膝关节内侧髌股韧带纤维束应变的测量研究

刘 敏 周晓赛 张 雷 杨国敬 蔡春元 王伟良 林瑞新

1(温州医科大学附属第三医院骨科，浙江 瑞安 325200)2(瑞安市中医院放射科，浙江 瑞安 325200)

膝关节内侧髌股韧带纤维束应变的测量研究

刘 敏1周晓赛2*张 雷1杨国敬1蔡春元1王伟良1林瑞新1

1(温州医科大学附属第三医院骨科，浙江 瑞安 325200)2(瑞安市中医院放射科，浙江 瑞安 325200)

通过国人内侧髌股韧带形态学的观察并测定纤维束应变，为临床重建内侧髌股韧带提供生物力学参考。观察10例新鲜冰冻膝关节标本内侧髌股韧带在膝关节屈伸过程中的紧张-松弛模式，并利用数字图像相关法分别测量在髌骨外推实验下屈膝 0°、30°、60°、 90°和120°等5个角度时纤维束应变。结果表明，内侧髌股韧带在膝关节屈曲过程中呈交替紧张-松弛。在髌骨外推实验条件下，同一纤维束在不同角度之间应变平均值差异具有统计学差异。研究结果揭示了内侧髌股韧带力学行为特点，为临床重建提供生物力学参考。

膝关节；内侧髌股韧带；数字图像相关法；位移与应变

引言

习惯性髌骨脱位是临床常见疾病，常在膝关节发育不良的基础上，伴有轻度外伤引起。在青少年中发病率较高，约占20%～50%[1]，而中年以上发病相对较少。其发病原因主要包括以下几个方面：髌骨发育小而平，股骨外髁发育不良，髂胫束挛缩，股外侧肌起点低或另有肌腹或索条直接连于髌骨，伸膝力线不正，股骨髁间凹发育不良，股骨下端内旋，胫骨上端外旋，膝外翻引起髌韧带附着点外移，膝关节半脱位等。内侧髌股韧带(medial patellofemoral ligament，MPFL)位于髌内侧支持带深层，是维持髌骨排列的静力性平衡机制。近来的生物力学研究显示MPFL是膝关节内侧的最主要的髌骨稳定结构[2]。但由于受到测量方法等的制约，MPFL在膝关节屈伸过程中纤维应变情况却一直停留在形态学的观察上。

经典的实验力学包括应变电测方法和各种光测方法两大类。其中电测主要指电阻应变计测量，而光测方法则包括云纹法、云纹干涉法和电子散斑干涉法等[4]。各种方法都存在各种不足之处。传统国内外多利用电阻应变法测量韧带纤维应变[5]，但由于一个电阻应变计只能测定试件表面上一点在某个方向的应变，是只能测栅长范围内的平均应变，这样所得的结果不能准确地反映韧带应变的真实情况。而传统的光测法，如云文法及云纹干涉法等却存在对应变分析精度不能满足小应变测量的要求。

近年来计算机和图像处理技术发展迅速，出现了电子散斑法和数字散斑相关法，数据的自动化采集和处理提高了实验效率和精度。笔者在解剖研究[3]的基础上，通过对MPFL在膝关节屈伸过程中形态学的观察，并利用数字图像相关法(digital image correlation, DIC)测定纤维应变，探讨MPFL松紧变化规律，掌握其在屈伸过程中详细的生物力学行为特性，为临床MPFL重建提供参考。

1 材料与方法

1.1材料

新鲜冰冻膝关节标本10具，股骨端至少保留20 cm，远段则完整保留。排除关节明显退变、畸形及韧带损伤。其中男性6例，女性4例，左侧5例，右侧5例，死亡年龄43～89岁，平均年龄64岁。新鲜标本在-20℃冰柜中保存15～30 d不等。

1.2实验设备

实验设备包括由计算机控制、机械加载机构等组成的BZ2.5/TS1S材料实验机(Zwick/Roell集团，德国)，高分辨率CCD相机(1 380像素×1 035像素)， CV-A1，JAI公司，丹麦)及安装有自动操纵控制软件的联想电脑(见图1)。模拟电信号通过Pcvision plus图像采集卡转化为数字图像，存储在计算机中，图像采样频率1 Hz。试验仪的拉力杆能向外对髌骨施加拉力。自制固定支架加持标本。

1.3方法

实验前一天，将新鲜冰冻标本室温下解冻。取膝内侧横切口，切开皮肤、皮下筋膜、深筋膜，直至膝内侧支持带。助手用拉钩暴露好切口，尽量少地去除软组织。仔细观察纤维走向，并追踪其纤维起止点，逐层将浅层剥离，充分暴露股内侧斜肌(vastus medialis oblique muscle，VMO)、内侧髌股韧带、膝内侧副韧带浅层(superficial medial collateral ligament，SMCL)等结构。

实验主要由3个步骤组成。

步骤1：将下肢标本固定于自制实验支架上，分别观察在不受力和给予股四头肌恒定10 N拉力时，膝关节活动过程中MPFL的松紧情况。

步骤2：对内侧髌股进行人工斑化：在MPFL的光滑表面喷涂黑亚光漆，使其形成人工散斑见图2)。由于内侧髌股韧带近端与远端纤维束较难分离，故选择MPFL中间区域作为固定测试区。

步骤3：将标本置于实验机上，于髌骨内侧以5 N/ s的速度施加外向力量至10 N(模拟髌骨外推试验条件)。当压力达到80 N时不再增加并维持此压力40 s。MPFL纤维束的应变通过用数字图像相关技术测得。

使用标准化协方差互相关函数

(1)

(2)

通过上述方法分别测量屈膝 0°、30°、60°、90°和120°等5个角度时测试区纤维束的应变，每组测量5次，取平均值。

图1 测试设备Fig.1 The test device

图2 带有人工散斑的韧带Fig.2 The ligament With artificial speckle

2 结果

2.1MPFL在膝关节屈伸过程中的松紧变化规律

10具膝关节标本的MPFL均被仔细剥离出，出现率达100%。大部分标本的MPFL在股内侧斜肌的后部被向前掀起后，通过观察纤维走向，仔细剥离髌骨内侧支持带浅层后能顺利找到。也有个别尸体标本的MPFL不发达，相对小束、稀薄，但通过先仔细分辨股骨端附丽部，再追踪其纤维走向，向髌骨端剥离的方法亦能成功分辨。在不受力情况下，伸直位时，MPFL较松弛，且屈伸过程中松紧度变化不明显。给予股四头肌恒定10 N拉力情况下，在屈伸膝过程中：伸直位时MPFL呈扇型展开，各部分纤维相对松弛；随着膝关节的屈曲，松紧程度不断变化：轻度屈曲时(屈曲20°～40°)MPFL逐渐紧张；屈曲角度较大时(屈曲50°～120°)时， MPFL各部分纤维虽有不同程度松弛，但仍较紧张。

2.2MPFL在膝关节屈伸过程中的应变情况

80 N负荷下MPFL纤维束在膝关节屈伸过程中的应变如表1所示。可见纤维束的应变随着膝关节屈曲角度的变化而变化：纤维束的应变在伸直位时为负值，后逐渐增大为正值，屈曲30°时达最大值；屈曲超过30°后又开始重新下降(见图3)。与上述形态学观察结果基本一致。经统计学分析显示，同一纤维束在不同角度之间应变平均值差异有统计学意义 (P<0.05)。可见，膝关节的屈伸过程也是MPFL纤维束之间交替紧张-松弛的过程。

屈伸角度α/(°)0306090120Δl-3.95±1.4460.22±4.2344.26±3.1327.33±3.5120.11±4.23

图3 MPFL纤维束在膝关节屈伸过程中的应变情况Fig.3 The strains of the MPFL in relation to the angle of knee flexion

3 讨论

3.1利用数字图像相关法测定韧带纤维的应变

数字图像相关测量技术作为一种非接触的光学变形测量方法，具有以下几个显著的优点：(1)由于它不需要相关光源,光路简单,可以方便地在现场进行检测；(2)通过图像分析,可以同时获得任意方向的全场变形信息，达到事半功倍的效果；(3)该方法具有很大的测量范围，应变测试灵敏度达到0.01%，最大可测量100%的应变，特别适用于生物软组织材料的变形测量；(4)该方法具有很强的适应性，根据测量对象尺寸的不同，选用相应的成像镜头，可实现从宏观到微观的变形测量[6]。

本实验是建立在解剖研究的基础上进行，且相关的应变测量结果与形态学的观察结果基本吻合，更进一步证实了结论的准确性。

3.2MPFL对维持膝关节内侧稳定中的作用

髌内侧支持带深层结构主要包括内侧髌股韧带、内侧髌胫韧带和内侧髌半月板韧带[3]。而其中MPFL被认为是限制髌骨向外侧脱位的最主要的稳定结构，提供了膝内侧40%～80%的张力[7]，特别是在屈膝30°时，由于缺乏股骨外侧髁的骨性保护，髌骨更容易脱位。相比较于膝关节的其他韧带MPFL显得小束、稀薄，但其力学表现却丝毫不逊色。Amis等研究显示MPFL的抗拉张力为平均208 N[8]，需要特别指出的是他们所研究的尸体标本平均年龄是70岁。Nomura等的生物力学研究发现，屈膝15%～30%时MPFL呈轻微松弛状态，而在其他角度则呈紧张状态[9]；且当MPFL的股骨止点较正常位点编移越过5 mm时会引起MPFL长度的明显改变。Sandmeier等使用尸体切断膝关节内侧稳定结构模拟髌脱位，然后使用自体移植物重建MPFL，评估MPFL对髌骨轨迹的作用[10]。当髌骨受到向外推的外力时，切断髌骨内侧的稳定结构以后，髌骨轨迹明显改变；而重建MPFL后，能够使髌骨轨迹恢复并趋于正常。本研究的测量结果更倾向于支持Sehottle的观点[7]。本研究的形态学观察和定量测量研究证实在膝关节轻度屈曲时，特别是在屈膝30°时，MPFL呈明显的紧张状态，发挥最大的限制髌骨向外脱位的作用。而随着膝关节屈曲角度的加大，这种作用逐渐缩小。这与临床实际工作中习惯性膝关节脱位多发生在膝关节在轻度屈曲时相吻合。

4 结论

综上所述，膝关节内侧髌股韧带纤维束，在膝关节轻度屈曲时呈明显的紧张状态，而随着膝关节屈曲角度的加大，纤维束逐渐松弛，发挥防止髌骨外移的作用。同时也发现，采用数字图像相关法测量纤维束应变，结果可靠，为生物软组织材料的变形测量提供一种新的方法，值得推广。

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Measurement of the Bundle Strain of Human Medial Patellofemoral Ligament

Liu Min1Zhou Xiaosai2*Zhang Lei1Yang Guojing1Cai Chunyuan1Wang Weiliang1Lin Ruixin1

1(Department of Orthopaedics, The Third Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University，Ruian 325000, Zhejiang,China)2(Department of Radiology, Ruian Hospital of Traditional Chinese Medicine, Ruian 325000, Zhejiang,China)

knee joint；medial patellofemoral ligament； digital image correlation；displacement and strain

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 03.018

2014-07-07， 录用日期:2014-11-17

温州市科技局项目基金(Y20110098)

R68

D

0258-8021(2015) 03-0381-04

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: 153043716@qq.com