站立負重位足跖骨的應變分析

李兵,俞光榮,楊云峰,周家鈐,祝曉忠,黃軼剛,徐峰,丁祖泉

足是人體重要的運動器官,其主要作用是負重和應力緩沖。跖骨作為中前足的重要組成部分,在足部應力傳導及負重緩沖方面至關重要。本研究模擬站立負重位的足部生物力學模型,通過電阻應變片法檢測跖骨的應力變化,并比較各跖骨應變值的差異,從而為跖骨應力性骨折的發病機制提供生物力學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與設備 由同濟大學醫學院解剖教研室提供6具正常成人新鮮尸體足標本;CCS-44010電子萬能試驗機:長春試驗機研究所;DH-3818電阻應力儀:靖江華東測試技術公司;BE120-2CA微型箔式電阻應變片:中航電測儀器公司;應變片連接端子:上海應變計廠。

1.2 方法

1.2.1 標本制備 實驗前24 h將標本從-20℃深低溫冰箱中取出,室溫下自然解凍。自踝關節上方 10 cm處切除小腿皮膚、肌肉,切斷經過踝關節的肌腱,包括足部屈肌腱、伸肌腱、脛骨前后肌腱、腓骨長短肌腱及跟腱等,顯露脛腓骨,保留踝關節周圍皮膚、韌帶的完整。將脛骨殘端用骨銼挫平,截除部分腓骨,使其較脛骨殘端短約5 cm,以便于加載機上端夾具的固定,截下的腓骨段保留備用。

去除足背部跖骨處的皮膚、皮下組織及肌腱,顯露5根跖骨的背側,5根跖骨(M1～M5)選取背側中央部位,第二跖骨在背側的近端、中間和遠端骨面用丙酮去除油污,無水乙醇脫水各3次,干燥后用細砂紙打磨骨面,以便應變片的粘貼。

1.2.2 電阻應變測量的準備 首先將應變片的導絲和連接導線用電烙鐵焊接在接線端子上,同時在準備好的骨面標記處、應變片和接線端子粘貼面上涂薄層氰基丙烯酸乙酯瞬間粘合劑,將應變片與骨面緊密粘合。粘貼前注意標記線和應變片末端對齊,粘貼應變片的方向要與骨骼的縱軸平行。通過萬用表測試連接導線末端以確定無短路。溫度補償片粘貼在從同一標本上截取的一段腓骨上,溫度補償片和工作片為同一批次產品。

1.2.3 加載及測試 將粘貼應變片的足標本放置于萬能加載機的底座上,脛骨近端固定于加載機頂端的骨骼專用固定器內堅強固定,不固定腓骨。開機后微調,使標本處于非負重狀態,通過鉛錘矯正標本的位置,使實驗標本的脛骨受力方向與底座垂直。模擬人體正常站立情況,經脛骨上端軸向加載,將實驗標本從0 N～1200 N逐級加載,分7級達到,中間每間隔200 N加載機停止1 min,以便數據采集,通過電阻應變測試儀將相應應變值存儲于電腦。數據采集時設定連續采集3次,然后取平均值得到最終數據。每一工況加載前先對電阻應變測試儀進行調零,即0 N時各測試點的應變也應為0(原則上±5之間可以接受)。其中正值為拉應變,負值為壓應變。實驗前先對實驗標本進行預加載,按照生物力學試驗標準,實驗標本預調3次到600 N,加載速率為2 mm/min,至整體載荷位移曲線趨于穩定,以消除生物標本載荷的蠕變。

1.3 統計學方法 實驗數據采用SPSS 13.0統計軟件進行數據分析,實驗數據定量資料以(±s)表示,采用單因素方差分析(One-way ANOVA),組間兩兩比較采用LSD檢驗法,顯著性水平α=0.05。

2 結果

共采集6個標本、7個測點、7個加載階段的應變值,以0 N時的應變值作為基線校準。在所有情況下,跖骨各測點的應變值均為負值,即表現為壓應變。發現隨載荷的增加,各測點的應變呈逐級增大趨勢;各測點中以第二跖骨中部的應變值最大,第五跖骨測點的應變最小。同一載荷下,5根跖骨中部各測點的應變值有顯著性差異(P＜0.05),第二跖骨中部應變值最大,第三跖骨次之,第五跖骨最小。第二跖骨頸部、中部、基底部3個測點的應變值也有顯著性差異(P＜0.05),中部最大,頸部次之,基底部最小。不同載荷下各測點應變的具體數值見表1～表2。

表1 不同載荷下 5根跖骨中部各測點的應變值(μ ε)

表2 不同載荷下第二跖骨各測點的應變值(μ ε)

3 討論

電阻應變測試技術是目前最常用的實測法,已被廣泛應用于實驗應力分析[1]。電阻應變測量依據電阻絲的電阻率隨電阻絲的變形而變化的關系,把力學參數轉換成與之成比例的電學參數,通過測量電學參數并按照一定的比例關系將其轉換成受試對象的應變值[2]。由于其具有靈敏度高、傳感元件小、適應性強、無創等優點,應用廣泛。在電測應變實驗中,應變片的粘貼和焊接好壞將直接影響電測結果的準確性。故操作過程中應注意受試標本的去污、脫水和打磨。

在生物力學領域,電阻應變測試技術作為一種精確的、無損的應變測量方法,其用途受到越來越多的學者的關注。同時也對該方法的可靠性進行了大量的實驗驗證。Milgrom等通過尸體模型,研究比較U型應變夾及電阻應變片在脛骨、第二跖骨應變測量上的異同點和可靠度,經過實驗研究發現,應變片能更好地反映骨骼的表面應變,而且不會引起受試對象的損傷,較植入性應變測量夾來說更為安全、可靠[3]。Gail等對一種新型的應變計進行測試,并同表面粘貼式應變片相比較,結果發現后者能更精確的反映局部的應變變化[4]。近年來隨著國內生物力學研究的不斷深入和傳感器的發展,應變電測方法開始廣泛應用于骨骼生物力學的測試研究。但電測法應用于足踝部生物力學測試的研究,國內外文獻報道較少,缺乏足部骨結構應變分布的資料。作為人體運動的力學基石,對足部跖骨應力、應變的研究有利于了解足部的功能。

本實驗結果表明,第二、三跖骨的應變較大,與第二、三跖骨是應力性骨折的好發部位[5]相吻合。從足部的結構特點來看,第二、三跖骨屬于足的中間柱,第二、三跖跗關節的活動度甚小,而作為第一跖跗關節的內側柱和第四、五跖跗關節的外側柱均有一定程度的活動范圍。故當足部負重時,足的內外側柱由于存在一定的活動度,可將應力適當緩沖,而中間的第二、三跖骨給予堅強的支撐,故負重時第二、三跖骨所受的應力較大。另外,在跖跗關節處,3塊楔骨相互嵌合形成一個突向上方的拱形結構,內外側楔骨向遠側突出超出中間楔骨,從而形成一個隱窩,接納第二跖骨基底部,使其牢固嵌入其中[6],這種結構限制了第二跖列的活動,使第二跖骨在5塊跖骨中成為抗彎、抗剪的主要構件,足部彎曲和剪切載荷傾向于通過第二跖骨傳遞。同樣,Kanatli等通過步態分析對16名正常人的前足橫弓進行足底壓力檢測,發現站立相中期平均壓強最大的區域在第二、三跖骨頭下,為7.96 N/cm2,而第一跖骨頭下為4.86 N/cm2,第四、五跖骨頭下為6.26 N/cm2[7]。Muehleman等對21具尸體標本進行研究,測量了第二跖骨的骨密度和相關的幾何特性,并對離體第二跖骨進行疲勞加載,結果發現第二跖骨的強度而不是它的幾何特點在第二跖骨應力性骨折發生過程中起主要作用[8]。Griffin等對40例隨機樣本進行跖骨CT橫斷面掃描,并與以往有關足底壓力的相關研究進行對照,發現第二、三跖骨本身的結構相對薄弱,卻承擔相對較多的負荷,相對于其他跖骨來說,這種負荷與結構關系的不合理是其好發應力性骨折的原因[9]。

本實驗發現,對于第二跖骨的應變由大到小依次為:中部、頸部和基底部。同樣,Arangio等對第二至第五跖骨進行不同方向的力學加載,結果顯示第二跖骨的最大應變部位出現在距離跖骨近端3 cm和4 cm的地方,即第二跖骨的中部,主要是垂直加載作用的結果[10]。第二跖骨基底部應力性骨折較為少見,多發生于芭蕾舞演員[11]。由于足在極度跖屈時應力都集中在跖跗關節和第二跖骨基底部,因此過度負重機制是芭蕾舞蹈演員第二跖骨近端骨折的潛在性原因。而對于一般人群而言,應力性骨折多發生于跖骨的中部。

本實驗中應變片粘貼于標本的表面,雖然該方法在工程力學的應用上已相當成熟,但在生物力學實驗中還存在多種問題,如人體骨骼外形不規則,人體骨骼在材料參數上是非均質、非線性、各向異性的,對應力變化的趨勢和方向難以預測。本實驗中只能以人體縱軸和骨小梁的走行作為參照,對各跖骨的表面應變進行初步探討,為臨床上足部疾患的預防和診治提供一定的參考依據,如能結合三維有限元分析骨骼內部的應力變化,則結果更為可信。

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