膝關節腓骨截骨術的生物力學研究

李存祥，李德思

(1.河北省寧晉縣醫院骨科，河北 寧晉 055550；2.河北醫科大學第三醫院，河北 石家莊 050051)

腓骨小段截除治療膝骨關節炎[1-3]臨床應用已10余年，手術簡單、切口小、創傷輕、手術時間短、花費少，治療效果能達到解除或緩解疼痛的目的，還能改善膝關節功能[4-5]，使部分輕度屈曲患者的膝關節伸直。但不規范的手術適應證和手術方式，使該手術術后出現了一些療效欠佳的情況，導致腓骨截骨治療膝骨關節炎出現質疑。還有少數患者不重視康復，術后過度活動，導致術后2～3個月后疼痛加重。腓骨截骨治療膝骨關節炎的機理如何？腓骨截骨術后膝關節內外象限平臺壓力有何變化？本實驗為探討腓骨截骨術后膝關節內外側平臺壓力變化及腓骨截骨治療膝骨關節炎的機理，為腓骨截骨治療膝骨關節炎提供生物力學依據。

1 資料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗標本 新鮮健康成人下肢標本3具，男性標本2個，女性標本1個，年齡分別為30歲、33歲、40歲。右膝關節2個，左膝關節1個。由河北醫科大學解剖教研室提供。

膝關節標本為從膝關節線上15 cm離斷的下肢標本。所有膝關節均沒有損傷或者手術記錄史，膝關節外觀無內、外翻畸形。所有標本均行膝關節正象限位X線檢查，無骨質解剖結構異常、骨質退行性改變、類風濕性關節炎樣改變、腫瘤及類腫瘤樣疾病。在實驗進行前將新鮮冷凍的膝關節標本先放入4℃冰箱中解凍24 h，之后放置于室溫環境下繼續解凍4 h。將膝關節自髕韌帶兩旁切開，檢查膝關節面光滑，半月板完整光滑，前交叉韌帶完整光滑，關節周圍組織完整，保留骨性結構以及膝關節周圍韌帶結構的完整性。

1.1.2 機器型號力學實驗室機 DNS-20由石家莊鐵道大學力學實驗室提供，實驗場地為石家莊鐵道大學力學實驗室，環境溫度25℃，相對濕度為60%。

1.1.3 傳感器型號 美國Takscan公司生產的B201-25 kg膜型壓力傳感器若干。

1.1.4 實驗臺設計 采用特制框架，將膝關節標本股骨髓腔用調好的牙托粉充滿，將一端為球頭的金屬桿插入髓腔固定好，保證接觸點一致，股骨近端及脛腓骨遠端固定在自行設計制造實驗夾具中，微調夾具，使其接近并保持在自然中立位。然后將整體標本的足部水平位置于實驗臺，將標本置于框架中央，固定于DNS-20力學實驗機上，標本周圍用空氣柱填塞，然后用固定夾固定牢固，防止標本加壓過程的移位。

1.2 實驗方法 檢查標本，標本為自足至膝關節上方15 cm下肢，膝關節及其附屬組織完整，關節柔軟并能屈曲。以足尖、足跟方向為前后，以足內、外側作為內、外，將膝關節標本固定在膝關節固定夾具上，使膝關節保持屈曲0°位置。將膝關節自髕韌帶兩旁切開，檢查膝關節面光滑，半月板完整光滑，前交叉韌帶完整光滑，關節周圍組織完整，以前后髁間棘為前后方向，前交叉韌帶在前髁間棘后方止點與兩象限平臺中點為橫向將膝關節劃分4個象限，命名為前內、前外、后內、后外象限(見圖1)。

取傳感器，檢查其完整性。按規范對傳感器進行標定(校正)，將傳感器分別放入膝關節內、外象限各象限，中心位于半月板與關節軟骨交界，仔細標記位置，每次記錄傳感器的位置，檢查植入深度并妥善固定。將傳感器和傳感器連接器連接，連接電腦，檢查機器設備狀態正常，調節敏感度。連接Tekscan壓力傳感系統，截取腓骨前后均給予800 N 2.5 mm/s縱向壓力，測量脛股關節間室四個象限的壓強。首先完成腓骨截骨前的測量，在測量結束后于試驗臺原位進行腓骨截骨，重新對傳感器進行標定，將傳感器再次放入膝關節內外象限各象限原標記位置，檢查植入位置并妥善固定，再次進行腓骨截骨后測量。膝關節每個標本在腓骨截骨前、后均重復測量3次，系統自動記錄實驗所得數據，取壓力穩定后30s數值的平均值，然后將3次結果的平均值作為最終結果，保留小數點后2位。

2 結 果

結果顯示，截取腓骨前(見圖2)前內、后內、前外、后外壓力各象限不一，截取腓骨后(見圖3)前內、后內、前外、后外壓力各象限出現明顯變化。將腓骨截取前、腓骨截取后各象限數值壓力值，經計算處理為壓強后結果見表1～2、圖4。

圖1 象限劃分示意圖

圖2 腓骨截骨前無載荷圖

圖3 腓骨截骨后施加載荷圖

表1 腓骨截骨前各象限壓強比較

表2 腓骨截骨后各象限壓強比較

注：*與截骨術前比較，P<0.05

本組測量的各個標本的數據不同，但分析發現都表現為后外象限壓強最大，前內象限次之，外象限總壓強大于內象限，前外象限、后內象限壓強最小結果。腓骨截骨前的外象限關節間室后外、后內的三組平均壓強分別為(7.89±4.19)kg/cm2、(0.33±0.21)kg/cm2，而前內象限關節間室前內、前外的平均壓強為(4.04±1.41)kg/cm2、(0.55±0.19)kg/cm2；腓骨截骨后的外象限關節間室后外、后內的三組平均壓強分別為(11.07±5.61)kg/cm2、(0.54±0.25)kg/cm2，而前內象限關節間室前內、前外的平均壓強為(2.11±1.06)kg/cm2、(0.19±0.36)kg/cm2。可以發現膝關節各象限壓力前內、后內、前外、后外各象限壓力不一，即膝關節內個部位壓力分布不均勻，正常膝關節截取腓骨前的外象限壓強高于內象限，后外象限壓強最大。腓骨截骨后前內象限、前外象限壓強減小，后外象限壓強更大，后內象限的壓強亦有增加，平臺兩側壓強比較仍然是外側平臺壓強高于內側，后外象限壓強最大，并且術后膝關節平臺總壓強略大于術前。

3 討 論

膝關節及脛骨平臺的壓力測量有壓敏片法[6-7]、鑄型法[8]、有限元分析[9]、建模法[10-11]、光彈性法[12-13]及傳感器測量等，部分認為內側平臺承受較大壓力，但張軍文[10]基于Mimics人體膝關節有限元模型，在模型上施加不同應力，顯示最大等效應力值出現在脛骨的外側平臺，并且平臺外側的應力值大于內側。吳文周[11]應用不同彈性常數和不同厚度的平板組成的膝關節組合結構模型，加載結果顯示脛骨平臺最大壓應力和最大剪切力都發生在外側平臺。李潤[13]應用光彈性法與膝關節采用三維光彈性法對人體膝關節在屈曲0°、10°、20°、30°四種工況下股骨與脛骨接觸區的應力進行了分析，得出了四種工況下脛骨平臺的最大壓應力和最大剪應力均發生在外側平臺。Nie等[14]應用3D步態分析證實部分應力轉移到脛骨平臺后外側區域，為部分上腓骨切除術后臨床癥狀的改善提供了客觀的三維步態和可信的生物力學證據。

本研究數據顯示，膝關節內壓力不均，3具標本實驗結果雖然具體數據不同，但都表現為外側平臺壓強大于內側，與張軍文[10]、吳文周[11]、李潤[13]等的結果一致，我們認為此符合膝關節的結構特點。有些文獻測量內側壓力高，或是膝關節退變內翻后的結果，我們認為各標本數據的不同與標本性別和面積有關。Yazdi等[15]應用尸體研究腓骨截骨前后膝關節內外側壓力，結果腓骨截骨后膝關節內側壓力下降，外側壓力增加，與我們的結果相似，但其結果是總壓力減小，與我們的研究腓骨截骨術后總體壓力增大不同。

我們的實驗結果顯示，脛骨平臺在腓骨截骨術后總體壓力變大，即平臺總體受力增加，分析原因是腓骨截骨后的膝關節壓力再分配，腓骨所承受的壓力由脛骨負擔所致。并且可以解釋某些病例臨床術后早期疼痛明顯好轉，但2～3個月疼痛再現甚至加重的現象，提示術后應進行適應性康復訓練，使脛骨適應腓骨截骨后再分配的負荷。

綜上所述，腓骨截骨后減輕了膝關節內側壓力，尤其是前內象限壓力，因此腓骨截骨術可用于單純膝內翻關節炎內側疼痛的治療，以緩解或解除膝關節炎的內側疼痛。但術后應進行適應性康復訓練，使膝關節適應新的負荷分配，防止腓骨截骨后脛骨負荷增加導致的病情反復或加重。