模拟足底韧带逐步损伤对承重压力的影响研究

张三兵 苏玉红 张沉冰 高金宝

足底稳健结构是由跟骨、趾骨以及足横弓来维持的，而足横弓又是由骰骨、楔骨、跖骨、韧带、腱膜、肌肉等共同构成。足弓的特殊生理结构能够有效缓冲纵向压力、吸收动能，保护足底血管、神经免受压迫[1-4]。足底压力相关研究可以探讨人体在各种生活状态中足底压力特征，能够反映足底不同区域的受压状态，足底压力测量是骨科临床生物力学的重要组成部分[5,6]。本次试验研究将足底部位主要分为以下4个区域：跟骨区域、第1跖骨区域、第2跖骨区域、3～5跖骨区域。通过比较不同状态下，足底不同区域承重情况的变化趋势，来分析各个足底韧带对足部正常结构的牵拉作用影响情况，对未来临床上探究足部损伤患者实体针对性治疗提供一定的数据基础。足底韧带和腱膜是参与和维持足弓稳定结构的重要组成部分，也是维系足部骨性结构的力学纽带，如果足底主要韧带损伤将对人体步态以及足部骨间稳定性产生影响，最终发生不可逆骨融合等严重不良事件。本文模拟足底韧带逐步损伤对足底不同分区承重压力的变化趋势，对足底韧带对维持人体静态承重的影响变化做一探讨。报告如下。

1 材料与方法

1.1 材料 由河北医科大学解剖学教研室提供新鲜尸体标本3具，其中男性标本2具，女性标本1具，排除膝、足畸形等生理、病理性结构改变。年龄分别为36岁、47岁和51岁；共截取下肢6例用于检测分析。标本从大体截取后置于-20℃冰柜中保存，检测前1 d 20 h取出，室温下解冻。保留踝关节足底韧带的完整性，充分暴露并且按步骤切断胫骨后肌腱、跟舟足底韧带、足底长短韧带、楔舟足底韧带以及骰楔足底韧带。

1.2 测试仪器及设备 采用foot-scan足底压力测量仪对足部压力状况进行分析，测量仪包括固定支架、测力板、传感器以及控制系统4部分组成。采用游标卡尺对不同情况下足部加压距骨颈轴向位移状况进行测量并且分析。

1.3 检测方法 研究标本在固定支架上固定后开机微调，使标本处于直立状态，通过校正标本位置，使胫骨受力方向与底座垂直，模拟人体正常直立状态，通过胫骨上端压力固定装置对试验标本逐渐加压，以初始位置作为试验原点，每次加载压力后均恢复至原点状态维持30 s后再进行下一次试验，消除样本因形变不及时复原导致的偏差。将测力板至于足底与固定底座之间，通过导线与监测终端连接，实时记录、采集压力信息。大体标本最大载荷为纵向700 N，载荷以100 N作为累加单元，加载速率为2 mm/min，一直保持此恒定加载速率。随着垂直于测量板的载荷加大，足底不同分区的峰值压力也随之增大，在施加外力为700 N 时达到最大。

2 结果

2.1 正常静止状态下足底压力分布情况 模拟人体静止状态下检测足底各区域压力分布情况，在保持所有韧带完整情况下，跟骨压力最大，为(96.45±13.75)kPa/cm2；其次是第2跖骨和第1跖骨，分别为(17.32±3.59)kPa/cm2和(15.64±3.55 )kPa/cm2；3～5跖骨区为(5.83±1.22)kPa/cm2。经方差分析对比，结果显示韧带损伤前跟骨区域所承受压力最大，3～5跖骨区域承受压力最小，第1跖骨和第2跖骨区域压力分布两者对比差异无统计学意义(P>0.05)，总体方差值为105.441，其余两两比较差异均有统计学意义(P<0.05)。见表1。

表1正常静止状态下足底压力分布情况

状态跟骨第1跖骨第2跖骨第3～5跖骨区域F值P值韧带损伤前96.45±13.75#△☆15.64±3.55∗☆17.32±3.59∗☆5.83±1.22∗#△105.441<0.001

2.2 纵向载荷700 N作用力下逐步破坏足底主要韧带后足底压力变化情况 纵向轴逐步加压至700 N 模拟静止负重状态人体足底压力变化趋势，韧带损伤前跟骨受力最重，其次是第2跖骨、第1跖骨以及第3～5跖骨区域。在切断胫骨后肌腱后，跟骨受力明显减轻，纵向轴作用力分散至其他跖骨区域。随着足底韧带相继切断，跟骨受力及其他跖骨区域均逐渐增强。见表2。

表2纵向载荷700N作用力下逐步破坏足底主要韧带足底压力变化

状态跟骨第1跖骨第2跖骨3～5跖骨区域F值P值韧带损伤前 657.84±22.6551.82±6.5978.58±6.2237.53±6.44243.563<0.001切断胫骨后肌腱 579.62±24.53∗62.85±6.31∗81.56±5.9852.83±5.32∗221.544<0.001切断跟舟足底韧带597.18±31.63∗73.17±5.88∗84.85±7.6659.83±6.07∗#203.587<0.001切断足底长短韧带613.54±33.62∗#74.82±6.71∗#86.77±6.31∗78.56±6.67∗#179.634<0.001切断楔舟足底韧带631.51±28.59#△☆77.31±5.95∗#99.43±7.21∗#△☆86.31±6.34∗#△☆165.665<0.001切断骰楔足底韧带647.33±29.58#△☆80.33±6.12∗#△☆115.31±6.91∗#△☆▲92.24±7.32∗#△☆175.684<0.001F值16.43123.57831.26526.553P值<0.001<0.001<0.001<0.001

2.3 逐步破坏足底主要韧带后足底与地面接触面积的变化情况 负荷为0 N 时，随着足底韧带损伤，足底与地面接触面积逐渐增大，差异有统计学意义(P<0.05)；随着纵向压力的增加，足底与地面接触面积逐渐增大的现象明显加剧，不同压力状态下足底与地面接触面积差异有统计学意义(P<0.01)；但是在同一压力水下，不同足底韧带发生损伤时足底与地面接触面积数据差异表现不一，在100 N、200 N作用力下，不同足底韧带发生损伤时足底与地面接触面积不同，差异有统计学意义(P<0.05)；在其他压力作用下发生不同足底韧带损伤时足底与地面接触面积差异无统计学意义(P>0.05)。见表3。

2.4 逐步破坏足底主要韧带后距骨颈轴向位移情况比较 负荷为0 N时，随着足底韧带损伤，距骨颈与韧带损伤前比较发生明显轴向位移，差异有统计学意义(P<0.01)；随着纵向压力的增加，距骨颈发生轴向位移的现象明显加剧，不同压力状态下距骨颈发生轴向位移差异有统计学意义(P<0.01)；但是在同一压力水平下，不同足底韧带发生损伤时距骨颈位移数据差异表现不一，在100 N和700 N作用力下，不同足底韧带发生损伤时距骨颈位移不同，差异有统计学意义(P<0.01)；但在其他压力(200 N、300 N、400 N、500 N、600 N)作用下发生不同足底韧带损伤时距骨颈位移差异无统计学意义(P>0.05)。见表4。

表3逐步破坏足底主要韧带后足底与地面接触面积的变化情况

负荷(N)韧带损伤前切断胫骨后肌腱切断跟舟足底韧带切断足底长短韧带切断楔舟足底韧带切断骰楔足底韧带F值P值04.58±0.514.73±0.614.72±0.314.78±0.235.07±0.29∗#△☆5.37±0.45∗#△☆2.7880.03510019.00±1.1720.08±1.4923.01±2.65∗#23.22±1.17∗#23.67±0.97∗#24.25±1.02∗#11.751<0.00120027.72±1.6628.60±0.6228.90±1.7829.82±1.78∗29.90±1.60∗31.10±1.81∗#△3.2930.01730033.03±0.7732.97±1.1933.73±2.3334.02±2.3334.48±1.8234.93±1.861.1250.36940036.93±2.7337.21±2.2038.07±1.7738.12±1.8338.52±1.4339.10±1.321.0370.41450042.82±1.2642.75±1.1442.98±0.8643.08±0.7343.03±0.6343.40±0.840.3620.87060045.50±2.3545.50±2.4845.90±2.3245.95±2.1445.97±2.0446.38±2.140.1310.98470047.48±1.4748.75±1.9949.27±2.2649.28±2.2049.97±2.5650.53±2.001.4940.221F值474.329497.711336.152430.507498.951528.714P值<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001

表4 逐步破坏足底主要韧带后距骨颈轴向位移情况对比

2.5 距骨颈纵向位移情况与足底与地面接触面积变化的相关性研究 将距骨颈纵向位移的数据作为横坐标，足底与地面接触面积数据作为纵坐标，绘制两者相关性曲线，并且统计其关联性大小，结果可知，距骨颈纵向位移情况与足底与地面接触面积变化呈线性关联，并且关联性大小为0.807，差异有统计学意义(P<0.05)。见图1。

3 讨论

通过本次模拟试验能够大致了解静止状态下足踝部应力变化趋势，同时负载不同载荷条件模拟不同体质指数人体足踝部复杂结构间的相互作用关系。在测量基础数据后，按试验步骤，分别破坏足底主要筋膜及韧带结构，模拟韧带损伤直立状态下足弓骨性应力变化趋势。纵向轴逐步加压至700 N模拟静止负重状态人体足底压力变化趋势，韧带损伤前跟骨受力最重，其次是第2跖骨、第1跖骨以及第3～5跖骨区域，足底受力面积分布情况与国内学者研究结果[7]保持一致。在切断胫骨后肌腱后，跟骨受力明显减轻，纵向轴作用力分散至其他跖骨区域。随着足底韧带相继切断，跟骨受力及其他跖骨区域均逐渐增强[8，9]。随着纵向压力的增加，足底与地面接触面积逐渐增大的现象明显加剧，不同压力状态下足底与地面接触面积差异有统计学意义。在逐步破坏足底韧带过程中，由于韧带间的相互协同作用导致同一压力水平下足底各区域受力及受力面积差异表现不一。但在全部足底韧带破坏完毕后，人体足底压力和足底与地面接触面积均达到最大值。由此可见，足底主要韧带相继破坏能够不同程度地影响各区域骨性应力水平，并且各韧带间的相互协同作用很强[10]。

距骨是连接下肢和足部重要的桥梁枢纽[11]，肩负着运动的偶联和力量的传导。距骨的解剖位置位于踝穴，分别与跟骨关节面及舟状骨、胫骨远端关节面一起共同组成距下关节、距舟关节和胫距关节。各功能区域韧带附着众多，解剖结构复杂[12,13]。本次试验研究中，测量在100～700 N的纵向加压及依次破坏足底韧带的情况下，准确测量距骨颈的轴向位移，为研究足底韧带在维持人体静态稳定性的研究中增添了理论依据。试验结果显示，随着纵向压力的增强，距骨颈发生轴向位移的现象明显加剧，不同压力状态下距骨颈发生轴向位移差异有统计学意义(P<0.01)；但是在同一压力水下，不同足底韧带发生损伤时距骨颈位移数据差异表现不一，这一现象的产生也与韧带间协同作用强有关。

有研究证实，足底长韧带无论是在解剖位置还是结构上都是维持外侧足纵弓的主要韧带，舟状骨、楔骨以及骰骨间的骨间韧带及足底韧带构成维持内侧足纵弓的主要韧带群[14]，并且同足底短韧带一道维持足横弓的稳定性。本次试验依次将足底长、短韧带切断后并未发现足底压力和接触面积有明显变化，反而在切断楔舟足底韧带后，足底压力和接触面积有明显增高的趋势，因此可以推测，楔舟足底韧带可能具有比足底长、短韧带更为重要的维系稳定性作用，丰富了楔舟足底韧带在正常人体足部结构中的桥梁作用的理论依据。

本次试验分析过程中，还探究了距骨颈纵向位移情况与足底与地面接触面积之间的相关性。由图不难发现，两者的变化呈线性趋势，并且关联性较强。据此数据，我们推断，在静态作用力纵向加压过程中，机体是通过增加足底接触面积来分散压强以减少外力冲击对足踝部内部组织的破坏作用，足底接触面积增加了，对于足底结构的受力也就更加分散，从而有效延缓了一处韧带损伤导致的足底正常结构进一步被破坏的趋势，这也是足部的正常调节作用发挥自我保护功能的基础。在研究过程中同时发现，当纵向加压至700 N后，距骨颈纵向虽然仍有位移发生，但是足底与地面接触面积已不能继续线性增加，提示此状态下已经为全足接触，足底神经、血管处于完全受压状态，足弓也失去了缓冲的保护效果，此时起到核心作用的是骨结构的应力改变，这一研究结果与国内部分学者的相关研究[15]也保持了一致性。

在国内，因交通事故及矿山事故发生导致的足部碾压伤、砸伤较为常见，其中很大一部分患者在发生创伤后不同时间导致创伤性扁平足的发生，在实际临床工作中较为常见，这类患者可能导致局部关节融合以行动不便、影响足部完整功能而告终。本次试验结果更加证实，创伤性扁平足的产生与维系足纵弓和足横弓的韧带系统的损伤或断裂有关。由于这些足底韧带的位置及结构复杂性导致相关研究不能够深入，本次试验模拟正常状态下以及足底韧带逐步损伤后对足底压力的变化，对今后深入探讨足底主要韧带的功能分区有一定的启示作用。