站立负重位足跖骨的应变分析

李兵,俞光荣,杨云峰,周家钤,祝晓忠,黄轶刚,徐峰,丁祖泉

足是人体重要的运动器官,其主要作用是负重和应力缓冲。跖骨作为中前足的重要组成部分,在足部应力传导及负重缓冲方面至关重要。本研究模拟站立负重位的足部生物力学模型,通过电阻应变片法检测跖骨的应力变化,并比较各跖骨应变值的差异,从而为跖骨应力性骨折的发病机制提供生物力学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料与设备 由同济大学医学院解剖教研室提供6具正常成人新鲜尸体足标本;CCS-44010电子万能试验机:长春试验机研究所;DH-3818电阻应力仪:靖江华东测试技术公司;BE120-2CA微型箔式电阻应变片:中航电测仪器公司;应变片连接端子:上海应变计厂。

1.2 方法

1.2.1 标本制备 实验前24 h将标本从-20℃深低温冰箱中取出,室温下自然解冻。自踝关节上方 10 cm处切除小腿皮肤、肌肉,切断经过踝关节的肌腱,包括足部屈肌腱、伸肌腱、胫骨前后肌腱、腓骨长短肌腱及跟腱等,显露胫腓骨,保留踝关节周围皮肤、韧带的完整。将胫骨残端用骨锉挫平,截除部分腓骨,使其较胫骨残端短约5 cm,以便于加载机上端夹具的固定,截下的腓骨段保留备用。

去除足背部跖骨处的皮肤、皮下组织及肌腱,显露5根跖骨的背侧,5根跖骨(M1～M5)选取背侧中央部位,第二跖骨在背侧的近端、中间和远端骨面用丙酮去除油污,无水乙醇脱水各3次,干燥后用细砂纸打磨骨面,以便应变片的粘贴。

1.2.2 电阻应变测量的准备 首先将应变片的导丝和连接导线用电烙铁焊接在接线端子上,同时在准备好的骨面标记处、应变片和接线端子粘贴面上涂薄层氰基丙烯酸乙酯瞬间粘合剂,将应变片与骨面紧密粘合。粘贴前注意标记线和应变片末端对齐,粘贴应变片的方向要与骨骼的纵轴平行。通过万用表测试连接导线末端以确定无短路。温度补偿片粘贴在从同一标本上截取的一段腓骨上,温度补偿片和工作片为同一批次产品。

1.2.3 加载及测试 将粘贴应变片的足标本放置于万能加载机的底座上,胫骨近端固定于加载机顶端的骨骼专用固定器内坚强固定,不固定腓骨。开机后微调,使标本处于非负重状态,通过铅锤矫正标本的位置,使实验标本的胫骨受力方向与底座垂直。模拟人体正常站立情况,经胫骨上端轴向加载,将实验标本从0 N～1200 N逐级加载,分7级达到,中间每间隔200 N加载机停止1 min,以便数据采集,通过电阻应变测试仪将相应应变值存储于电脑。数据采集时设定连续采集3次,然后取平均值得到最终数据。每一工况加载前先对电阻应变测试仪进行调零,即0 N时各测试点的应变也应为0(原则上±5之间可以接受)。其中正值为拉应变,负值为压应变。实验前先对实验标本进行预加载,按照生物力学试验标准,实验标本预调3次到600 N,加载速率为2 mm/min,至整体载荷位移曲线趋于稳定,以消除生物标本载荷的蠕变。

1.3 统计学方法 实验数据采用SPSS 13.0统计软件进行数据分析,实验数据定量资料以(±s)表示,采用单因素方差分析(One-way ANOVA),组间两两比较采用LSD检验法,显著性水平α=0.05。

2 结果

共采集6个标本、7个测点、7个加载阶段的应变值,以0 N时的应变值作为基线校准。在所有情况下,跖骨各测点的应变值均为负值,即表现为压应变。发现随载荷的增加,各测点的应变呈逐级增大趋势;各测点中以第二跖骨中部的应变值最大,第五跖骨测点的应变最小。同一载荷下,5根跖骨中部各测点的应变值有显著性差异(P＜0.05),第二跖骨中部应变值最大,第三跖骨次之,第五跖骨最小。第二跖骨颈部、中部、基底部3个测点的应变值也有显著性差异(P＜0.05),中部最大,颈部次之,基底部最小。不同载荷下各测点应变的具体数值见表1～表2。

表1 不同载荷下 5根跖骨中部各测点的应变值(μ ε)

表2 不同载荷下第二跖骨各测点的应变值(μ ε)

3 讨论

电阻应变测试技术是目前最常用的实测法,已被广泛应用于实验应力分析[1]。电阻应变测量依据电阻丝的电阻率随电阻丝的变形而变化的关系,把力学参数转换成与之成比例的电学参数,通过测量电学参数并按照一定的比例关系将其转换成受试对象的应变值[2]。由于其具有灵敏度高、传感元件小、适应性强、无创等优点,应用广泛。在电测应变实验中,应变片的粘贴和焊接好坏将直接影响电测结果的准确性。故操作过程中应注意受试标本的去污、脱水和打磨。

在生物力学领域,电阻应变测试技术作为一种精确的、无损的应变测量方法,其用途受到越来越多的学者的关注。同时也对该方法的可靠性进行了大量的实验验证。Milgrom等通过尸体模型,研究比较U型应变夹及电阻应变片在胫骨、第二跖骨应变测量上的异同点和可靠度,经过实验研究发现,应变片能更好地反映骨骼的表面应变,而且不会引起受试对象的损伤,较植入性应变测量夹来说更为安全、可靠[3]。Gail等对一种新型的应变计进行测试,并同表面粘贴式应变片相比较,结果发现后者能更精确的反映局部的应变变化[4]。近年来随着国内生物力学研究的不断深入和传感器的发展,应变电测方法开始广泛应用于骨骼生物力学的测试研究。但电测法应用于足踝部生物力学测试的研究,国内外文献报道较少,缺乏足部骨结构应变分布的资料。作为人体运动的力学基石,对足部跖骨应力、应变的研究有利于了解足部的功能。

本实验结果表明,第二、三跖骨的应变较大,与第二、三跖骨是应力性骨折的好发部位[5]相吻合。从足部的结构特点来看,第二、三跖骨属于足的中间柱,第二、三跖跗关节的活动度甚小,而作为第一跖跗关节的内侧柱和第四、五跖跗关节的外侧柱均有一定程度的活动范围。故当足部负重时,足的内外侧柱由于存在一定的活动度,可将应力适当缓冲,而中间的第二、三跖骨给予坚强的支撑,故负重时第二、三跖骨所受的应力较大。另外,在跖跗关节处,3块楔骨相互嵌合形成一个突向上方的拱形结构,内外侧楔骨向远侧突出超出中间楔骨,从而形成一个隐窝,接纳第二跖骨基底部,使其牢固嵌入其中[6],这种结构限制了第二跖列的活动,使第二跖骨在5块跖骨中成为抗弯、抗剪的主要构件,足部弯曲和剪切载荷倾向于通过第二跖骨传递。同样,Kanatli等通过步态分析对16名正常人的前足横弓进行足底压力检测,发现站立相中期平均压强最大的区域在第二、三跖骨头下,为7.96 N/cm2,而第一跖骨头下为4.86 N/cm2,第四、五跖骨头下为6.26 N/cm2[7]。Muehleman等对21具尸体标本进行研究,测量了第二跖骨的骨密度和相关的几何特性,并对离体第二跖骨进行疲劳加载,结果发现第二跖骨的强度而不是它的几何特点在第二跖骨应力性骨折发生过程中起主要作用[8]。Griffin等对40例随机样本进行跖骨CT横断面扫描,并与以往有关足底压力的相关研究进行对照,发现第二、三跖骨本身的结构相对薄弱,却承担相对较多的负荷,相对于其他跖骨来说,这种负荷与结构关系的不合理是其好发应力性骨折的原因[9]。

本实验发现,对于第二跖骨的应变由大到小依次为:中部、颈部和基底部。同样,Arangio等对第二至第五跖骨进行不同方向的力学加载,结果显示第二跖骨的最大应变部位出现在距离跖骨近端3 cm和4 cm的地方,即第二跖骨的中部,主要是垂直加载作用的结果[10]。第二跖骨基底部应力性骨折较为少见,多发生于芭蕾舞演员[11]。由于足在极度跖屈时应力都集中在跖跗关节和第二跖骨基底部,因此过度负重机制是芭蕾舞蹈演员第二跖骨近端骨折的潜在性原因。而对于一般人群而言,应力性骨折多发生于跖骨的中部。

本实验中应变片粘贴于标本的表面,虽然该方法在工程力学的应用上已相当成熟,但在生物力学实验中还存在多种问题,如人体骨骼外形不规则,人体骨骼在材料参数上是非均质、非线性、各向异性的,对应力变化的趋势和方向难以预测。本实验中只能以人体纵轴和骨小梁的走行作为参照,对各跖骨的表面应变进行初步探讨,为临床上足部疾患的预防和诊治提供一定的参考依据,如能结合三维有限元分析骨骼内部的应力变化,则结果更为可信。

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