劉 暢 李增炎 侯志勇 馬世云 王懷良

1.河北省滄州市中心醫(yī)院骨二科，河北 滄州 061000；2.河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心，河北 石家莊 050051

踝關(guān)節(jié)是人體活動(dòng)時(shí)最重要的負(fù)重關(guān)節(jié)，損傷概率很高，對(duì)踝關(guān)節(jié)的力學(xué)分析越來越受到學(xué)者的重視[1-3]。盡管學(xué)者對(duì)踝關(guān)節(jié)的解剖研究比較透徹，但對(duì)于功能和解剖的關(guān)系認(rèn)識(shí)較少，本實(shí)驗(yàn)分析研究正常成人新鮮足標(biāo)本踝關(guān)節(jié)在背屈、中立及跖屈不同位置的生物力學(xué)特性。有助于理解踝關(guān)節(jié)解剖與功能的聯(lián)系，尋找脛骨遠(yuǎn)端不同類型骨折的損傷機(jī)制，為治療脛骨遠(yuǎn)端骨折的提供生物力學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集成人尸體新鮮小腿以下的標(biāo)本30具，臨床資料顯示供體平均身高169.72 cm，體重73.54 kg，肉眼及X線觀察排除標(biāo)本畸形、退行性變及骨折、腫瘤、結(jié)核、炎癥和明顯骨質(zhì)疏松等結(jié)構(gòu)性破壞，踝的功能正常。雙層塑料袋密封包裹標(biāo)本,置于-20℃深低溫冷凍冰柜中保存，在此溫度下保存，骨和韌帶的生物特性沒有明顯改變，實(shí)驗(yàn)前12 h取出，室溫下自然解凍。標(biāo)本隨機(jī)分成3組（背屈位組，中立位組，跖屈位組）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 標(biāo)本處理 室溫下自然解凍，在踝關(guān)節(jié)上25 cm處橫行截?cái)嗝勲韫?，剔除近? cm皮膚、肌肉等軟組織，保留脛腓骨間膜，標(biāo)本近端用聚甲基丙烯酸甲脂包埋處理，包埋盒與脛腓骨垂直，以保持向下加載時(shí)踝關(guān)節(jié)位于中立位。并將尸體標(biāo)本標(biāo)號(hào)，便于以后實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析。將所截小腿標(biāo)本的脛骨近端插入壓力試驗(yàn)用自制夾具的套筒端，把已調(diào)配好的牙托粉注入夾具的套筒內(nèi)直至牙托粉凝固，保持夾具與脛骨在同一軸線，使標(biāo)本脛骨近端與夾具套筒凝結(jié)成一體。將標(biāo)本置于壓縮生物力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，上端與生物力學(xué)試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)桿相連。實(shí)驗(yàn)夾具直立中立位固定標(biāo)本于電子萬能試驗(yàn)機(jī)，注意保持小腿標(biāo)本脛骨處于自然垂直地面狀態(tài)。

1.2.2 壓敏膜的放入 于踝關(guān)節(jié)前面橫行切口，切開關(guān)節(jié)囊，暴露踝關(guān)節(jié)面。用硬白紙做模，由踝關(guān)節(jié)前緣置入踝關(guān)節(jié)，復(fù)制出踝關(guān)節(jié)面壓跡模板，將壓敏片依模板裁剪，用塑料薄膜包裹，以免受潮，小心將壓敏片置入踝關(guān)節(jié)。輕輕將標(biāo)本固定在電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)平臺(tái)上。

1.2.3 力學(xué)加載 本實(shí)驗(yàn)使用CSS-44020生物力學(xué)儀，在測試中分別加載600、900、1200 N的載荷。在中立位、背屈10°、跖屈30°位時(shí)，生物力學(xué)機(jī)以20 N/s的速度向標(biāo)本頂端施加壓力，保持最大載荷5 s后卸載。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中間不斷向?qū)嶒?yàn)標(biāo)本關(guān)節(jié)內(nèi)噴淋生理鹽水，避免關(guān)節(jié)軟骨干燥，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確。采用加濕器、空調(diào)等保持室內(nèi)溫度25℃～30℃，相對(duì)濕度35%～80%。并將實(shí)驗(yàn)室的室溫和相對(duì)濕度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)記錄，用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。

1.3 數(shù)據(jù)的處理分析

本實(shí)驗(yàn)采用富士感壓紙Prescale膠卷。Prescale是日本富士Fujifilm以湛新彩色照相紙技術(shù)研發(fā)出的超輕薄且精確的感壓膠片，可以精確地測量壓力、壓力分布和壓力平衡。單片型Prescale含有A-film涂有微顆粒生色物質(zhì)層和C-film帶有顯色材料層。施壓時(shí)在膠片上會(huì)出現(xiàn)紅色區(qū)，彩色的濃度會(huì)隨著壓力的改變而改變。Prescale能滿足測量壓力的廣泛需求 （0.05～300 mPa），Prescale感壓膠片將壓力的分布可視化，在壓敏片著色區(qū)的形態(tài)和大小，反映了踝關(guān)節(jié)接觸區(qū)的面積和特征。使用FPD305密度儀和FPD306壓力轉(zhuǎn)換器讀取應(yīng)力值。首先根據(jù)壓敏片著色反應(yīng)壓跡，判斷結(jié)果的測量范圍。然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的相對(duì)濕度和溫度將FPD305密度儀和FPD306壓力轉(zhuǎn)換器進(jìn)行標(biāo)定，通過FPD305密度儀來讀取壓跡區(qū)密度值，利用FPD306壓力轉(zhuǎn)換器自動(dòng)換算從而得到應(yīng)力值。記錄應(yīng)力數(shù)值，獲得著色區(qū)的面積和精確的壓力值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

測得數(shù)據(jù)用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（）表示，多組間的比較采用方差分析。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

30具標(biāo)本分別按踝關(guān)節(jié)不同位置分成三組 （背屈10°位、中立位、跖屈 30°位），在加載 600、900、1200 N 的軸向載荷時(shí)，觀察踝關(guān)節(jié)的力學(xué)分布特征。表1～3表明在相同載荷下，踝關(guān)節(jié)接觸面積背屈10°>中立位 >跖屈30°（P=0＜0.05）； 踝關(guān)節(jié)所受壓強(qiáng)背屈 10°<中立位<跖屈 30°（P=0＜0.05）。 當(dāng)踝關(guān)節(jié)背屈 10°時(shí)，在不同載荷下（600、900、1200 N），踝關(guān)節(jié)的接觸面積無差異（F=0.09，P=0.92>0.05）；中立位時(shí)，不同載荷下踝關(guān)節(jié)接觸面積無差異 （F=2.16，P=0.14>0.05）；跖屈30°位時(shí)，不同載荷下踝關(guān)節(jié)接觸面積同樣無差異（F=1.20，P=0.35>0.05）。說明踝關(guān)節(jié)的接觸面積不隨載荷的改變而改變。見表4。

表1 600 N載荷下踝不同位置關(guān)節(jié)力學(xué)分布（）

表1 600 N載荷下踝不同位置關(guān)節(jié)力學(xué)分布（）

位置 壓強(qiáng)（mPa） 面積（mm2） 壓力（N）背屈10°中立位跖屈30°1.338±0.1361.586±0.1271.736±0.1454359.882±123.4353687.260±118.4233358.709±117.859582.568±11.415584.889±10.468582.856±11.024

表2 900 N載荷下踝不同位置關(guān)節(jié)力學(xué)分布（）

表2 900 N載荷下踝不同位置關(guān)節(jié)力學(xué)分布（）

位置 壓強(qiáng)（mPa） 面積（mm2） 壓力（N）背屈10°中立位跖屈30°1.907±0.2012.384±0.3242.721±0.1844343.475±181.1073743.642±135.7013389.301±112.641889.568±12.345892.343±17.452896.854±12.065

表3 1200 N載荷下踝不同位置關(guān)節(jié)力學(xué)分布（）

表3 1200 N載荷下踝不同位置關(guān)節(jié)力學(xué)分布（）

位置 壓強(qiáng)（mPa） 面積（mm2） 壓力（N）背屈10°中立位跖屈30°2.597±0.1173.084±0.7543.504±0.22594368.882±100.0023798.721±103.4213312.221±121.0541178.332±25.361159.889±10.5281189.856±19.053

表4 載荷下踝不同位置的接觸面積（，mm2）

表4 載荷下踝不同位置的接觸面積（，mm2）

位置 600 N 900 N 1200 N P值背屈10°中立位跖屈30°4359.882±123.4353687.260±118.4233358.709±117.8594343.475±181.1073743.642±135.7013389.301±112.6414368.882±100.0023798.721±103.4213312.221±121.0540.920.140.35

3 討論

分析踝關(guān)節(jié)不同位置下力學(xué)分布特征對(duì)于探討退行性骨關(guān)節(jié)炎的病理和其它異常非常重要。任何踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性的改變和力線異常都會(huì)引起踝關(guān)節(jié)退行性改變和疼痛[4-5]。對(duì)于踝關(guān)節(jié)里學(xué)的研究許多學(xué)者做過有意的探討，Kimizuka等[6]應(yīng)用硅膠模型和壓敏膜發(fā)現(xiàn)隨著壓力載荷的增加踝關(guān)節(jié)中距骨滑車表面的接觸面積增大，踝關(guān)節(jié)的接觸區(qū)開始在前外側(cè)而非內(nèi)后；Beaudoin等[7]用壓敏膜研究踝關(guān)節(jié)，距舟、距下關(guān)節(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)背屈與跖屈的接觸面積無明顯變化。Libotte[8]和Paar等[9]的研究顯示踝關(guān)節(jié)跖屈與背屈時(shí)接觸面積都減小。這些差異可能與實(shí)驗(yàn)條件尤其是力學(xué)指標(biāo)的采集受多重因素影響。近年來三位有限元法分析在生物力學(xué)研究尤其是在體力學(xué)中發(fā)揮了很大的作用，但大量的基礎(chǔ)研究顯示關(guān)節(jié)軟骨是各向異性非均質(zhì)的物質(zhì)[10]，軟骨建模時(shí)的賦值必定改變軟骨的力學(xué)特征。對(duì)于界面力學(xué)的研究，三位有限元分析未必是最好的答案。Prescale感壓膠片是日本富士公司以湛新彩色照相紙技術(shù)研發(fā)出的超輕薄且精確的感壓膠片，可以精確地測量壓力、壓力分布和壓力平衡。著色反應(yīng)壓跡色彩的濃度反映了手里的大小，顏色范圍反映了受力面積，結(jié)合FPD305密度儀和FPD306壓力轉(zhuǎn)換器可以精確的測量踝關(guān)節(jié)的力學(xué)數(shù)據(jù)。壓敏膜的不足應(yīng)用于活體在體力學(xué)研究。

壓敏膜的置入有不同種方法，通常人們從踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外踝放入壓敏片，但缺點(diǎn)是損傷韌帶，造成有些實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。內(nèi)踝或外踝截骨再固定后距骨會(huì)出現(xiàn)輕微的翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，尤其三角韌帶淺層或深層斷裂均會(huì)使距骨的外翻增加，而深層的斷裂會(huì)使距骨的內(nèi)旋增加，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)采用前踝放入壓敏片，切開踝前方關(guān)節(jié)囊，踝關(guān)節(jié)周圍韌帶未損傷，更好地模仿人體生理狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)力學(xué)狀態(tài)，適合任何踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究。

研究顯示踝關(guān)節(jié)接觸面積隨跖屈減小，隨背屈增加，與Beaudoin等[7]和Calhoun等[11]的研究一致；隨著壓力的增加，接觸面積并沒有顯著的增大，這些特征與踝關(guān)節(jié)的解剖具有相關(guān)性。脛骨遠(yuǎn)端的關(guān)節(jié)面呈四邊形，與距骨滑車形成關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)面在前方較寬，在冠狀面與矢狀面上呈上凹狀[12]。后踝也稱脛骨遠(yuǎn)端后結(jié)節(jié)，由皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及關(guān)節(jié)軟骨成，Volkman三角向外延伸部分，起到增大踝關(guān)節(jié)接觸面積，降低踝關(guān)節(jié)單位面積上壓力的作用[13]。人體的關(guān)節(jié)由骨，軟骨和關(guān)節(jié)周圍的軟組織構(gòu)成，脛骨與距骨的解剖相適應(yīng)，在各個(gè)不同角度時(shí)均有良好的匹配，所以接觸的區(qū)域不會(huì)有顯著的變化。說明在人體行走過程中，踝關(guān)節(jié)在生理各角度下可以承受數(shù)倍于體重的力而不會(huì)發(fā)生關(guān)節(jié)內(nèi)的位移。

臨床常見脛骨遠(yuǎn)端骨折的發(fā)生。當(dāng)足跖屈位時(shí)，距骨后部較窄的部分進(jìn)入踝穴，接觸面積變小，產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)，并且接觸中心位于踝關(guān)節(jié)的后側(cè)脛骨遠(yuǎn)端后結(jié)節(jié)部分，所以軸向暴力多導(dǎo)致脛骨后踝的大塊骨折；中立位時(shí)，關(guān)節(jié)面相適應(yīng)，壓力分布分散，垂直暴力引起脛骨遠(yuǎn)端整個(gè)關(guān)節(jié)面中心性壓縮或產(chǎn)生前后較大骨塊的“Y”形骨折；背屈位時(shí)，距骨前部較寬部分進(jìn)入踝穴，接觸面積變大，接觸中心位于踝關(guān)節(jié)的前側(cè)部分，距骨撞擊踝穴前部分，形成脛骨前緣的壓縮。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與以往的研究類似[14]。此外，研究對(duì)于踝關(guān)節(jié)在不同位置時(shí)的力學(xué)特性具有一定的臨床意義?？捎脕砟M踝關(guān)節(jié)的異常應(yīng)力如骨折的畸形愈合，韌帶的松弛等情況。還可以用來評(píng)估踝關(guān)節(jié)重建性手術(shù)，例如恢復(fù)踝關(guān)節(jié)接觸力學(xué)特征等方面的作用。

實(shí)驗(yàn)探討了踝關(guān)節(jié)接觸特征的初步研究，只是分析了踝關(guān)節(jié)靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)特征，在加載載荷時(shí)，將關(guān)節(jié)固定在一定的度數(shù)（中立位，背屈10°，跖屈30°），沒有模擬生理狀態(tài)關(guān)節(jié)周圍肌腱等動(dòng)力結(jié)構(gòu)的影響。進(jìn)一步的研究應(yīng)考慮不同步態(tài)時(shí)期的力學(xué)特性。實(shí)驗(yàn)只是對(duì)踝關(guān)節(jié)的受力做了初步的描述，需要更多的在體研究來解釋。踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定依賴于動(dòng)力和靜力穩(wěn)定系統(tǒng)。關(guān)節(jié)周圍的肌力和神經(jīng)肌肉反饋協(xié)調(diào)作用在本實(shí)驗(yàn)未能體現(xiàn)，這也是未來研究里的發(fā)展方向。

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