膝内翻角与膝关节内侧间室压力相关性的生物力学分析

范续 胡培阳 庞正宝 裘天强

膝关节骨关节炎（KOA）是一种常见的慢性致残性疾病，该病随着年龄增大发病率急剧增加，＞65岁老人患病率＞12%，＞75岁老人患病率达27%［1］。膝内侧间室发病率明显高于外侧，占85%［2］。胫骨高位截骨术被认为通过转移承重轴至外侧间室，成功改变内翻力线不良，不会对关节原有的保护产生影响。作者采用压力传感器技术和正常尸体膝关节，得到经过胫骨高位截骨的正常膝关节在伸直位时，膝内翻0°～30°时膝关节内侧间室压力值，分析膝内翻角度变化对膝关节内侧间室压力的影响，为膝关节内翻畸形的KOA患者生物力学及临床研究提供一定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与设备 骨科手术常用器械、医用电钻、直径4.5mm、6.5mm长度不等螺钉8枚、自制可调节角度胫骨外侧异形钢板、flexiforce A301压力传感器、电子万能试验机（INSTRON 5569）、华硕笔记本电脑（X550）、压力转换器、佳能数码相机（EOS 700D）。

1.2 标本 选取4例成年女性尸体膝关节标本（左右各2例，来自2具成年女性尸体），4例下肢膝关节标本从尸体上中段离断后除膝关节内外侧副韧带、前后交叉韧带、半月板及完整关节囊外其余软组织进行剔除，股骨保留至股骨内外髁连线上20cm，胫骨保留至胫骨平台下20cm。经过提前严格测量下肢力线为0°，股胫角为172°，此时膝关节无内翻畸形。实验前通过X线检查见膝关节内外侧间室匀称，骨骼未见明显骨质变化或异常骨质形成。

1.3 方法 （1）标本处理：2具尸体标本在进行下肢离断前，拍摄双下肢全长X线片，同时测量下肢力线并从直观上观察尸体双下肢存在明显的内外翻畸形。2具尸体4例膝关节标本的此时测量胫股角约为172°。在距离股骨内外髁连线以上20cm处离断下肢，接着在距离胫骨平台下20cm处切断胫腓骨，分别对离断后获得的膝关节标本除膝关节内外侧副韧带、前后交叉韧带、半月板及完整关节囊外的其他软组织进行剔除，切除软组织过程中注意保护膝关节内外侧副韧带、前后交叉韧带及半月板的解剖学完整，目的是尽量避免影响胫股关节内侧间室压力的测量。在标本处理的过程中注意保护胫股关节、髌股关节不被破坏，共获得4套膝关节骨标本。（2）手术操作：将处理好的膝关节骨标本放置在手术台上，在距离胫骨平台2cm处位置行胫骨上端截骨，用自制的胫骨外侧异形解剖钢板固定截骨两端。钢板安装后透视，再次测量股胫角为172°且内翻0°。将处理好的膝关节标本在伸直位进行固定，用直径2mm克氏针在股骨外髁斜向下穿过胫骨内侧皮质骨。（3）实验操作：将处理好的膝关节标本固定于加压杆上，调整股骨和胫骨的固定位置使下肢力线通过关节间隙尽可能的接近于自然站立的体位。在内侧关节囊上做一水平位小切口，将压力传感器贴在内侧间室的中间位置，外面接上压力转换器及电脑，影响应力值结果。本课题所用尸体标本骨骼较小，推测生前体重平均值在40kg左右，即400N，单侧下肢承受的压力在200N左右，故轴向加压取200N。将加力台设置为7s内垂直加压到200N，在峰值位置保持5s，之后在5s内卸载。轴向的加压过程每个标本重复3次，取三组实验数据的平均值。调整自制胫骨外侧钢板的角度，每次增加3°，最大角度设置为30°，改变膝内翻角度后，重复上述加压过程。（4）数据采集：利用放置在膝关节内侧间室的压力传感器获得压力值。压力传感器的应变材料受压后会产生电阻变化，随后通过放大电路将电阻的变化转换为标准电压变化信号输出，再通过压力转换器自动换算后得到压力值，记录膝关节内侧间室在各种条件下的压力值。

1.4 统计学方法 采用SPSS 19.0统计学软件。各组数据用Bartlett法进行方差齐性检验，证明方差齐有可比性。采用LSD多重比较检验对多样本均数间均数两两比较。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

4个标本的数据均表明在各屈曲角度下，膝内翻角度增大，膝关节内侧间室压力增大。膝内翻角为0°时，内侧间室压力值（0.472±0.083）MPa，随着膝内翻角度增大，内侧应力逐渐增大，到15°时达到最大值（2.751±0.418）MPa，膝内翻角度继续增大，压力逐渐减小，至30°时为（0.957±0.151）MPa。各组比较差异有统计学意义（F=28.675，P＜0.05）。见表1、图1。

表1 膝关节伸直位时内侧间室压力值

图1 膝关节伸直位时内侧间室压力值与膝内翻角力相关性

3 讨论

膝关节是人体最复杂的关节，由内侧间室、外侧间室、髌股间室等组成。在膝关节内部，负荷分布并不是平均的，其中60%～80%的负荷经由膝内侧间室传递，膝内侧骨性关节炎在临床上最为常见，与膝外侧骨性关节炎相比，二者发病率相差10倍。

膝关节力线测量相对比较容易，但KOA的发病机制较复杂［3］。膝关节力线可以用不同的技术来测量，如静态髋-膝-踝力线能够在下肢全长X线片上得到；解剖轴线近似于标准的额状位X线片；从步态分析中可以得出动态的力线［4］。目的在于估算出膝关节中的力线，一旦力线在正常范围以外常会造成KOA的发生或加重［5］。

KOA典型特征是单侧进展，如内侧间室骨性关节炎，患者常会发生明显内翻畸形，而外侧间室骨性关节炎则会发生外翻畸形。静态力线的偏移是造成KOA病情发展的危险因素［6-7］。有充分证据表明力线不良是关节畸形进一步加重和病灶性生物力恶性循环的一部分，对于力线不良在早期KOA中的重要性未获得足够的重视。改变KOA患者下肢膝关节力线的治疗方法能够明显缓解患者的症状，也是治疗KOA的基本原理。改变KOA患者已畸形的关节应力分布，目的是减少在膝关节内侧间室中的负荷，外侧间室相应的分担这一部分负荷。KOA患者常存在膝内翻情况，当发生膝内翻时，膝关节原本负担60%～80%内侧间室，将会承担更多负荷，这样会加快软骨的破坏，反过来又会加重膝内翻程度，进而加重KOA病程。而目前临床上采用胫骨高位截骨治疗KOA，则是采用纠正下肢力线的原理，通过楔形截骨调整KOA患者的关节受力情况，增加外侧间室受力同时降低内侧间室的受力情况。而随着实验中内翻角度的增大，膝关节内侧应力值降低，这可能是由于本实验的膝内翻是人为造成的，并不是疾病的自然演变，而在疾病自然演变中，常会出现关节内的关节软骨磨损，半月板撕裂，以及关节内的骨赘生成等一系列结构变化，而本实验未能营造出这样的病理环境，这就可能造成内侧间室的负荷转移至内侧间室中无半月板覆盖区，从而造成压力减小，进而造成实验中出现的在15°后内侧负荷未见增大反而减小的情况。

本实验结果显示，在膝关节伸直位时，膝关节内侧间室压力值随着膝内翻角度的变化而变化，膝关节内侧间室的压力在膝内翻角为15°时达到最大值。