背景:膝关节后外侧复合体(Posterolateral Complex,PLC)是位于膝关节后外侧的一个解剖结构和力学性能复杂的功能复合体。它由多条肌腱和韧带组成,主要起着维持膝关节后外侧部位静态和动态稳定性的作用,防止膝关节的内翻、外旋和胫骨后移。膝关节的损伤时常伴随着PLC的损伤,PLC损伤的早期诊断和治疗对膝关节功能的恢复至关重要,因此对PLC解剖结构、力学性能及手术重建方案的研究越来越受到重视。PLC的解剖学研究大多基于大体解剖或磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)图像的方法进行,由于PLC结构的复杂性和研究方法的多样性,对其具体组成、三维形态、毗邻关系的研究仍然不足。以往的研究发现,由于不同人种间股骨远端和胫骨近端骨关节的形态、大小等存在差异,应该针对性地进行临床全膝关节置换术方案的设计。然而目前不同人种间膝关节PLC解剖结构的差异性研究还很少,还不能为临床医生提供更多的手术方案设计的解剖学参考数据。此外,基于三维有限元模型进行膝关节生物力学的研究已经广泛开展,但是膝关节合并PLC的三维有限元模型以及对PLC结构的有限元生物力学研究仍然缺乏。因此,PLC的解剖学、手术隧道方案优化和生物力学性能等还有待进一步研究和探讨。目的:1.拟基于薄层高精度的中国可视化人(Chinese Visible Human,CVH)数据集图像,对PLC进行数字解剖学研究,研究其组成结构、三维形态和毗邻关系。2.将CVH数据集和美国可视化人项目(Visible Human Project,VHP)数据集中PLC的组成结构、三维形态和毗邻关系进行对比,研究亚洲和高加索人种间PLC结构的解剖学差异。3.对CVH和VHP数据集中PLC结构在股骨和腓骨的腱-骨结合部进行数字解剖学研究,确定这些结构起止点腱-骨结合部形态、接触面积、各结构中心点及其距离的详细信息,以期为骨科临床治疗中PLC骨隧道方案选择提供帮助。4.以CVH数据集三维重建模型为基础,构建膝关节合并PLC结构的有限元生物力学模型,为开展PLC结构的有限元生物力学实验奠定基础。材料与方法:选择了7例CVH(CVH-1、CVH-2、CVH-5左右膝关节横断面和1例膝关节冠状面)图像集,4例VHP【美国可视化人男性(Visible Human Project-male,VHP-male)和美国可视化人女性(Visible Human Project-female,VHP-female)左右膝关节横断面】图像集,获取了成人和胚胎的膝关节组织学切片染色(苏木精-伊红、Masson、Mallory–Cason)图像。将组织学切片染色图像和数字人真彩色断层图像中结构的自然颜色作为PLC结构识别参考,通过Amira软件,对膝关节骨、PLC及其毗邻结构进行数据分割和三维重建。此外,本研究将CVH图像与相对应位置的MRI图像进行了对比和研究。对膝关节三维重建图像中PLC的结构进行了测量,并分别计算了CVH和VHP数据集中每个结构测值的均值和标准差。在此基础上,选择CVH-1、CVH-2、CVH-5和VHP-male、VHP-female的左右膝关节数据集,对PLC中腓侧副韧带(Fibular Collateral Ligament,FCL)、腘肌肌腱(Popliteus Tendon,PT)、股二头肌肌腱(Biceps femoris Tendon,BT)、腘腓韧带(Popliteofibular Ligament,PFL)在股骨和腓骨的腱-骨结合部进行计算、识别和三维重建,对腱-骨结合部的形态、接触面积、中心点和其相互之间的距离等进行测量和研究。以CVH-5右膝关节的三维重建模型为基础,优化处理后,通过Altair Hyper Works软件,构建膝关节合并PLC结构的三维有限元模型,并验证了模型的有效性。结果与讨论:1.成功重建了7例CVH膝关节数据集和4例VHP膝关节数据集的PLC及其毗邻结构的三维模型,基于CVH-5右膝关节模型成功创建了一个交互式可视化3D-PDF文件,可以从任意角度和任意方位对膝关节PLC的组成结构、三维形态和毗邻关系进行可视化观察和解剖学研究。2.发现PLC主要由FCL、PFL、弓状韧带(Arcuate Popliteal Ligament,APL)、PT、腓肠豆腓骨韧带(Fabellofibular Ligament,FFL)和BT组成,包括近端和远端结构。PLC的近端,从前到后,是PT、FCL和APL外侧头的起源,它们共同位于股骨外侧髁处;PLC的远端,从前到后,是FCL、BT、APL、PFL和FFL的止点,它们共同位于腓骨头的后外侧。这些结构具有相邻的起点或止点,研究认为它们共同作用以保持PLC的稳定性。在CVH数据集中APL呈“Y”形,出现率为100%,它的外侧头和内侧头分别起源于靠近股骨外侧髁的纤维囊的后外侧部分和内侧下部,在VHP数据集中,仅在VHP-male右膝关节中发现了APL结构,出现率为25%,其形状不规则,无明显内外侧头。通过解剖学观察,本研究认为PT、PFL和FCL是PLC的主要力学结构,中国人的APL也是PLC的重要力学结构,美国人的APL却不是,建议中国人PLC手术方案应根据自身解剖特征设计。3.VHP数据集中PLC结构的测值普遍大于其在CVH数据集中的测值,如PT的主干长度和宽度,FCL的长度、宽度和厚度,PFL的宽度,BT的长度和宽度,APL的长度。也有少数的PLC结构在VHP数据集中的测值与其在CVH数据集中测值差别不大甚至略小,如PT的外侧束与内侧束的长度,PFL的长度。对于PT、FCL和PFL这三个PLC主要力学结构的测量和计算,PT主干和FCL长度在CVH与VHP数据集中的比值约为0.71,PT主干、FCL、PFL的宽度在CVH与VHP数据集中比值约为0.77。研究可见,美国人较中国人PLC解剖结构尺寸大,推测不同人种均存在与之相匹配的不同的PLC结构尺寸和力学性能;此外,膝关节骨的测值在VHP数据集中较CVH数据集中大,推测骨发育中的形态和大小决定附着其上的肌肉、肌腱及韧带等软组织的形态和大小。4.通过对PLC结构腱-骨接合部的三维重建图像的观察和测值,发现不同标本间其形态和接触面积存在很大差异,但其中心点在骨上有基本一致的位置和附着规律。CVH数据集中PLC结构腱-骨结合部的测值均小于VHP数据集中相对应的测值,证明中国人的PLC解剖结构比美国人的小,和我们之前的研究结果一致。CVH数据集中FCL和PT的股骨腱-骨结合部中心点之间的距离为7.73±1.44 mm,该研究结果证明中国人采用PLC股骨单隧道重建方案也可以获得很好的力学稳定性,且建议应该选择FCL和PT在股骨的腱-骨结合部中心点连线的中点作为手术隧道点位置。5.成功构建了膝关节合并PLC结构的三维有限元模型。该模型由18个部件组成,包含股骨、胫骨、腓骨及其软骨、髌骨、髌韧带、内侧半月板(Medial Meniscus,MM)、外侧半月板(Lateral Meniscus,LM)、前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament,ACL)、后交叉韧带(Posterior Cruciate Ligament,PCL)、内侧副韧带(Medial Collateral Ligament,MCL)、FCL、PT、PFL、APL和BT。模型总计559800个单元,精确度高,能展现膝关节合并PLC结构的复杂几何外型和接触关系,能够有效模拟和反映各种力学场下PLC结构的应力与应变,可以弥补膝关节合并PLC的三维有限元模型及其相关研究仍不充分的缺点。结论:1.CVH图像集具有薄层,高精度和真彩色的优点,以此为基础的数字解剖学研究更为准确地显示了PLC的组成结构、三维形态和毗邻关系,可以提高临床医生在MRI图像中对PLC结构识别和诊断的准确度。2.通过观察和研究PLC解剖结构和交互式可视化的3D-PDF,发现FCL、PFL、APL、FFL和PT位于膝关节后外侧部的毗邻位置,它们的起点或止点均位于PLC结构的近端或远端;本研究推测中国人的APL在PLC中具有较重要的生物力学意义。3.发现VHP数据集的膝关节骨和PLC结构的测值普遍大于CVH数据集中的测值,且呈一致的比例关系,推测不同人种均存在与之相匹配的不同的PLC结构尺寸和力学性能;提出了应该根据中国人膝关节骨及PLC结构的解剖学特点制定合适的手术隧道方案。4.提出了一种适合中国人PLC重建手术的股骨单隧道方案;本研究数据可以为临床医生进行PLC重建手术时,设计和选择股骨隧道方案提供理论依据和指导,也为中国人进行PLC股骨单隧道重建后膝关节具有良好的稳定性提供了解剖学数据支持。5.高精度的膝关节合并PLC结构的三维有限元模型,为开展PLC的有限元生物力学实验奠定了基础,进而弥补中国人PLC的力学性能研究少,研究不充分的现状,为优化PLC重建手术方案提供理论依据和指导。