腓骨短缩对胫距关节生物力学接触特性的影响

【摘要】  ［目的］测定腓骨短缩时，胫距关节的接触特性的变化，探讨腓骨短缩的最大允许程度。［方法］6具小腿标本，去除踝关节以上的皮肤、肌肉等软组织，用夹具将其固定于正常行走踝关节中立位，分别测出在正常，腓骨短缩2、4、6 mm时，胫距关节的接触压及接触面积并进行比较，观察并总结出接触压及接触面积的变化趋势。［结果］通过模拟试验发现，腓骨短缩时，胫距关节总接触面积呈减小趋势，前外、后外象限的接触面积、接触压呈增大趋势,而前内，后内象限的接触面积、接触压均减小。［结论］2 mm以上（包含2 mm）的腓骨短缩，均会造成胫距关节接触特性的显著改变。

【关键词】  腓骨短缩； 胫距关节； 压敏片； 生物力学； 踝关节

　　Effects of biomechanical characters of ankle joint in consequence of shortened fibula∥

　　LIU Yong,PENG Aqin，GAO Wenshan,et al.

　　Orthopedic Department,The Affiliated Hospital of Hebei University,Baoding 071000,China
   
　　Abstract：［Objective］To evaluate the effect of fibula shortening on biomechanical characters of tibiotalar joint and prescribe the most acceptable extent of fibula shortening.［Method］Six fresh cadaveric specimens were disarticulated though the knee,and the soft tissues were removed from the knee to the level of the ankle joint.The position of the ankle joint during testing simulated the single leg stance phase of gait.Every group of specimen carried out a biomechanical test in the turn of intact,fibula  2mm shortening, 4mm shortening, 6mm shortening. The biomechanical change of the tibiotalar joint after fibular shortening was found.［Result］The total contact area of the tibiotalar joint tended to decrease in the fibular shortening model. The contact area and contact pressure in anteromedial and posteromedial quadrant tended to decrease, while, the contact area and contact pressure in anterolateral and posterolateral quadrant tended to increase.［Conclusion］The 2 mm fibular shortening (including 2 mm) significantly alter the biomechanical characters in tibiotalar joint.
   
　　Key words：shortened fibula;  tibiotalar joint;  pressure sensitive film;  biomechanics;  ankle joint

　　腓骨骨折经常伴随踝关节和胫骨远端骨折发生，骨折后经常发生移位畸形愈合，对踝关节功能产生影响。关于腓骨骨折有很多治疗方法的报道，但很少有人研究并阐明腓骨短缩后踝关节的生物力学改变。作者设计了本实验，使用了更为先进的试验仪器，测试人体在行走，踝关节中立位时，腓骨短缩2、4、6 mm情况下，胫距关节不同区域接触面积、平均应力、峰值应力值的变化，探讨腓骨短缩的可接受程度。

　　1  材料与方法

　　1.1  标本的制作
   
　　6个近期防腐成人尸体标本,经X线摄片证实无骨质疏松及骨骼系统疾病。将标本自膝关节离断，小心去除踝关节以上的皮肤、肌肉等软组织，保留重要的韧带和踝关节囊。

　　1.2  模拟腓骨短缩畸形
   
　　将一个外固定架安装于腓骨上，使腓骨中点与外固定架的中点在一个水平，且于远近段各拧入2枚固定螺钉。固定牢靠后，在腓骨中点处以钢锯条斜行锯断，并做好原位短缩2、4、6 mm的标记。于内踝尖上约2.5 cm平踝关节穹隆处水平截骨，并尽可能少地切开部分前后关节囊,从内踝处打开踝关节放入压敏片(见图1)，最后自内踝预钻钉道拧入2枚松质骨螺钉，并加张力带加固。通过拉近骨折线远近段上的固定螺钉，比照预先做好的标记，即可制作出腓骨短缩2、4、6 mm的模型。

　　1.3  标本的分组及测试顺序
   
　　每一标本按下列顺序分别给予生物力学测定：正常，解剖复位，短缩2、4、6 mm。

　　1.4  压敏片的选择和使用
   
　　胫骨和距骨间接触特性的参数用压敏片来测量。通过预实验对各种型号压敏片的测试，结合作者的实验条件，采用压力范围（2.5～10 MPa）的低压压敏片最理想。但当压力范围低于低压型压敏片的测量范围时，结合使用超低压型压敏片（0.5～2.5 MPa）。

　　1.5  标本的加载
   
　　将已置入压敏片的标本放入LDS-500实验机上, 用螺钉将踝关节固定于中立位，并使距下关节保持大约5°的外翻角（图2），以25 N/s的速度加载至700 N，维持30 s。实验过程中，当加载到700 N压力维持时，用直径1.5 mm的钝头探针分别自3个标记孔A、B、C插入，并在压敏片上做出相应标记X、Y、Z，作为压敏片与胫距关节面相对关系的参照点。依次进行完整标本、解剖复位、腓骨短缩2、4、6 mm的测试。

　　图1  将标本与固定装置连接（略） 

　　图2  向胫距关节内置入压敏片（略）

　　1.6  实验数据的采集与分析
   
　　加压着色后的压敏片根据X、Y、Z三点建立的坐标系分为前内、后内、前外、后外4个象限，用FDP305E密度计和FDP306E压力转换器测量每部分的应力和应力分布。各象限的平均应力的测量采用每一象限随机取10个点，分别测量后求平均值。峰值应力为在该象限着色最深的区域测量5个点，取最大值。接触面积的测量采用扫描仪将压敏片图像扫入计算机，利用Auto CAD2004软件测量胫距关节各象限的面积，每象限测量3次，取平均值。

　　1.7  X线片动态观察踝关节的影像学变化
   
　　作者对实验中的每一组标本均摄X线片做动态观察，比较其微细变化，以利于更好地看出腓骨短缩带来的胫距关节变化趋势。

　　1.8  统计学方法
   
　　对数据进行方差分析，用Bartlett法进行方差齐性检验，用NewmanKeuls法进行q检验。

　　2  结果

　　2.1  随着腓骨短缩程度的增加，胫距关节的总接触面积呈减小趋势，且随腓骨短缩程度的加重而加重，至短缩4 mm组，已有显著统计学差异（P<0.05）。 从短缩2 mm开始，各象限的平均接触面积就发生了重新分配，随着短缩程度的增加，而前外、后外象限的平均接触面积逐渐增加，而前内、后内象限的平均接触面积逐渐减少，而且这种变化在前内，后外象限更为显著（在短缩2 mm组已表现出显著统计学差异）(见表1)。

　　2.2  随着短缩程度的增加，胫距关节内的平均应力和峰值应力均出现显著变化。前内、后内象限的平均应力和峰值应力呈降低的趋势，而后外、前外象限相反，应力呈增高的趋势，而且这种变化在前内，后外象限更为显著（在短缩2 mm组已表现出显著统计学差异）(见表2、3)。

　　2.3  作者对实验中的每一组标本均摄X线片做动态观察，比较其微细变化，以利于更好地看出短缩带来的变化趋势。结果发现，腓骨短缩后，距骨发生外移并外翻，内踝及胫距关节内侧半的踝关节间隙变大，而外踝及胫距关节外侧半的间隙变小，而且随着腓骨短缩程度地增加，这种趋势也随之愈发明显(见图3)。

　　图3a  完整标本（略）           

　　图3b  短缩2 mm（略）           

　　图3c  短缩4 mm （略）              

　　图3d  短缩6 mm（略）

　　表1  腓骨骨折短缩畸形愈合对踝关节各部分接触面积的影响（略）

　　与完整标本比较；**P<0.01  与完整标本比较

　　表2  腓骨骨折短缩畸形愈合对踝关节各部分平均应力的影响（略）

　　*P<0.05  与完整标本比较；**P<0.01  与完整标本比较

　　表3  腓骨骨折短缩畸形愈合对踝关节各部分峰值应力的影响（略）

　　*P<0.05  与完整标本比较；**P<0.01  与完整标本比较

　　3  讨论
   
　　以往观点把腓骨作为肌肉的附着点和构成踝关节的一部分， 很少学者对腓骨骨折引起足够的重视。临床医师也把腓骨作为植骨源或因腓骨患某种疾患而将其不加限制的切除。不少学者认为只要保留腓骨远端部分，供骨肢体不会发生任何问题。
   
　　近年来一些学者通过大量临床和基础实验证明上述的观点是错误的，他们认为保持腓骨长度在维持踝关节稳定中有非常重要的作用［1］。赵建宁1997年通过对13例疗效较差的踝关节损伤病人的分析比较，他认为在踝关节骨折中，若不能对腓骨下1/3或外踝做准确固定，常造成外踝上移短缩畸形，以至外踝向外侧移位，使踝穴变浅增宽，距骨在踝穴中失稳，改变了踝关节活动的轴，这是发生创伤性关节炎的重要因素。Macko［2］认为外踝短缩后将出现胫距关节非负重区的应力增加，这会造成负重区关节液流动障碍，从而导致软骨营养不良，这可能是关节发生早期骨性关节炎的原因之一。
   
　　鉴于国内对于此问题的基础研究很少,作者设计了本实验，使用了更为先进的试验仪器，预测腓骨短缩的最大允许程度，为临床治疗腓骨骨折及相关疾病提供依据。
   
　　通过试验作者总结出以下规律:在腓骨骨折短缩畸形愈合模型上，随着短缩程度的增加胫距关节的平均总接触面积呈减小趋势,从短缩2 mm开始，各象限的接触面积就发生了重新分配,随着短缩程度的增加，前外、后外象限的平均接触面积逐渐增加，而前内、后内象限的平均接触面积逐渐减少。同时,前内、后内象限的平均应力和峰值应力呈降低的趋势。而后外、前外象限相反，应力呈增高的趋势。而且，这种变化在后外、前内象限表现得尤为显著。
   
　　AO学派认为踝关节的稳定在于腓骨长度及下胫腓联合的完整［3］，腓骨短缩将直接导致外踝上移；而由于外侧副韧带（尤其是距腓前、后韧带）的牵拉，造成距骨外翻并外移。这种变化作者已通过X线片证实(见 图3)。这将造成胫距总接触面积明显减少，关节所承受的应力集中，容易导致骨关节炎的发生。
   
　　腓骨短缩2 mm即有上述统计学差异，就有可能出现外踝失稳、胫距关节退变等并发症。所以临床上在处理小腿损伤时，对大于2 mm的腓骨短缩都应给予重视，应尽可能的恢复腓骨的解剖复位和腓骨长度。
   
　　此试验较以往实验的几点改进: (1)测试体位的选择:以前的相关研究，大多模仿人体自然站立的情况，即踝关节中立位，正位胫骨内缘与重力垂线夹角为截骨前所测量的α角，侧位踝关节跖屈0°～10°。作者的实验中模拟的则是人体在正常行走情况下，即踝关节中立位，并保持距下关节外翻5°；(2)关于负载重量:以往的研究因为模仿的是人体自然站立的情况，往往选择一半成人体重，即350 N。而作者的试验，选择了700 N的负载重量，这是因为它是一个70 kg的人的重量，尽管人在平地步行时，踝关节内的最大加载压力可以达到4倍人体的重量，可是预实验证实，选择一个较低的重量可以减少骨及软组织的变形风险；(3)压敏片的置入:实验中,作者人为地制造一个内踝骨折，尽可能少地切开内侧半的前后关节囊，以能安全置入压敏片为度，然后再通过螺钉加张力带牢固固定；这样，既解决了置入压敏片的困难，又做到了尽可能少地破坏踝关节周围韧带和关节囊，使得试验更接近生理状态。而且通过预试验证实，这样处理以后，踝关节的接触特性未发生明显的变化（P>0.05）。
   
　　对比以往相关研究，一般认为，腓骨短缩造成踝穴增宽,距骨外侧移位或旋转,造成胫距接触面明显减少,关节所承受的应力集中,导致骨关节炎的发生。这与作者的研究结果一致，而Frankel报道腓骨短缩后，胫距关节的接触面积无明显变化，关节面上的压应力也没有明显改变，但其负重图形与正常组相比较，其接触区中部向后内侧扩大，这与作者的研究结果不同。分析其原因，作者认为，一方面是他们当时没有压敏片、扫描仪等测量关节接触面积和接触压的先进仪器，另一方面，则是试验设计没有更好的模拟生理状态。作者的试验设计更为科学、合理，所以，试验结果也更为可靠。
   
　　作者还注意到，腓骨骨折后虽然最常见是短缩畸形，但是还经常发生旋转和远端错位等畸形，或几种畸形同时存在，由于时间和技术的原因，作者没有能够做更为详尽的研究，在以后的研究中若能做一补充，将使结果更为完善。

【参考文献】
  　　［1］ 徐传达主编.实用临床骨缺损修复应用解剖学［M］.北京：中国医药科技出版社,2000,384-385.

　　［2］ 谢志军,闫德强,张汉瑜,等.腓骨内固定对胫骨愈合及踝关节稳定的作用［J］.中国矫形外科杂志,2000,7(6):553.

　　［3］ 秦淑珍,陈兴华,李润,等.人体踝关节跖屈时光弹性应力实验分析［Ｊ］.医用生物力学,1998,4:153-155.

作者单位：(河北大学附属医院骨科，保定 071000；河北医科大学第三临床医学院创伤急救中心，石家庄 050051；邢台人民医院骨科，邢台 054001)