WeberB型踝关节骨折修复下胫腓前韧带的生物力学研究

WeberB型踝关节骨折修复下胫腓前韧带的生物力学研究 WeberB型踝关节骨折修复下胫腓前韧带的生物力学研究 作者：程毅1，王乙进2，钱呈兴1，吴伟1，郭锐1，洪海文1 作者单位：1.江苏省昆山市第三人民医院骨科，江苏 昆山 215316；2.上海大学生物力学系，上海 200546 【摘要】 　　目的 评价踝关节骨折修复下胫腓前韧带的生物力学稳定性。方法 采集国人新鲜足标本一具，截取踝关节以上15 cm下肢小腿横行截断，暴露下胫腓前韧带。载荷实现分级加载，选用小腿极限载荷(踝关节负重力为4.5 BW)20％作为生理载荷，即以0、100、200、300、400、500 N为分级载荷。万能材料试验机(WD5)的加载速率为1.40 mm/min，以准静态方式加载，载荷施加于下肢胫腓骨上。并模拟足运动中立位、跖屈位(30°)、背屈位(20°)、旋后外旋位等四种生理运动状况，正常足及切除下胫腓前韧带测定踝关节的应力变化、距骨的移位变化及轴向刚度数据。结果 标本在正常足及切断下胫腓前韧带的不同功能位上，踝关节的应力变化、距骨的移位变化及轴向刚度，统计学有显著性差异(P＜0.05)。结论 在对内、外踝满意固定后，下胫腓前韧带的修复能更好恢复踝关节的生物弹性，最大限度恢复其原来的结构和功能，避免晚期创伤性关节炎的发生。 【关键词】 下胫腓前韧带 生物力学 踝关节骨折 　　Biomechanical Study on Reconstructing the Anterior Tibiofibular Ligament for the Weber Type B Lateral Malleoar FractureCHENG Yi，WANG Yijin，WU Wei，et al　(Department of Orthopaedics，Kunshan People's Hospital，Kunshan 215316，China) 　　Abstract：Objective To evaluate the biomechanical stability of restoration of anterior lower tibiofibular ligament in ankle fracture.Methods Collect a fresh foot sample of Chinese，cut off transversely of the shank 15 cm above the ankle joint，operate carefully around the ankle joint as per the clinic procedures，to expose the anterior lower tibiofibular ligament，calcaneofibular ligament，anterior and posterior talofibular ligament for the test.The entire structural simulation is based on the fresh foot sample of normal human corpse and in the phased loading，with 20％ of the shank limit load(the bearing capacity of ankle joint at 4.5 BW) as the physiological load，i.e.the phased load of 0，100，200，300，400 and 500N.The loading rate of the universal material tester (WD5) is 1.40 mm/min，and with the quasistatic loading mode.The load is applied on tibiofibular bone of the shank to simulate the 4 physiological movement status of the foot，i.e.neutral position，metastarsal bending position(30°)，posterior bending position(20°) and esternally rotated position.The normal foot and amputation of anterior lower tibiofibular ligament was used to test the stress change of ankle joint，displacement and axial rigidity of astragalus.Results The sample is placed in the different functional positions of the normal foot and when cutting off anterior lower tibiofibular ligament，it is significantly different in the stress change of ankle joint，displacement and axial rigidity of astragalus and in 2 status(normal foot and cutting off anterior lower tibiofibular ligament)(P＜0.05).Conclusion Upon the satisfactory fixation of the interior and exterior ankle，restoration of anterior lower tibiofibular ligament can better restore the biological flexibility of the ankle joint，maximally recover its original structure and function and avoid the occurrence of late traumatic arthritis. 　　Key words：anterior lower tibiofibular ligament；biomechanics；ankle fracture 　　踝关节骨折、脱位是创伤骨科常见的一种损伤［1］。目前认为，三角韧带、下胫腓全部韧带及部分骨间膜同时损伤时可出现下胫腓分离、距骨向外脱位。然而，临床上占多数的WeberB(旋后外旋)型踝关节骨折，在距骨的强力外旋下，首先产生的是下胫腓前韧带损伤，随后产生外踝的螺旋骨折。由此看来下胫腓前韧带对踝关节的稳定作用是不容忽视的。 　　我院自1999年以来，对该类骨折在内、外踝的坚强固定基础上，常规探查修复下胫腓前韧带，取得了良好效果。在此基础上进行针对下胫腓前韧带的生物力学研究。本研究对下胫腓前韧带在完整和损伤踝关节标本上进行生物力学实验［2］，观察下胫腓前韧带的损伤，对踝关节稳定性的影响，为临床提供可靠的科学依据。 　　1 材料与方法 　　1.1 标本来源及制作 采集国人新鲜足标本1具，截取踝关节以上15 cm下肢小腿横行截断。大体测量标本尺寸(见表1)。并进行X线正侧位摄片，确认无疾病，无踝关节损伤、先天性畸形、骨折、严重退行性变等病理性变化，在小腿上部切除肌肉暴露胫腓骨并用骨水泥固定做上端夹具。按照临床方法在踝关节周围小心行手术，暴露下胫腓前韧带、跟腓韧带、距腓前韧带和后韧带备用。同时制作足踝运动夹具，固定足底，能达到足的三维运动允许进行伸、屈、旋转和外翻活动。 　　标本制作完成后立即进行生物力学实验，实验结束或转换另一实验需维持新鲜状态，用双层塑料袋在－30℃冰柜内保存。在下一实验前，需24 h解冻后进行其他实验，注意冷冻保持足始终维持中立位状态。表1 新鲜国人下肢尸体标本的一般资料 　　1.2 实验力学模型的建立 所有实验标本在结构模拟、载荷、高度、材料力学性质、加载方式上均保持一致，以提供精度［3］。全部结构模拟均以正常人尸体新鲜足标本为，载荷实现分级加载，选用小腿极限载荷(踝关节负重力为4.5 BW)20％作为生理载荷，即以0、100、200、300、400、500 N为分级载荷。万能材料试验机(WD5)的加载速率为1.40 mm/min，以准静态方式加载，载荷施加于下肢胫腓骨上，并模拟足运动中立位、跖屈位(30°)、背屈位(20°)、旋后外旋位等四种生理运动状况，正常足及切除下胫腓前韧带观察踝关节失稳情况。 　　标本实验前，应对标本的踝关节结构中距骨、胫骨远端、腓骨远端进行材料力学性质测量［3］，测量结果如表2所示。在测试时用等渗盐水纱布湿敷，以免标本干燥。踝关节的位置模拟步态站立相的中期(约为步态周期的28％)，此时为单肢负重中期，踝关节处于中立位(90°)，负重约为一倍体重左右(设60 kg)，加载每次持续5 s。 　　实验前在内踝、胫腓骨远端前方、外踝和胫腓骨远端后方A、B、C、D四处粘贴电阻应变片，用以测量踝关节内外踝负重应变变化规律，并在踝关节胫骨、腓骨、距骨设测量位移标记点a、b、c。所有这些应变测试和位移测试应进行应变温度补偿、防潮处理，以保证每具标本具有良好的传导性和高灵敏度。表2 踝关节距骨、胫腓骨的材料力学性质测量结果 　　1.3 生物力学测试 一切准备就绪后，将应变片接入YJK14数字式电阻应变仪，实验前应予载50N以消除骨的时间效应，即骨的松弛、蠕变等粘弹性影响。实验时依次加载100 N等级，控制好机器速率1.40 mm/min，按不同生理运动情况循环加载，依次切断踝关节相关韧带，测量踝关节的应变、移位变化和稳定性［4］。 　　1.4 数据处理 将所有数据通过统计学方法计算各参数均值及标准差，用统计分析软件SPSS 11.0方差分析进行评价，确定P＜0.05为有显著性差异。 　　2 结 果 　　标本在正常足及切断下胫腓前韧带两种状态下的不同功能位上，踝关节的应力变化、距骨的移位变化及轴向刚度，均有统计学的显著性差异(P＜0.05)。详细情况见表3～6。 　　3 讨 论 　　3.1 实验结果分析 　　3.1.1 踝关节在不同功能位下的应力变化 正常足在中立位时内、外踝上的应变分别为(21±1.30) uε和(189±12.28) uε，胫腓前、后关节上应变分别为(142±9.23) uε和(78±5.09) uε。当足处于背屈20°状态下，内、外踝上应变比中立位分别增加29％和34％，在胫腓前、后关节上分别增加5％和38％。当足处于跖屈30°状态，内踝应变比正常中立位增加78％，外踝应变未增加，而在胫腓前、后处，特别在后部应变表3 正常踝关节不同生理运动位置时应变值情况表4 下胫腓前韧带损伤情况下踝关节不同生理运动位置时应变值情况表5 踝关节下胫腓前韧带损伤时不同功能位的距骨移位变化情况 表6 踝关节在不同功能位下胫腓前韧带损伤时的轴向刚度情况增加78％，有明显变化。当足处于旋后外旋状态时，内踝应变增加74％，外踝应变反而减小，在胫腓联合前、后处应变增加明显，达到72％。这说明此状态踝关节受力增大，应变增加明显，容易导致失稳。 　　手术切断下胫腓前韧带后，足在不同功能位上的应力变化比正常足在功能位上的应变起了明显的变化。此时在中立位，内外踝的应变增加不明显，而在胫腓前后联合处应变比正常时分别增加了38％和69％(P＜0.05)，增加很明显。当足处于背屈20°状态下，内外踝上应变增加同样不明显，相反有所下降，而在胫腓联合前后处分别增加48％和69％(P＜0.05)，应变增加十分明显。当足处于跖屈30°状态，同样内外踝上应变变化不明显，而在胫腓联合前后处应变分别增加50％和29％(P＜0.05)，增加明显。当足在内翻外旋位时，这时对外踝应变影响明显，应变增加74％(P＜0.05)，而内踝影响不明显(仅10％)，在胫腓联合处前后应变反而减小26％和18％(P＜0.05)，但均有所影响。此时踝关节处于半失稳状态。 　　3.1.2 踝关节在不同功能位下胫腓前韧带损伤距骨的移位变化 在正常足负重时，即踝关节500 N作用下，足处于中立位时，踝关节距骨的移位，即距骨的纵向垂直移位和水平方向移位分别为(1.86±0.12) mm和(0.26±0.02) mm；当足处于背屈20°时，其移位分别比中立位大5％和7％；当足处于跖屈30°时，其移位分别比中立位大6％和76％。但当足在旋后外旋位时，其距骨移位分别达到(2.07±0.17) mm和(1.30±0.11) mm，比中立位分别高10％和80％，距骨来回晃动在水平方向比较大。 　　当下胫腓前韧带损伤之后，使距骨与胫骨接触不再十分密切，间隙增大，增大了距骨产生水平移动和垂直移动引起的转动。在损伤状态下，足处于中立位时，其距骨的位移分别为(2.04±0.16) mm和(0.29±0.02) mm，比足踝韧带完好无损状态下的中立位位移增大9％和10％(P＜0.05)，背屈20°时比正常足背屈20°时的位移分别增大8％和18％(P＜0.05)，跖屈30°时比正常足的位移分别增加8％和26％(P＜0.05)，在旋后外旋状况下，比正常足的位移分别增加11％和20％(P＜0.05)，位移明显增大足踝关节开始处于不稳定状态，以实验中观察到距骨运动范围明显增大。 　　3.1.3 踝关节的轴向刚度 正常足踝关节的轴向刚度在中立位时为(268.81±17.50) N/mm，背屈20°时为(284.09±19.90) N/mm，跖屈30°时为(252.53±19.22) N/mm，旋后外旋位时为(241.55±19.40) N/mm，此时的轴向刚度完全能满足人体各种功能运动所需的刚度要求，足踝关节是相当稳定、坚固。 　　但当下胫腓前韧带切除之后，踝关节的轴向刚度有了变化，明显出现下降趋势。这表示它抵抗变形能力衰减，即使在中立位时轴向刚度也下降了9％，其他不同功能位下降了8％～11％，与正常相比有一定的差异(P＜0.05)。 　　3.2 WeberB踝关节骨折现有术式及优缺点 在20世纪60年代，学者们认为构成踝穴的内踝极其重要，因此在治疗时，把重点放在内踝上。20世纪70年代起，人们逐渐觉察到外踝是治疗关节损伤的关键。随着对踝关节骨折的深入研究，腓骨的重要性也更加明显［5］。踝关节的稳定，需要结构完整的踝穴，而踝穴又依赖下胫腓联合保持其完整性。此外证实腓骨骨折后的短缩和外侧移位是发生骨关节炎最常见的原因。目前优先整复腓骨骨折的移位，然后再整复内踝和下胫腓韧带联合，已成为手术的常序［6］。荣国威等［7］通过尸体标本分别观察下胫腓韧带、骨间膜、腓骨、内踝和三角韧带等损伤与下胫腓联合分离的关系，结果表明形成下胫腓分离必须具备三个条件，即内踝或三角韧带损伤、下胫腓韧带损伤、腓骨与骨间膜在同一水平的损伤。将内踝与腓骨内固定以后，即使施加外翻、外旋应力，也不会出现下胫腓分离。因此，如果内侧损伤是内踝骨折所致，可将内踝与腓骨行内固定治疗，而不需要进行下胫腓联合固定。 　　目前广泛接受的观点是，下胫腓联合分离不应当行坚强固定，以往曾流行的下胫腓关节融合或者用拉力螺钉固定下胫腓联合都是不可取的。因为这将限制腓骨相对于胫骨干的位移和旋转，从而影响踝穴对距骨的顺应性调节［8］。WeberB型踝关节骨折即LangeHansen分型的旋后－外旋型，距骨的外旋使外踝受到向后向外的应力，使下胫腓前方的韧带受力最大。下胫腓前方的分离是下胫腓联合的部分断裂，就像展开一本书一样［9］。外踝的解剖复位固定，必然使下胫腓联合复位，经距骨受伤时的惯性外旋依然作用于下胫腓前韧带，势必造成距骨的轻度外移及踝关节不稳定。因为距骨外移1 mm能减少20％～40％胫距关节负重面的作用，移位5 mm能减少80％的作用，关节负重时会疼痛，长时间导致创伤性关节炎［10，11］。 　　3.3 WeberB踝关节骨折修复下胫腓前韧带的临床意义 通过临床实践及生物力学研究，作者认为在对内、外踝满意固定后，下胫腓前韧带的修复能更好恢复踝关节的生物弹性，最大限度恢复其原来的结构和功能，避免晚期创伤性关节炎的发生。 晋升网简介 晋升网（http://www.js120.net） 致力于成为医务工作者晋升职称心灵导师；是目前国内收录医学期刊、医学杂志最多最权威的医学学术平台；提供免费医学期刊在线阅读；网罗和甄选海量优秀医学检索，独立研发医学在线资源分享库和医学在线模拟考试库；整合刊类、标题、关键词检索及全文检索，并独家研发刊社管理和刊社加盟系统、在线投稿、在线查稿、在线阅读、远程审稿、在线下载等系统；聚刊社力量，建服务平台，让晋升网通过“专业”走入每一个医务人员的身边是我们不懈的追求目标； 晋升网(http://www.js120.net)标准 最便捷的晋升通道 最高效的学习方法 最丰富的医学文献 最权威的医学期刊 最专业的医学服务 【参考文献】 ［1］陈列，宋鹏程，柴贵杰.踝关节损伤1368例发病学分析及治疗体会［J］.中医正骨，1998，10(2)：1516.〖1〗 ［2］梁继勇.外踝韧带张力测定与踝关节不稳定性实验［J］.中国临床解剖学杂志，1992，10(3)：217220.〖1〗 ［3］王以进，王介麟.骨科生物力学［M］.北京：人民军医出版社，1989：99.〖1〗 ［4］罗映辉.外踝失稳对胫距关节接触面的影响［J］.中国临床解剖学杂志，1994，12(4)：300.〖1〗 ［5］毛宾尧.足外科［M］.北京：人民卫生出版社，1993：129.〖1〗 ［6］荣国威，翟桂华，刘沂，等.骨科内固定［M］.北京：人民卫生出版社，1995：413415.〖1〗 ［7］荣国威，王亦璁，王文庆，等.下胫腓分离的实验研究［J］.中华外科杂志，1983，21(1)：56.〖1〗 ［8］Albers GH，de Kort AF，Mlddendorf PR，et al.Distal tibiofibular synostosis after ankle fracture：A 14year followup study［J］.J Bone Joint Surg (Br)，1996，78(2)：250252.〖1〗 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