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胫骨高位截骨和胫骨结节抬高对膝踝关节应力分布的影响

李永耀  
【摘要】: 研究背景及意义: 骨性关节炎是一种常见于老年人的退行性关节病,也是世界上最常见的关节病,随着年龄的增大,患病率迅速上升。全身的关节都可能发生骨性关节炎,表现为相应关节的疼痛、肿胀、摩擦音、变形和活动受限,疼痛特点多为活动过多时出现,休息后可减轻,病理特点是关节软骨的退行性变和继发性的骨质增生。其多发于膝、髋、脊柱、踝等关节,以膝关节骨性关节炎的发病率最高,约占全身骨性关节炎发病的41%,在60-70岁的人群中,确诊为KOA者约占60%—70%,这是因为膝关节是负重大、活动多、易受外伤、劳累和风寒刺激的关节。膝关节骨性关节炎可造成患肢下蹲、上下楼梯等障碍,病变晚期关节软骨广泛破坏,会产生关节功能受限、内翻及屈曲挛缩畸形、脱位,甚至长期卧床,丧失生活能力。但目前医学还没有能力使骨性关节炎的病程逆转,大部分患者的病情会不断地发展、恶化,因此对该病的发病机制以及防治的研究渐成热点。 近年来医学生物力学领域正在不断的发展,胫骨高位截骨术和胫骨结节抬高术作为膝骨性关节炎中期主要手术治疗手段正广泛应用于临床。胫骨高位截骨术是通过纠正患者异常的下肢力线来治疗膝骨性关节炎的,它可以改变异常的胫骨平台负重面和关节负荷,达到降低骨内压、促进新关节面的形成、减轻疼痛和延缓疾病发展的目的。胫骨结节抬高术是通过增加股四头肌的伸膝力臂和降低髌股压力来治疗髌股关节软骨病的,KOA并发的髌股关节骨性关节炎中髌骨及股骨髁关节面上的软骨会进发侵蚀性破坏,产生的骨赘及游离体会进一步加重关节面的磨损。胫骨结节抬高后,髌骨软骨同股骨髁软骨压力减低,从而减轻了膝关节伸屈活动时髌股关节的磨损,使疼痛症状缓解。 目前有关于此类手术作用机制的生物力学研究的重点多放在膝关节,实验对象也基本均为人尸体离体膝关节,而对该病继发踝关节应力分布改变的研究未予以足够的重视。实际上常见的膝关节内翻畸形导致的骨性关节炎引发膝关节负重力点、力线改变不仅影响了膝关节本身的生物力学特性,也影响了邻近关节的生物力学特性,同侧踝关节的负重力线也会继发相应的改变。正常的下肢轴线是保证肢体关节载荷应力合理分布的前提,轴线发生变化将导致骨关节载荷紊乱。下肢承重力线改变后可造成膝、踝关节的受力不平均,膝关节、踝关节面不与地面平行产生倾斜,久之踝关节也可形成慢性损伤,产生创伤性关节炎而出现关节疼痛。另外通过步态分析研究,临床上严重膝内翻患者可呈膝外摆步态或有此趋势,膝外摆步态是患者步行中在患侧足跟着地后,患膝出现自内向外的摆动并伴随膝内翻角度增加,这一过程无疑进一步加重了膝、踝关节的受力不均与损伤的后果。临床上一些严重膝内翻的KOA患者伴发踝关节疼痛并不少见,因此应综合膝、踝关节在伴膝内翻KOA的发病过程中力学性质的改变加以深入的生物力学实验探讨。 祖国医学多把本病归入“痹证”范畴,认为其病因病机主要为肝肾亏损,筋骨失荣,风寒湿三气外袭。对于膝内翻的矫形治疗《医宗金鉴·器具总论》有这样一段论述:“爰因身体上下、正侧之象,制器以正之用辅手法之所不逮,以冀分者复合,欹者复正,高者就其平,陷者升其位,则危证可转于安,重伤可就于轻。”现代手术纠正下肢异常力线的原理与之相符,可以达到平衡阴阳的作用。另外,本病中结合膝踝关节为一个整体加以研究也符合中医整体观念的理论。 目的: 模拟胫骨高位截骨术和胫骨结节抬高术的手术作用机制,选用尸体下肢骨标本分别设置不同内翻角度与胫骨结节抬高距离,运用自创计算机压力传感器系统同步测量标本在不同体位下加减压过程中胫股关节、髌股关节、胫距关节的应力分布变化以及髌韧带的拉力变化值,进行统计学分析,探讨以上两种术式对膝踝关节应力分布的影响及膝踝关节应力变化的相关性,为伴膝关节内翻畸形的膝骨性关节炎的力学研究打开更开阔的视野。 方法: 选取6例福尔马林浸泡成年男性尸体下肢标本(其中左侧三例,右侧三例,分别源自6具成年男性尸体),要求提前严格测量股骨胫骨角均为170°,X线检查各膝踝关节间隙均匀,关节软骨完整光滑,骨骼无明显胃质改变及解剖学变异。六例下肢标本从尸体髋关节离断后剔除软组织,游离出髌骨(因实验需要以拉力传感器替代髌韧带来测量髌韧带拉力的变化);注意保留膝关节前、后交叉韧带及内、外侧半月板的解剖学完整以免影响正常胫股关节接触应力的分布;并保留上、下胫腓韧带以保持胫腓骨的连接和胫腓骨远端踝穴结构的存在;保护胫股关节、髌股关节、踝关节软骨面在处理过程中不被破坏,共组成6套下肢骨标本(包括股骨、髌骨、胫骨、腓骨、距骨)。 分别在胫骨结节上、股骨髁上3cm处、髌骨前方中心处三点矢状方向钻孔后垂直拧入三枚不锈钢螺杆,将两根直径2.5mm克氏针一端弯折成勾分别模拟股四头肌肌腱与髌韧带,以3根螺杆为基点配合拉力传感器连接膝关节。于胫骨远端胫距关节面中心由下至上钻一直径为5mm的孔,距骨上自距下关节面由下至上透过对侧距骨滑车关节面中心完全拧入一枚直径4mm长度7cm不锈钢螺杆,穿过踝压力传感器中心孔,余出部分插入胫骨上胫距关节面中心孔连接踝关节。由于踝压力传感器中心孔与胫距关节面所钻中心孔内径大于螺杆直径,所以保持了实验过程中踝压力传感器的活动性。于内外侧胫骨平台上、内外侧髌股关节面上分别放置尺寸为15mm×15mm×5mm的压力传感器,如上述于踝关节上嵌套放置尺寸为15mm×25mm×5mm带孔踝压力传感器,于股骨头上放置尺寸为30mm×30mm×5mm的压力传感器,并将角度传感器两指针分别固定于股骨干与胫骨干上,最后将标本固定于万能实验机上。标本在预设各种体位下用实验机从股骨头轴向垂直匀速加压,终止峰值力30kg,然后匀速卸载。每例标本设置九种体位进行加载,具体以设置股胫角的不同和模拟髌韧带抬高高度的不同分为两组情况:第一组设置膝关节均匀关节间隙(股胫角170°)、外侧胫股关节间隙挚高3.5mm(股胫角180°)、外侧胫股关节间隙垫高7mm(股胫角190°)三种位置,第二组设置模拟髌韧带止点分别向前高出胫骨结节表面0mm、5mm及1cm三种位置。一二组中各自的三种情况两两交叉共组成九种体位进行加载并照正、侧位像,每个标本在每个位置上加载过程重复3次避免较大实验误差产生。所有标本在所有体位下都通过角度传感器设置起始屈膝角度为20°并全程监测与维持,轴向加、减压过程中所有传感器输出信号以及变化实时显示并记录在计算机中,运用DELPH5.0软件编写的监控记录程序可将每次加、卸载过程记录为单独的文件保存在硬盘中,并可再现随加载力变化所有传感器因应变而产生的同步电压值变化曲线。最后对结果进行统计学分析,得出膝关节内翻角度和胫骨结节抬高距离对膝踝关节应力分布的影响及膝踝关节应力变化相关性的结论。 结果: 各组数据经Bartlett法进行多样本方差齐性检验,证明方差齐有可比性。SNK(Student-Newman-Keuls)检验即q检验进行多样本均数间的两两比较。P<0.05有统计学差异,P<0.01代表有极显著统计学差异。 1.胫股关节所受应力分布的变化 数据表明,设置标本模拟髌韧带止点高出胫骨结节表面0mm为一定时,随单纯膝内翻趋势的增大膝关节的应力分布发生了显著的变化。设置标本屈膝20°加载力为30kg时,股胫角经由170°→180°→190°的变化中,下肢机械轴线移向胫骨嵴内侧,传导应力向内偏移,这造成内侧胫股关节所受应力均值显著增大,三种角度下测得数据两两比较均有极显著统计学差异(P<0.01);外侧胫股关节所受应力均值显著减小,测得数据两两比较均有极显著统计学差异(P<0.01);从内侧胫股关节接触应力所占整个胫股关节受力百分比来看,设置模拟髌韧带止点高出胫骨结节表面0mm为一定时,股胫角经由170°→180°→190°的变化过程中,内侧胫股关节所受应力占整个胫股关节应力百分比值显著增大,三组数值组间两两比较均有极显著统计学差异(P<0.01)。胫骨高位截骨正是完成了一个与之相反的改变下肢力线的过程,通过楔形截骨将负荷移向膝关节外侧和减轻内侧胫股关节的接触应力,改善关节面受力不均匀的状态。 2.髌股关节所受应力分布的变化 设置模拟髌韧带止点高出胫骨结节表面0mm为一定时,内侧髌股关节之间接触应力值随膝内翻趋势增大而增大,外侧髌股关节之间接触应力值随膝内翻趋势增大而减小,与均匀胫股关节间隙的体位相比,当股胫角变为180°时均有显著统计学差异(P<0.05),变为190°时均表现出极显著统计学差异(P<0.01)。此过程中内侧髌股关节所受应力占整个髌股关节应力百分比值显著增大,在不同股胫角体位下测得的三组数值两两比较均有显著统计学意义。 随着模拟髌韧带止点不断抬高,在相同屈膝角度和载荷力下内、外侧髌股关节之间接触应力值均逐渐减小,当其高出胫骨结节表面5mm时,两侧受力均值都有显著性变化(P<0.05),抬高到1cm时都出现极显著性变化(P<0.01)。可见胫骨结节抬高前移可有效降低髌股关节之间的接触应力。 3.髌韧带拉力值的变化 髌韧带的拉力值随膝内翻趋势的增大逐渐增大,当股胫角变为180°时已有显著统计学差异(P<0.05);股胫角变为190°时,有极显著统计学差异(P<0.01)。随着模拟髌韧带止点不断抬高,髌韧带拉力值逐渐减小,当其高出胫骨结节表面5mm时,已显示有显著性统计学差异(P<0.05);高出胫骨结节表面1cm时,已显示有极显著性统计学差异(P<0.01)。 4.踝关节受力分布变化 踝关节内侧(包括前内侧、后内侧)受力值随膝内翻趋势的增加呈逐渐减小趋势,当股胫角变为180°时均有显著统计学差异(P<0.05);变为190°时均表现出极显著统计学差异(P<0.01)。踝关节外侧(包括前外侧、后外侧)受力值随膝内翻趋势的增加呈逐渐增大趋势,当股胫角变为180°时均有显著统计学差异(P<0.05);变为190°时均表现出极显著统计学差异(P<0.01)。总体来说踝关节外侧受力值随膝内翻趋势的增加呈逐渐增大趋势,内侧则逐渐减小,这可能与临床中膝内翻患者下肢负重时踝关节呈代偿性外翻状态有关。 结论: 1.随膝内翻趋势的增大膝关节的应力分布发生了显著的变化:内侧胫股关节所受应力值与其占整个胫股关节所受应力值的百分比均显著增大,外侧则显著减小。胫骨高位截骨正是完成了一个与之相反的改变下肢力线的过程,通过楔形截骨将负荷移向膝关节外侧和减轻内侧胫股关节的接触应力,从而改善了关节面受力不均匀的状态。 2.胫骨结节抬高可有效地降低髌股关节之间的接触力,胫骨结节抬高术正是利用这一原理降低了髌骨软骨同股骨髁软骨之间的压力,从而减轻了膝关节伸屈活动中髌股关节的磨损。 3.踝关节外侧接触应力值随膝内翻趋势的增加呈逐渐增大趋势,内侧则逐渐减小,这可能与临床中膝内翻患者下肢负重时踝关节呈代偿性外翻状态有关。膝内翻越严重,踝关节的受力也越不平均,久之可形成慢性损伤,产生创伤性关节炎,这一点可能是临床上一些严重膝内翻的KOA患者伴发踝关节疼痛的一个原因。


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