外踝短缩对踝关节面应力分布的影响

　　作者：邹宇炜 张秀琴 杨新明 苏峰　 潘进社 (河北北方学院附属第一医院骨科，河北 张家口 075000;暨南大学医学院口腔医学系，广东 广州 510632;河北省第三人民医院骨科， 河北 石家庄 050000 )

　　【摘要】 目的:探讨外踝短缩所致创伤性踝关节炎发生的生物力学机制。方法: 选取8只新鲜冷冻尸体下肢，分别在外踝正常长度、短缩1/3、短缩2/3和短缩3/3的情况下，测量和分析踝关节面应力分布的变化。结果: 踝关节应力接触区大致呈三角形，外踝短缩后踝关节面应力分布发生变化，以向前、内、外侧压力增高最为显著。结论: 外踝短缩后踝关节面应力分布发生明显变化，这可能是导致创伤性关节炎发生的重要机制。

　　【关键词】 外踝; 踝关节; 应力; 生物力学

　　Influence of Shortened Lateral Malleolees　on the Stress Force Distribution of the Ankle Joint

　　ZOU Yuwei,ZHANG Xiuqin，YANG Xinming， et al

　　Department of Orthopaedics,The First Affiliated Hospital,Hebei Northern University，Zhangjiakou,075000,Hebei,China;Stomatology Faculty，Medical School of Jinan University，Guangzhou,510632,Guangdong,China

　　【ABSTRACT】 Objective: To investigate the biomechanism of traumatic ankle arthritis resulted from shortened lateral malleolus. Methods：The lower extremity specimens of eight fresh frozen cadaver were used.At the lengthes of normal、shortened 1/3、shortened 2/3 and shortened 3/3 lengthes，the tibial astragaloid joints area and pressure were measured. Results：The contact area of the normal tibial astragaloid joint looked like triangular analyzed by shapes of dyeing area. The stress force of the tibial astragaloid joint changed in the consequence of shortened lateral malleolus, and it increased especially to the front, inside and lateral. Conclusion：The stress force of the tibial astragaloid joint will changed in the consequence of shortened lateral malleolus,maybe it is the important mechanism of traumatic ankle arthritis.

　　【KEY WORDS】 Lateralmalleolus;Ankle;Stress force;Biomechanics

　　外踝长度短缩的主要原因有踝部骨折和医源性因素，如临床医师把腓骨作为植骨源或因腓骨疾患而将其不加限制地切除等。这些病人如未经妥善处理，将出现踝关节不稳和行走困难等症状，最终导致伴有明显踝部疼痛的创伤性关节炎[1~4]。因实验方法和条件不同，学者们对创伤性关节炎发病机理的认识存在着较大差异[5~8]。我们运用生物力学实验仪、超低压型压敏片及压敏片密度―压力转换分析系统，观察人体静止状态下踝关节中立位时，外踝长度短缩对踝关节面应力分布影响。

　　1 材料和方法

　　11 材料取4具完整成年防腐尸体，自膝关节处截断，获得8只完整的小腿及足踝。在截骨前测量出承重线与胫骨远端内侧缘的夹角，用α来表示(人体自然站立时的承重线位于髂前上棘与髌骨中点连线的延长线并通过第一趾间关节)。打开踝关节囊，置入压敏片。压敏片由A、C两片组成，两片叠放经加压后，可使A片中包含的定影微粒破裂，其释放的物质与C片中的显影微粒起反应使C片着色，着色的范围代表应力分布的范围。依据着色的深浅转换成应力值，着色越深，应力越大。

　　12 实验方法和分组将已置入压敏片的标本，固定于生物力学实验仪上，调节负重底座，模拟人体静止站立情况，加载体位取踝关节中立位。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°～19°[9]。在胫骨的髁间隆起处垂直向下加压至尸体体重的1/2，压敏片着色后取出保存。实验按照外踝正常、切除1/3、2/3和3/3的顺序分组，依次对8具标本进行测试(图1)。

　　13 实验数据的采集与分析将压敏片按照外踝长度正常、短缩1/3、2/3和3/3的顺序，测量各组压敏片的着色面积及应力。应力的测量采用日本富士公司生产的FDP301密度计和FDP302密度-压力转换器，根据实验时的温度和湿度将FDP301和FDP302标定，由FDP301密度计读取压敏片着色区域的密度值输入FDP302压力转换器中，由FDP302中的微处理器将密度换算成压力值。将压敏片着色区域分为9个小格，每个小格内取中点：1点代表踝关节面的前侧部， 2点代表内侧部，5、8点代表外侧部，9点代表后侧部，其余3、4、6和7各点代表中部，测量各组压敏片上各点的应力值(图2)。

　　normalshortened 1/3

　　shortened 2/3shortened 3/

　　图1 压敏片着色图形(略)

　　14 统计学处理各组数据以均数±标准差(x±s)表示，用SPSS10.0软件对结果进行统计学处理，采用配伍组设计的方差分析，StrdentNewmanKeuls法(q检验)进行均数间的两两比较。

　　2 结果

　　踝关节面的应力接触区呈三角形，三角形的三个顶角分别指向前、后和内踝(图2)。

　　图2 (略) 踝关节应力接触面分区在正常踝关节，代表踝关节接触面前、后部的1、9点应力值明显小于中部各点(P<001)，而中部各点间应力值无显著性差异(P>005)。外踝短缩后，踝关节接触面上各点应力值均增大，代表踝关节接触面前、内和外侧部的1、3、5、8点应力明显增加(P<005)(表1)。

　　表1 外踝长度短缩时踝关节面上各点平均应力的变化(略)

　　注：△P<001, vs point 1，9 at the normal group;▲P< 005, vs the normal tibial astragaloid joint*P>005, vs every point between point 2point 8 at the normal gruop;

　　3 讨论

　　有关踝关节接触特性的研究方法很多，Ramsey等[5]通过压力传感器测得正常踝关节主要接触区位于外侧部，外踝短缩后距骨向外移位，他们观察到当距骨向外移位1mm时，踝关节接触面积丧失42%。Greenwald等[7]通过将染色剂注入关节腔内观察到正常踝关节主要接触区分别位于内侧和外侧部，呈两个直角三角形，外踝短缩时接触区向后内侧移位。罗映晖等[10]在踝关节面之间插入覆盖有复写纸的白胶布，然后在胫骨的髁间隆起处垂直向下加压，他们观察到正常踝关节主要接触区呈7字型，其前部为横向条带状，外侧部位为稍倾斜的纵向条带，外踝短缩时接触区向后内侧移位。郭世绂[3]认为踝关节创伤性关节炎的发生是因为胫骨远侧关节面内翻，载荷移向内面并产生应力集中，胫骨关节面向前开放致前部载荷增大。Frankle等[8] 的报道认为外踝上移时，踝关节面上的压应力没有明显改变，其负重图形与正常组相比较，其接触区向后内侧移位。近年来，一些学者开始采用压敏片来测量关节的接触面积和接触时的应力变化[11,12]，这一方法克服了传统研究方法的缺陷。从我们的试验可以看出，踝关节接触区呈三角形，三角形的三个顶角分别指向前、后和内踝，踝关节主要负重区位于踝关节接触面的中部。外踝短缩时踝关节接触面向外侧移位，踝关节的有效接触面积减小，关节面应力分布发生变化，以向前、内、外侧压力增高最为显著，且随外踝短缩程度的加重而加重。王亦璁[13]等指出在人体行走时负重的中期踝关节面所承受的压应力约为体重的2倍，在负重后期时则高达5倍。外踝短缩时踝关节内应力的急骤增高，致使充有液体的多空介质的关节软骨上的压应力不能及时从接触区中心扩散出去，导致类似冲击负荷对软骨组织的损害效应。另一方面，外踝短缩时应力的增高以向前、内、外侧最为显著，这些区域在正常踝关节属于非负重区，非负重区与关节滑液的正常流动和保持软骨的正常营养有关，有利于关节的正常滑动[14]。因此，当踝关节负重应力由正常的踝关节面中部移向前、内和外侧部时，会造成负重区关节液流动的障碍，使软骨从关节液中获得的营养成分减少，从而使软骨细胞在缺乏水和营养的环境中发生固缩和坏死。正常的关节软骨组织承受力学负荷且把承受的压力传给下面的骨床，使关节负荷扩散到一个较大的区域;关节软骨还具有润滑作用，能使关节面相对运动时的摩擦力和磨损减低到最小限度。因此，关节软骨损伤后，关节功能将受到影响，患者出现行走疼痛和关节功能障碍等症状，最终发展为创伤性踝关节炎。

　　参考文献

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