膝關(guān)節(jié)腓骨截骨術(shù)的生物力學(xué)研究

李存祥，李德思

(1.河北省寧晉縣醫(yī)院骨科，河北 寧晉 055550；2.河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院，河北 石家莊 050051)

腓骨小段截除治療膝骨關(guān)節(jié)炎[1-3]臨床應(yīng)用已10余年，手術(shù)簡(jiǎn)單、切口小、創(chuàng)傷輕、手術(shù)時(shí)間短、花費(fèi)少，治療效果能達(dá)到解除或緩解疼痛的目的，還能改善膝關(guān)節(jié)功能[4-5]，使部分輕度屈曲患者的膝關(guān)節(jié)伸直。但不規(guī)范的手術(shù)適應(yīng)證和手術(shù)方式，使該手術(shù)術(shù)后出現(xiàn)了一些療效欠佳的情況，導(dǎo)致腓骨截骨治療膝骨關(guān)節(jié)炎出現(xiàn)質(zhì)疑。還有少數(shù)患者不重視康復(fù)，術(shù)后過度活動(dòng)，導(dǎo)致術(shù)后2～3個(gè)月后疼痛加重。腓骨截骨治療膝骨關(guān)節(jié)炎的機(jī)理如何？腓骨截骨術(shù)后膝關(guān)節(jié)內(nèi)外象限平臺(tái)壓力有何變化？本實(shí)驗(yàn)為探討腓骨截骨術(shù)后膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)平臺(tái)壓力變化及腓骨截骨治療膝骨關(guān)節(jié)炎的機(jī)理，為腓骨截骨治療膝骨關(guān)節(jié)炎提供生物力學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本 新鮮健康成人下肢標(biāo)本3具，男性標(biāo)本2個(gè)，女性標(biāo)本1個(gè)，年齡分別為30歲、33歲、40歲。右膝關(guān)節(jié)2個(gè)，左膝關(guān)節(jié)1個(gè)。由河北醫(yī)科大學(xué)解剖教研室提供。

膝關(guān)節(jié)標(biāo)本為從膝關(guān)節(jié)線上15 cm離斷的下肢標(biāo)本。所有膝關(guān)節(jié)均沒有損傷或者手術(shù)記錄史，膝關(guān)節(jié)外觀無(wú)內(nèi)、外翻畸形。所有標(biāo)本均行膝關(guān)節(jié)正象限位X線檢查，無(wú)骨質(zhì)解剖結(jié)構(gòu)異常、骨質(zhì)退行性改變、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎樣改變、腫瘤及類腫瘤樣疾病。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前將新鮮冷凍的膝關(guān)節(jié)標(biāo)本先放入4℃冰箱中解凍24 h，之后放置于室溫環(huán)境下繼續(xù)解凍4 h。將膝關(guān)節(jié)自髕韌帶兩旁切開，檢查膝關(guān)節(jié)面光滑，半月板完整光滑，前交叉韌帶完整光滑，關(guān)節(jié)周圍組織完整，保留骨性結(jié)構(gòu)以及膝關(guān)節(jié)周圍韌帶結(jié)構(gòu)的完整性。

1.1.2 機(jī)器型號(hào)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室機(jī) DNS-20由石家莊鐵道大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為石家莊鐵道大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境溫度25℃，相對(duì)濕度為60%。

1.1.3 傳感器型號(hào) 美國(guó)Takscan公司生產(chǎn)的B201-25 kg膜型壓力傳感器若干。

1.1.4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 采用特制框架，將膝關(guān)節(jié)標(biāo)本股骨髓腔用調(diào)好的牙托粉充滿，將一端為球頭的金屬桿插入髓腔固定好，保證接觸點(diǎn)一致，股骨近端及脛腓骨遠(yuǎn)端固定在自行設(shè)計(jì)制造實(shí)驗(yàn)夾具中，微調(diào)夾具，使其接近并保持在自然中立位。然后將整體標(biāo)本的足部水平位置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)，將標(biāo)本置于框架中央，固定于DNS-20力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上，標(biāo)本周圍用空氣柱填塞，然后用固定夾固定牢固，防止標(biāo)本加壓過程的移位。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法 檢查標(biāo)本，標(biāo)本為自足至膝關(guān)節(jié)上方15 cm下肢，膝關(guān)節(jié)及其附屬組織完整，關(guān)節(jié)柔軟并能屈曲。以足尖、足跟方向?yàn)榍昂螅宰銉?nèi)、外側(cè)作為內(nèi)、外，將膝關(guān)節(jié)標(biāo)本固定在膝關(guān)節(jié)固定夾具上，使膝關(guān)節(jié)保持屈曲0°位置。將膝關(guān)節(jié)自髕韌帶兩旁切開，檢查膝關(guān)節(jié)面光滑，半月板完整光滑，前交叉韌帶完整光滑，關(guān)節(jié)周圍組織完整，以前后髁間棘為前后方向，前交叉韌帶在前髁間棘后方止點(diǎn)與兩象限平臺(tái)中點(diǎn)為橫向?qū)⑾リP(guān)節(jié)劃分4個(gè)象限，命名為前內(nèi)、前外、后內(nèi)、后外象限(見圖1)。

取傳感器，檢查其完整性。按規(guī)范對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定(校正)，將傳感器分別放入膝關(guān)節(jié)內(nèi)、外象限各象限，中心位于半月板與關(guān)節(jié)軟骨交界，仔細(xì)標(biāo)記位置，每次記錄傳感器的位置，檢查植入深度并妥善固定。將傳感器和傳感器連接器連接，連接電腦，檢查機(jī)器設(shè)備狀態(tài)正常，調(diào)節(jié)敏感度。連接Tekscan壓力傳感系統(tǒng)，截取腓骨前后均給予800 N 2.5 mm/s縱向壓力，測(cè)量脛股關(guān)節(jié)間室四個(gè)象限的壓強(qiáng)。首先完成腓骨截骨前的測(cè)量，在測(cè)量結(jié)束后于試驗(yàn)臺(tái)原位進(jìn)行腓骨截骨，重新對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，將傳感器再次放入膝關(guān)節(jié)內(nèi)外象限各象限原標(biāo)記位置，檢查植入位置并妥善固定，再次進(jìn)行腓骨截骨后測(cè)量。膝關(guān)節(jié)每個(gè)標(biāo)本在腓骨截骨前、后均重復(fù)測(cè)量3次，系統(tǒng)自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，取壓力穩(wěn)定后30s數(shù)值的平均值，然后將3次結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果，保留小數(shù)點(diǎn)后2位。

2 結(jié) 果

結(jié)果顯示，截取腓骨前(見圖2)前內(nèi)、后內(nèi)、前外、后外壓力各象限不一，截取腓骨后(見圖3)前內(nèi)、后內(nèi)、前外、后外壓力各象限出現(xiàn)明顯變化。將腓骨截取前、腓骨截取后各象限數(shù)值壓力值，經(jīng)計(jì)算處理為壓強(qiáng)后結(jié)果見表1～2、圖4。

圖1 象限劃分示意圖

圖2 腓骨截骨前無(wú)載荷圖

圖3 腓骨截骨后施加載荷圖

表1 腓骨截骨前各象限壓強(qiáng)比較

表2 腓骨截骨后各象限壓強(qiáng)比較

注：*與截骨術(shù)前比較，P<0.05

本組測(cè)量的各個(gè)標(biāo)本的數(shù)據(jù)不同，但分析發(fā)現(xiàn)都表現(xiàn)為后外象限壓強(qiáng)最大，前內(nèi)象限次之，外象限總壓強(qiáng)大于內(nèi)象限，前外象限、后內(nèi)象限壓強(qiáng)最小結(jié)果。腓骨截骨前的外象限關(guān)節(jié)間室后外、后內(nèi)的三組平均壓強(qiáng)分別為(7.89±4.19)kg/cm2、(0.33±0.21)kg/cm2，而前內(nèi)象限關(guān)節(jié)間室前內(nèi)、前外的平均壓強(qiáng)為(4.04±1.41)kg/cm2、(0.55±0.19)kg/cm2；腓骨截骨后的外象限關(guān)節(jié)間室后外、后內(nèi)的三組平均壓強(qiáng)分別為(11.07±5.61)kg/cm2、(0.54±0.25)kg/cm2，而前內(nèi)象限關(guān)節(jié)間室前內(nèi)、前外的平均壓強(qiáng)為(2.11±1.06)kg/cm2、(0.19±0.36)kg/cm2。可以發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)各象限壓力前內(nèi)、后內(nèi)、前外、后外各象限壓力不一，即膝關(guān)節(jié)內(nèi)個(gè)部位壓力分布不均勻，正常膝關(guān)節(jié)截取腓骨前的外象限壓強(qiáng)高于內(nèi)象限，后外象限壓強(qiáng)最大。腓骨截骨后前內(nèi)象限、前外象限壓強(qiáng)減小，后外象限壓強(qiáng)更大，后內(nèi)象限的壓強(qiáng)亦有增加，平臺(tái)兩側(cè)壓強(qiáng)比較仍然是外側(cè)平臺(tái)壓強(qiáng)高于內(nèi)側(cè)，后外象限壓強(qiáng)最大，并且術(shù)后膝關(guān)節(jié)平臺(tái)總壓強(qiáng)略大于術(shù)前。

3 討 論

膝關(guān)節(jié)及脛骨平臺(tái)的壓力測(cè)量有壓敏片法[6-7]、鑄型法[8]、有限元分析[9]、建模法[10-11]、光彈性法[12-13]及傳感器測(cè)量等，部分認(rèn)為內(nèi)側(cè)平臺(tái)承受較大壓力，但張軍文[10]基于Mimics人體膝關(guān)節(jié)有限元模型，在模型上施加不同應(yīng)力，顯示最大等效應(yīng)力值出現(xiàn)在脛骨的外側(cè)平臺(tái)，并且平臺(tái)外側(cè)的應(yīng)力值大于內(nèi)側(cè)。吳文周[11]應(yīng)用不同彈性常數(shù)和不同厚度的平板組成的膝關(guān)節(jié)組合結(jié)構(gòu)模型，加載結(jié)果顯示脛骨平臺(tái)最大壓應(yīng)力和最大剪切力都發(fā)生在外側(cè)平臺(tái)。李潤(rùn)[13]應(yīng)用光彈性法與膝關(guān)節(jié)采用三維光彈性法對(duì)人體膝關(guān)節(jié)在屈曲0°、10°、20°、30°四種工況下股骨與脛骨接觸區(qū)的應(yīng)力進(jìn)行了分析，得出了四種工況下脛骨平臺(tái)的最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均發(fā)生在外側(cè)平臺(tái)。Nie等[14]應(yīng)用3D步態(tài)分析證實(shí)部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移到脛骨平臺(tái)后外側(cè)區(qū)域，為部分上腓骨切除術(shù)后臨床癥狀的改善提供了客觀的三維步態(tài)和可信的生物力學(xué)證據(jù)。

本研究數(shù)據(jù)顯示，膝關(guān)節(jié)內(nèi)壓力不均，3具標(biāo)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然具體數(shù)據(jù)不同，但都表現(xiàn)為外側(cè)平臺(tái)壓強(qiáng)大于內(nèi)側(cè)，與張軍文[10]、吳文周[11]、李潤(rùn)[13]等的結(jié)果一致，我們認(rèn)為此符合膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。有些文獻(xiàn)測(cè)量?jī)?nèi)側(cè)壓力高，或是膝關(guān)節(jié)退變內(nèi)翻后的結(jié)果，我們認(rèn)為各標(biāo)本數(shù)據(jù)的不同與標(biāo)本性別和面積有關(guān)。Yazdi等[15]應(yīng)用尸體研究腓骨截骨前后膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)壓力，結(jié)果腓骨截骨后膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)壓力下降，外側(cè)壓力增加，與我們的結(jié)果相似，但其結(jié)果是總壓力減小，與我們的研究腓骨截骨術(shù)后總體壓力增大不同。

我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，脛骨平臺(tái)在腓骨截骨術(shù)后總體壓力變大，即平臺(tái)總體受力增加，分析原因是腓骨截骨后的膝關(guān)節(jié)壓力再分配，腓骨所承受的壓力由脛骨負(fù)擔(dān)所致。并且可以解釋某些病例臨床術(shù)后早期疼痛明顯好轉(zhuǎn)，但2～3個(gè)月疼痛再現(xiàn)甚至加重的現(xiàn)象，提示術(shù)后應(yīng)進(jìn)行適應(yīng)性康復(fù)訓(xùn)練，使脛骨適應(yīng)腓骨截骨后再分配的負(fù)荷。

綜上所述，腓骨截骨后減輕了膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)壓力，尤其是前內(nèi)象限壓力，因此腓骨截骨術(shù)可用于單純膝內(nèi)翻關(guān)節(jié)炎內(nèi)側(cè)疼痛的治療，以緩解或解除膝關(guān)節(jié)炎的內(nèi)側(cè)疼痛。但術(shù)后應(yīng)進(jìn)行適應(yīng)性康復(fù)訓(xùn)練，使膝關(guān)節(jié)適應(yīng)新的負(fù)荷分配，防止腓骨截骨后脛骨負(fù)荷增加導(dǎo)致的病情反復(fù)或加重。