正常踝关节不同位置时应力分布的实验研究

刘 畅 李增炎 侯志勇 马世云 王怀良

1.河北省沧州市中心医院骨二科，河北 沧州 061000；2.河北医科大学第三医院创伤急救中心，河北 石家庄 050051

踝关节是人体活动时最重要的负重关节，损伤概率很高，对踝关节的力学分析越来越受到学者的重视[1-3]。尽管学者对踝关节的解剖研究比较透彻，但对于功能和解剖的关系认识较少，本实验分析研究正常成人新鲜足标本踝关节在背屈、中立及跖屈不同位置的生物力学特性。有助于理解踝关节解剖与功能的联系，寻找胫骨远端不同类型骨折的损伤机制，为治疗胫骨远端骨折的提供生物力学依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集成人尸体新鲜小腿以下的标本30具，临床资料显示供体平均身高169.72 cm，体重73.54 kg，肉眼及X线观察排除标本畸形、退行性变及骨折、肿瘤、结核、炎症和明显骨质疏松等结构性破坏，踝的功能正常。双层塑料袋密封包裹标本,置于-20℃深低温冷冻冰柜中保存，在此温度下保存，骨和韧带的生物特性没有明显改变，实验前12 h取出，室温下自然解冻。标本随机分成3组（背屈位组，中立位组，跖屈位组）。

1.2 实验方法

1.2.1 标本处理 室温下自然解冻，在踝关节上25 cm处横行截断胫腓骨，剔除近段5 cm皮肤、肌肉等软组织，保留胫腓骨间膜，标本近端用聚甲基丙烯酸甲脂包埋处理，包埋盒与胫腓骨垂直，以保持向下加载时踝关节位于中立位。并将尸体标本标号，便于以后实验和统计分析。将所截小腿标本的胫骨近端插入压力试验用自制夹具的套筒端，把已调配好的牙托粉注入夹具的套筒内直至牙托粉凝固，保持夹具与胫骨在同一轴线，使标本胫骨近端与夹具套筒凝结成一体。将标本置于压缩生物力学试验机上，上端与生物力学试验机传动杆相连。实验夹具直立中立位固定标本于电子万能试验机，注意保持小腿标本胫骨处于自然垂直地面状态。

1.2.2 压敏膜的放入 于踝关节前面横行切口，切开关节囊，暴露踝关节面。用硬白纸做模，由踝关节前缘置入踝关节，复制出踝关节面压迹模板，将压敏片依模板裁剪，用塑料薄膜包裹，以免受潮，小心将压敏片置入踝关节。轻轻将标本固定在电子万能实验机平台上。

1.2.3 力学加载 本实验使用CSS-44020生物力学仪，在测试中分别加载600、900、1200 N的载荷。在中立位、背屈10°、跖屈30°位时，生物力学机以20 N/s的速度向标本顶端施加压力，保持最大载荷5 s后卸载。在实验进行中间不断向实验标本关节内喷淋生理盐水，避免关节软骨干燥，影响实验结果的准确。采用加湿器、空调等保持室内温度25℃～30℃，相对湿度35%～80%。并将实验室的室温和相对湿度与实验数据同时记录，用于实验数据的处理。

1.3 数据的处理分析

本实验采用富士感压纸Prescale胶卷。Prescale是日本富士Fujifilm以湛新彩色照相纸技术研发出的超轻薄且精确的感压胶片，可以精确地测量压力、压力分布和压力平衡。单片型Prescale含有A-film涂有微颗粒生色物质层和C-film带有显色材料层。施压时在胶片上会出现红色区，彩色的浓度会随着压力的改变而改变。Prescale能满足测量压力的广泛需求 （0.05～300 mPa），Prescale感压胶片将压力的分布可视化，在压敏片着色区的形态和大小，反映了踝关节接触区的面积和特征。使用FPD305密度仪和FPD306压力转换器读取应力值。首先根据压敏片着色反应压迹，判断结果的测量范围。然后根据实验中的相对湿度和温度将FPD305密度仪和FPD306压力转换器进行标定，通过FPD305密度仪来读取压迹区密度值，利用FPD306压力转换器自动换算从而得到应力值。记录应力数值，获得着色区的面积和精确的压力值。

1.4 统计学方法

测得数据用SPSS 19.0进行统计分析。计量资料数据以均数±标准差（）表示，多组间的比较采用方差分析。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

30具标本分别按踝关节不同位置分成三组 （背屈10°位、中立位、跖屈 30°位），在加载 600、900、1200 N 的轴向载荷时，观察踝关节的力学分布特征。表1～3表明在相同载荷下，踝关节接触面积背屈10°>中立位 >跖屈30°（P=0＜0.05）； 踝关节所受压强背屈 10°<中立位<跖屈 30°（P=0＜0.05）。 当踝关节背屈 10°时，在不同载荷下（600、900、1200 N），踝关节的接触面积无差异（F=0.09，P=0.92>0.05）；中立位时，不同载荷下踝关节接触面积无差异 （F=2.16，P=0.14>0.05）；跖屈30°位时，不同载荷下踝关节接触面积同样无差异（F=1.20，P=0.35>0.05）。说明踝关节的接触面积不随载荷的改变而改变。见表4。

表1 600 N载荷下踝不同位置关节力学分布（）

表1 600 N载荷下踝不同位置关节力学分布（）

位置 压强（mPa） 面积（mm2） 压力（N）背屈10°中立位跖屈30°1.338±0.1361.586±0.1271.736±0.1454359.882±123.4353687.260±118.4233358.709±117.859582.568±11.415584.889±10.468582.856±11.024

表2 900 N载荷下踝不同位置关节力学分布（）

表2 900 N载荷下踝不同位置关节力学分布（）

位置 压强（mPa） 面积（mm2） 压力（N）背屈10°中立位跖屈30°1.907±0.2012.384±0.3242.721±0.1844343.475±181.1073743.642±135.7013389.301±112.641889.568±12.345892.343±17.452896.854±12.065

表3 1200 N载荷下踝不同位置关节力学分布（）

表3 1200 N载荷下踝不同位置关节力学分布（）

位置 压强（mPa） 面积（mm2） 压力（N）背屈10°中立位跖屈30°2.597±0.1173.084±0.7543.504±0.22594368.882±100.0023798.721±103.4213312.221±121.0541178.332±25.361159.889±10.5281189.856±19.053

表4 载荷下踝不同位置的接触面积（，mm2）

表4 载荷下踝不同位置的接触面积（，mm2）

位置 600 N 900 N 1200 N P值背屈10°中立位跖屈30°4359.882±123.4353687.260±118.4233358.709±117.8594343.475±181.1073743.642±135.7013389.301±112.6414368.882±100.0023798.721±103.4213312.221±121.0540.920.140.35

3 讨论

分析踝关节不同位置下力学分布特征对于探讨退行性骨关节炎的病理和其它异常非常重要。任何踝关节的稳定性的改变和力线异常都会引起踝关节退行性改变和疼痛[4-5]。对于踝关节里学的研究许多学者做过有意的探讨，Kimizuka等[6]应用硅胶模型和压敏膜发现随着压力载荷的增加踝关节中距骨滑车表面的接触面积增大，踝关节的接触区开始在前外侧而非内后；Beaudoin等[7]用压敏膜研究踝关节，距舟、距下关节时发现踝关节背屈与跖屈的接触面积无明显变化。Libotte[8]和Paar等[9]的研究显示踝关节跖屈与背屈时接触面积都减小。这些差异可能与实验条件尤其是力学指标的采集受多重因素影响。近年来三位有限元法分析在生物力学研究尤其是在体力学中发挥了很大的作用，但大量的基础研究显示关节软骨是各向异性非均质的物质[10]，软骨建模时的赋值必定改变软骨的力学特征。对于界面力学的研究，三位有限元分析未必是最好的答案。Prescale感压胶片是日本富士公司以湛新彩色照相纸技术研发出的超轻薄且精确的感压胶片，可以精确地测量压力、压力分布和压力平衡。着色反应压迹色彩的浓度反映了手里的大小，颜色范围反映了受力面积，结合FPD305密度仪和FPD306压力转换器可以精确的测量踝关节的力学数据。压敏膜的不足应用于活体在体力学研究。

压敏膜的置入有不同种方法，通常人们从踝关节内、外踝放入压敏片，但缺点是损伤韧带，造成有些实验结果不准确。内踝或外踝截骨再固定后距骨会出现轻微的翻转和旋转，尤其三角韧带浅层或深层断裂均会使距骨的外翻增加，而深层的断裂会使距骨的内旋增加，影响实验结果。实验采用前踝放入压敏片，切开踝前方关节囊，踝关节周围韧带未损伤，更好地模仿人体生理状态下踝关节力学状态，适合任何踝关节生物力学研究。

研究显示踝关节接触面积随跖屈减小，随背屈增加，与Beaudoin等[7]和Calhoun等[11]的研究一致；随着压力的增加，接触面积并没有显著的增大，这些特征与踝关节的解剖具有相关性。胫骨远端的关节面呈四边形，与距骨滑车形成关节，关节面在前方较宽，在冠状面与矢状面上呈上凹状[12]。后踝也称胫骨远端后结节，由皮质骨、松质骨及关节软骨成，Volkman三角向外延伸部分，起到增大踝关节接触面积，降低踝关节单位面积上压力的作用[13]。人体的关节由骨，软骨和关节周围的软组织构成，胫骨与距骨的解剖相适应，在各个不同角度时均有良好的匹配，所以接触的区域不会有显著的变化。说明在人体行走过程中，踝关节在生理各角度下可以承受数倍于体重的力而不会发生关节内的位移。

临床常见胫骨远端骨折的发生。当足跖屈位时，距骨后部较窄的部分进入踝穴，接触面积变小，产生较大的压强，并且接触中心位于踝关节的后侧胫骨远端后结节部分，所以轴向暴力多导致胫骨后踝的大块骨折；中立位时，关节面相适应，压力分布分散，垂直暴力引起胫骨远端整个关节面中心性压缩或产生前后较大骨块的“Y”形骨折；背屈位时，距骨前部较宽部分进入踝穴，接触面积变大，接触中心位于踝关节的前侧部分，距骨撞击踝穴前部分，形成胫骨前缘的压缩。实验结果与以往的研究类似[14]。此外，研究对于踝关节在不同位置时的力学特性具有一定的临床意义。可用来模拟踝关节的异常应力如骨折的畸形愈合，韧带的松弛等情况。还可以用来评估踝关节重建性手术，例如恢复踝关节接触力学特征等方面的作用。

实验探讨了踝关节接触特征的初步研究，只是分析了踝关节静止状态下的力学特征，在加载载荷时，将关节固定在一定的度数（中立位，背屈10°，跖屈30°），没有模拟生理状态关节周围肌腱等动力结构的影响。进一步的研究应考虑不同步态时期的力学特性。实验只是对踝关节的受力做了初步的描述，需要更多的在体研究来解释。踝关节的稳定依赖于动力和静力稳定系统。关节周围的肌力和神经肌肉反馈协调作用在本实验未能体现，这也是未来研究里的发展方向。

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