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前十字靭帯の解剖学と運動学

関節

筋骨格系の傷害はスポーツの現場でしばしば見られます。膝関節はその中でもスポーツ障害の好発部位となっています1-7。

特に前十字靭帯の損傷(断裂)は、バスケットボールやサッカー、バレーボールなどジャンプやカッティングのような動作が多い競技に好発します。体操1-4や格闘技、1.2.4ランニング3などでもしばしば見られます。また試合中よりも練習中に傷害が発生しています5.8.9。

前十字靭帯の損傷により、機能が低下し膝関節には不安定性が発生します。前十字靭帯は脛骨の前方への変位を防いでいる構造であるため、この不安定性は前方に発生します。

また不安定性が慢性化することにより、二次的に膝関節の変性が進行します。膝関節の変性によって生じる疾患には、変形性膝関節症、膝蓋軟骨軟化症などがあります。

目次

前十字靭帯の解剖学

前十字靭帯は線維芽細胞とタイプ1コラーゲンを含む軟部組織であり、特にタイプ1コラーゲンは主要な構成成分となっています。

大腿骨外側顆後内側から脛骨の内側顆間結節前外側の間を走行しています10。

前十字靭帯の起始部の面積は平均113mm2、停止部は平均136mm2、また中央部分の断面積は36mm2から44mm2、そして靱帯の前部と後部の長さは22mmから41mmあったとする研究報告があります(注；前十字靭帯は解剖学的に前内側線維束と後外側線維束に分類されます)11-14。

血液供給

前縦靭帯には、血管が非常に発達しています16（前十字靭帯への血液供給は比較的乏しいという研究報告15もあります）。

前十字靭帯の損傷により、膝関節の腫脹が起こります。これは靱帯損傷に伴う出血による血腫ですが、このことからも前十字靭帯には豊富な血液供給があることを裏付けています。

DeHavenによると膝関節の急性傷害において、傷害後4時間以内に膝関節の腫脹(血腫)が見られたケースの72%(81ケース)が前十字靭帯の損傷によるものでした17。

また、このとき損傷を受けているのは、主に内側膝動脈の末梢部にある動脈です18。

内側膝動脈は膝窩動脈の末梢にある動脈であり、膝関節の関節包後部を貫通しています18-20。関節包を貫通した後、滑膜の中へ入り込んでいきます。

膝関節の滑膜は前十字靭帯全体を覆っていますが、内側膝動脈は後面に集中しています。Scapinelliはこの部分を“脛骨下行枝”と呼んでいます18。

脛骨下行枝は所々において枝分かれを起こした後、前十字靭帯へと入り込んでいきます。

内側膝動脈は前十字靭帯以外に大腿骨遠位部骨端、脛骨近位部骨端への血液供給も行っています。さらに2つに枝分かれした後、脛骨内側顆と脛骨外側顆へと走行しています。

前十字靭帯は内側下膝動脈と外側下膝動脈からの血液供給もあります。これらの動脈は膝窩動脈から分岐しており、内側下膝動脈は脛骨内側顆の下を通り、内側側副靭帯へと入り込んでいきます。

一方、外側下膝動脈は膝関節の外側ジョイントライン付近を通り、さらに腓骨頭近位部を通過した後に外側側副靭帯へと伸びていきます。

外側下膝動脈はジョイントライン周辺において外側半月へ分岐し、その辺縁部へ血液供給をしています。これら2つの動脈は膝蓋下脂肪体周辺で結合しています。

前十字靭帯の中心部はその辺縁部(近位端、遠位端)と比較すると、血液供給が乏しいと言われています21.22。

膝関節周辺構造が前十字靭帯への血液供給に及ぼす影響を考慮する必要があります。特に膝関節の滑膜と膝蓋下脂肪体の損傷は、前十字靭帯への血液供給に大きな影響を及ぼしています。

前十字靭帯を覆っている部分にある滑膜を除去したところ、前十字靭帯への血液供給は完全に途絶え、膝蓋下脂肪体を除去したところ半分に減少したという報告があります15。

神経系供給

前十字靭帯への神経系供給は、脛骨神経から分岐した後部関節枝によって成されています16。

脛骨神経からの関節枝は、膝窩において複数に分岐しています。また関節枝は膝関節の関節包後部へも伸びています。

前十字靭帯には機械受容器がよく発達しています。機械受容器は靭帯への負荷を感知し、関節の安定性維持に貢献しています。

前十字靭帯の機械受容器は、滑膜のすぐ下層(前十字靭帯は滑膜によって覆われている)を靭帯に沿って走行し、大腿骨側の付着部周辺(大腿骨内側顆の内側)においてより発達しています23。

前十字靭帯損傷後の症状には膝関節の不安定性がありますが、これは靭帯の損傷に伴い機械受容器にも損傷が生じた結果によるものです。

従って、機械受容器の機能回復は傷害の再発予防にとっても欠かせないものとなります。

前十字靭帯の運動学

他の靱帯と同様、前十字靭帯の運動学的性質は、靱帯の配置や構成成分、起始・停止の場所によって決定されます24。

前十字靭帯と脛骨の前方変位

前十字靭帯は主に脛骨の前方変位を制限しています25-28。膝関節が30°から90°へ屈曲するときの脛骨前方への安定性は、その80%以上が前十字靭帯が担っています29。

一方、関節包や腸脛靭帯、外側・内側側副靱帯など他の靱帯性構造は、安定性にほとんど影響を及ぼしていません。さらに前十字靭帯は脛骨後方への変位には全く影響がないこともわかっています25.28-30。

脛骨の前方変位は、膝関節の屈曲が20°から45°の間で最大になり、90°以上では内側側副靭帯によって脛骨の前後方向への安定性が維持される傾向があります。31

また前十字靭帯が完全断裂している場合、脛骨の前方変位は2.8mmから13.0mm生じたことがわかっています(平均値は6.7mm)32。

このように前十字靭帯は、脛骨の前方変位の制限と同時に内旋の制限も行っています。

前十字靭帯と脛骨の内旋可動域

前十字靭帯を除去すると、脛骨の内旋可動域に顕著な増加が見られた一方で、側副靱帯を除去した場合には脛骨内旋の可動域に大きな不安定性は認められなかったと報告されています33.34。

この結果からも脛骨の内旋可動域に前十字靭帯が大きな影響を与えていることがわかります。

前十字靭帯の後外側線維束は、膝関節伸展時における安定性に重要な役割を果たしています。

一方、前内側線維束は屈曲時に膝関節を安定化させています。完全伸展位において、これらの線維束はともに伸張され緊張が生じています。

これは膝関節伸展位における非常に重要な安定化構造であると同時に、膝関節の過伸展を制限している構造でもあります35-37。

階段昇降と前十字靭帯への負荷

階段昇降時における前十字靭帯への負荷について調べている研究がありますので、ここでご紹介したいと思います。

その研究によると、歩行時において前十字靭帯には169Nの負荷が加わっており、また階段を下りるときには445N、そして階段を上るときと坂の上り下りのときには100Nの負荷が加わったと報告しています38-40。

 

前十字靭帯への負荷
歩行時 169N
階段を下りるとき 445N
階段を上るとき 100N
坂の上り下り 100N

特に階段を下りるときに膝の痛みを訴える人が多いですが、上記の結果はそれを裏付けるものとなっています。階段の上り下りでは大腿四頭筋に強い収縮が生じますが、その収縮形態は生理的に異なります。

つまり階段を上るときは短縮性収縮であり、下りるときは伸張性収縮を起こしています。

伸張性収縮は短縮性収縮に比べ、筋肉線維への負荷が大きいため、より多くの筋細胞の破壊が起こります。

さらに大腿四頭筋が収縮することで脛骨の前方変位が促されるため、前十字靭帯への負荷が増加します。

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