正常踝關節不同位置時應力分布的實驗研究

劉 暢 李增炎 侯志勇 馬世云 王懷良

1.河北省滄州市中心醫院骨二科，河北 滄州 061000；2.河北醫科大學第三醫院創傷急救中心，河北 石家莊 050051

踝關節是人體活動時最重要的負重關節，損傷概率很高，對踝關節的力學分析越來越受到學者的重視[1-3]。盡管學者對踝關節的解剖研究比較透徹，但對于功能和解剖的關系認識較少，本實驗分析研究正常成人新鮮足標本踝關節在背屈、中立及跖屈不同位置的生物力學特性。有助于理解踝關節解剖與功能的聯系，尋找脛骨遠端不同類型骨折的損傷機制，為治療脛骨遠端骨折的提供生物力學依據。

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線觀察排除標本畸形、退行性變及骨折、腫瘤、結核、炎癥和明顯骨質疏松等結構性破壞，踝的功能正常。雙層塑料袋密封包裹標本,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，實驗前12 h取出，室溫下自然解凍。標本隨機分成3組（背屈位組，中立位組，跖屈位組）。

1.2 實驗方法

1.2.1 標本處理 室溫下自然解凍，在踝關節上25 cm處橫行截斷脛腓骨，剔除近段5 cm皮膚、肌肉等軟組織，保留脛腓骨間膜，標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，以保持向下加載時踝關節位于中立位。并將尸體標本標號，便于以后實驗和統計分析。將所截小腿標本的脛骨近端插入壓力試驗用自制夾具的套筒端，把已調配好的牙托粉注入夾具的套筒內直至牙托粉凝固，保持夾具與脛骨在同一軸線，使標本脛骨近端與夾具套筒凝結成一體。將標本置于壓縮生物力學試驗機上，上端與生物力學試驗機傳動桿相連。實驗夾具直立中立位固定標本于電子萬能試驗機，注意保持小腿標本脛骨處于自然垂直地面狀態。

1.2.2 壓敏膜的放入 于踝關節前面橫行切口，切開關節囊，暴露踝關節面。用硬白紙做模，由踝關節前緣置入踝關節，復制出踝關節面壓跡模板，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節。輕輕將標本固定在電子萬能實驗機平臺上。

1.2.3 力學加載 本實驗使用CSS-44020生物力學儀，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，生物力學機以20 N/s的速度向標本頂端施加壓力，保持最大載荷5 s后卸載。在實驗進行中間不斷向實驗標本關節內噴淋生理鹽水，避免關節軟骨干燥，影響實驗結果的準確。采用加濕器、空調等保持室內溫度25℃～30℃，相對濕度35%～80%。并將實驗室的室溫和相對濕度與實驗數據同時記錄，用于實驗數據的處理。

1.3 數據的處理分析

本實驗采用富士感壓紙Prescale膠卷。Prescale是日本富士Fujifilm以湛新彩色照相紙技術研發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層和C-film帶有顯色材料層。施壓時在膠片上會出現紅色區，彩色的濃度會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，在壓敏片著色區的形態和大小，反映了踝關節接觸區的面積和特征。使用FPD305密度儀和FPD306壓力轉換器讀取應力值。首先根據壓敏片著色反應壓跡，判斷結果的測量范圍。然后根據實驗中的相對濕度和溫度將FPD305密度儀和FPD306壓力轉換器進行標定，通過FPD305密度儀來讀取壓跡區密度值，利用FPD306壓力轉換器自動換算從而得到應力值。記錄應力數值，獲得著色區的面積和精確的壓力值。

1.4 統計學方法

測得數據用SPSS 19.0進行統計分析。計量資料數據以均數±標準差（）表示，多組間的比較采用方差分析。以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

30具標本分別按踝關節不同位置分成三組 （背屈10°位、中立位、跖屈 30°位），在加載 600、900、1200 N 的軸向載荷時，觀察踝關節的力學分布特征。表1～3表明在相同載荷下，踝關節接觸面積背屈10°>中立位 >跖屈30°（P=0＜0.05）； 踝關節所受壓強背屈 10°<中立位<跖屈 30°（P=0＜0.05）。 當踝關節背屈 10°時，在不同載荷下（600、900、1200 N），踝關節的接觸面積無差異（F=0.09，P=0.92>0.05）；中立位時，不同載荷下踝關節接觸面積無差異 （F=2.16，P=0.14>0.05）；跖屈30°位時，不同載荷下踝關節接觸面積同樣無差異（F=1.20，P=0.35>0.05）。說明踝關節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節力學分布（）

表1 600 N載荷下踝不同位置關節力學分布（）

位置 壓強（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節力學分布（）

表2 900 N載荷下踝不同位置關節力學分布（）

位置 壓強（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節力學分布（）

表3 1200 N載荷下踝不同位置關節力學分布（）

位置 壓強（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

分析踝關節不同位置下力學分布特征對于探討退行性骨關節炎的病理和其它異常非常重要。任何踝關節的穩定性的改變和力線異常都會引起踝關節退行性改變和疼痛[4-5]。對于踝關節里學的研究許多學者做過有意的探討，Kimizuka等[6]應用硅膠模型和壓敏膜發現隨著壓力載荷的增加踝關節中距骨滑車表面的接觸面積增大，踝關節的接觸區開始在前外側而非內后；Beaudoin等[7]用壓敏膜研究踝關節，距舟、距下關節時發現踝關節背屈與跖屈的接觸面積無明顯變化。Libotte[8]和Paar等[9]的研究顯示踝關節跖屈與背屈時接觸面積都減小。這些差異可能與實驗條件尤其是力學指標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研究尤其是在體力學中發揮了很大的作用，但大量的基礎研究顯示關節軟骨是各向異性非均質的物質[10]，軟骨建模時的賦值必定改變軟骨的力學特征。對于界面力學的研究，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研發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，結合FPD305密度儀和FPD306壓力轉換器可以精確的測量踝關節的力學數據。壓敏膜的不足應用于活體在體力學研究。

壓敏膜的置入有不同種方法，通常人們從踝關節內、外踝放入壓敏片，但缺點是損傷韌帶，造成有些實驗結果不準確。內踝或外踝截骨再固定后距骨會出現輕微的翻轉和旋轉，尤其三角韌帶淺層或深層斷裂均會使距骨的外翻增加，而深層的斷裂會使距骨的內旋增加，影響實驗結果。實驗采用前踝放入壓敏片，切開踝前方關節囊，踝關節周圍韌帶未損傷，更好地模仿人體生理狀態下踝關節力學狀態，適合任何踝關節生物力學研究。

研究顯示踝關節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，這些特征與踝關節的解剖具有相關性。脛骨遠端的關節面呈四邊形，與距骨滑車形成關節，關節面在前方較寬，在冠狀面與矢狀面上呈上凹狀[12]。后踝也稱脛骨遠端后結節，由皮質骨、松質骨及關節軟骨成，Volkman三角向外延伸部分，起到增大踝關節接觸面積，降低踝關節單位面積上壓力的作用[13]。人體的關節由骨，軟骨和關節周圍的軟組織構成，脛骨與距骨的解剖相適應，在各個不同角度時均有良好的匹配，所以接觸的區域不會有顯著的變化。說明在人體行走過程中，踝關節在生理各角度下可以承受數倍于體重的力而不會發生關節內的位移。

臨床常見脛骨遠端骨折的發生。當足跖屈位時，距骨后部較窄的部分進入踝穴，接觸面積變小，產生較大的壓強，并且接觸中心位于踝關節的后側脛骨遠端后結節部分，所以軸向暴力多導致脛骨后踝的大塊骨折；中立位時，關節面相適應，壓力分布分散，垂直暴力引起脛骨遠端整個關節面中心性壓縮或產生前后較大骨塊的“Y”形骨折；背屈位時，距骨前部較寬部分進入踝穴，接觸面積變大，接觸中心位于踝關節的前側部分，距骨撞擊踝穴前部分，形成脛骨前緣的壓縮。實驗結果與以往的研究類似[14]。此外，研究對于踝關節在不同位置時的力學特性具有一定的臨床意義。可用來模擬踝關節的異常應力如骨折的畸形愈合，韌帶的松弛等情況。還可以用來評估踝關節重建性手術，例如恢復踝關節接觸力學特征等方面的作用。

實驗探討了踝關節接觸特征的初步研究，只是分析了踝關節靜止狀態下的力學特征，在加載載荷時，將關節固定在一定的度數（中立位，背屈10°，跖屈30°），沒有模擬生理狀態關節周圍肌腱等動力結構的影響。進一步的研究應考慮不同步態時期的力學特性。實驗只是對踝關節的受力做了初步的描述，需要更多的在體研究來解釋。踝關節的穩定依賴于動力和靜力穩定系統。關節周圍的肌力和神經肌肉反饋協調作用在本實驗未能體現，這也是未來研究里的發展方向。

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