挛缩膝关节髌韧带轴向应力_应变关系的实验研究

挛缩膝关节髌韧带轴向应力_应变关系的实验研究 倪国新 成海平 吴宗耀 摘 要 目的 探讨兔正常和挛缩膝关节髌韧带的轴向应力 - 应变关系 。方法 将兔膝关节伸直位制动 6 周 , 复制伸直型挛缩膝关节动物模型 ,分别在 37 ?、42 ?的条件下 ,对正常和挛缩膝关节的髌 骨 - 髌韧带 - 胫骨组合体行拉伸试验 ,根据实验数据类型导出髌韧带的本构方程 ,并作出其应力 - 应变 关系理论曲线 。结果 正常和挛缩膝关节髌韧带的应力 - 应变关系可用指数函数来描述 ,同一温度下 , ( ) ( 二组之间髌韧带的应力 - 应变关系理论曲线明显不同 , 其材料常数 X、X亦有显著性差异 P < 1 2 ) 0 . 01。结论 ?膝关节制动 6 周后 ,其髌韧带将进行功能重建 ,导致其轴向应力 - 应变关系的改变 ; ?37 ?和 42 ?的温差对髌韧带的轴向应力 - 应变关系无显著性影响 。 关键词 膝关节/ 生理学 ;腱 ,关节旁/ 生理学 ;应力 ,力学 中图号 R336 Experimental Study on Axial Stress2stra in Relationship of Patellar Tendon of Contracture Knee N i Guox i n , Chen g Hai pi n g , W u Zon gy ao. Depa rt ment of Rehabil i t at ion , N anji n g General M il i t a ry Hos pi t al , N anji n g 210002 ( ) Abstract Objective To discover t he axial st ress - st rain relatio nship of patellar tendo n P Tof normal and co nt ract ure knee in rabbit . Metho ds The rabbit knee was immobilized in extensio n for 6 weeks , t hen t he mechanical p roperties of P T and t he effect of temperat ure o n it were investigated at 37 ?and 42 ?. Re sult s Thest ress - st rain relatio nship of P T could be exp ressed wit h expo nental f unctio ns. At t he same temperat ure , t he t heoretical curves of st ress2st rain and t wo material co nstant s of P T were significantly different bet ween normal and co nt ract ure knee ,but t here were no significant differences bet ween 37 ? and 42 ?in eit her normal or co nt ract ure knee. Co nclusio n ?P T would remodel and it s material co nstant s would change when knee is immobilized for 6 weeks ; ?The effect s of 5 ?differential temperat ure o n st ress2st rain relatio nship of P T were not significant . Key words knee joint / p hsiol ; tendo ns ,para2articular/ p hsiol ; st ress ,mechanical 〔5〕 将进行重建 , 从而导致其力学特性的改变。关节挛缩是康复医学中最常遇到的问题之 一 ,目前常采用的康复措施有牵引 、夹具 、运动 6 周 ,复制了伸本实验将兔膝关节伸直位制动 等 ,它们实质上都是利用生物软组织粘弹性特 直型挛缩膝关节模型 ,进而对正常和挛缩膝关 〔1 ,2〕性的力学疗法。因此对挛缩关节周围软组 节髌韧带的轴向应力 - 应变关系以及温度对它 织的力学特性进行研究将为关节挛缩的康复治 们的影响进行了探讨 。 疗提供一条可行的途径 。 无论何种原因所致的关节挛缩 ,其基本病 材 料 和 方 法〔3 ,4〕因大多为关节长期制动。关节制动使得 一 、实验动物分组及模型制备其 周 围组织所受应力下降 ,为适应这种变化 , 家兔 40 只 ,雌雄不拘 ,兔龄 5,6 月 ,体重 组织 2 . 1,2 . 4千克 。随机均分为正常组和制动组 , ( 作者单位 : 210002 南京军区总医院康复医学科 倪国每组 20 只 ,以左后肢作为试验侧 。 将制动组) ( )新;重庆西南医院康复理疗科成海平、吴宗耀 兔的左后肢从腹股沟到趾头行石 膏管型固定 , 膝关节伸直 180?位 , 踝关节背屈L agrange 应力 。假设髌韧带的截面面常采用 60?位 ,制动 6 周 。积为 So ,所受载荷为 F ,变形前后髌韧带的长度 二 、观察内容和测试指标分别为 Lo 、L ,那么髌韧带的 ()1 1 . 股胫角测量 :行拉伸试验前 ,先测量动物 T = F/ So L agrange 应力 : () λ 试验侧的股胫角 ,具体方法如下 :将左侧大腿平 2伸长度 := L / Lo2 (λ) E = - 1/ 2 ()放固定在桌面上 , 小腿悬空 , 在小腿上施加一 Green 应变 :3 〔7〕 2 . 髌韧带本构关系的确立: 根据实验数0 . 5牛顿?米的初始力矩使膝关节被动屈曲 , 稳 ρ定后测量股骨外髁分别引线至股骨大转子和外 据类型 , 引一维应变能o W 作为一维应变 E 的函数 ,它对应变 E 求导 ,得到一维应力 S.踝 ,二线之间的夹角即为股胫角 。 ()4 σ(ρ) σ λ 2 . 拉伸试验 :用空气栓塞法处死动物 ,分离 S = o W/ ET =S 2 3 2 〔X( ) E - E 〕试验侧膝关节 ,剥离肌肉 、筋膜等组织 ,迅速获 2 ρ ()o W = 1/ 2?X?exp5 1 3 取髌骨 - 髌韧带 - 胫骨组合体标本 。标本取出 其中 X、X是材料常数 , E 是相应于某一 1 2 后 ,首先用游标卡尺测量髌韧带在无应力状态 3 选定的应力 S 时的应变 下的初始长度 ,测量标志 :从髌韧带的髌骨远端 () 与方程 4对应的 L agaranian 应力 T 为 : 2 3 2 至其胫骨附着处近端 。共 3 次 ,求平均值 。参 )( 〔X E - E〕2 ()λ 6 T = X?E?X??exp1 2 〔5 ,6〕照 Yamamoto 等的方法 , 使用软组织截面 上式表示髌韧带非线性本构方程 ,采用改面积测微仪测量髌韧带的截面面积 。将组合体 进的高斯 - 牛顿最小二乘法求得离体材料常数 固定在特制的夹具上 ,髌韧带长轴方向与胫骨成() X、X见附表。1 2 45?角 ,以使髌韧带长轴与其胶原纤维的走向基 ( ) XM Pa、 正常组与制动组髌韧带的材料常数 附表1 〔5 ,6〕本一致。然后再把夹具固定在 CSS - 1102C () ()X无量纲例数为 10 例 2 型电子万能试验机上 ,使试件的纵轴与其受力方 ( )( ) 组别Xx? ?s Xx? ?s 1 2 向相一致。整个试件与夹具都浸泡在特制的恒 37 ?0 . 1916 ?0 . 0550114 . 1930 ?23 . 0550 正常组温水箱中 ,其中充满0. 9 %的 NaCl 溶液。将水箱 42 ?0 . 1712 ?0 . 0340125 . 0576 ?9 . 1360??温度调至所需的 37 ?0. 5 ?或 42 ?0. 5 ?,待试 37 ?0 . 3103 ?0 . 0970 52 . 7434 ?17 . 4040 制动组33 42 ?0 . 2487 ?0 . 0500 66 . 5980 ?19 . 1040 件浸泡 10 分钟后 ,以 5 mm/ min 的加载速率、在 : < 0 . 01 ?注 37 ?状态下正常组与制动组比较P 0,5 MPa 应力范围内对试件进行预调 5 次 ,记 42 ?状态下正常组与制动组比较 3 : P < 0 . 01 录应力 - 应变一一对应的数据 , 此时实验数据 ( ) 从表从中可见同一温度 37 ?或 42 ?下 基本稳定。然后正式进行拉伸试验。正常组与制动组之间二个材料常数 X和 X均 1 2 ( ( ) 有显著性差别 P < 0 . 01; 而同一组 正常组 结 果) 或制动组中 ,5 ?的温差对 X、X的影响却并 1 2 ( ) 不显著 P > 0 . 05。 一 、股胫角测量结果 90?, 将 正常组兔膝关节屈曲范围均超过 3 . 髌韧带应力2应变关系曲线其股胫角均记为 90?。制动组兔膝关节的股胫 图 1 为各组本构方程拟合实验数据的情 角在133 . 5?,145 . 0?之间 ,说明制动 6 周后 ,膝 况 , 从图中可以看到 : 理论曲线与实验数据之 关节活动范围明显受限 ,表现为伸直型膝关节 间拟合得相当理想 。图 2 是根据各组 X、X的1 2 挛缩 。 均值所作的髌韧带应力 - 应变关系理论曲线 , 二 、髌韧带本构方程的建立 1 . 髌韧带应力 、应变的计算 :在软组织的拉 从中可直观地看出同一温度下制动组与正常组 伸试验中 ,与血管 、皮肤和肌肉等软组织相比 , 之间有明显差异 ,而正常组或制动组中不同温 韧带 、肌腱等在拉伸过程中变形相对较少 ,因此 度之间却无明显不同 。 1a :37 ?1b :42 ?图 2 不同条件下髌韧带的 应力2应变关系理论曲线 图 1 正常组与制动组髌韧带应力2应变关系的实验数据及其理论曲线 ( ) 注 ?正常组 ?制动组 理想曲线1 - 正常组 37 ?2 - 正常组 42 ?3 - 制动组 37 ?4 - 制动组 42 ? 时的应力 - 应变关系曲线中可见 ,无论是正常 讨论还是挛缩膝关节 ,其髌韧带应力 - 应变关系均 为非线性 。曲线开始阶段相当于正常生理工作 关节周围软组织缩短所致的关节活动范围阶段 ,在应力的作用下 ,髌韧带波浪状的胶原纤 ,其临床疗效不十分理想。目 受限称为关节挛缩 维逐渐变直 ,此阶段髌韧带所受应力的增加较 前在康复医学中最常使用牵引、夹板及运动等力 缓慢 ;而后一阶段呈较好的线性关系 ,髌韧带应 学疗法 ,但由于对挛缩关节及其周围组织的生物 力的增加较前明显增快 。 力学特性没有足够的了解 ,使得治疗缺乏科学的 当周围受力环境发生改变时 ,为适应这种 理论指导。从生物力学的角度出发 ,探讨挛缩关 变化 ,组织的形态结构和力学特性将发生改变 , 节及其周围组织的生物力学特性 ,揭示各种力学 这种现象称为组织的功能适应或组织重建 。关 疗法的机理 ,改进治疗 ,提高疗效 ,是目前迫 节制动使得周围组织所受应力下降 ,必将导致 切需要解决的研究课题。本实验通过对挛缩膝 〔8 ,9〕其结构和功能的改变 。以往的研究表明 : 关节髌韧带的轴向应力 - 应变关系进行研究 ,为 膝关节制动将对前交叉韧带 、内侧副韧带等的 今后进一步研究提供必要的实用参数。 形态结构和力学特性产生影响 。本研究发现 : 材料的特性由本构方程来描述 。作者根据 在同一温度条件下 ,挛缩膝关节髌韧带的应力 〔7〕实验数据类型 ,引进冯元桢的一维指数型函 - 应变关系曲线较正常显著右偏 ,二个材料常 数和 Kirchhoff 应力 , 导出正常和挛缩膝关节 ( ) 数也有显著性差异 P < 0 . 01。膝关节制动 髌韧带的本构关系为指数函数关系 ,并计算出 髌韧带在不同状态下二个材料常数的值 。根据 时 ,髌韧带所受应力下降 ,导致髌韧带的组织结本构方程得出的应力 - 应变关系理论曲线与实 ( ) 构重建 另文发表。髌韧带结构形态的改变 ,验数据之间拟合得相当理想 ,且正常和挛缩膝 将对其力学特性产生影响 。 在挛缩关节的康关节髌韧带的应力 应变关系曲线的差异亦可 复治疗中 ,行牵引 、运动等 力学疗法前 ,常先结合使用温热疗法以提高疗 效 ,但温度对软组织生物力学特性有何影响目 前尚无定论 。本研究的结果显示 : 无论是正常 ) ( 从髌韧带二个材料常数的变化 P < 0 . 01 中 得出相同的结论 。 还是挛缩膝关节 ,37 ?与 42 ?的温差对髌韧带 韧带 、肌腱等生物组织具有粘弹性 ,从图 2 所示的髌韧带在恒定的应变速率下作轴向拉伸 p roperties of t he rabbit patellar tendo n . J Bio mech Eng ,1992 , 的应力 - 应变关系曲线 、材料常数均无显著影114 :332 - 337 . 响 。要明确温热疗法通过何种途径起作用有待 6 Yamamoto N , Hayasgi K , Kuiyama H ,et al . Effect s of st ress 进一步探讨 。 shielding o n t he mechanical p roperties of rabbit patellar tendo n . J Bio mech Eng ,1993 ,115 :23 - 28 . 参考文献 7 冯元桢. 生物力学. 长沙 : 湖南科学出版社 , 1985 : 269 - 1 Bo nut ti PM , Helm P , Purdue GF , et al . Static p rogressive 320 . st retch to reestablish elbow range of motio n . Clin Ort hop , Woo SL , Go mez MA , Site TJ , et al . The bio mechanical and 8 1994 ,303 :128 - 134 . mo rp hological changes in t he medical collateral ligament of t he 2 成海平. 粘弹性理论在关节挛缩康复矫形装置中的应用.rabbit af ter immo bilizatio n and remo bilizatio n . J Bo ne Joint 国外医学 :物理医学与康复学分册 ,1996 ,16 :150 - 152 . Surg ,1987 ,69A :1200 - 1211 . 3 Perry J . Co nt ract ures. Clin Ort hop ,1987 ,219 :8 - 13 . Newto n PO , Woo SL , Mackenna DA , et al . Immo bilizatio n 9 4 Fung YC. Bio mechanics - - mechanical p roperties of living of t he knee joint alters t he mechanical and ult rast ruct ural tissues. Sp ringer ,New Yo r k ,1993 ,369 - 377 . p roperties of t he rabbit anterio r cruciate ligament . J Ort hop 5 Yamamoto N , Hayasgi K , Kuiyama H , et al . Mechanical Res ,1995 ,13 :191 - 200 . ( )收稿 1997208229 修回 1997212218 超短波并中频电治疗软组织损伤疗效分析 朱谦 张爱萍 赵立 K892 ?型电脑中频治疗仪 。治疗时选适当电极 厂生产 自 1992 年以来 , 我们分别采用超短波 , 电脑调制 中频电及两者的综合疗法 , 对 457 例各种组织损伤患 装入温湿绒布垫中 ,并置或对置于患处并用沙袋固定 。者进行了对照治疗 ,现将康复治疗效果分析如下 。 () 采用内存处方 9 或 10,电流耐受限 ,每次 20 分钟 。C一 、资料与方法 组采用上述两方法的综合疗法进行治疗 。以上治疗均 457 例软组织损伤 ,男 253 例 ,女 204 例 ,年龄 7, 每日一次 ,10 天为一疗程 。 67 岁 ,病程 3 天,4 年不等 ; 其中肩周炎 155 例 , 腰背 疗效评定标准 痊愈 : 治疗后症状及体征完全消 部软组织损伤主要为腰肌劳损和腰背筋膜炎 , 共 220 失 ;显效 :症状及体征明显消除 ;好转 :症状及体征有所 例 ,腕 、踝关节部软组织扭挫伤 82 例 ,上述患者随机分 ( ) 减轻 ;无效 : 症状体征无改善 。经一疗程治疗后对照 三组进 行 对 照 治 疗 详 见 附 表。A 组 采 用 上 海 产 L D T2CD31 型超短波机 ,波长7 . 37 m ,频率40 . 68 M Hz 。 分析治疗结果.视患者病变部位选适当电极板 ,并置或对置患处 ,每次 二 、治疗结果 治疗后显效以上病例分组20 分钟 ,剂量为温热量 。B 组采用北京翔云电子设备 对照见附表 。 用 t 检统计分析各治疗组治疗结果发现 : 综合治 三类疾病分组治疗后显效以上病例对照附表 ??? ( ) 分 组例显效% 例( ) 例( ) 例( ) 显效%显效%显效% ( )( )( )( )A 108 82 75 . 93 36 28 77 . 78 47 35 74 . 47 25 19 76 . 00 ( )( )( )( )B 123 89 72 . 36 42 23 54 . 76 55 45 81 . 82 26 21 80 . 77 ( )( )( )( )C 226 201 88 . 94 77 62 80 . 52 118 109 92 . 37 31 30 96 . 77 ( )( )( )( )457 372 81 . 40 155 113 72 . 90 220 189 85 . 91 82 70 85 . 37 合计 注?. 为肩周炎?. 腰背部软组织损伤?. 腕踝部软组织损伤 ( 伤的疗效与腕踝关节部软组织损伤的疗效无显著差异疗组疗效明显优于单项治疗组 t = 2 . 86 , t = 3 . 67 , 1 2 ( ) ) t = 0 . 23 , P > 0 . 05。分析超短波与中频电两种冶疗 P < 0 . 01。分析综合组中各病种的康复情况 ,腰背部 方法对不同病种的冶疗情况发现 :对于治疗肩周炎 ,超 及腕踝部软组织损伤的疗效明显优于肩周炎的疗效 ( ) 短波的疗效要明显优于中频电 t = 2 . 16 , P < 0 . 05, ( ) t = 3 . 04 , t = 2 . 25 , P < 0 . 05。而腰背部软组织损 1 2 而其余两种软组织损伤则未发现超波与中频电有显著 ( ) 的疗效差异 t= 0 . 89 , t= 0 . 40 , P > 0 . 05。 12 ( ) 作者单位 : 250031 济南市第四人民医院收稿 1997207202 修回 1997212229