基于运动生物力学分析下胫腓联合运动特点,运动生物力学论文

基于运动生物力学分析下胫腓联合运动特点,运动生物力学论文踝关节是人体负重行走的重要功能构造，正常的踝关节对维持机体生物力学稳定和完成正常的负重行走至关重要。而下胫腓联合是维持踝关节稳定的众多构造中较为重要的部分。在负重经过中，踝关节承受身体的大部分负荷，华而不实腓骨承当6.4%~17%负荷，其余负荷由胫骨承当[1].远端腓骨相对于远端胫骨的运动可调节踝关节负重比例，使腓骨适时承当部分负重，以维持踝关节力学稳定[2].本研究的目的是通过制作新鲜尸体踝关节骨-韧带标本分析踝关节跖屈、背屈及外旋时远端腓骨相对远端胫骨的位移，了解下胫腓联合运动特点，为临床治疗下胫腓联合损伤提供生物力学基础。1资料与方式方法1.1实验标本选取大小尽量接近的膝上截肢新鲜尸体标本6例。于膝关节上方10~15cm水平截肢，将截取的标本放于-20℃低温冰柜中保存。所有标本均外观正常，无足踝部畸形，无肌肉、韧带和肌腱损伤及挛缩等病理改变，均行X线摄片排除骨与关节退行性变、骨折、骨质疏松、代谢性疾病、肿瘤、畸形等骨质异常改变。实验前12h将标本从-20℃低温冰柜中取出，室温下自然解冻。保存髌骨，去除皮肤、肌肉，分离经踝关节的肌腱，保持上胫腓关节周围软组织构造完好，保存踝关节以远足部皮肤及软组织，保持骨间膜、踝关节韧带、关节囊及下胫腓联合韧带完好。用2枚6.5mm的松质骨螺钉固定远端股骨和近端胫骨，使膝关节锁定于0伸直位。用2枚3.5mm的皮质骨螺钉将距下关节固定于中立位。将顶端涂黑的大头针插入构成下胫腓联合的远端胫、腓骨作为测量标记点。1.2固定加载将标本下端固定于特制足部固定底座，调整底座角度使踝关节处于背屈10位、中立位及跖屈15位。标本上端股骨残端固定于实验加载机顶端的特制固定器内。为了不影响上胫腓关节和下胫腓联合活动，不固定腓骨。将3台CCD摄像机分别放置于标本正前方、正后方和外侧，以捕捉、记录标本标记点位移。采用DDL20电子万能试验机〔长春机械科学院有限公司〕对标本进行加载。在实验开场前，每具标本预先加载10次以消除韧带蠕变。正式实验时，以10mm/min的速率垂直加载至600N.联合加载时，稳定600N轴向载荷不变，以0.5/s的扭转速率外旋踝关节至扭矩5Nm.加载完成后，稳定载荷30s,以便采集图像和相关数据〔图1〕.1.3测量内容分别在踝关节背屈10位、中立位及跖屈15位轴向加载〔600N〕，踝关节中立位联合加载〔轴向600N加外旋5Nm〕情况下，根据数字图像相关法原理测量远端腓骨相对远端胫骨的内外、前后位移及绕轴旋转角度〔数字图像处理及位移计算方式方法由上海大学理学院力学系提供〕。1.4统计学方式方法用SPSS20.0统计分析软件进行数据分析，实验数据以均数标准差表示。先对实验数据进行正态分布检验，不服从正态分布时应用非参数检验，服从正态分布时两组比拟采用配对t检验，多组比拟应用单因素方差分析。采用单因素方差分析时，若各组间差异有统计学意义，再进行两两比拟，各组间方差齐时用Tukey法进行两两比拟，检验水准设为=0.05,方差不齐时采用非参数检验。非参数检验时，采用Kruskal-WallisH检验，多组比拟后若总体有差异，使用Mann-WhitneyU检验进行两两比拟，同时对检验水准进行Bonferroni校正，即=0.05/[n〔n-1〕/2]〔n为比拟组数〕。2结果2.1踝关节不同体位轴向加载轴向600N加载时，踝关节不同体位远端腓骨相对运动见表1、图2~4.当踝关节由中立位或背屈10位变为跖屈15位时，远端腓骨相对远端胫骨向内、向前位移，同时绕轴内旋；当踝关节由中立位或跖屈15位变为背屈10位时，远端腓骨相对远端胫骨向外、向后位移，同时绕轴外旋〔表2〕.【1】踝关节不同体位对远端腓骨不同平面位移或旋转影响不同。踝关节中立位与跖屈位对远端腓骨冠状面水平位移影响差异无统计学意义〔P0.05〕，踝关节中立位与背屈位对远端腓骨冠状面水平位移影响差异有统计学意义〔P0.05〕，踝关节跖屈位与背屈位对远端腓骨冠状面水平位移影响差异有统计学意义〔P0.05〕；踝关节中立位与跖屈位对远端腓骨矢状面前后位移影响差异无统计学意义〔P0.0167〕，踝关节中立位与背屈位对远端腓骨矢状面前后位移影响差异无统计学意义〔P0.0167〕，踝关节跖屈位与背屈位对远端腓骨矢状面前后位移影响差异有统计学意义〔P0.0167〕；踝关节中立位与跖屈位对远端腓骨轴向转角影响差异无统计学意义〔P0.05〕，踝关节中立位与背屈位对远端腓骨轴向转角影响差异有统计学意义〔P0.05〕，踝关节跖屈位与背屈位对远端腓骨轴向转角影响差异有统计学意义〔P0.05〕〔表3〕.【2】2.2踝关节中立位联合加载轴向600N联合5Nm外旋扭转加载情况下，踝关节中立位时远端腓骨相对远端胫骨内移〔0.251.01〕mm、后移〔1.650.56〕mm、绕轴外旋1.590.67.而单一轴向加载情况下，踝关节中立位时远端腓骨内移〔0.080.11〕mm、前移〔0.020.14〕mm、绕轴外旋0.100.17.两种加载方式远端腓骨冠状面水平位移差异无统计学意义〔P0.05〕，而远端腓骨矢状面前后位移和绕轴旋转差异有统计学意义〔P0.05〕〔表4、图5~7〕。【3】3讨论3.1下胫腓联合解剖构造下胫腓联合由胫、腓骨远端及相关韧带构成。远端腓骨外凸、胫骨内凹构成腓骨切迹，两者通过下胫腓韧带连接。韧带构造主要包括下胫腓前韧带、骨间韧带、下胫腓后韧带及下胫腓横韧带，华而不实下胫腓前韧带连接远端胫骨前外侧Tillaux结节与远端腓骨Wagstaffe结节，骨间韧带由骨间膜远端增厚构成，下胫腓后韧带连接远端胫骨Volkmann结节与远端腓骨后侧，而下胫腓横韧带位于下胫腓后韧带内下方，可看作下胫腓后韧带的深层构造[3].下胫腓联合可看作下胫腓关节，在下胫腓联合基底部，远端胫腓骨直接接触区域覆盖有0.5~1mm厚的透明软骨，胫骨处软骨与远端胫骨下方胫距关节处软骨相连续，长3~9mm,高2~5mm,腓骨处软骨亦与外踝软骨相连续[4],但这种接触面在某些个体并不存在[5].3.2下胫腓联合运动在正常步态中，踝关节背屈约10,跖屈10~15[6-7],因而本研究在设计时选择的是踝关节中立位、背屈10位及跖屈15位进行加载。踝关节正常活动时，下胫腓联合运动与踝关节活动相适应，以调节踝关节负重。Scranton等[8]研究指出，踝关节正常活动时，腓骨相对胫骨向远端位移平均2.4mm.Peter等[9]研究发现，在700N轴向加载下，下胫腓联合在踝关节背屈经过中增宽，在踝关节跖屈经过中变窄，踝关节跖屈至背屈时下胫腓联合增宽1.25mm,腓骨远端外旋2。Beumer等[10]对11位健康志愿者进行放射立体成像检查以测量下胫腓活动，结果踝关节中立位负重时下胫腓活动不明显，但在施加7.5Nm的外旋扭矩后，腓骨外旋2~5、内移0~2.5mm、向后移位1.0~3.1mm.Markolf等[1]经27例尸体标本研究发现，踝关节背屈时远端腓骨相对胫骨向后移位，下胫腓联合损伤会增加远端腓骨向后移位程度；在进行外旋扭转加载时，未发现腓骨外侧位移，所有标本均表现为腓骨后移；在进行轴向加载时，踝关节背屈位腓骨后移大于踝关节中立位，1000N轴向加载时，踝关节中立位腓骨向远端移位平均0.12mm,踝关节背屈位腓骨向近端移位平均0.43mm.Huber等[11]研究发现，非负重情况下踝关节从跖屈50位至背屈30位远端腓骨表现为外移〔1.70.41〕mm、后移〔1.30.33〕mm、下移〔0.60.16〕mm,同时外旋2.71.08。本研究在踝关节中立位、背屈10位及跖屈15位施行600N轴向加载，同时在踝关节中立位施行轴向加载联合外旋扭转加载，结果轴向加载时，踝关节背屈10位远端腓骨外移〔0.740.34〕mm、后移〔0.260.23〕mm、外旋0.810.55,踝关节中立位远端腓骨外移〔0.080.11〕mm、前移〔0.020.14〕mm、外旋0.100.17,踝关节跖屈15位远端腓骨内移〔0.090.15〕mm、前移〔0.190.30〕mm、内旋0.340.43踝关节由中立位或背屈位变为跖屈位时，远端腓骨相对远端胫骨向内、向前位移，同时绕轴内旋，当踝关节由中立位或跖屈位变为背屈位时，远端腓骨相对远端胫骨向外、向后位移，同时绕轴外旋；联合加载时，踝关节中立位远端腓骨相对远端胫骨内移〔0.251.01〕mm、后移〔1.650.56〕mm、外旋1.590.67.我们的研究结果与大多数文献报道的结果一致，但在某些情况下个体差异较大。我们的研究提示，下胫腓联合为微动关节，远端腓骨运动与踝关节体位和受力方式有关。3.3本研究临床意义及缺乏由于踝关节活动时下胫腓联合存在一定程度的生理微动，临床上对下胫腓联合损伤的治疗应考虑到此特点。下胫腓联合螺钉内固定是当前治疗下胫腓联合损伤的常用方式方法，但坚强内固定会造成远端胫骨与腓骨间的微动减小，同时有造成螺钉断裂的可能。因而，当前多主张下胫腓联合螺钉可在固定8~12周骨折愈合后去除，以避免对下胫腓联合微动造成干扰及螺钉断裂[12].Manjoo等[13]对106例下胫腓联合螺钉内固定患者随访4~30个月，比拟螺钉完好、螺钉断裂、螺钉松动、螺钉去除患者影像学检查及关节功能恢复情况，结果螺钉断裂组、螺钉松动组、螺钉去除组均较螺钉完好组具有更好的关节功能，螺钉断裂组、螺钉松动组与螺钉去除组之间关节功能差异无统计学意义；以为对于断裂或松动的螺钉无需去除，螺钉完好者可取出螺钉以改善关节功能。近年来随着对下胫腓联合微动特性的认识，缝线钮扣式弹性内固定应运而生并逐步用于临床。最近一项Meta分析[14]显示，与螺钉内固定相比，缝线纽扣系统内固定能更好地恢复患者踝关节功能，并更早地负重，且并发症更低。由此可见，临床上下胫腓联合损伤治疗时需重视下胫腓联合运动特点，选择合理的治疗方式。然而，本研究仍存在一些缺乏。首先，本研究是对新鲜尸体标本进行研究，这与活体之间必然有一定的差异。其次，由于技术条件和测量方式方法的限制，本研究采用的静态加载使标本产生的运动无法完全模拟人体正常踝关节多方向复