基于運動生物力學分析下脛腓聯(lián)合運動特點,運動生物力學論文

基于運動生物力學分析下脛腓聯(lián)合運動特點,運動生物力學論文踝關節(jié)是人體負重行走的重要功能構造，正常的踝關節(jié)對維持機體生物力學穩(wěn)定和完成正常的負重行走至關重要。而下脛腓聯(lián)合是維持踝關節(jié)穩(wěn)定的眾多構造中較為重要的部分。在負重經過中，踝關節(jié)承受身體的大部分負荷，華而不實腓骨承當6.4%~17%負荷，其余負荷由脛骨承當[1].遠端腓骨相對于遠端脛骨的運動可調節(jié)踝關節(jié)負重比例，使腓骨適時承當部分負重，以維持踝關節(jié)力學穩(wěn)定[2].本研究的目的是通過制作新鮮尸體踝關節(jié)骨-韌帶標本分析踝關節(jié)跖屈、背屈及外旋時遠端腓骨相對遠端脛骨的位移，了解下脛腓聯(lián)合運動特點，為臨床治療下脛腓聯(lián)合損傷提供生物力學基礎。1資料與方式方法1.1實驗標本選取大小盡量接近的膝上截肢新鮮尸體標本6例。于膝關節(jié)上方10~15cm水平截肢，將截取的標本放于-20℃低溫冰柜中保存。所有標本均外觀正常，無足踝部畸形，無肌肉、韌帶和肌腱損傷及攣縮等病理改變，均行X線攝片排除骨與關節(jié)退行性變、骨折、骨質疏松、代謝性疾病、腫瘤、畸形等骨質異常改變。實驗前12h將標本從-20℃低溫冰柜中取出，室溫下自然解凍。保存髕骨，去除皮膚、肌肉，分離經踝關節(jié)的肌腱，保持上脛腓關節(jié)周圍軟組織構造完好，保存踝關節(jié)以遠足部皮膚及軟組織，保持骨間膜、踝關節(jié)韌帶、關節(jié)囊及下脛腓聯(lián)合韌帶完好。用2枚6.5mm的松質骨螺釘固定遠端股骨和近端脛骨，使膝關節(jié)鎖定于0伸直位。用2枚3.5mm的皮質骨螺釘將距下關節(jié)固定于中立位。將頂端涂黑的大頭針插入構成下脛腓聯(lián)合的遠端脛、腓骨作為測量標記點。1.2固定加載將標本下端固定于特制足部固定底座，調整底座角度使踝關節(jié)處于背屈10位、中立位及跖屈15位。標本上端股骨殘端固定于實驗加載機頂端的特制固定器內。為了不影響上脛腓關節(jié)和下脛腓聯(lián)合活動，不固定腓骨。將3臺CCD攝像機分別放置于標本正前方、正后方和外側，以捕捉、記錄標本標記點位移。采用DDL20電子萬能試驗機〔長春機械科學院有限公司〕對標本進行加載。在實驗開場前，每具標本預先加載10次以消除韌帶蠕變。正式實驗時，以10mm/min的速率垂直加載至600N.聯(lián)合加載時，穩(wěn)定600N軸向載荷不變，以0.5/s的扭轉速率外旋踝關節(jié)至扭矩5Nm.加載完成后，穩(wěn)定載荷30s,以便采集圖像和相關數(shù)據(jù)〔圖1〕.1.3測量內容分別在踝關節(jié)背屈10位、中立位及跖屈15位軸向加載〔600N〕，踝關節(jié)中立位聯(lián)合加載〔軸向600N加外旋5Nm〕情況下，根據(jù)數(shù)字圖像相關法原理測量遠端腓骨相對遠端脛骨的內外、前后位移及繞軸旋轉角度〔數(shù)字圖像處理及位移計算方式方法由上海大學理學院力學系提供〕。1.4統(tǒng)計學方式方法用SPSS20.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)分析，實驗數(shù)據(jù)以均數(shù)標準差表示。先對實驗數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，不服從正態(tài)分布時應用非參數(shù)檢驗，服從正態(tài)分布時兩組比擬采用配對t檢驗，多組比擬應用單因素方差分析。采用單因素方差分析時，若各組間差異有統(tǒng)計學意義，再進行兩兩比擬，各組間方差齊時用Tukey法進行兩兩比擬，檢驗水準設為=0.05,方差不齊時采用非參數(shù)檢驗。非參數(shù)檢驗時，采用Kruskal-WallisH檢驗，多組比擬后若總體有差異，使用Mann-WhitneyU檢驗進行兩兩比擬，同時對檢驗水準進行Bonferroni校正，即=0.05/[n〔n-1〕/2]〔n為比擬組數(shù)〕。2結果2.1踝關節(jié)不同體位軸向加載軸向600N加載時，踝關節(jié)不同體位遠端腓骨相對運動見表1、圖2~4.當踝關節(jié)由中立位或背屈10位變?yōu)轷徘?5位時，遠端腓骨相對遠端脛骨向內、向前位移，同時繞軸內旋；當踝關節(jié)由中立位或跖屈15位變?yōu)楸城?0位時，遠端腓骨相對遠端脛骨向外、向后位移，同時繞軸外旋〔表2〕.【1】踝關節(jié)不同體位對遠端腓骨不同平面位移或旋轉影響不同。踝關節(jié)中立位與跖屈位對遠端腓骨冠狀面水平位移影響差異無統(tǒng)計學意義〔P0.05〕，踝關節(jié)中立位與背屈位對遠端腓骨冠狀面水平位移影響差異有統(tǒng)計學意義〔P0.05〕，踝關節(jié)跖屈位與背屈位對遠端腓骨冠狀面水平位移影響差異有統(tǒng)計學意義〔P0.05〕；踝關節(jié)中立位與跖屈位對遠端腓骨矢狀面前后位移影響差異無統(tǒng)計學意義〔P0.0167〕，踝關節(jié)中立位與背屈位對遠端腓骨矢狀面前后位移影響差異無統(tǒng)計學意義〔P0.0167〕，踝關節(jié)跖屈位與背屈位對遠端腓骨矢狀面前后位移影響差異有統(tǒng)計學意義〔P0.0167〕；踝關節(jié)中立位與跖屈位對遠端腓骨軸向轉角影響差異無統(tǒng)計學意義〔P0.05〕，踝關節(jié)中立位與背屈位對遠端腓骨軸向轉角影響差異有統(tǒng)計學意義〔P0.05〕，踝關節(jié)跖屈位與背屈位對遠端腓骨軸向轉角影響差異有統(tǒng)計學意義〔P0.05〕〔表3〕.【2】2.2踝關節(jié)中立位聯(lián)合加載軸向600N聯(lián)合5Nm外旋扭轉加載情況下，踝關節(jié)中立位時遠端腓骨相對遠端脛骨內移〔0.251.01〕mm、后移〔1.650.56〕mm、繞軸外旋1.590.67.而單一軸向加載情況下，踝關節(jié)中立位時遠端腓骨內移〔0.080.11〕mm、前移〔0.020.14〕mm、繞軸外旋0.100.17.兩種加載方式遠端腓骨冠狀面水平位移差異無統(tǒng)計學意義〔P0.05〕，而遠端腓骨矢狀面前后位移和繞軸旋轉差異有統(tǒng)計學意義〔P0.05〕〔表4、圖5~7〕。【3】3討論3.1下脛腓聯(lián)合解剖構造下脛腓聯(lián)合由脛、腓骨遠端及相關韌帶構成。遠端腓骨外凸、脛骨內凹構成腓骨切跡，兩者通過下脛腓韌帶連接。韌帶構造主要包括下脛腓前韌帶、骨間韌帶、下脛腓后韌帶及下脛腓橫韌帶，華而不實下脛腓前韌帶連接遠端脛骨前外側Tillaux結節(jié)與遠端腓骨Wagstaffe結節(jié)，骨間韌帶由骨間膜遠端增厚構成，下脛腓后韌帶連接遠端脛骨Volkmann結節(jié)與遠端腓骨后側，而下脛腓橫韌帶位于下脛腓后韌帶內下方，可看作下脛腓后韌帶的深層構造[3].下脛腓聯(lián)合可看作下脛腓關節(jié)，在下脛腓聯(lián)合基底部，遠端脛腓骨直接接觸區(qū)域覆蓋有0.5~1mm厚的透明軟骨，脛骨處軟骨與遠端脛骨下方脛距關節(jié)處軟骨相連續(xù)，長3~9mm,高2~5mm,腓骨處軟骨亦與外踝軟骨相連續(xù)[4],但這種接觸面在某些個體并不存在[5].3.2下脛腓聯(lián)合運動在正常步態(tài)中，踝關節(jié)背屈約10,跖屈10~15[6-7],因而本研究在設計時選擇的是踝關節(jié)中立位、背屈10位及跖屈15位進行加載。踝關節(jié)正常活動時，下脛腓聯(lián)合運動與踝關節(jié)活動相適應，以調節(jié)踝關節(jié)負重。Scranton等[8]研究指出，踝關節(jié)正?；顒訒r，腓骨相對脛骨向遠端位移平均2.4mm.Peter等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在700N軸向加載下，下脛腓聯(lián)合在踝關節(jié)背屈經過中增寬，在踝關節(jié)跖屈經過中變窄，踝關節(jié)跖屈至背屈時下脛腓聯(lián)合增寬1.25mm,腓骨遠端外旋2。Beumer等[10]對11位健康志愿者進行放射立體成像檢查以測量下脛腓活動，結果踝關節(jié)中立位負重時下脛腓活動不明顯，但在施加7.5Nm的外旋扭矩后，腓骨外旋2~5、內移0~2.5mm、向后移位1.0~3.1mm.Markolf等[1]經27例尸體標本研究發(fā)現(xiàn)，踝關節(jié)背屈時遠端腓骨相對脛骨向后移位，下脛腓聯(lián)合損傷會增加遠端腓骨向后移位程度；在進行外旋扭轉加載時，未發(fā)現(xiàn)腓骨外側位移，所有標本均表現(xiàn)為腓骨后移；在進行軸向加載時，踝關節(jié)背屈位腓骨后移大于踝關節(jié)中立位，1000N軸向加載時，踝關節(jié)中立位腓骨向遠端移位平均0.12mm,踝關節(jié)背屈位腓骨向近端移位平均0.43mm.Huber等[11]研究發(fā)現(xiàn)，非負重情況下踝關節(jié)從跖屈50位至背屈30位遠端腓骨表現(xiàn)為外移〔1.70.41〕mm、后移〔1.30.33〕mm、下移〔0.60.16〕mm,同時外旋2.71.08。本研究在踝關節(jié)中立位、背屈10位及跖屈15位施行600N軸向加載，同時在踝關節(jié)中立位施行軸向加載聯(lián)合外旋扭轉加載，結果軸向加載時，踝關節(jié)背屈10位遠端腓骨外移〔0.740.34〕mm、后移〔0.260.23〕mm、外旋0.810.55,踝關節(jié)中立位遠端腓骨外移〔0.080.11〕mm、前移〔0.020.14〕mm、外旋0.100.17,踝關節(jié)跖屈15位遠端腓骨內移〔0.090.15〕mm、前移〔0.190.30〕mm、內旋0.340.43踝關節(jié)由中立位或背屈位變?yōu)轷徘粫r，遠端腓骨相對遠端脛骨向內、向前位移，同時繞軸內旋，當踝關節(jié)由中立位或跖屈位變?yōu)楸城粫r，遠端腓骨相對遠端脛骨向外、向后位移，同時繞軸外旋；聯(lián)合加載時，踝關節(jié)中立位遠端腓骨相對遠端脛骨內移〔0.251.01〕mm、后移〔1.650.56〕mm、外旋1.590.67.我們的研究結果與大多數(shù)文獻報道的結果一致，但在某些情況下個體差異較大。我們的研究提示，下脛腓聯(lián)合為微動關節(jié)，遠端腓骨運動與踝關節(jié)體位和受力方式有關。3.3本研究臨床意義及缺乏由于踝關節(jié)活動時下脛腓聯(lián)合存在一定程度的生理微動，臨床上對下脛腓聯(lián)合損傷的治療應考慮到此特點。下脛腓聯(lián)合螺釘內固定是當前治療下脛腓聯(lián)合損傷的常用方式方法，但堅強內固定會造成遠端脛骨與腓骨間的微動減小，同時有造成螺釘斷裂的可能。因而，當前多主張下脛腓聯(lián)合螺釘可在固定8~12周骨折愈合后去除，以避免對下脛腓聯(lián)合微動造成干擾及螺釘斷裂[12].Manjoo等[13]對106例下脛腓聯(lián)合螺釘內固定患者隨訪4~30個月，比擬螺釘完好、螺釘斷裂、螺釘松動、螺釘去除患者影像學檢查及關節(jié)功能恢復情況，結果螺釘斷裂組、螺釘松動組、螺釘去除組均較螺釘完好組具有更好的關節(jié)功能，螺釘斷裂組、螺釘松動組與螺釘去除組之間關節(jié)功能差異無統(tǒng)計學意義；以為對于斷裂或松動的螺釘無需去除，螺釘完好者可取出螺釘以改善關節(jié)功能。近年來隨著對下脛腓聯(lián)合微動特性的認識，縫線鈕扣式彈性內固定應運而生并逐步用于臨床。最近一項Meta分析[14]顯示，與螺釘內固定相比，縫線紐扣系統(tǒng)內固定能更好地恢復患者踝關節(jié)功能，并更早地負重，且并發(fā)癥更低。由此可見，臨床上下脛腓聯(lián)合損傷治療時需重視下脛腓聯(lián)合運動特點，選擇合理的治療方式。然而，本研究仍存在一些缺乏。首先，本研究是對新鮮尸體標本進行研究，這與活體之間必然有一定的差異。其次，由于技術條件和測量方式方法的限制，本研究采用的靜態(tài)加載使標本產生的運動無法完全模擬人體正常踝關節(jié)多方向復