足踝部生物力學與臨床相關性

陳立+馬昕

摘 要 作為惟一直立行走的哺乳類動物，人類足踝部關節有著獨特的生物力學特點。踝關節在人體行走中穩定而又靈活，但踝關節的生物力學平衡一旦遭到破壞，相比其他主要關節更容易發生創傷性骨關節炎。踝關節與后足三關節（距下關節、距舟關節、跟骰關節）在步態運動中形成偶聯機制，通過扭力轉換調節足踝部整體剛度以適應步態周期的需要。在足踝部疾病的診斷與治療中，所涉及關節的生物力學特點是首要考慮的因素。

關鍵詞 足踝關節 生物力學 骨折 三關節融合術

中圖分類號：R681.8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1533（2014）24-0009-03

直立行走是人類區別于其他哺乳類動物的根本特征，但足踝關節仍存在進化上的弱點，由四足爬行到雙足行走，踝關節及足部小關節應力增加[1]。絕大部分后天足踝關節疾患，包括創傷和退行性病變，均直接或間接來自于直立行走的不合理或累積性應力。

踝關節生物力學與臨床相關性

踝關節的生物力學特點

踝關節是人體接觸地面的第一個負重大關節，維系著人體的各種運動與平衡，其生物力學特征是“穩定中的靈活”。踝關節活動范圍較小，在人體所有的大關節中最為穩定[2]，但也絕不僅是下肢連接足部的兩個“鉸鏈”。踝關節在冠狀面上有3°左右的外翻，在矢狀面上有10°左右的前傾，這使其在背伸運動時伴足部外翻，跖屈運動時伴足部內翻。踝關節背伸時踝穴更為穩定，適應步態推進器對于足部剛硬度的需要，在跖屈時更為靈活，使足部在步態擺動期適應不同地形柔韌性的需要。足部共有41個關節，占雙下肢關節數量的84%，具有三維解剖結構、復雜微妙的運動功能。在以踝關節為主的大運動中包含了足部微動關節的三維運動，由此形成了人類站立、行走、跑步中的自然擺動運動與“步態美”。因此，踝關節的解剖軸線、生物力學及功能重建等牽涉的問題較髖、膝關節多。正常的踝關節極少發生退變性踝關節炎，而一旦踝關節的生物力學平衡遭到破壞（如創傷），則相比髖關節、膝關節更易發展為骨性關節炎。另一方面，踝關節生物力學的復雜性帶來了人工踝關節假體的設計困難。第二、三代人工踝關節假體雖較第一代有長足進步，但相比人工髖、膝關節，仍因并發癥多、使用壽命短而未能在臨床上廣泛開展[3]。

踝關節骨折的生物力學與臨床相關性

運動關節損傷中以踝關節最為常見，高達64.6%；踝關節內、外側韌帶損傷約占全身韌帶損傷的80%[4]。2000年的踝關節骨折發病率比1970年增加319%，在2000年至2010年的10年間亦有了進一步增加[5]。

在很長一段時間里，我們將內、外踝骨折塊移位的多少作為踝關節骨折是否需要手術的指征。Ramsy-Hamilton[6]生物力學實驗顯示，距骨外移1 mm導致脛距關節接觸面積減少42%。這一經典實驗至今仍是踝關節骨折強調解剖復位的重要依據。精確地復位脛骨與距骨關節面的解剖關系，構建脛距關節面在負重及步行條件下的動態穩定，是踝關節骨折進行手術的首要目的和原則，也是術后判斷創傷性骨性關節炎發生概率及踝關節預后的主要依據。

然而，越來越多的研究發現生理性運動條件下距骨異常運動導致動態脛距關節接觸面失匹配[7]關節不穩定，是創傷導致踝關節骨性關節炎發生的主要原因。踝穴的穩定依靠骨與韌帶組織在水平面及冠狀面構成的兩個相扣的環形鎖鏈狀結構。脛腓骨遠端通過脛腓下聯合韌帶及骨間膜構成水平面上的穩定；而內外踝則通過內外側副韌帶與距骨滑車形成冠狀面上的穩定[6]。踝關節骨折是否需要手術，更多的取決于踝關節的穩定性是否破壞，而不僅僅在于骨折塊移位多少。

腓骨是僅次于三角韌帶的踝關節第二重要的穩定結構[8-9]，踝關節骨折的手術治療首先復位外踝[5] 。腓骨的位移通過踝關節雙環穩定結構的傳導，影響其他穩定器的位置與功能。腓骨骨折塊一旦回到其解剖位置，其復位力量通過這兩個環形結構的傳導，通過“四兩撥千斤”的辦法使脛距關節、后踝及內踝相應地各歸其位。相反，腓骨骨折塊的移位或復位不佳則可能導致“牽一發而動全身”，破壞整個踝關節的穩定體系，包括脛距關節面的移位。

足部生物力學與臨床相關性

后足的生物力學特點

踝關節（脛距關節、下脛腓關節）以及后足三關節（距下關節、距舟關節、跟骰關節）統稱為踝足四關節，其不僅是現代人類直立行走時杠桿推進的中心，更是完成復雜運動的核心結構[10-11] ，從爬行人猿到現代人類，四關節的進化是足弓形成的關鍵[4，12]。跟骨與距骨形成距下關節，在矢狀面上前傾41°，水平面上內傾23°，距下關節將小腿的內、外旋轉運動轉變為后足的內、外翻運動，再通過跗中（距舟關節與跟骰關節復合體）將后足運動轉變成前足的旋前與旋后。這樣踝關節、距下關節、附中聯動實現小腿到后足到中足再到前足的扭力轉換，使足部在步態的推進與擺動之間轉換實現剛度與靈活的轉換。

踝足四關節是全身最復雜的關節復合體，在生理運動狀態下，四關節各自的運動及受力發生瞬時變化，相互間又在時間與空間上存在更為復雜的偶聯機制，也表現為運動及受力的相互代償。在步態推進期，距下關節內翻，距舟關節、跟骰關節關節面成角，使后足關節“鎖定”，增加推進期足部的剛度；在步態擺動期，距下關節外翻，距舟關節、跟頭關節面平行，后足“解鎖”恢復足部柔韌性。在踝關節背伸跖屈運動的同時，還協同距下關節主導的內、外翻以及距舟、跟骰關節主導的內、外旋轉運動，各個關節各個方向的運動組合使踝足關節復合體變得非常靈活，在整體上表現出“穩定中帶有靈活”的生物力學特征，讓足踝部能夠在不同路況環境下進行行走和跑跳。

跟骨骨折的生物力學與臨床相關性

跟骨骨折是足踝部最常見的骨折之一，約占所有骨折的2%[19]，60%～75%的跟骨骨折累及距下關節面[20]。因此，跟骨骨折的治療除了需要恢復跟骨的長度與內翻角來恢復足踝部的力線，最重要的就是恢復距下關節。距下關節，尤其是距下關節后關節面是否塌陷，是評估跟骨骨折是否需要手術治療、骨折嚴重程度以及手術愈合的關鍵[21]。

后足關節融合術的生物力學與臨床相關性

三關節融合手術指的是同時融合距下關節、距舟關節和跟骰關節，在平足癥、馬蹄內翻足的矯形、后足骨關節炎的手術治療中廣泛應用，是足踝外科最常用的手術方式之一。但是，由于踝足四關節的聯動，三關節融合術后足部的應力集中于臨近關節，使臨近關節退變，出現疼痛癥狀[13]。三關節融合術后10年，75%的踝關節出現退行性變[14]；融合術后14年，27%的患者踝關節出現嚴重退變，27%的患者舟楔關節退變，23%的患者跖跗關節退變[15]。

距舟關節是三關節復合體的關鍵，是惟一連接后足與中足，同時又連接脛距復合體與跟足復合體的關節。單純融合距舟關節，距下關節活動度降至8%，跟骰關節活動度降至8%[16]。而單純距下關節融合使跟骰、距舟關節活動度分別下降至56%與46%；單純融合跟骰關節使距下關節活動度降至67%，而距舟關節活動度沒有改變。因此，用單純距舟關節融合替代一部分的三關節融合手術是近年來的趨勢，單純距舟關節融合比雙關節融合、三關節融合對臨近關節產生的影響更小[17-18]。

綜上所述，負重與運動是足踝部最重要的兩大生理功能，足踝部疾病的診斷與治療無不與這兩大功能息息相關。除了解剖因素，足踝部的生物力學特點對判斷足踝部疾病是否需要治療、怎么治療、治療效果如何起到至關重要的作用，需為足踝外科醫師以及骨科醫師熟悉與掌握。

參考文獻

Daniels T ， Thomas R. Etiology and biomechanics of ankle arthritis[J]. Foot Ankle Clin ， 2008， 13（3）： 341-352.

Kleipool RP， Blankevoort L. The relation between geometry and function of the ankle joint complex： a biomechanical review[J]. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc， 2010， 18（5）： 618-627.

Gougoulias N， Khanna A， Maffulli N. How successful are current ankle replacements？： a systematic review of the literature[J]. Clin Orthop Relat Res， 2010， 468（1）： 199-208.

Kobayashi T，Gamada K. Lateral ankle sprain and chronic ankle instability： a critical review[J]. Foot Ankle Spec. 2014， 7（4）： 298-326.

Kannus P， Palvanen M， Niemi S， et al. Increasing number and incidence of low-trauma ankle fractures in elderly people： Finnish statistics during 1970-2000 and projections for the future[J]. Bone， 2002， 31（3）： 430-433.

Michelson JD， Magid D， McHale K. Clinical utility of a stability-based ankle fracture classification system[J]. J Orthop Trauma， 2007， 21（5）： 307-315.

Michelson JD. Ankle fractures resulting from rotational injuries[J]. J Am Acad Orthop Surg， 2003， 11（6）： 403-412.

Chu A， Weiner L. Distal fibula malunions[J]. J Am Acad Orthop Surg， 2009， 17（4）： 220-230.

Leardini A， OConnor JJ， Catani F， et al. The role of the passive structures in the mobility and stability of the human ankle joint： A literature review[J]. Foot Ankle Int， 2000， 21（7）： 602-615.

Coughlin MJ， Mann RA， Saltzman CL. Surgery of the foot and ankle[M]. 8th ed. Mosby： Elsevier Medicine， 2007： 13-18.

Savory KM， Wülker N， Stukenborg C， et al. Biomechanics of the hindfoot joints in response to degenerative hindfoot arthrodeses[J]. Clin Biomech （Bristol， Avon）， 1998， 13（1）： 62-70.

Fassbind MJ， Rohr ES， Hu Y. Evaluating foot kinematics using magnetic resonance imaging： from maximum plantar flexion， inversion， and internal rotation to maximum dorsiflexion， eversion， and external rotation[J]. J Biomech Eng， 2011， 133（10）： 104502.

Wapner KL. Triple arthrodesis in adults[J]. J Am Acad Orthop Surg， 1998， 6（3）： 188-196.

de Heus JA， Marti RK， Besselaar PP， et al. The influence of subtalar and triple arthrodesis on the tibiotalar joint. A long-term follow-up study[J]. J Bone Joint Surg Br， 1997， 79（4）： 644-647.

Smith RW， Shen W， Dewitt S， et al. Triple arthrodesis in adults with non-paralytic disease. A minimum ten-year follow-up study[J]. J Bone Joint Surg Am， 2004， 86-A（12）： 2707-2713.

Astion DJ， Deland JT， Otis JC， et al. Motion of the hindfoot after simulated arthrodesis[J]. J Bone Joint Surg Am， 1997， 79（2）： 241-246.

Thelen S， Rütt J， Wild M， et al. The influence of talonavicular versus double arthrodesis on load dependent motion of the midtarsal joint[J]. Arch Orthop Trauma Surg， 2010， 130（1）： 47-53.

Suckel A， Muller O， Herberts T， et al. Talonavicular arthrodesis or triple arthrodesis： peak pressure in the adjacent joints measured in 8 cadaver specimens[J]. Acta Orthop， 2007， 78（5）： 592-597.

Sl?tis P， Kiviluoto O， Santavirta S， et al. Fractures of the calcaneum[J]. J Trauma， 1979， 19（12）： 939-943.

Zwipp H， Rammelt S， Barthel S. Calcaneal fractures-open reduction and internal fixation （ORIF）[J]. Injury， 2004， 35（Suppl 2）： SB46-54.

Sanders R. Turning tongues into joint depressions： a new calcaneal osteotomy[J]. J Orthop Trauma， 2012， 26（3）：193-196.

（收稿日期：2014-09-22）