上胫腓关节的生物力学研究

鲁建作 林央央 杨杰 董晓敏 潘骏

[摘要] 目的 探讨上胫腓关节的生物力学特征。 方法 收集10具成人尸体膝部标本，采用生物力学方法及压敏片技术测试不同体位下上胫腓关节的压力及上胫腓关节的受力面积。 结果 上胫腓关节的平均压力均显著小于内、外侧股胫关节的平均压力（P<0.05）；在压力为700N、1400N、2800N时，居于中立位的上胫腓关节的受力面积显著小于其他体位（P<0.05）；居于中立位的上胫腓关节的平均压力显著大于居于跖屈位、内翻位，但显著小于背伸位、外翻位（P<0.05）。P1组倾斜度>20°，P2组的倾斜度<20°；在700N压力下，P1组的受力面积均显著小于P2组（P<0.05），但P1组的平均压力显著大于P2组（P<0.05），且不受体位的改变影响。 结论 跖屈位、内翻位时上胫腓关节承受压力大，上胫腓关节压力随踝关节体位的改变而改变，在处理上胫腓关节脱位时，需尽量避免行上胫腓关节融合术；倾斜型的上胫腓关节较水平型承受压力大，较易发生损伤。

[关键词] 上胫腓关节；股胫关节；生物力学；压敏片

[中图分类号] R687.3 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2016）06-0004-05

Biomechanics study on proximal tibiofibular joint

LU Jianzuo LIN Yangyang YANG Jie DONG Xiaomin PAN Jun

Department of Orthopaedics， the People's Hospital of Wenzhou City in Zhejiang Province， Wenzhou 325000， China

[Abstract] Objective To evaluate the biomechanics of upper tibiofibular joint. Methods Chose 10 knee specimens of adult cadavers as research object. The average pressure and stressed area of upper tibiofibular joint were detected by biomechanical method and pressure sensitive piece technology. Results The average pressure bear by superior tibiofibular joint was significantly less than medial/lateral tibiofemoral joint（P<0.05）. Under different pressure （700N， 1400N， 2800N）， the stress area within superior tibiofibular joint in the neutral position was significantly less than it within superior tibiofibular joint in plantar flexion， back stretch， varus and valgus position （P<0.05）； the average pressure bear by superior tibiofibular joint in the neutral position was significantly less than it bear by superior tibiofibular joint in plantar flexion， back stretch， varus and valgus position（P<0.05）. P1 group was greater than 20°， P2 group was less than 20°. Under pressure of 700N， stress area for P1 group was significantly less than P2 group（P<0.05）， but the average pressure bear by P1 group was greater than the P2 group（P<0.05）， and the effect was independent of body position. Conclusion Because the superior tibiofibular joint bear more pressure under plantar flexion and varus position， and the pressure varies with the change of the ankle position. It is avoided that arthrodesis is used to deal with dislocation superior tibiofibular joint. Tilting superior tibiofibular joint is more prone to be injured in compared to horizontal type because of bearing more pressure.

[Key words] Superior tibiofibular joint； Tibiofemoral joint； Biomechanics； Pressure sensitive film

上胫腓关节是位于胫骨外侧髁和腓骨头之间的滑膜关节。上胫腓关节的首要功能之一是分散施加于踝关节之上的扭转应力，其正常运动（尤其是旋转运动）对踝关节的正常运动是十分必要的。目前对腓骨及骨间膜、外踝功能已做了大量的解剖、生物力学等方面的研究，然而上胫腓关节却往往受到忽视[1，2]。本研究采用压敏片技术[2]研究上胫腓关节的生物力学，探讨上胫腓关节的受力分析，为临床处理膝关节脱位提供依据[3]。

1 材料与方法

1.1 一般材料

本组研究中所有10具成人尸体下肢标本均由温州医学院解剖教研室提供，且经福尔马林溶液浸泡，其中男7具，女3具；年龄30～52岁，平均（41.2±4.7）岁；体重50～72 kg，平均（60.4±5.3）kg。标本处理方法：①截断股骨：在膝关节上约10 cm处将股骨横行截断，去除脂肪、皮肤以及肌肉组织，只保留骨骼、韧带及关节囊韧带与关节囊；②体位控制：采用自制股骨近端夹具将所有标本的膝关节保持伸直位，同时采用自制底座将踝关节调节为不同体位；③对所有标本进行肉眼观察及X线片检查以排除肿瘤、严重骨质疏松及畸形等病理异常。

1.2 实验仪器与设备

ELF3520型生物力学试验机（BOSE公司），双片型低压和超低压压敏片（Fuji公司，批号：1747298622， 1748117235，日本），数据处理系统：FPD-305密度仪和FPD-306压力转换器（Fuji公司，日本）及AutoCAD2000软件；股骨近端夹具与足部底座为自制。

1.3 实验方法

1.3.1 标本的放置与体位的维持 标本的矢状面、额状面的体位与旋转角度均采用股骨远端夹具进行固定（封三图1）。①冠状位：足部由自制足部底座固定，标本保持原有下肢轴线[4]。可以进行调整踝关节为不同体位，同时应避免小腿的旋转运动。②矢状位：标本与工作平台垂直，并保持伸直体位，避免膝关节过伸、屈曲或前后倾斜；当膝关节伸直0°时，可以开启“锁扣机制”，保证膝关节在受压时的稳定性。

1.3.2 压敏片的选取与放置 ①选取标准：本组研究中，压敏片采用双片型压敏片，此种压敏片由A片与C片两部分膜面相接组成，其中A片涂有微囊成色材料，C片涂有显色材料，当压敏片受到压力时，A片表面的微囊成色材料受压破裂，会释放出相应的成色材料，成色材料与C片上的显色材料反应.产生相应的色彩，颜色的浓度就代表相应的压力值。通过对之前部分学者对膝关节接触应力的研究进行回顾性分析，并经过预实验反复研究，笔者发现在上胫腓关节采用超低压型压敏片（压力范围0.5～2.5 MPa）的效果最为理想[5]（封三图2），股胫关节面内外侧采用普通型压敏片（压力范围2.5～10 MPa）效果较为理想（封三图3）。②放置方法：实验前，根据关节面形状对压敏片进行修剪，使其与关节面形状相吻合；在修剪时注意在压敏片的一侧边缘保留部分突出，以方便置入与取出；放置压敏片时要注意不要过度挤压，避免皱折与脱位的发生，影响其结果的准确性；实验室温度20℃～35℃，相对湿度35%～80%。

1.4 检测指标与方法

1.4.1 上胫腓关节与内外侧股胫关节的平均压力 在踝关节中立位，膝伸直0°的体位下，将压敏片由膝关节内外侧间隙插入胫骨关节面内外侧，施加压力，取出变色的压敏片，读取数值并记录，并对股胫关节和上胫腓关节的平均压力进行测定。

1.4.2 不同踝关节体位下上胫腓关节的平均压力 跖屈位时，分别在20°，背伸位20°，内翻位20°，外翻位20°时施加压力，取出变色的压敏片，并在上胫腓关节进行平均压力测试。测试中，由力学试验机对上胫腓关节进行压轴向加压，压力负荷设置为700N、1400N与2800N，加压速率2.50 mm/min，最大载荷保持5 s；每次测量后让标本休息5 min，消除蠕变的影响；然后变换体位，重新更换压敏片，每个体位重复实验3次，取3次实验结果的平均值作为该体位关节面的平均压力值。

1.4.3 受力面积测定 应力测量采用FPD-305密度仪和FPD-306压力转换器，压力负荷设置为700N、1400N与2800N，压敏片着色区域的密度值采用FPD-305密度仪读取，通过FPD-306中的微处理器转换成压力值，受力面积的测量用扫描仪读入计算机，用Auto-CAD2000软件测量出受力面积。

1.4.4 上胫腓关节倾斜度测定 依次记录平均压力及受力面积后，取下标本，对上胫腓关节解剖，将分离的整段完整腓骨置于铁架台上，用2个夹子分别夹住腓骨的上1/3和下1/3，稍作调整，使腓骨的长轴与铁架台上的铁杆平行，此时用量角器测量上胫腓关节面与水平面的夹角为倾斜度。

1.5 统计学处理

采用SPSS16.0统计学软件进行数据分析，计量资料以均数±标准差（x±s）表示，多组间比较采用单因素方差，两两比较采用t检验，计数资料用例数/百分数（n/%）表示，比较采用χ2检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 上胫腓关节与股胫关节平均压力比较

在700N条件下，上胫腓关节的平均压力[（0.62±0.08）MPa]显著低于内侧股胫关节的[（2.21±0.12）MPa]（t=4.021，P=0.023）；在1400N条件下，上胫腓关节的平均压力[（1.14±0.06）MPa]显著低于内侧股胫关节的[（4.29±0.14）MPa]（t=5.898，P=0.011）；在2800N条件下，上胫腓关节的平均压力[（2.22±0.11）MPa]显著低于内侧股胫关节的[（8.34±0.20）MPa]（t=6.028，P=0.005）。

在700N条件下，上胫腓关节的平均压力[（0.62±0.08）MPa]显著低于外侧股胫关节的[（1.90±0.17）MPa]（t=4.024，P=0.026）；在1400N条件下，上胫腓关节的平均压力[（1.14±0.06）MPa]显著低于外侧股胫关节的[（3.78±0.16）MPa]（t=5.674，P=0.013）；在2 800N条件下，上胫腓关节的平均压力[（2.22±0.11）MPa]显著低于外侧股胫关节的[（7.89±0.23）MPa]（t=5.995，P=0.008），且外侧股胫关节的平均压力均低于内侧股胫关节（P<0.05）。见表1。

表1 上胫腓关节与内、外侧股胫关节的平均压力比较（x±s，MPa）

注：a表示与上胫腓关节比较，P<0.05，b表示与内侧股胫关节比较，P<0.05

2.2 不同踝关节体位下上胫腓关节的受力面积比较

在700N条件下，跖屈位的平均受力面积[（1.12±0.06）cm2]、背伸位的平均受力面积[（0.77±0.12）cm2]、内翻位的平均受力面积[（1.20±0.13）cm2]和外翻位的平均受力面积[（0.75±0.08）cm2]均显著高于中立位的[（0.62±0.08）cm2]（t=3.241，P=0.037；t=3.542，P=0.026；t=3.540，P=0.027；t=3.245，P=0.039）；在1400N条件下，跖屈位的平均受力面积[（1.60±0.14）cm2]、背伸位的平均受力面积[（1.38±0.10）cm2]、内翻位的平均受力面积[（1.62±0.09）cm2]和外翻位的平均受力面积[（1.34±0.11）cm2]均显著高于中立位的[（1.14±0.06）cm2]（t=3.427，P=0.029；t=3.198，P=0.038；t=3.556，P=0.024；t=3.013，P=0.041）；在2800N条件下，跖屈位的平均受力面积[（1.96±0.18）cm2]、背伸位的平均受力面积[（1.78±0.15）cm2]、内翻位的平均受力面积[（1.97±0.11）cm2]和外翻位的平均受力面积[（1.69±0.09）cm2]均显著中立位的[（1.22±0.11）cm2]，（t=3.395，P=0.031；t=3.394，P=0.031；t=3.556，P=0.024；t=3.012，P=0.040），见表2。

表2 上胫腓关节在踝关节不同体位下的受力面积比较（x±s，cm2）

注：a表示与中立位比较，P<0.05，b表示与跖屈位比较，P<0.05，c表示与背伸位比较，P<0.05，d表示与内翻位比较，P<0.05

2.3 不同踝关节体位下上胫腓关节的平均压力比较

在700N条件下，跖屈位的平均压力[（0.76±0.13）MPa]和内翻位的平均压力[（0.79±0.09）MPa]显著低于中立位的[（0.90±0.07）MPa]；背伸位的平均压力[（1.21±0.10）MPa]和外翻位的平均压力[（1.24±0.21）MPa]显著高于中立位的[（0.90±0.07）MPa]（t=3.214，P=0.037；t=4.287，P=0.027；t=3.465，P=0.025；t=3.251，P=0.039）。在1400N条件下，跖屈位的平均压力[（1.31±0.11）MPa]和内翻位的平均压力[（1.29±0.15）MPa]显著低于中立位的[（1.50±0.17）MPa]（t=3.250，P=0.039；t=4.431，P=0.024）；背伸位的平均压力[（1.72±0.21）MPa]和外翻位的平均压力[（1.78±0.10）MPa]显著高于中立位的[（1.50±0.17）MPa]（t=3.322，P=0.036；t=3.245，P=0.040）。在2800N条件下，跖屈位的平均压力[（2.01±0.14）MPa]和内翻位的平均压力[（1.99±0.17）MPa]显著低于中立位的[（2.22±0.11）MPa]（t=3.264，P=0.037；t=4.287，P=0.027）；背伸位的平均压力[（2.44±0.08）MPa]和外翻位的平均压力[（2.40±0.15）MPa]显著高于中立位的[（2.22±0.11）MPa]（t=4.291，P=0.025；t=3.251，P=0.039），见表3。

表3 上胫腓关节在踝关节不同体位下的平均压力比较（x±s，MPa）

注：a表示与中立位比较，P<0.05，b表示与跖屈位比较，P<0.05，c表示与背伸位比较，P<0.05，d表示与内翻位比较，P<0.05

2.4 倾斜型与水平型上胫腓关节受力面积的比较

依据解剖实验中测得的倾斜度将上胫腓关节分为两组，P1组倾斜度>20°，P2组倾斜度<20°。在700N条件下，P1组的上胫腓关节居于中立位[（0.61±0.08）cm2]、跖屈位[（1.10±0.08）cm2]、背伸位[（0.76±0.07）cm2]、内翻位[（1.19±0.11）cm2]、外翻位[（0.72±0.06）cm2]的受力面积均显著小于P2组的中立位[（0.74±0.07）cm2]、跖屈位[（1.23±0.11）cm2]、背伸位[（0.89±0.10）cm2]、内翻位[（1.32±0.16）cm2]、外翻位[（0.84±0.09）cm2]的受力面积（t=2.892、2.913、2.894、2.897、2.937，P=0.049、0.048、0.049、0.049、0.048），见表4。

2.5 倾斜型与水平型上胫腓关节平均压力的比较

在700N压力下，P1组的上胫腓关节居于中立位[（0.98±0.08）MPa ]、跖屈位[（0.84±0.06）MPa]、背伸位[（1.28±0.11）MPa]、内翻位[（0.89±0.07）MPa]、外翻位[（1.36±0.20）MPa]的平均压力均显著大于P2组的[（0.87±0.07）MPa]、跖屈位[（0.74±0.09）MPa]、背伸位[（1.18±0.10）MPa]、内翻位[（0.76±0.08）MPa]、外翻位[（1.21±0.10）MPa]的平均压力（t=2.914、2.953、2.892、2.992、2.895，P=0.049、0.048、0.049、0.047、0.048），见表5。

表5 不同倾斜度下的上胫腓关节平均压力比较（x±s，MPa）

3讨论

3.1 上胫腓关节的承重功能

从上世纪七、八十年代起，国内外学者对腓骨的负重功能及负重比例进行了研究，有研究通过生物静力模型的研究发现腓骨负担了小腿承受重量的1/6[6]，Trainotti S等的研究结果则表明腓骨承受约6.4%的体重[7]。研究结果的不同归因于测量方法的不同，但对腓骨具有负重功能已达成共识。本研究通过压敏片法测量关节面接触压力时可最大限度地保留关节周围组织，减少对关节结构的破坏，使得研究结果更接近实际。研究表明膝、踝关节中立位时，在不同的负荷下，上胫腓关节与股胫关节承受的载荷比例保持一致，约为0.140，表明上胫腓关节在实验中承受负荷，表现为载荷压力。有实验表明上胫腓关节具有承重功能，负担小腿1/7的承重[8]。

3.2 上胫腓关节的受力面积和平均压力分析

有关上胫腓关节的生物力学研究甚少。此研究通过压敏片技术对膝关节不同的轴向负荷，不同踝关节体位下上胫腓关节的受力面积和平均压力进行分析。在不同压力下（700N、1 400N、2 800N），上胫腓关节承受的平均压力均显著小于内外侧股胫关节承受的平均压力；中立位下上胫腓关节的受力面积显著小于跖屈位、背伸位、内翻位、外翻位的受力面积。这表明上胫腓关节的受力面积也随踝关节体位改变而改变；当测试压力成倍数时，上胫腓关节承受的平均压力并不成倍数增加。

踝关节内翻或外翻同样改变了关节的接触面积，引起了外踝相对位移和胫腓骨中载荷分布的改变。在内翻位时，载荷经胫骨关节面内侧部分的传导增加，在外翻位时载荷经关节面外侧部分的传导增加。这种改变从上胫腓关节从外翻位、中立位至内翻位平均压力增大的研究结果也得到佐证。上胫腓关节除了具有承重功能外，还具有一定的活动功能来适应体位的变化，因此上胫腓关节融合术并非上胫腓关节脱位的首选处理方法[9-15]。

3.3 倾斜型与水平型上胫腓关节的生物力学分析

不同的标本在上胫腓关节倾斜度方面有着明显的差异[16-19]。倾斜型关节是指上胫腓关节倾斜度>20°，而水平型关节则是上胫腓关节倾斜度<20°。本研究依据解剖实验中测得的倾斜度将上胫腓关节分为两组，P1组为上胫腓关节的倾斜度>20°，P2组为上胫腓关节的倾斜度<20°。在700N压力下，P1组的中立位、跖屈位、背伸位、内翻位、外翻位的受力面积均显著小于P2组，且不受体位的改变影响。但当上胫腓关节的倾斜度>20°时，上胫腓关节承受的平均压力较上胫腓关节的倾斜度<20°时大。因上胫腓关节稳定性主要依靠关节囊、上胫腓前后韧带、外侧副韧带等，倾斜度不同，其关节周围组织结构并无明显差异，提示上胫腓关节因倾斜度不同，其承受的平均压力也不同，临床研究表明倾斜型的上胫腓关节较易发生半脱位，与倾斜型受到的平均压力大及受力面积小密切相关[17]。

综上所述，与水平型的上胫腓关节相比较，倾斜型的上胫腓关节的受力面积小而承受的平均压力大，中立位下上胫腓关节的受力面积显著小于跖屈位、背伸位、内翻位、外翻位的受力面积，上胫腓关节承受的平均压力显著大于跖屈位、内翻位、背伸位、外翻位承受的平均压力。上胫腓关节压力随踝关节体位的改变而改变，在处理上胫腓关节脱位时；倾斜型的上胫腓关节较水平型的上胫腓关节承受压力大，较易发生损伤。临床上行关节复位术时要注意兼顾关节的受力情况及接触面积；在处理胫腓关节脱位时，要注意避免行胫腓关节融合术。

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（收稿日期：2015-10-16）