止点的纤维软骨和钙化软骨层内。在力学上ACL可以吸收能量，调整内部张力分布结构。但当应力大于屈服点时，胶原纤维将会出现不可逆损伤，ACL难以再继续承受负载而失去作用。Noyes认为ACL复杂的纤维走向使得韧带在关节不同平面内运动，任何移植物都不可能完全替代。

Danylchuk研究发现ACL由直径150～250nm的胶原纤维组成，在高倍视野下呈平行走行。这些胶原纤维组成直径1～20μm的纤维，大部分沿着韧带的长轴走行，其直径与髌腱纤维（45～60μm）类似，但振幅比较短，幅度小于5μm。大量的纤维彼此结合形成亚束单位，其直径为100～250μm。肌腱内膜是疏松结缔组织薄层，包绕亚束单位。在人类，肌腱内膜非常丰富，韧带是由束组成的，因而显得不够均一。胶原束由几十个亚束组成，直径从250μm到几毫米不等。肌腱外膜包绕纤维束，比内膜致密。腱鞘包绕整个韧带，与外膜混合在一起。滑膜覆盖交叉韧带，使其成为膝关节滑膜外结构。

ACL损伤后很难自行愈合，这与其他韧带（如膝MCL）大不相同。研究认为，人ACL内部有圆形的成纤维细胞分布在纤维小束的任意一侧，但是韧带比肌腱的细胞成分更多。ACL的成纤维细胞介于圆形和卵圆形之间，在外观上与髌腱的纤维母细胞十分不同，其直径为5～8μm，长度为12～15μm。细胞沿着纤维束的边缘纵向排列。与髌腱相似，细胞群密集位于网形结缔组织中，这可能是韧带中与腱鞘相对应的区域。人ACL内还有串状排列的类软骨细胞，可以合成酸性黏多糖蛋白，与软骨细胞十分相似。这可能意味着ACL具有软骨性的缓冲能力。

有学者以兔为模型，用常规组织学方法和免疫组化研究ACL的胶原纤维排列方向、细胞堆聚类型及细胞形状。结果发现在ACL中1/3内部有排列紧密、彼此平行的胶原纤维沿韧带长轴走行，被柱状排列的陷窝细胞分隔。细胞周围有无定形物质包裹，内部含有丰富的有机质。这些细胞像纤维母细胞一样可以产生基质，但其形态却与软骨母细胞十分类似。笔者认为，纤维母细胞和软骨母细胞可以在一定条件下相互转化，而ACL中的这种介于两者之间的细胞表型可能是由于力学和营养等条件造成的。在膝关节伸展时，ACL会发生扭转，产生的内部压力可能使其细胞去分化，而该区域血运不佳，细胞营养和氧张力可能来自于滑液，也会影响细胞表型。总之，ACL内部细胞的这种纤维软骨表现，是其断裂后愈合不良的原因。

交叉韧带的上下止点属于直接止点，Cooper和Misol描述了止点过渡层中的4个独立的区域。Ⅰ区中有波浪状胶原纤维，Ⅱ区为纤维软骨区，软骨细胞占主要地位，Ⅲ区中基质逐渐矿化，Ⅳ区中骨基质胶原纤维与矿化纤维软骨混合在一起。在Ⅱ层和Ⅲ层之间有一条深染的线，被称为潮线。四层结构形成了从有弹性的韧带到坚硬的骨之间的过渡，在刚度上的渐变可以防止韧带附着部位的应力集中。

三、前交叉韧带的功能

交叉韧带作为膝关节重要的稳定结构，在关节正常或异常旋转运动时起作用。它们呈铰链式连于股骨髁间窝及胫骨的髁间隆起之间，限制胫骨在股骨上的前后活动，并且有助于控制胫骨在股骨上的内、外旋转。胫骨外旋使两条韧带分开，内旋使其靠紧。交叉韧带和侧副韧带除具有协同功能外，在旋转过程中还具有基本的拮抗作用。外旋时侧副韧带逐渐产生空间交叉并拉紧，限制了过度的旋转运动。旋转中立位四条韧带均维持正常的紧张度。内旋时，侧副韧带纤维可变为垂直和松弛，但交叉韧带相互缠绕，处于紧张状态。膝关节在完全伸直位时，由于骨结构的外形、支持韧带和半月板作用，不能做旋转运动。当屈曲运动开始后，关节囊和侧副韧带及交叉韧带张力逐渐下降，从0°增加到90°的屈曲过程中，旋转活动度逐渐增加。旋转范围从5°～25°，内旋小于外旋角度，因人而异。

ACL是膝关节重要的静力与动力性稳定结构，可以与其他韧带共同保持膝关节的正常运动。Noyes等报道屈膝90°、胫骨旋转中立位时，ACL张力占前抽屉试验中抵抗力的85％。因此ACL是主要的前方稳定结构，其最主要功能是在屈膝时防止胫骨相对股骨的前移，另外还可以在伸膝时阻止膝关节过伸；腿部固定不动时，能防止股骨内旋；不同屈膝角度可控制膝关节内外翻；参与伸膝时最后的锁扣运动。通过选择性切断前交叉韧带发现，在屈膝状态下，前内侧束紧张，提供主要的阻挡作用；在伸膝状态下，后外侧束的大部分紧张，因此后外侧束提供对抗关节过伸的主要力量。当膝关节活动时ACL与PCL两条韧带各有一部分纤维处于紧张状态，在屈膝40°～50°时ACL张力最小。伸直时ACL紧张，防止胫骨向前移位。屈膝时后交叉韧带紧张，可防止胫骨向后移位，并控制旋转活动，起旋转轴的作用，还能防止过伸及过屈。总体上，交叉韧带具有限制膝关节的过伸、过屈及旋转活动的功能。

四、前交叉韧带的生物力学

ACL受力一般为445N，运动时为500～1000N。其强度各家报道不尽一致，Noyes的研究结果平均为1730N，也有学者测量为2160N。一般认为ACL的抗张、抗拉强度随年龄增长而下降。不同速度的加载会引起不同部位的损伤，快速加载多造成实质部断裂，慢速加载容易引起止点撕脱损伤。

有些学者认为单纯ACL功能不全，对膝关节功能影响不大，但当半月板后角撕裂、退变及半月板切除后，或者先前未发现半月板与关节囊撕裂，而发生逐渐拉伸，ACL功能缺失的表现更为明显。目前，多数外科医师认为ACL的断裂是“膝关节功能缺失的开始”。研究显示，切断ACL的中间束可加重前方不稳，而切断前内侧束可增加前外侧旋转不稳。在前内和中间束被切断后，切断ACL的后外侧束可进一步增加外旋不稳及后外侧旋转不稳。在膝关节屈曲位进行前抽屉试验时，前内侧束是阻止胫骨相对股骨前移的主要阻挡结构，随着膝关节伸直，前抽屉试验的抵抗力主要由后外束的大部分承担。后交叉韧带于屈膝时紧张，可防止胫骨向后移位，并控制旋转活动，起旋转轴的作用，还能防止过伸及过屈。