跖腱膜对前足静力性维持的生物力学分析

【摘要】  [目的]测量跖腱膜和足底其它韧带损伤前后前足的形态和足底压力改变，分析跖腱膜对前足的力学维持。[方法]7例正常成人新鲜尸体足标本，解剖显露足底跖筋膜、弹簧韧带、跖长韧带、跖短韧带。经电子万能试验机逐级加载至700 N，利用数字散斑相关法测量足底韧带损伤前后跖骨头位移的变化情况，通过Fscan足底压力测量系统测量前足压力分布，对结果进行统计分析。[结果]跖腱膜损伤后，前足各跖骨冠状面水平位移同损伤前相比较差异无统计学意义(P1>0.05);矢状面纵向位移除M1外其余跖骨位移变化无统计学意义(P1>0.05)：M1、M2下峰值压力变化无统计学意义(P1>0.05)，M3～M5下峰值压力变化有统计学意义(P1<0.05)。4条韧带损伤后，各跖骨纵向位移、横向位移及跖骨头下压力峰值同韧带损伤前及单纯跖腱膜损伤相比较差异有统计学意义(P2<0.05)。[结论]跖腱膜松解不会造成足弓整体结构的塌陷，但将引起足部力学环境的改变，导致足部其他韧带结构的疲劳或损伤，出现远期并发症。

【关键词】  足损伤; 韧带; 数字散斑相关测量; 生物力学; 跖骨

Static support of the plantar fascia to the forefoot ∥MIN Xiaohui,YANG Yunfeng,YU Guangrong,et al.Orthopaedic Department of Tongji Hospital Affiliated to Tongji University,Shanghai 200065,China

　　Abstract：To explore displacement and plantar pressure distribution of the forefoot before and after the plantar fascia and other plantar ligaments were sectioned.Seven fresh adult cadaveric feet were tested with the main plantar ligaments exposed,including the plantar fascia,spring ligament,short plantar ligament and long plantar ligament.The displacements of the metatarsals were recorded and calculated with digital speckle correlation measurement (DSCM),also F-scan insoles were put under the plantar aspect of the feet when the speciments were loaded to 700N vertically.The special shifts and plantar pressure data of the metatarsals was collected and stored before and after the main plantar ligaments were sectioned.The transverse movements of the metatarsals did not change significantly,the same as their vertical displacements except the first metatarsal after the plantar fascia was sectioned,while the peak pressure shifted laterally.When the four major plantar ligaments were all injured,all of the above changed significantly.The plantar fasciotomy will not consequentially lead to collapse of the forefoot structure.But the redistribution of the plantar pressure and the compensation of other ligaments may result in later complication.

　　Key words：foot injury; ligaments; digital speckle correlation measurement; biomechanics; metatarsal

　　临床上为治疗跟痛症采用的跖腱膜松解术，长期随访发现，除足内侧纵弓塌陷,足弓低平以外，尚伴随足背外侧难治性疼痛等并发症[1,2]。跖腱膜附着于足部的三个主要的承重点(即跟骨、第1、5跖骨头)形成足纵弓，其稳定作用被认为是一种绞盘牵引效应，其止点与跖骨头处的跖深横韧带相互交织，组成强大的腱膜韧带系统，同时维持横弓的力学稳定。既往对跖腱膜生物力学的研究，较多集中于内侧纵弓，其参与足横弓的维持作用尚未见文献报道，本文就跖腱膜损伤后前足各跖骨的相互关系作初步探讨。

　　1 材料与方法

　　1.1 实验前准备

　　采用新鲜尸体足标本7具，经X线片排除足部的畸形、创伤等病变。标本截取后于-20℃低温冰柜中保存，平均保存时间12 d(1～27 d)。实验前约14 h将标本由冰柜中取出，室温下自然解冻。自踝关节上5 cm处切除小腿皮肤、肌肉，切断经过踝关节的肌腱，保留踝关节周围韧带的完整，显露胫腓骨，并截下部分腓骨段保留备用。解剖显露并标记足底跖腱膜、弹簧韧带、跖长韧带、跖短韧带(图1)。实验开始前通过直径1 mm导针对骨结构钻孔，植入标记物，分别标记胫骨、跟骨、舟骨、内侧楔骨、第1～5跖骨、腓骨。每块骨结构上植入不共面的三个标记点。

　　图1 解剖新鲜尸体足标本，显露足底主要韧带，实验中模拟韧带完全损伤(图中箭头所示)

　　1.2 实验过程

　　标本置于万能材料机底座上(图2a)，胫骨上端通过4个面螺丝坚强固定。开机后微调，使标本处于非负重状态，通过铅锤矫正标本位置，使受试标本胫骨受力方向与底座垂直，足底放置压力传感器。模拟人体正常站立情况，经胫骨上端轴向加载，试验标本最大承受700 N荷载，分7级达到，中间每100 N试验机停止30 s，采集数据。每一工况正式实验前，标本预加载5次到400 N，加载速率为2 mm/min，至整体载荷位移曲线趋于稳定，消除生物标本载荷蠕变。正式试验采用同一加载速率。

　　图2a 实验测试装置 图2b 计算采用的坐标系

　　首先在不切断足底韧带状态下通过CCD采集灰度图像(每一标本0～700 N共采集8次，以100 N为增量)。由跖腱膜开始，依次逐条切断韧带(图1箭头)，每切断1条韧带作为一个工况，所有操作均在标本初始位置进行。

　　记录保存CCD采集灰度图像(图3)，以非负重状态下标本的灰度图像作为参照和坐标原点，经数字散斑相关法(digital speckle correlation measurement，DSCM)计算出标记点位移。确定测量坐标系(图2b)，其中，X为矢状面水平位移，朝向前足定义为正值;Y为矢状面纵向位移，朝向足底定义为正值;Z为冠状面水平位移，朝向外侧定义为正值。同时通过FScan足底压力分析系统采集各工况下前足峰值压力数据[3]。

　　计算各工况的均值和标准差，对700 N载荷下同一测点的数据进行单因素方差分析，采用Spss 13.0统计分析软件，比较分析不同的韧带切断后，跖骨位移和压力分布情况，P<0.05为差异有统计学意义。

　　2 结 果

　　标本在完整状态下(足底韧带切断前)逐级加载至700 N，可观察到M1～M5有不同程度的下沉，同时伴有水平方向的位移，M1表现为内收(负值)，M2～M5表现为外展，前足宽度增加：Fscan显示M2下压力最大，其次为M1、M3。

　　跖腱膜损伤后，前足各跖骨冠状面水平位移同损伤前相比较差异无统计学意义(P1>0.05);矢状面纵向位移除M1外其余跖骨位移变化无统计学意义(P1>0.05);M1、M2下峰值压力变化无统计学意义(P1>0.05)，M3～M5下峰值压力变化有

　　统计学意义(P1<0.05)。4条韧带损伤后，各跖骨纵向位移、横向位移及跖骨头下压力峰值同韧带损伤前及单纯跖腱膜损伤相比较差异有统计学意义(P2<0.05)(表1～3)。表1 载荷700 N跖骨冠状面水平位移注：F1、F2为韧带损伤前与跖腱膜相比较的F、P值，F2、P2为3个工况相比较的F、P值，以下同。表2 载荷700N跖骨矢状面纵向位移表3 载荷700 N各跖骨测点平均峰值压力

　　3 讨 论

　　3.1 数字散斑相关位移测量在足踝生物力学中的应用

　　数字散斑相关测量(digital speckle correlation measurement，DSCM)是一种非条纹光学测量方法，该思想在上世纪80年代初由日本Yamaguchi和美国W.H.Peters和W.F.Ranson等人同时提出[4,5]。这种方法基于CCD技术、计算机视觉技术，在细观测量、新材料研究和弹塑性应力应变分析以及高温测量方面发挥重要的作用。高建新等首先在我国开始进行了数字相关方法的研究工作[6]，并将其引入生物力学领域，通过数字相关方法测出人体关节运动过程中各标志点的平面位移，实现对人体关节一般空间运动的定量分析。DSCM方法测试原理简单、数据处理方便及对测试环境要求低，可以在普通白光下进行等，无需对试件做过多的预处理，不会给试件带来任何损伤，这对于生物材料完成在无损条件下的非接触全场测量而言显得尤为突出，在生物力学研究中越来越受到人们的重视。

　　尽管DSCM生物力学与生物医学工程中得到了广泛的应用，但这一方法用于足踝运动及位移的测量国内外均未见报导。由于足部骨骼细小，外形不规则，运动细微而复杂，常规的游标卡尺测量方法只能对单一标记点作一维测量，不能形成足弓运动多关节复合的全局概念。此后，磁场轨迹跟踪系统开始使用，使足部骨骼三维运动的测量成为可能[7]。不少作者采用金属标记物植入骨骼，通过电磁转化计算足部骨结构的位移和旋转，但该方法对测量环境的非磁性要求较高，因而测量精度和手段受到限制。如果足标本采用内固定材料，将对测量过程产生较大干扰，难以用机械化、自动化的试验器材对标本进行力学加载。本研究采用非触式光学测量，通过2个CCD实现足部骨结构三维六自由度的视觉匹配，采集的原始灰度图像直接经计算机进行处理，减少人为因素和实验条件对结果的干扰。实验过程中，为提高图像对比度，通常应用“人工制斑”进一步提高计算精度，即通过标定记点、喷散斑漆等人工的方法对受测试件表面进行处理。“人工制斑”意味着可以根据研究需要确定不同规格，不同对比度的标记点，方便进行多刚体位移、角度的测量计算。本实验中，采用特制的圆形黑球同时对足内侧纵弓、跖骨进行标记，可以同时了解统一工况下足部多块骨骼组织的位移情况，今后可采用该方法作深入的足部生物力学的研究。

　　图3 纵向加载700 N不同韧带损伤后标本正侧面灰度图像 图3a、d 韧带损伤前 图3b、e 跖腱膜损伤 图3c、f 4条韧带损伤)

　　3.2 跖腱膜对前足的静力性维持作用

　　足部跗骨通过骨与骨间关节的匹配和韧带的连接形成一个坚固而富有弹性的弓形体。节段性的结构只有在组成弓状时才能负重。除了足纵弓外，跗骨、跖骨的特殊排列还行成了足横弓。Gray's解剖学将跖腱膜描述为位于皮肤和足部骨韧带之间的一个结构，起自跟骨内侧结节，其起始部位较为厚而窄，向前足走行逐渐变宽、变薄，于跖骨头远端形成纤维网，并参与形成趾间跖侧韧带。

　　基于其主要纤维的纵向走行，以往研究较多集中于跖腱膜对足内侧纵弓的维持。Hicks[8]最早将跖腱膜对足弓的增强作用描述为绞盘机制，在其理论基础上，Arangio[9]等通过一个二维生物力学模型研究了足部足弓的负重特点，经过计算提出，如果模型底部的弹性体消失，弓形结构的高度将降低17%。Thordarsonm [9]等通过离体标本研究提出，当极度背屈跖趾关节，使跖腱膜预先保持张力，能够对抗矢状面上足弓的形变，作者认为跖腱膜是矢状面上足弓最主要的支撑结构。Kitaoka[11]等切断跖腱膜及足部其它韧带结构，发现骨结构移位明显，认为跖腱膜对足弓的稳定具有重要作用。除静力性实验外，在步态周期的不同时段，足部能够在步态周期中自我调节，跖腱膜的绞盘机制在足趾离地时启动12]，此时踇趾背屈，跖腱膜张力增加，跖腱膜起止点间的距离缩短，骨骼间压力增加，足部旋后，小腿外旋，便于足部进入摆动相。由于足部的扭转(旋前、内侧纵弓抬高)和非扭转(旋后、内侧纵弓降低)，导致跖腱膜紧张或松弛，因此跖腱膜同整个前足的功能活动也是紧密相连的，跖腱膜损伤，可能会导致前足的形态或应力改变。

　　本研究结果显示，韧带损伤前纵向加载700 N，由于足底软组织的弓铉作用，第1跖骨由于负重有内收趋势，而其它跖骨则存在不同程度的外展，扩大了前足与地面的接触，降低足底及跖骨头局部的压强，有助于足底压力缓冲。同时前足各跖骨有不同程度下沉，以第1跖骨最为明显，横弓高度下降。足底峰值压力位于内侧3个跖骨头下。当跖腱膜损伤后，横弓高度同损伤前相比，除第1跖骨明显塌陷外，其余跖骨位移变化不显著;此时，第1跖骨仍然表现为内收，其余跖骨外展，但同跖腱膜损伤前相比较无显著性差异，前足宽度并未进一步增大，同Ute等[13]的研究结果一致。该作者通过6具尸体标本，依次切断跖腱膜的内侧1/3，1/2，全切，经900 N垂直加载，通过X线检查测量前足宽度的变化，结果显示踇外翻角、 近端关节角、1～5跖骨间角(1～5跖骨间角用来表示前足的宽度)均无显著变化;第1、2跖间角进行性增加。提示跖腱膜对第一序列及第1跖趾关节有重要的稳定作用，但跖腱膜切断对整个前足的结构无明显影响。由于外侧跖骨头下压力峰值增高，局部应力增大，长期过度负荷可能导致足背外侧疼痛或疲劳性损伤。

　　临床上通常施行的开放或关节镜下跖腱膜松解术，长期随访发现不仅有进行性的纵弓扁平，同时出现前足功能异常，表现为为足纵弓塌陷，以及骰骨下沉、跟骰跖侧关节囊过度牵张导致中足外侧疼痛及绞盘机制丧失[14]，应力由趾骨向跖骨头转移[15]。这些临床结果提示，由于跖腱膜止于前足，与其紧密相关，跖腱膜切断后将导致即刻或迟发的前足功能改变。

　　3.3 跖腱膜同足底其它主要韧带间的相互关系

　　由于跖腱膜解剖位置浅表，易受损伤，且较多的外科治疗涉及跖腱膜切断，对其生物力学功能的研究也受到较多学者的重视。研究足底软组织的解剖，可看出跟舟跖侧韧带(弹簧韧带)复合体连接于跟骨载距突和足舟骨之间，由2部分组成，较粗大者为上内侧跟舟韧带，起始于跟骨载距突上内部和跟骨前关节面的前缘;跖长韧带从跟骨的足底面和跟骨小结节延伸至骰骨足底面的骨嵴和骰骨粗隆，其深部纤维附着于此，浅层纤维延伸至第2～4跖骨，是限制外侧纵弓塌陷的强有力的因素;跖短韧带起于跟骨前端下面，止于骰骨下面，位于跖长韧带深面，宽短而强韧，参与维持外侧纵弓。可见跟骨为内、外侧纵弓的共同后臂，并且是足底主要韧带结构的共同止点，跖腱膜必然同其它足底韧带有着功能上的联系。本研究结果显示，单纯跖腱膜损伤，前足并未发生明显畸形，仅第1跖骨塌陷明显，其它足底韧带对损失的跖腱膜功能做了部分代偿。当足底4条韧带结构切断后，前足各跖骨向外侧位移增加，横弓下沉明显，跖骨下压力峰值进一步向足外侧集中，肉眼可见足弓低平，前足外展，跟骨外翻的扁平足畸形。Crary等[16]体外试验发现，对标本足施加载荷，首先对抗畸形产生的是跖腱膜，而弹簧韧带和跖长韧带的张力较小，切断跖腱膜后，同样负重，弹簧韧带和跖长韧带载荷分别增加52%、94%。这提示在足底主要韧带结构中，跖腱膜对内侧纵弓的静态稳定起到首要的维持作用。

　　4 结 论

　　跖腱膜松解不会造成足弓整体结构的塌陷，但将引起足部力学环境的改变，导致足部其它韧带结构的疲劳或损伤，出现远期并发症。临床上治疗性跖腱膜松解应作为一种最后的治疗选择，或采用关节镜下跖腱膜部分松解，以减少对足底其它韧带的干扰，降低并发症。

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作者单位：同济大学附属同济医院骨科，上海市普陀区新村路389号，200065