膝关节腓骨截骨术的生物力学研究

李存祥，李德思

(1.河北省宁晋县医院骨科，河北 宁晋 055550；2.河北医科大学第三医院，河北 石家庄 050051)

腓骨小段截除治疗膝骨关节炎[1-3]临床应用已10余年，手术简单、切口小、创伤轻、手术时间短、花费少，治疗效果能达到解除或缓解疼痛的目的，还能改善膝关节功能[4-5]，使部分轻度屈曲患者的膝关节伸直。但不规范的手术适应证和手术方式，使该手术术后出现了一些疗效欠佳的情况，导致腓骨截骨治疗膝骨关节炎出现质疑。还有少数患者不重视康复，术后过度活动，导致术后2～3个月后疼痛加重。腓骨截骨治疗膝骨关节炎的机理如何？腓骨截骨术后膝关节内外象限平台压力有何变化？本实验为探讨腓骨截骨术后膝关节内外侧平台压力变化及腓骨截骨治疗膝骨关节炎的机理，为腓骨截骨治疗膝骨关节炎提供生物力学依据。

1 资料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 实验标本 新鲜健康成人下肢标本3具，男性标本2个，女性标本1个，年龄分别为30岁、33岁、40岁。右膝关节2个，左膝关节1个。由河北医科大学解剖教研室提供。

膝关节标本为从膝关节线上15 cm离断的下肢标本。所有膝关节均没有损伤或者手术记录史，膝关节外观无内、外翻畸形。所有标本均行膝关节正象限位X线检查，无骨质解剖结构异常、骨质退行性改变、类风湿性关节炎样改变、肿瘤及类肿瘤样疾病。在实验进行前将新鲜冷冻的膝关节标本先放入4℃冰箱中解冻24 h，之后放置于室温环境下继续解冻4 h。将膝关节自髌韧带两旁切开，检查膝关节面光滑，半月板完整光滑，前交叉韧带完整光滑，关节周围组织完整，保留骨性结构以及膝关节周围韧带结构的完整性。

1.1.2 机器型号力学实验室机 DNS-20由石家庄铁道大学力学实验室提供，实验场地为石家庄铁道大学力学实验室，环境温度25℃，相对湿度为60%。

1.1.3 传感器型号 美国Takscan公司生产的B201-25 kg膜型压力传感器若干。

1.1.4 实验台设计 采用特制框架，将膝关节标本股骨髓腔用调好的牙托粉充满，将一端为球头的金属杆插入髓腔固定好，保证接触点一致，股骨近端及胫腓骨远端固定在自行设计制造实验夹具中，微调夹具，使其接近并保持在自然中立位。然后将整体标本的足部水平位置于实验台，将标本置于框架中央，固定于DNS-20力学实验机上，标本周围用空气柱填塞，然后用固定夹固定牢固，防止标本加压过程的移位。

1.2 实验方法 检查标本，标本为自足至膝关节上方15 cm下肢，膝关节及其附属组织完整，关节柔软并能屈曲。以足尖、足跟方向为前后，以足内、外侧作为内、外，将膝关节标本固定在膝关节固定夹具上，使膝关节保持屈曲0°位置。将膝关节自髌韧带两旁切开，检查膝关节面光滑，半月板完整光滑，前交叉韧带完整光滑，关节周围组织完整，以前后髁间棘为前后方向，前交叉韧带在前髁间棘后方止点与两象限平台中点为横向将膝关节划分4个象限，命名为前内、前外、后内、后外象限(见图1)。

取传感器，检查其完整性。按规范对传感器进行标定(校正)，将传感器分别放入膝关节内、外象限各象限，中心位于半月板与关节软骨交界，仔细标记位置，每次记录传感器的位置，检查植入深度并妥善固定。将传感器和传感器连接器连接，连接电脑，检查机器设备状态正常，调节敏感度。连接Tekscan压力传感系统，截取腓骨前后均给予800 N 2.5 mm/s纵向压力，测量胫股关节间室四个象限的压强。首先完成腓骨截骨前的测量，在测量结束后于试验台原位进行腓骨截骨，重新对传感器进行标定，将传感器再次放入膝关节内外象限各象限原标记位置，检查植入位置并妥善固定，再次进行腓骨截骨后测量。膝关节每个标本在腓骨截骨前、后均重复测量3次，系统自动记录实验所得数据，取压力稳定后30s数值的平均值，然后将3次结果的平均值作为最终结果，保留小数点后2位。

2 结 果

结果显示，截取腓骨前(见图2)前内、后内、前外、后外压力各象限不一，截取腓骨后(见图3)前内、后内、前外、后外压力各象限出现明显变化。将腓骨截取前、腓骨截取后各象限数值压力值，经计算处理为压强后结果见表1～2、图4。

图1 象限划分示意图

图2 腓骨截骨前无载荷图

图3 腓骨截骨后施加载荷图

表1 腓骨截骨前各象限压强比较

表2 腓骨截骨后各象限压强比较

注：*与截骨术前比较，P<0.05

本组测量的各个标本的数据不同，但分析发现都表现为后外象限压强最大，前内象限次之，外象限总压强大于内象限，前外象限、后内象限压强最小结果。腓骨截骨前的外象限关节间室后外、后内的三组平均压强分别为(7.89±4.19)kg/cm2、(0.33±0.21)kg/cm2，而前内象限关节间室前内、前外的平均压强为(4.04±1.41)kg/cm2、(0.55±0.19)kg/cm2；腓骨截骨后的外象限关节间室后外、后内的三组平均压强分别为(11.07±5.61)kg/cm2、(0.54±0.25)kg/cm2，而前内象限关节间室前内、前外的平均压强为(2.11±1.06)kg/cm2、(0.19±0.36)kg/cm2。可以发现膝关节各象限压力前内、后内、前外、后外各象限压力不一，即膝关节内个部位压力分布不均匀，正常膝关节截取腓骨前的外象限压强高于内象限，后外象限压强最大。腓骨截骨后前内象限、前外象限压强减小，后外象限压强更大，后内象限的压强亦有增加，平台两侧压强比较仍然是外侧平台压强高于内侧，后外象限压强最大，并且术后膝关节平台总压强略大于术前。

3 讨 论

膝关节及胫骨平台的压力测量有压敏片法[6-7]、铸型法[8]、有限元分析[9]、建模法[10-11]、光弹性法[12-13]及传感器测量等，部分认为内侧平台承受较大压力，但张军文[10]基于Mimics人体膝关节有限元模型，在模型上施加不同应力，显示最大等效应力值出现在胫骨的外侧平台，并且平台外侧的应力值大于内侧。吴文周[11]应用不同弹性常数和不同厚度的平板组成的膝关节组合结构模型，加载结果显示胫骨平台最大压应力和最大剪切力都发生在外侧平台。李润[13]应用光弹性法与膝关节采用三维光弹性法对人体膝关节在屈曲0°、10°、20°、30°四种工况下股骨与胫骨接触区的应力进行了分析，得出了四种工况下胫骨平台的最大压应力和最大剪应力均发生在外侧平台。Nie等[14]应用3D步态分析证实部分应力转移到胫骨平台后外侧区域，为部分上腓骨切除术后临床症状的改善提供了客观的三维步态和可信的生物力学证据。

本研究数据显示，膝关节内压力不均，3具标本实验结果虽然具体数据不同，但都表现为外侧平台压强大于内侧，与张军文[10]、吴文周[11]、李润[13]等的结果一致，我们认为此符合膝关节的结构特点。有些文献测量内侧压力高，或是膝关节退变内翻后的结果，我们认为各标本数据的不同与标本性别和面积有关。Yazdi等[15]应用尸体研究腓骨截骨前后膝关节内外侧压力，结果腓骨截骨后膝关节内侧压力下降，外侧压力增加，与我们的结果相似，但其结果是总压力减小，与我们的研究腓骨截骨术后总体压力增大不同。

我们的实验结果显示，胫骨平台在腓骨截骨术后总体压力变大，即平台总体受力增加，分析原因是腓骨截骨后的膝关节压力再分配，腓骨所承受的压力由胫骨负担所致。并且可以解释某些病例临床术后早期疼痛明显好转，但2～3个月疼痛再现甚至加重的现象，提示术后应进行适应性康复训练，使胫骨适应腓骨截骨后再分配的负荷。

综上所述，腓骨截骨后减轻了膝关节内侧压力，尤其是前内象限压力，因此腓骨截骨术可用于单纯膝内翻关节炎内侧疼痛的治疗，以缓解或解除膝关节炎的内侧疼痛。但术后应进行适应性康复训练，使膝关节适应新的负荷分配，防止腓骨截骨后胫骨负荷增加导致的病情反复或加重。