柔韧性平足及距下关节稳定术的生物力学研究进展

程翔宇 宋卫东 李文翠 刘建全

柔韧性平足及距下关节稳定术的生物力学研究进展

程翔宇 宋卫东 李文翠 刘建全

距下关节连接距骨和跟骨，其三维运动可保持足部的稳定，而距下关节力学结构及接触特性的改变是柔韧性平足的特点，目前没有统一的治疗方式。距下关节稳定术（extraosseous talotarsalstabi⁃lization,EOTTS）作为距下关节制动术的一种特殊类型，是一种治疗柔韧性平足简单而有效的方法，中长期随访结果良好。虽然EOTTS是行之有效的技术，但目前尚缺乏术后距下关节生物力学改变的研究结果及其安全性和有效性的资料。同时EOTTS的生物力学机制还未被完全了解，未来可建立手术模型深入分析足部生物力学变化。

距下关节；扁平足；生物力学；外科手术；综述

距下关节又称距跟关节，包括距下前、中、后三个关节面，它联合距跟舟关节，承受体重并传导至全足，支配跗中关节的运动，协同和辅助踝关节各项活动，将下肢的垂直和旋转应力通过跟骨和舟骨传递至中足和前足，是保持足部稳定的枢轴［1⁃3］。

平足症是指各种原因所致足弓低平或消失，患足外翻，站立及行走时足弓塌陷，并出现疲乏或疼痛症状的一类疾病［4，5］，依据足部活动度及畸形能否被动纠正分为柔韧性（或可复性）平足症及僵硬性平足症。柔韧性平足症在儿童中较为常见［4］，属于Ⅱ期胫后肌腱功能不全（PTTD）［5］。僵硬性平足症可达骨性僵直，表现为足部固定畸形，由柔韧性平足症进展为僵硬性平足症的机制尚不明确。

距下关节制动术，是治疗距下关节活动过度或距下关节半脱位的柔韧性平足症的有效手术方法。作为距下关节制动术的其中一种术式，距下关节稳定术（extraosseous talotar⁃sal stabilization,EOTTS）治疗柔韧性平足症，简单微创，临床疗效较好，应用广泛，但其生物力学机制尚未被阐明。本文就柔韧性平足症及EOTTS的生物力学研究进展作一综述。

一、距下关节的力学结构

（一）正常距下关节的生物力学

距下关节的运动发生在垂直于运动轴的平面上，运动轴为斜向（内旋25°～30°，跖屈5°～8°），产生三维运动［2］。距下关节是连接小腿和足部的“斜向铰链”，是下肢和足部负重的交叉点，其力学特性与远端肢体的运动紧密相关［3］。

距下关节的三维运动在足的单方向运动中表现为非同向运动，并且在运动范围和形式上有很大的不同，但彼此之间联系紧密。周军杰等［6］研究了12例正常足标本在三维运动中的生物力学特性，发现随着足背伸跖屈、内外翻和内收外展运动度的增加，虽然三轴上的增加幅度不同，但距下关节的运动范围符合线性增加，三维方向上的运动存在着密切的相关性。传统研究认为，距下关节在不同足运动形式中发挥不同的作用，在足内外翻和内收外展运动中尤其重要［2，6］。

距下关节各关节面之间接触面积和接触压力的特性是距下关节的主要生物力学特征。Campbell等［1］发现当距下关节外翻时，距下关节活动度增加，通过距下关节传导的负荷也随之增加。Wagner等［7］研究发现，随着负荷增大，距下关节的接触压力明显增大，接触面积减少，高压力区域增加，并通过后关节面传导大部分应力。目前研究表明，足外翻时距下关节接触面积较中立位时显著减少［1，3］。

（二）平足状态下距下关节的生物力学

平足状态下距下关节畸形错位，关节负重结构改变，尤以足跟外翻为著，提示距下关节区域生物力学改变。柔韧性平足症患者跟骨外翻、距下关节半脱位，行走时踝关节的运动易导致距下关节活动过度，前足跖跗关节的旋转增加，造成距下关节及前足不稳［8］，引起畸形、疼痛、不稳、步态异常等临床表现。综合目前研究认为，正常的距下关节结构中，关节面接触一致，跗骨窦开放，距骨倾斜角正常，舟状骨高度正常；平足状态距下关节结构中，关节面无法保持完整接触，跗骨窦闭合，距骨倾斜角增大，舟状骨下沉［4，5，8］。

目前，柔韧性平足症没有统一的治疗方式，临床上是否采用手术治疗及手术方式取决于患者的临床症状、影像学评估及外科医生的经验［9］。无症状的平足常采用保守治疗，但无文献证明保守治疗的效果。过去的手术治疗方式创伤大、恢复时间长、长期制动；近年来距下关节制动术因其微创、恢复快、预后良好等优点得到广泛应用［10］。

二、EOTTS概述

目前，大多数研究认为EOTTS为距下关节制动术的改良术式［10，11］。距下关节制动术常采用跗骨窦假体植入和跟骨防滑螺钉植入两种方式，EOTTS采用的是前者［12］。

1946年，Chambers［13］报道了第1例利用自体骨块植入以限制距下关节活动的病例。1962年，Haraldsson［14］将做成楔形的同种异体骨插入跗骨窦中限制距下关节的外翻。

1965年，Lund［15］首次报道应用人造内固定器植入跗骨窦限制距下关节活动。由此开始，金属或可吸收材料的内固定器逐渐取代了植骨。1977年，Subotnick［16］首次报道采用硅胶假体植入跗骨窦来纠正儿童平足畸形，并将该类手术称为距下关节制动术。但Black等［17］研究发现硅胶假体装置稳定性较差，影像学改善不能长期维持，且疼痛缓解不佳。此后硅胶等可降解装置逐渐被聚乙烯、钛合金或高分子材料假体装置所取代。Graham等［3］最早提出EOTTS的概念，后逐步改进术式及距下关节稳定器的设计。目前国内常用的距下关节稳定器有KalixⅡ、Talar⁃Fit、HyProCure等［12］。

三、EOTTS的原理及适应证

EOTTS纠正畸形的原理是将内置物植入跗骨窦和跗骨管以维持距下关节正常的解剖关系，将距骨复位在跗骨结构上，恢复距骨正常的运动轴，消除过度的外翻，从而纠正距下关节畸形［12］。

研究认为，距下关节制动术的手术指征是有疼痛症状的柔韧性平足，保守治疗无效同时伴有跟骨外翻畸形，且未达到需要传统关节融合术的严重程度［18］。Graham等［19］研究指出，应用EOTTS的必要条件：患者年龄≥6岁，同时负重位X线片显示跗骨窦闭合，距骨第二跖骨角＞16°，距骨跟骨角＞26°。目前研究普遍认为，EOTTS适用于距下关节活动过度或距下关节半脱位的柔韧性平足患者，而对于僵硬性平足，患者需要接受跟骨内移截骨、三关节融合等较大手术来改善力线、重塑足弓［18，19］。

儿童平足症患者多为柔韧性平足。于涛等［10］研究认为儿童患者植入距下关节稳定器治疗柔韧性平足的适宜年龄为6～12岁，此后随生长发育机体塑形改造，可使儿童重建足弓，即使取出了稳定器，仍能终身保持足弓。夏江等［20］报道，儿童患者接受EOTTS的最佳年龄为10岁左右，此时对于大部分患儿，单纯使用制动器就可达到良好效果；较大年龄的青少年或成人，由于有其他固定畸形，需要附加其他骨或软组织手术。EOTTS可以作为治疗柔韧性平足症的一个独立手术，若无效亦不影响其他手术的实施。

柔韧性平足症是以EOTTS为代表的距下关节制动术的最佳适应证，而僵硬性平足是EOTTS的绝对禁忌证。对于具有手术指征的平足症患者，应根据病变类型选用相应的手术方式，无论采用何种术式，越早治疗，疗效越佳。

四、EOTTS的治疗效果

目前研究认为EOTTS的特点是切口小，恢复期短，并发症少，可较好地矫正柔韧性平足症的后足外翻和前足外展畸形，抬高足内侧纵弓，缓解负重及行走时的疼痛症状［10，20］。回顾近年的相关文献发现，患者术后的影像学测量和临床观察结果都得到明显改善，临床满意度为81%～92%［21⁃25］。

Graham等［21］对83例（117足）接受EOTTS治疗的柔韧性平足症患者进行了长达5年的回顾性研究，发现该组患者的Maryland足踝评分平均为88分，52%患者的疼痛完全缓解，69%患者的足部功能完全恢复，80%患者对足部外观满意，植入物移除率为6%。Bresnahan等［22］应用EOTTS治疗35例（46足）柔韧性平足症患者，发现其Maryland评分由术前的（69.53±19.56）分增大至术后的（89.17±14.41）分，与术前比较，疼痛减少度为36.97%，足踝功能提高度为14.39%，足部外形改善度为29.49%，植入物移除率为4.35%。梁晓军等［23］应用EOTTS治疗16例（27足）柔韧性平足症患者，平均随访14.6个月，临床评分及影像学结果均较术前明显改善。

较早的文献多报道距下关节制动术的随访研究。Je⁃rosch等［24］评估防滑螺钉技术在治疗儿童柔韧性平足方面的效果，选取18例（21足）患儿，随访发现其足跟外翻角、距骨舟骨角、踝关节活动度及足印分级都得到较大改善；据此作者认为该技术可用于治疗儿童柔韧性平足，是一项简单、有效且微创的技术。De Pellegrin等［25］的研究结果与之类似。

目前的研究大多是从临床角度评估EOTTS的手术效果，缺乏对EOTTS术后足部生物力学改变的研究，且客观上受限于EOTTS为新技术，研究随访时间仍较短，因此未来应着重于EOTTS作用机制的生物力学研究以及有关EOTTS安全性和有效性的长期随访研究。

五、EOTTS的生物力学研究

（一）距下关节稳定器的生物力学原理

Graham等［26］将距下关节稳定器依据其设计特征分为三种类型：ⅠA型（圆柱型）、ⅠB型（圆锥型）和Ⅱ型（复合型）。EOTTS采用的Ⅱ型距下关节稳定器较适配跗骨窦的解剖结构，可达到需要的距下关节稳定度，同时保留一定的后足活动度，并有最低的植入物移除率（植入物移除率：ⅠA型40%，ⅠB型40%，Ⅱ型5.86%）。跗骨窦间隙近似圆锥形，跗骨管为圆柱形，单纯圆柱形内植物不易稳定受力，而圆锥形不利于距下关节活动，因此复合型更有利于应力分布和减少并发症的发生。

依据距下关节稳定器的生物力学特性也可将其分为三种类型：轴线改变型、楔状自锁型和压紧阻挡型［12］。轴线改变型距下关节稳定器的原理为限制跟骨外翻，从而改变距下关节轴；楔状自锁型距下关节稳定器的原理为防止距骨外侧突接触跗骨窦底，限制距下关节外翻；压紧阻挡型距下关节稳定器的原理为压迫距跟后关节面制动距骨，不改变距下关节轴。目前使用最广泛的是楔状自锁型距下关节稳定器，可有效稳定距下关节［26］。

Graham等［27］认为，距下关节稳定器的作用原理是通过跗骨窦制动，防止距骨外侧突与距跟后关节面接触，抬起距骨头限制跟骨外翻，减少软组织损伤，矫正距下关节半脱位和前足外旋。Christensen等［28］对正常足标本进行生物力学研究，发现使用适配的假体不仅可以有效制动距下关节，且不会改变正常的足部生物力学结构。

（二）EOTTS的生物力学研究方法

手术治疗柔韧性平足症相关术式的生物力学研究方法大致可分为尸体模型、在体研究及有限元分析法。

Zanolli等［29］报道，治疗柔韧性平足的生物力学研究可在尸体模型上进行，选择尸体模型可评估手术矫正效果，同时避免后续调整的损失。尸体模型的局限性是难以模拟生理

状态，故目前研究多从在体足底压力分析入手。Razak等［30］将足底压力测试系统依据原理分为平板传感器和鞋内传感器技术，平板传感器是采样率最高的测试足底压力分布的仪器，鞋内传感器技术采用压力鞋或鞋垫式传感器，二者均在步态中反馈各项生物力学信息。Fitzgerald等［31］对6例（12足）应用EOTTS治疗平足症的患者，使用鞋内F⁃Scan系统测量术前、术后步态中足部压力变化及接触面积，结果发现全足峰值压力、足部接触面积均得到改善；据此作者认为EOTTS可有效稳定距下关节复合体，进而减少后足不正常活动，恢复足踝的正常生物力学关系。在体研究大多从足外部状态间接反映内部情况，难以保证结果的准确性。

有限元分析法是一种运用计算机技术模拟真实物理系统仿真模型，同时用数学求解法对模型的几何和载荷进行量化分析的方法［32，33］。1972年，Brekelmans等［34］首次在医学领域引入有限元分析法。目前该法已被广泛应用于骨科生物力学研究，分析骨与关节内部及内植物的应力改变、应变状态等，定量分析接触面积及应力分布［32］，较传统力学实验方法有明显的优势，得到以前无法获得的研究结果，具有重要的临床意义。Xu等［33］在CT基础上建立PTTDⅡ期平足三维有限元模型后，可对足踝关节各组成部分进行数字化分析，同时可以得到各组成骨的形变图、旋转角度及位移图。建立手术模型后，根据试验目的进行有限元分析，可对骨、关节软骨及韧带等组织的生物力学特性、内植物设计、材料选择、安装方式等进行比较评估［35］。因此，应用有限元分析法研究柔韧性平足症及EOTTS的生物力学特征是较佳选择。

尸体和在体生物力学研究方法都有其局限性，目前三维有限元研究多集中在某些组成骨、韧带上，对柔韧性平足有限元模型研究较少，未来可建立柔韧性平足模型并模拟EOTTS手术，深入分析柔韧性平足症及EOTTS术后距下关节的生物力学改变，从而为柔韧性平足症的治疗特别是手术方式的选择提供基础实验支持。

六、总结与展望

距下关节作为后足活动的中枢，平足状态下关节面畸形错位，关节负重结构改变，导致距下关节区域生物力学改变，进而引起足部异常运动、关节不稳，产生相应临床症状。EOTTS能纠正距下关节畸形，同时稳定距下关节，手术简单微创，患者预后良好，可以有效治疗柔韧性平足症，但目前对其引起的距下关节生物力学改变认识不足。有限元分析法是研究柔韧性平足及EOTTS生物力学的好方法，未来可建立相关手术模型，分析距下关节乃至全足部的生物力学变化，为柔韧性平足症手术方式的选择提供研究支持。

目前对柔韧性平足及EOTTS的研究热点均在于其生物力学研究，未来应加深对距下关节病理改变和EOTTS生物力学机制的研究，同时需要更多EOTTS的长程安全性和有效性的资料。

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2015⁃10⁃19）

10.3969/j.issn.1674⁃8573.2016.05.020

510120 广州，中山大学孙逸仙纪念医院骨外科（程翔宇、宋卫东）；深圳市第二人民医院手足外科（李文翠、刘建全）

宋卫东，E⁃mail：songsz999@163.com