Extensor mechanism rupture around the knee

00Overview

本主題處理的是膝關節 extensor mechanism（伸膝裝置）的急性斷裂。Extensor mechanism 由上到下包括：quadriceps tendon → patella → patellar tendon (patellar ligament) → tibial tubercle。這四個結構中任何一處斷裂都會導致患者完全無法主動伸膝（active extension loss），是需要手術修復的急症。

臨床與影像的核心任務是：(1) 確認 extensor mechanism disruption 的存在與位置（quadriceps tendon vs patella fracture vs patellar tendon），(2) 評估斷裂是 complete 還是 partial，(3) 描述 retraction gap distance（手術規劃需要），(4) 判斷是否有合併傷（intra-articular fracture、meniscal injury、chondral damage）。

最容易出錯的地方：在膝關節 hemarthrosis 合併腫脹的情境下，把 patellar alta（patella 位置過高）的 X-ray finding 忽略而漏診 patellar tendon rupture；把 quadriceps tendon partial tear 的 MRI 訊號變化當作 tendinopathy 而低估 severity；以及 transverse patellar fracture 被急診 X-ray 上 beam hardening 或 positioning artifact 遮蔽。

01Critical concepts

• Extensor mechanism 是一個 functional chain——鏈上任何環節斷裂都會導致無法主動伸膝。臨床上 inability to perform a straight leg raise 是最重要的 bedside test
• Quadriceps tendon rupture 好發於 > 40 歲（尤其 50-70 歲），常見 risk factors 包括 diabetes、chronic renal failure（dialysis patients 的 tendon 品質差）、corticosteroid use、fluoroquinolone use、gout
• Patellar tendon rupture 好發於 < 40 歲（尤其 athletes、jumpers），常見於 explosive eccentric contraction（landing from jump）
• Quadriceps tendon rupture 比 patellar tendon rupture 更常見（約 3:1），但常被漏診——因為 quadriceps tendon 的觸診不如 patellar tendon 直觀，且腫脹可能遮蔽 suprapatellar gap
• Patella fracture 是 extensor mechanism 斷裂的另一種形式：transverse fracture with displacement > 3 mm 或 articular step-off > 2 mm 需手術
• 側面 X-ray (lateral view) 是評估 patellar position 的最重要 view——Insall-Salvati ratio（patellar tendon length / patella length）正常 0.8-1.2；> 1.2 = patella alta（提示 patellar tendon rupture）；< 0.8 = patella baja/infera（提示 quadriceps tendon rupture）

01正常 anatomy / 常用 modality

Quadriceps tendon 由四條肌肉（rectus femoris, vastus lateralis, vastus medialis, vastus intermedius）匯合而成的 three-layered tendon，附著於 patella 上極。正常厚度 6-8 mm，MRI 上呈均勻低訊號。是全身最大的 sesamoid 關聯肌腱之一。

Patella 是全身最大的 sesamoid bone，嵌入 extensor mechanism 中。其下極為 patellar tendon 的起始點。正常 patella 在 lateral X-ray 上，patella 下極大致與 joint line 對齊。

Patellar tendon（嚴格來說是 ligament，因為連接兩塊骨頭）從 patella 下極向下附著於 tibial tubercle。正常寬度約 30 mm、厚度 3-5 mm，MRI 上呈均勻低訊號。正常 patellar tendon 的 signal 在 posterior aspect near insertion 處可因 magic angle effect 稍微偏高。

Tibial tubercle 是 patellar tendon 的 distal attachment。在 skeletally immature patients 中（adolescents），tibial tubercle 是 apophysis（growth plate），容易發生 avulsion fracture。

常用影像：

• X-ray（lateral view 最重要）：評估 patellar position（alta vs baja）、patella fracture、tibial tubercle avulsion、joint effusion
• Ultrasound：可快速確認 tendon continuity（dynamic exam with attempted extension），尤其適用於急診 bedside evaluation
• MRI：Gold standard for tendon tear characterization（complete vs partial, retraction distance, associated injuries），但不一定需要 emergent MRI——clinical + X-ray 通常足以做出手術決策

02常見 pattern 分類

Quadriceps tendon rupture

• Definition：Quadriceps tendon 在 patella 上極附著處或其上方斷裂。MRI 見 tendon discontinuity with gap filled by hemorrhage（T2 high signal）、tendon stump retraction superiorly。Lateral X-ray 見 patella baja/infera（patella 位置偏低）+ suprapatellar soft tissue swelling
• Why it matters：Complete rupture = emergent surgical repair（理想在 2 週內）。延遲修復困難度顯著增加（retracted tendon 需 V-Y lengthening）
• What it points toward：> 40 歲男性、bilateral rupture 需考慮 systemic disease（chronic kidney disease with secondary hyperparathyroidism、diabetes、SLE）
• Common trap：Partial quadriceps tendon tear 可能僅影響 superficial layer（rectus femoris tendon）而 deep layers intact，患者仍可勉強伸膝（但無力）。MRI 上需仔細評估 each layer 的 continuity——single layer tear 可保守治療，但 > 50% cross-sectional area 或 multiple layers involved 則需手術

Patellar tendon rupture

• Definition：Patellar tendon 從 patella 下極撕脫或 mid-substance 斷裂。MRI 見 tendon discontinuity、proximal retraction of patella（patella alta）。X-ray lateral view 見 Insall-Salvati ratio > 1.2
• Why it matters：Complete rupture 需 emergent 手術修復。尤其在 athletes 中，修復時間直接影響 return-to-sport outcome
• What it points toward：< 40 歲 athlete、explosive jump/landing mechanism、prior patellar tendinopathy（jumper's knee 是 predisposing factor）、prior steroid injection to patellar tendon
• Common trap：Patellar tendon rupture 合併 Hoffa fat pad edema 與 hemorrhage，可能讓 MRI 判讀者把注意力放在 Hoffa pathology 而忽略 tendon itself。直奔 sagittal view 先確認 tendon continuity from patella to tibial tubercle

Transverse patellar fracture with displacement

• Definition：Patella 的 transverse fracture（橫行骨折）將 patella 分為上下兩段，proximal fragment 被 quadriceps 向上拉、distal fragment 被 patellar tendon 固定。Displacement > 3 mm 或 articular step-off > 2 mm 即需手術
• Why it matters：Displaced transverse patellar fracture 等同於 extensor mechanism disruption——患者無法主動伸膝。需 ORIF（tension band wiring 或 screw fixation）
• What it points toward：Direct blow to anterior knee（dashboard injury）或 forceful eccentric quadriceps contraction
• Common trap：Bipartite patella（正常變異，約 2-3% 人口）位於 superolateral pole，與 transverse fracture 不同位置也不同形態。Bipartite patella 的邊緣光滑（corticated），fracture 邊緣銳利（non-corticated）。但 bipartite patella 偶爾會 painful（symptomatic bipartite patella），需臨床鑑別

Tibial tubercle avulsion fracture

• Definition：Patellar tendon 的 distal attachment avulsion，好發於 adolescents（skeletally immature，tibial tubercle apophysis 尚未完全閉合）。Ogden classification: Type I（avulsion at secondary ossification center）、Type II（at junction of primary and secondary centers）、Type III（extends into joint）
• Why it matters：Type III 涉及 articular surface → 需 anatomic reduction + fixation 以避免 growth disturbance 和 joint incongruity
• What it points toward：Adolescent athlete（basketball, volleyball），explosive jumping mechanism，pre-existing Osgood-Schlatter disease 可能是 predisposing factor
• Common trap：X-ray 上 tibial tubercle 的 normal apophyseal irregularity（Osgood-Schlatter 的殘留變化）不要與 acute avulsion 混淆。Acute avulsion 有 soft tissue swelling + displaced fragment，Osgood-Schlatter 的 fragmentary appearance 是 chronic 且 bilateral

Patellar sleeve fracture（兒童特有）

• Definition：Patella 下極的 sleeve avulsion，主要見於 8-12 歲兒童。Patella 的 cartilaginous sleeve（未骨化部分）從骨性 patella 撕脫，拉著 patellar tendon attachment 一起離開。X-ray 上只見一小片 bony fleck at inferior patella，但實際的 cartilaginous avulsion 範圍遠大於 bony fragment 所示
• Why it matters：X-ray 上看似 small avulsion fragment 但實際撕脫範圍大，容易被低估。需手術修復
• What it points toward：兒童的 sports injury，類似 patellar tendon rupture 在成人中的 equivalent
• Common trap：在兒童的 X-ray 上只看到 patella 下方的 tiny fleck 就忽略——需注意 patella alta（patella 位置升高）作為 functional disruption 的證據

03Top common diagnoses

• Quadriceps tendon rupture：最常見的 extensor mechanism rupture。好發 50-70 歲男性。Complete rupture 需 surgical repair within 2 weeks。Risk factors: DM, CKD, steroid, fluoroquinolone。X-ray: patella baja。
• Patellar tendon rupture：第二常見。好發 < 40 歲 athletes。Prior patellar tendinopathy（jumper's knee）是 predisposing factor。X-ray: patella alta（Insall-Salvati > 1.2）。
• Transverse patellar fracture：最常見的 patella fracture pattern。Dashboard injury 或 fall on flexed knee。Displacement > 3 mm 或 articular step-off > 2 mm → surgery。
• Tibial tubercle avulsion：Adolescents，explosive jumping。Ogden type III → surgical emergency（articular involvement）。
• Patellar sleeve fracture：Children 8-12 歲。Small bony fleck but large cartilaginous avulsion。Easily underestimated on X-ray。

04Cannot-miss diagnosis / emergency

05高頻 mimics 與 discriminators

Quadriceps tendon partial tear vs quadriceps tendinopathy

• Why they get confused：兩者都在 MRI 上表現為 tendon thickening 合併 intratendinous signal change
• Most useful discriminators：Partial tear：discrete fluid-signal cleft（T2 bright, well-defined line within tendon）、surface irregularity、focal fiber discontinuity on at least one layer。Tendinopathy：diffuse thickening with intermediate signal（mucoid degeneration）、smooth contour、no discrete cleft
• Common trap：Magic angle artifact 在 quadriceps tendon 的 distal 幾公分處（接近 patella 時 tendon 彎曲）可產生假陽性 T1/PD signal，必須 T2FS 確認

Transverse patellar fracture vs bipartite patella

• Why they get confused：兩者在 X-ray 上都呈「patella 分成兩塊」的外觀
• Most useful discriminators：Fracture：transverse orientation（橫行）、non-corticated edges（銳利面）、soft tissue swelling、hemarthrosis、clinical acute trauma history。Bipartite patella：superolateral location（不是橫行）、well-corticated smooth margins（rounded, sclerotic）、often bilateral（check contralateral）、incidental finding
• Common trap：Bipartite patella 也可以在 trauma 後 become symptomatic（stress reaction at synchondrosis），此時 MRI 會見 bone marrow edema at the junction — 不代表 acute fracture

Patellar tendon rupture vs jumper's knee（patellar tendinopathy）

• Why they get confused：兩者都涉及 patellar tendon 近端（proximal patellar tendon / inferior pole of patella 是 jumper's knee 的 classic location），都有 local pain
• Most useful discriminators：Rupture：complete loss of active extension、X-ray patella alta、MRI tendon discontinuity with gap。Jumper's knee：can still extend（although painful）、no patella alta、MRI shows focal thickening and signal change at proximal tendon without discontinuity
• Common trap：Chronic jumper's knee 可能是 rupture 的 predisposing factor。Prior steroid injection to patellar tendon for tendinopathy → 急性斷裂

06Next step / protocol / appropriateness

急診工作流：

1. 臨床：unable to straight leg raise → 高度懷疑 extensor mechanism disruption
2. Lateral knee X-ray first：看 patella position（alta vs baja）、fracture、soft tissue swelling、joint effusion
3. Patella alta（Insall-Salvati > 1.2）→ patellar tendon rupture → ortho consult → early repair
4. Patella baja + suprapatellar swelling → quadriceps tendon rupture → ortho consult → early repair
5. Transverse patella fracture with displacement → ORIF planning
6. MRI 適用於：(1) clinical uncertain（partial vs complete?）、(2) X-ray equivocal、(3) associated intra-articular injury evaluation。不一定 emergent——clinical + X-ray 通常足以做手術決策

Imaging protocol：

• X-ray：AP + lateral + sunrise views
• MRI（if needed）：sagittal proton density / T2FS（tendon evaluation 核心序列）、axial T2FS（patella fracture pattern）、coronal T2FS（collateral ligament assessment）
• Ultrasound（point-of-care）：高頻 linear probe 沿 tendon long axis 評估 continuity，可做 dynamic exam（patient attempt extension while scanning）

07Pitfalls / normal variants

• Patella alta/baja 被忽略：很多急診 X-ray 報告只看骨折不看 patellar position。所有 knee trauma with effusion 的 lateral view 都應評估 Insall-Salvati ratio——這是 tendon rupture 的最重要間接徵兆。
• Bipartite patella 被誤報為 fracture：Bipartite patella 位於 superolateral pole（不是 transverse），邊緣光滑圓鈍。可 bilateral presence 確認。不需手術。
• Dorsal patellar defect：Patella posterior surface 的 focal cortical irregularity/lucency（通常 medial facet），是 normal variant，不要與 fracture 或 chondral lesion 混淆。
• Osgood-Schlatter 殘留 vs acute avulsion：Adolescent 的 tibial tubercle irregularity 可能是 pre-existing Osgood-Schlatter disease。Acute avulsion 有 soft tissue swelling + displaced fragment + clinical acute onset。Osgood-Schlatter 通常 bilateral 且 chronic。
• Quadriceps tendon 的三層結構：Superficial layer（rectus femoris）、middle layer（vastus lateralis + medialis）、deep layer（vastus intermedius）。Partial tear 最常僅影響 superficial layer。報告中應指出受影響的 layer(s)。
• Post-total knee replacement 的 extensor mechanism complication：TKR 術後可發生 patellar tendon rupture 或 patella fracture（due to abnormal tracking or devascularization）。在 hardware 周圍的評估需考慮 artifact limitation on MRI。