上脛腓關節的生物力學研究

魯建作 林央央 楊杰 董曉敏 潘駿

[摘要] 目的 探討上脛腓關節的生物力學特征。 方法 收集10具成人尸體膝部標本，采用生物力學方法及壓敏片技術測試不同體位下上脛腓關節的壓力及上脛腓關節的受力面積。 結果 上脛腓關節的平均壓力均顯著小于內、外側股脛關節的平均壓力（P<0.05）；在壓力為700N、1400N、2800N時，居于中立位的上脛腓關節的受力面積顯著小于其他體位（P<0.05）；居于中立位的上脛腓關節的平均壓力顯著大于居于跖屈位、內翻位，但顯著小于背伸位、外翻位（P<0.05）。P1組傾斜度>20°，P2組的傾斜度<20°；在700N壓力下，P1組的受力面積均顯著小于P2組（P<0.05），但P1組的平均壓力顯著大于P2組（P<0.05），且不受體位的改變影響。 結論 跖屈位、內翻位時上脛腓關節承受壓力大，上脛腓關節壓力隨踝關節體位的改變而改變，在處理上脛腓關節脫位時，需盡量避免行上脛腓關節融合術；傾斜型的上脛腓關節較水平型承受壓力大，較易發生損傷。

[關鍵詞] 上脛腓關節；股脛關節；生物力學；壓敏片

[中圖分類號] R687.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-9701（2016）06-0004-05

Biomechanics study on proximal tibiofibular joint

LU Jianzuo LIN Yangyang YANG Jie DONG Xiaomin PAN Jun

Department of Orthopaedics， the People's Hospital of Wenzhou City in Zhejiang Province， Wenzhou 325000， China

[Abstract] Objective To evaluate the biomechanics of upper tibiofibular joint. Methods Chose 10 knee specimens of adult cadavers as research object. The average pressure and stressed area of upper tibiofibular joint were detected by biomechanical method and pressure sensitive piece technology. Results The average pressure bear by superior tibiofibular joint was significantly less than medial/lateral tibiofemoral joint（P<0.05）. Under different pressure （700N， 1400N， 2800N）， the stress area within superior tibiofibular joint in the neutral position was significantly less than it within superior tibiofibular joint in plantar flexion， back stretch， varus and valgus position （P<0.05）； the average pressure bear by superior tibiofibular joint in the neutral position was significantly less than it bear by superior tibiofibular joint in plantar flexion， back stretch， varus and valgus position（P<0.05）. P1 group was greater than 20°， P2 group was less than 20°. Under pressure of 700N， stress area for P1 group was significantly less than P2 group（P<0.05）， but the average pressure bear by P1 group was greater than the P2 group（P<0.05）， and the effect was independent of body position. Conclusion Because the superior tibiofibular joint bear more pressure under plantar flexion and varus position， and the pressure varies with the change of the ankle position. It is avoided that arthrodesis is used to deal with dislocation superior tibiofibular joint. Tilting superior tibiofibular joint is more prone to be injured in compared to horizontal type because of bearing more pressure.

[Key words] Superior tibiofibular joint； Tibiofemoral joint； Biomechanics； Pressure sensitive film

上脛腓關節是位于脛骨外側髁和腓骨頭之間的滑膜關節。上脛腓關節的首要功能之一是分散施加于踝關節之上的扭轉應力，其正常運動（尤其是旋轉運動）對踝關節的正常運動是十分必要的。目前對腓骨及骨間膜、外踝功能已做了大量的解剖、生物力學等方面的研究，然而上脛腓關節卻往往受到忽視[1，2]。本研究采用壓敏片技術[2]研究上脛腓關節的生物力學，探討上脛腓關節的受力分析，為臨床處理膝關節脫位提供依據[3]。

1 材料與方法

1.1 一般材料

本組研究中所有10具成人尸體下肢標本均由溫州醫學院解剖教研室提供，且經福爾馬林溶液浸泡，其中男7具，女3具；年齡30～52歲，平均（41.2±4.7）歲；體重50～72 kg，平均（60.4±5.3）kg。標本處理方法：①截斷股骨：在膝關節上約10 cm處將股骨橫行截斷，去除脂肪、皮膚以及肌肉組織，只保留骨骼、韌帶及關節囊韌帶與關節囊；②體位控制：采用自制股骨近端夾具將所有標本的膝關節保持伸直位，同時采用自制底座將踝關節調節為不同體位；③對所有標本進行肉眼觀察及X線片檢查以排除腫瘤、嚴重骨質疏松及畸形等病理異常。

1.2 實驗儀器與設備

ELF3520型生物力學試驗機（BOSE公司），雙片型低壓和超低壓壓敏片（Fuji公司，批號：1747298622， 1748117235，日本），數據處理系統：FPD-305密度儀和FPD-306壓力轉換器（Fuji公司，日本）及AutoCAD2000軟件；股骨近端夾具與足部底座為自制。

1.3 實驗方法

1.3.1 標本的放置與體位的維持 標本的矢狀面、額狀面的體位與旋轉角度均采用股骨遠端夾具進行固定（封三圖1）。①冠狀位：足部由自制足部底座固定，標本保持原有下肢軸線[4]。可以進行調整踝關節為不同體位，同時應避免小腿的旋轉運動。②矢狀位：標本與工作平臺垂直，并保持伸直體位，避免膝關節過伸、屈曲或前后傾斜；當膝關節伸直0°時，可以開啟“鎖扣機制”，保證膝關節在受壓時的穩定性。

1.3.2 壓敏片的選取與放置 ①選取標準：本組研究中，壓敏片采用雙片型壓敏片，此種壓敏片由A片與C片兩部分膜面相接組成，其中A片涂有微囊成色材料，C片涂有顯色材料，當壓敏片受到壓力時，A片表面的微囊成色材料受壓破裂，會釋放出相應的成色材料，成色材料與C片上的顯色材料反應.產生相應的色彩，顏色的濃度就代表相應的壓力值。通過對之前部分學者對膝關節接觸應力的研究進行回顧性分析，并經過預實驗反復研究，筆者發現在上脛腓關節采用超低壓型壓敏片（壓力范圍0.5～2.5 MPa）的效果最為理想[5]（封三圖2），股脛關節面內外側采用普通型壓敏片（壓力范圍2.5～10 MPa）效果較為理想（封三圖3）。②放置方法：實驗前，根據關節面形狀對壓敏片進行修剪，使其與關節面形狀相吻合；在修剪時注意在壓敏片的一側邊緣保留部分突出，以方便置入與取出；放置壓敏片時要注意不要過度擠壓，避免皺折與脫位的發生，影響其結果的準確性；實驗室溫度20℃～35℃，相對濕度35%～80%。

1.4 檢測指標與方法

1.4.1 上脛腓關節與內外側股脛關節的平均壓力 在踝關節中立位，膝伸直0°的體位下，將壓敏片由膝關節內外側間隙插入脛骨關節面內外側，施加壓力，取出變色的壓敏片，讀取數值并記錄，并對股脛關節和上脛腓關節的平均壓力進行測定。

1.4.2 不同踝關節體位下上脛腓關節的平均壓力 跖屈位時，分別在20°，背伸位20°，內翻位20°，外翻位20°時施加壓力，取出變色的壓敏片，并在上脛腓關節進行平均壓力測試。測試中，由力學試驗機對上脛腓關節進行壓軸向加壓，壓力負荷設置為700N、1400N與2800N，加壓速率2.50 mm/min，最大載荷保持5 s；每次測量后讓標本休息5 min，消除蠕變的影響；然后變換體位，重新更換壓敏片，每個體位重復實驗3次，取3次實驗結果的平均值作為該體位關節面的平均壓力值。

1.4.3 受力面積測定 應力測量采用FPD-305密度儀和FPD-306壓力轉換器，壓力負荷設置為700N、1400N與2800N，壓敏片著色區域的密度值采用FPD-305密度儀讀取，通過FPD-306中的微處理器轉換成壓力值，受力面積的測量用掃描儀讀入計算機，用Auto-CAD2000軟件測量出受力面積。

1.4.4 上脛腓關節傾斜度測定 依次記錄平均壓力及受力面積后，取下標本，對上脛腓關節解剖，將分離的整段完整腓骨置于鐵架臺上，用2個夾子分別夾住腓骨的上1/3和下1/3，稍作調整，使腓骨的長軸與鐵架臺上的鐵桿平行，此時用量角器測量上脛腓關節面與水平面的夾角為傾斜度。

1.5 統計學處理

采用SPSS16.0統計學軟件進行數據分析，計量資料以均數±標準差（x±s）表示，多組間比較采用單因素方差，兩兩比較采用t檢驗，計數資料用例數/百分數（n/%）表示，比較采用χ2檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 上脛腓關節與股脛關節平均壓力比較

在700N條件下，上脛腓關節的平均壓力[（0.62±0.08）MPa]顯著低于內側股脛關節的[（2.21±0.12）MPa]（t=4.021，P=0.023）；在1400N條件下，上脛腓關節的平均壓力[（1.14±0.06）MPa]顯著低于內側股脛關節的[（4.29±0.14）MPa]（t=5.898，P=0.011）；在2800N條件下，上脛腓關節的平均壓力[（2.22±0.11）MPa]顯著低于內側股脛關節的[（8.34±0.20）MPa]（t=6.028，P=0.005）。

在700N條件下，上脛腓關節的平均壓力[（0.62±0.08）MPa]顯著低于外側股脛關節的[（1.90±0.17）MPa]（t=4.024，P=0.026）；在1400N條件下，上脛腓關節的平均壓力[（1.14±0.06）MPa]顯著低于外側股脛關節的[（3.78±0.16）MPa]（t=5.674，P=0.013）；在2 800N條件下，上脛腓關節的平均壓力[（2.22±0.11）MPa]顯著低于外側股脛關節的[（7.89±0.23）MPa]（t=5.995，P=0.008），且外側股脛關節的平均壓力均低于內側股脛關節（P<0.05）。見表1。

表1 上脛腓關節與內、外側股脛關節的平均壓力比較（x±s，MPa）

注：a表示與上脛腓關節比較，P<0.05，b表示與內側股脛關節比較，P<0.05

2.2 不同踝關節體位下上脛腓關節的受力面積比較

在700N條件下，跖屈位的平均受力面積[（1.12±0.06）cm2]、背伸位的平均受力面積[（0.77±0.12）cm2]、內翻位的平均受力面積[（1.20±0.13）cm2]和外翻位的平均受力面積[（0.75±0.08）cm2]均顯著高于中立位的[（0.62±0.08）cm2]（t=3.241，P=0.037；t=3.542，P=0.026；t=3.540，P=0.027；t=3.245，P=0.039）；在1400N條件下，跖屈位的平均受力面積[（1.60±0.14）cm2]、背伸位的平均受力面積[（1.38±0.10）cm2]、內翻位的平均受力面積[（1.62±0.09）cm2]和外翻位的平均受力面積[（1.34±0.11）cm2]均顯著高于中立位的[（1.14±0.06）cm2]（t=3.427，P=0.029；t=3.198，P=0.038；t=3.556，P=0.024；t=3.013，P=0.041）；在2800N條件下，跖屈位的平均受力面積[（1.96±0.18）cm2]、背伸位的平均受力面積[（1.78±0.15）cm2]、內翻位的平均受力面積[（1.97±0.11）cm2]和外翻位的平均受力面積[（1.69±0.09）cm2]均顯著中立位的[（1.22±0.11）cm2]，（t=3.395，P=0.031；t=3.394，P=0.031；t=3.556，P=0.024；t=3.012，P=0.040），見表2。

表2 上脛腓關節在踝關節不同體位下的受力面積比較（x±s，cm2）

注：a表示與中立位比較，P<0.05，b表示與跖屈位比較，P<0.05，c表示與背伸位比較，P<0.05，d表示與內翻位比較，P<0.05

2.3 不同踝關節體位下上脛腓關節的平均壓力比較

在700N條件下，跖屈位的平均壓力[（0.76±0.13）MPa]和內翻位的平均壓力[（0.79±0.09）MPa]顯著低于中立位的[（0.90±0.07）MPa]；背伸位的平均壓力[（1.21±0.10）MPa]和外翻位的平均壓力[（1.24±0.21）MPa]顯著高于中立位的[（0.90±0.07）MPa]（t=3.214，P=0.037；t=4.287，P=0.027；t=3.465，P=0.025；t=3.251，P=0.039）。在1400N條件下，跖屈位的平均壓力[（1.31±0.11）MPa]和內翻位的平均壓力[（1.29±0.15）MPa]顯著低于中立位的[（1.50±0.17）MPa]（t=3.250，P=0.039；t=4.431，P=0.024）；背伸位的平均壓力[（1.72±0.21）MPa]和外翻位的平均壓力[（1.78±0.10）MPa]顯著高于中立位的[（1.50±0.17）MPa]（t=3.322，P=0.036；t=3.245，P=0.040）。在2800N條件下，跖屈位的平均壓力[（2.01±0.14）MPa]和內翻位的平均壓力[（1.99±0.17）MPa]顯著低于中立位的[（2.22±0.11）MPa]（t=3.264，P=0.037；t=4.287，P=0.027）；背伸位的平均壓力[（2.44±0.08）MPa]和外翻位的平均壓力[（2.40±0.15）MPa]顯著高于中立位的[（2.22±0.11）MPa]（t=4.291，P=0.025；t=3.251，P=0.039），見表3。

表3 上脛腓關節在踝關節不同體位下的平均壓力比較（x±s，MPa）

注：a表示與中立位比較，P<0.05，b表示與跖屈位比較，P<0.05，c表示與背伸位比較，P<0.05，d表示與內翻位比較，P<0.05

2.4 傾斜型與水平型上脛腓關節受力面積的比較

依據解剖實驗中測得的傾斜度將上脛腓關節分為兩組，P1組傾斜度>20°，P2組傾斜度<20°。在700N條件下，P1組的上脛腓關節居于中立位[（0.61±0.08）cm2]、跖屈位[（1.10±0.08）cm2]、背伸位[（0.76±0.07）cm2]、內翻位[（1.19±0.11）cm2]、外翻位[（0.72±0.06）cm2]的受力面積均顯著小于P2組的中立位[（0.74±0.07）cm2]、跖屈位[（1.23±0.11）cm2]、背伸位[（0.89±0.10）cm2]、內翻位[（1.32±0.16）cm2]、外翻位[（0.84±0.09）cm2]的受力面積（t=2.892、2.913、2.894、2.897、2.937，P=0.049、0.048、0.049、0.049、0.048），見表4。

2.5 傾斜型與水平型上脛腓關節平均壓力的比較

在700N壓力下，P1組的上脛腓關節居于中立位[（0.98±0.08）MPa ]、跖屈位[（0.84±0.06）MPa]、背伸位[（1.28±0.11）MPa]、內翻位[（0.89±0.07）MPa]、外翻位[（1.36±0.20）MPa]的平均壓力均顯著大于P2組的[（0.87±0.07）MPa]、跖屈位[（0.74±0.09）MPa]、背伸位[（1.18±0.10）MPa]、內翻位[（0.76±0.08）MPa]、外翻位[（1.21±0.10）MPa]的平均壓力（t=2.914、2.953、2.892、2.992、2.895，P=0.049、0.048、0.049、0.047、0.048），見表5。

表5 不同傾斜度下的上脛腓關節平均壓力比較（x±s，MPa）

3討論

3.1 上脛腓關節的承重功能

從上世紀七、八十年代起，國內外學者對腓骨的負重功能及負重比例進行了研究，有研究通過生物靜力模型的研究發現腓骨負擔了小腿承受重量的1/6[6]，Trainotti S等的研究結果則表明腓骨承受約6.4%的體重[7]。研究結果的不同歸因于測量方法的不同，但對腓骨具有負重功能已達成共識。本研究通過壓敏片法測量關節面接觸壓力時可最大限度地保留關節周圍組織，減少對關節結構的破壞，使得研究結果更接近實際。研究表明膝、踝關節中立位時，在不同的負荷下，上脛腓關節與股脛關節承受的載荷比例保持一致，約為0.140，表明上脛腓關節在實驗中承受負荷，表現為載荷壓力。有實驗表明上脛腓關節具有承重功能，負擔小腿1/7的承重[8]。

3.2 上脛腓關節的受力面積和平均壓力分析

有關上脛腓關節的生物力學研究甚少。此研究通過壓敏片技術對膝關節不同的軸向負荷，不同踝關節體位下上脛腓關節的受力面積和平均壓力進行分析。在不同壓力下（700N、1 400N、2 800N），上脛腓關節承受的平均壓力均顯著小于內外側股脛關節承受的平均壓力；中立位下上脛腓關節的受力面積顯著小于跖屈位、背伸位、內翻位、外翻位的受力面積。這表明上脛腓關節的受力面積也隨踝關節體位改變而改變；當測試壓力成倍數時，上脛腓關節承受的平均壓力并不成倍數增加。

踝關節內翻或外翻同樣改變了關節的接觸面積，引起了外踝相對位移和脛腓骨中載荷分布的改變。在內翻位時，載荷經脛骨關節面內側部分的傳導增加，在外翻位時載荷經關節面外側部分的傳導增加。這種改變從上脛腓關節從外翻位、中立位至內翻位平均壓力增大的研究結果也得到佐證。上脛腓關節除了具有承重功能外，還具有一定的活動功能來適應體位的變化，因此上脛腓關節融合術并非上脛腓關節脫位的首選處理方法[9-15]。

3.3 傾斜型與水平型上脛腓關節的生物力學分析

不同的標本在上脛腓關節傾斜度方面有著明顯的差異[16-19]。傾斜型關節是指上脛腓關節傾斜度>20°，而水平型關節則是上脛腓關節傾斜度<20°。本研究依據解剖實驗中測得的傾斜度將上脛腓關節分為兩組，P1組為上脛腓關節的傾斜度>20°，P2組為上脛腓關節的傾斜度<20°。在700N壓力下，P1組的中立位、跖屈位、背伸位、內翻位、外翻位的受力面積均顯著小于P2組，且不受體位的改變影響。但當上脛腓關節的傾斜度>20°時，上脛腓關節承受的平均壓力較上脛腓關節的傾斜度<20°時大。因上脛腓關節穩定性主要依靠關節囊、上脛腓前后韌帶、外側副韌帶等，傾斜度不同，其關節周圍組織結構并無明顯差異，提示上脛腓關節因傾斜度不同，其承受的平均壓力也不同，臨床研究表明傾斜型的上脛腓關節較易發生半脫位，與傾斜型受到的平均壓力大及受力面積小密切相關[17]。

綜上所述，與水平型的上脛腓關節相比較，傾斜型的上脛腓關節的受力面積小而承受的平均壓力大，中立位下上脛腓關節的受力面積顯著小于跖屈位、背伸位、內翻位、外翻位的受力面積，上脛腓關節承受的平均壓力顯著大于跖屈位、內翻位、背伸位、外翻位承受的平均壓力。上脛腓關節壓力隨踝關節體位的改變而改變，在處理上脛腓關節脫位時；傾斜型的上脛腓關節較水平型的上脛腓關節承受壓力大，較易發生損傷。臨床上行關節復位術時要注意兼顧關節的受力情況及接觸面積；在處理脛腓關節脫位時，要注意避免行脛腓關節融合術。

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（收稿日期：2015-10-16）