DICM技術用于伸膝裝置聯合重排術后生物力學研究*

蔡國鋒,王 旭,李 松,李彥林

(昆明醫科大學第一附屬醫院運動醫學科,云南 昆明 650032)

針對復發性髕骨脫位的治療已形成基本流程,但仍有部分患者難以按照流程完成,如對于TT-TG值大于2.00cm的患者認為需進行脛骨結節移位[1],但這種手術方式有損傷骨骺的風險[2]。內側髕股韌帶(medial patellofemoral ligament,MPFL)亦有損傷骨骺的風險[3],股骨滑車溝成形術遠期有股骨滑車溝軟骨纖維化等風險,從而出現疼痛[4,5],而以伸膝裝置(extensor mechanism,EM)重排為軟組織手術,具有操作相對簡單,無骨骺損傷風險,具有創傷相對較小,術后恢復快等優點[6],此外早期恢復患者髕股關節對合關系,對患者股骨髁及髕骨形態發育有促進作用[7],尤其是在骨錨釘固定系統出現后,展示出其臨床應用的可行性及優勢[8]。

20世紀80年代以來,數字散斑相關技術(Digital Image Correlation method,DICM)得到不斷發展,但在醫學領域用于對髕股關節生物力學進行分析相關研究較少,本研究使用DICM相關技術針對不同EM重排手術應用后髕股關節生物力學改變進行研究,在此基礎上探討EM聯合重排后的生物力學改變,現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

昆明醫科大學自愿遺體捐贈的8例(其中,男性6例,女性2例)共16例膝新鮮冰凍尸體,捐贈者年齡38～56歲(平均45±6.4歲),由昆明醫科大學解剖教研室提供,所有尸體生前無膝關節疾患,無明顯的膝關節韌帶損傷及關節畸形。新鮮冰凍尸體實驗由昆明醫科大學倫理委員會審核通過。

1.2 方法

1.2.1 復發性髕骨脫位模型的制備

徹底解凍后標本膝關節進行CT掃描,測量膝關節的TT-TG間距[9]。隨機選取TT-TG值小于2 cm的4具下肢全長冰凍肢體作為對照(D組),其余12具采用切斷內側髕股支持帶+脛骨結節水平截骨術建成TT-TG值>2.00cm的復發性髕骨脫位模型,參照Lorbach O等[10]人介紹的方法將下肢全長標本通過斯氏針于近髖關節處通過股骨與固定板固定,固定板通過鉗壓器與解剖操作臺固定以確保標本在實驗過程無整體位移。于膝前作長約20cm縱行切口,充分暴露髕骨及EM,找到內側髕股韌帶并切斷;切口內顯露脛骨結節及遠側約3cm,應用擺鋸做一30*10*5mm的水平截骨塊,將截骨塊連帶髕腱等軟組織向外移位10mm處,間隔15mm應用2枚金屬螺釘固定。之后隨機分為3組:A組:EM近端重排術;B組:EM遠端重排術;C組:EM聯合重排術。各項手術前于髕骨表面間隔3～5cm盡量垂直髕骨冠狀面鉆入直徑2mm克氏針2枚,剪短至露出髕骨表面2cm,測量水平位置上該2枚克氏針外側緣間距并記錄,見圖1。

1.2.2 不同實驗組手術方法及步驟

1.2.2.1 EM近端重排組手術方法

模擬Madigan手術過程:切開、分離股內側斜肌,植入GⅡ錨釘,將分離出的股內側斜肌連帶筋膜縫合固定于髕骨外側中上1/3處,見圖2。松解髕骨外側支持帶[11]。

圖2 近端重排手術示意圖及術后的復發性髕骨脫位模型外觀像

1.2.2.2 EM遠端重排組手術方法

模擬Roux-Goldthwait手術過程:平均切開髕腱,將切下的外側半髕腱連帶骨膜自剩下的內側半后方穿過,于脛骨結節內側,近鵝足止點處植入GⅡ錨釘,將外側半髕腱連帶骨膜縫合分縫合固定于脛骨結節內側,近鵝足止點處,見圖3。松解髕骨外側支持帶[11]。

圖3 遠端重排手術示意圖及術后的復發性髕骨脫位模型外觀像

1.2.2.3 EM聯合重排組手術方法

即將步驟1.2.2.1及1.2.2.2先后在同一標本上進行,松解髕骨外側支持帶[11],見圖4。

圖4 遠端重排手術示意圖及術后的復發性髕骨脫位模型外觀像

1.2.3 髕骨位移測定過程及方法

1.2.3.1 髕骨位移測定過程

對照組及實驗組充分暴露髕骨及EM,分離、包裹、保護股四頭肌腱,以棉線使用“中國指套法”纏繞,棉線通過自制帶掛鉤鋼纜連接一個可調式的滑輪,加載70N軸向拉力,通過拉力計對移位后的股內側斜肌施加7N的軸向拉力[12,13],見圖5a。通過髕骨中點以NK-20推拉力計接與髕骨冠狀面平行的角度施加20N的外向脫位力量[13],見圖5b。于屈膝90°膝關節前方1.5m處擺放MER-1070-10GM/C-P高清攝像頭,調整至能清晰顯露出1.2.2.1步驟中的克氏針。先于膝關節0°位,實驗者握住標本足踝,緩慢將標本膝關節伸直并保持至0°,過程中避免膝關節非自然旋轉,觀察見NK-20推拉力計度數穩定后通過MER-1070-10GM/C-P高清攝像頭攝像,所得圖像命名、存檔,于30°,60°,90°,120°位重復進行上述操作。

圖5 髕骨位移測定方法

1.2.3.2 髕骨位移測定方法

將1.2.3.1中所得圖像,使用windows圖畫工具打開,將鼠標放置于其中一點,記錄該點的像素位置(X1,Y1定位位置),移動鼠標,將鼠標定位與另一定位點,保證Y定位點像素位置與上一個點相同,記錄記錄該點的像素位置(X2,Y1定位位置),使用步驟1.2.2.1中記錄的兩枚克氏針外緣水平距離/X2-X1的位置計算出每個像素差代表的實際位移距離,使用digitalspeckle軟件,打開0°,30°兩副照片,抓取于圖像中髕骨上隨機抓取位置點,選擇相關度高于85%的點位,讀取其像素差,以像素差*兩枚克氏針外緣水平距離/X2-X1即位髕骨位移,見圖6。

圖6 使用digital speckle軟件測量髕股位移

對于實驗軟件結果中出現負值情況者,根據髕骨相對股骨髁位移常識,理解為向相反方向移位。

重復上述步驟,即可完成相對于0°位置時,髕骨60°、90°、120°位置時的水平位移。

1.2.4 統計方法

2 結果

在上述施加力量條件下,髕骨的水平位移分別為0°位,A組水平位移為6.13±0.16mm,B組為5.04±0.06mm,C組為3.21±0.06mm,D組為3.35±0.12mm,其中A、B 2組間及C、D 2組間無顯著統計學差異性(P>0.05),但A 組與C、D組及B組與C、D組間對比有顯著統計學差異性(P<0.05);被動屈曲至30°位時:A組 7.30±0.18mm,B組為 6.06±0.07mm,C組為 3.78±0.11mm,D組為 3.90±0.23mm其中A、B 2組間及C、D 2組間無顯著統計學差異性(P>0.05),但A 組與C、D組及B組與C、D組間對比有顯著統計學差異性(P<0.05);被動屈曲至60°位時,A組水平位移為 5.55±0.08mm,B組為4.54±0.06mm,C組為2.04±0.01mm,D組為2.01±0.15mm其中A、B 2組間及C、D 2組間無顯著統計學差異性(P>0.05),但A 組與C、D組及B組與C、D組間對比有顯著統計學差異性(P<0.05);被動屈曲至90°位時,A組為 6.75±0.06mm,B組為5.62±0.05mm,C組為4.03±0.10mm,D組為4.01±0.26mm其中A、B 2組間及C、D 2組間無顯著統計學差異性(P>0.05),但A 組與C、D組及B組與C、D組間對比有顯著統計學差異性(P<0.05);被動屈曲至120°位時,A組為 7.40±0.04mm,B組為 6.09±0.05mm,C組為3.73±0.05mm,D組為3.90±0.24mm其中A、B 2組間及C、D 2組間無顯著統計學差異性(P>0.05),但A 組與C、D組及B組與C、D組間對比有顯著統計學差異性(P<0.05),見圖7。

圖7 膝關節被動屈曲至各經典角度時髕骨位移注:*#各膝關節屈曲角度C組、D組與A、B組有顯著統計學差異(P<0.05),而C、D 2組間無顯著統計學差異(P>0.05)。

3 討論

3.1 DICM技術用于復發性髕骨脫位EM聯合重排術后生物力學研究的優勢

DICM相關技術已廣泛應用于各種領域,Yang L等[14]于2007年首次報道將DICM技術應用于醫學研究,之后,Carriero A等[15]于2014年報道使用DICM技術成功測定了骨組織應力分布情況。Rankin KE等[16]于2016年亦有成功報道。

本研究中,研究人員參考Stefano Zaffagnini[17]介紹的實驗方法,使用自制的標本固定平臺,用2枚交叉通過股骨近端的斯氏針[5]將下肢全長標本進行了牢固固定,通過高清(像素值達2000萬像素)的攝像頭進行膝關節被動屈曲至各典型角度即進行拍攝,之后通過昆明理工大學具有獨立知識產權的Digital speckle軟件進行數據分析,并根據已有的關于髕骨運動軌跡的權威文獻描述[15,16],推斷數據正負代表意義,以左膝為例,即:當數據為正值時,代表髕骨向外側移位,而負值時代表髕骨向內側移位。

經最終數據分析,各組髕骨位移與經典文獻報道情況相似,這說明了DICM技術在髕骨位移測定上的有效性,而在進一步的對抗施加于髕骨中點水平方向脫位應力情況分析,EM聯合重排組各角度位移均為最小,即對抗外向脫位應力上為各組最強,也說明EM聯合重排手術對術后髕骨穩定性提供了良好的保障。

3.2 復發性髕骨脫位EM聯合重排術后生物力學結果分析

本研究參照了Elias,JJ等[20]人介紹的方法,并沿用Stefano Zaffagnini[1]實驗方法,在實驗過程中對所有標本均采用分離股四頭肌腱性成分并施加軸向拉力的方法完成測試,保證了實驗條件的同質性。

在髕骨中點施加20N外向脫位力量的條件下,0°、30°、60°、90°及120°位髕骨的水平位移為均表現為其中A、B 2組間及C、D 2組間無顯著統計學差異性,但A 組與C、D組及B組與C、D組間對比有顯著統計學差異性。EM聯合重排術組術后髕骨、向外移動距離為最小并最接近于正常值。筆者的分析認為是無論EM近端重排還是遠端重排,均會使髕骨產生一定程度的旋轉及移位,而在完成EM聯合重排后,髕骨的旋轉及外移在合力的作用下達到了消除,從而實現了髕股關節較正常的對合。

綜上,所述上述三種的髕骨穩定手術后髕骨向外側的水平位移以EM聯合重排術組為最小并最接近于正常值。