DICM技术用于伸膝装置联合重排术后生物力学研究*

蔡国锋,王 旭,李 松,李彦林

(昆明医科大学第一附属医院运动医学科,云南 昆明 650032)

针对复发性髌骨脱位的治疗已形成基本流程,但仍有部分患者难以按照流程完成,如对于TT-TG值大于2.00cm的患者认为需进行胫骨结节移位[1],但这种手术方式有损伤骨骺的风险[2]。内侧髌股韧带(medial patellofemoral ligament,MPFL)亦有损伤骨骺的风险[3],股骨滑车沟成形术远期有股骨滑车沟软骨纤维化等风险,从而出现疼痛[4,5],而以伸膝装置(extensor mechanism,EM)重排为软组织手术,具有操作相对简单,无骨骺损伤风险,具有创伤相对较小,术后恢复快等优点[6],此外早期恢复患者髌股关节对合关系,对患者股骨髁及髌骨形态发育有促进作用[7],尤其是在骨锚钉固定系统出现后,展示出其临床应用的可行性及优势[8]。

20世纪80年代以来,数字散斑相关技术(Digital Image Correlation method,DICM)得到不断发展,但在医学领域用于对髌股关节生物力学进行分析相关研究较少,本研究使用DICM相关技术针对不同EM重排手术应用后髌股关节生物力学改变进行研究,在此基础上探讨EM联合重排后的生物力学改变,现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

昆明医科大学自愿遗体捐赠的8例(其中,男性6例,女性2例)共16例膝新鲜冰冻尸体,捐赠者年龄38～56岁(平均45±6.4岁),由昆明医科大学解剖教研室提供,所有尸体生前无膝关节疾患,无明显的膝关节韧带损伤及关节畸形。新鲜冰冻尸体实验由昆明医科大学伦理委员会审核通过。

1.2 方法

1.2.1 复发性髌骨脱位模型的制备

彻底解冻后标本膝关节进行CT扫描,测量膝关节的TT-TG间距[9]。随机选取TT-TG值小于2 cm的4具下肢全长冰冻肢体作为对照(D组),其余12具采用切断内侧髌股支持带+胫骨结节水平截骨术建成TT-TG值>2.00cm的复发性髌骨脱位模型,参照Lorbach O等[10]人介绍的方法将下肢全长标本通过斯氏针于近髋关节处通过股骨与固定板固定,固定板通过钳压器与解剖操作台固定以确保标本在实验过程无整体位移。于膝前作长约20cm纵行切口,充分暴露髌骨及EM,找到内侧髌股韧带并切断;切口内显露胫骨结节及远侧约3cm,应用摆锯做一30*10*5mm的水平截骨块,将截骨块连带髌腱等软组织向外移位10mm处,间隔15mm应用2枚金属螺钉固定。之后随机分为3组:A组:EM近端重排术;B组:EM远端重排术;C组:EM联合重排术。各项手术前于髌骨表面间隔3～5cm尽量垂直髌骨冠状面钻入直径2mm克氏针2枚,剪短至露出髌骨表面2cm,测量水平位置上该2枚克氏针外侧缘间距并记录,见图1。

1.2.2 不同实验组手术方法及步骤

1.2.2.1 EM近端重排组手术方法

模拟Madigan手术过程:切开、分离股内侧斜肌,植入GⅡ锚钉,将分离出的股内侧斜肌连带筋膜缝合固定于髌骨外侧中上1/3处,见图2。松解髌骨外侧支持带[11]。

图2 近端重排手术示意图及术后的复发性髌骨脱位模型外观像

1.2.2.2 EM远端重排组手术方法

模拟Roux-Goldthwait手术过程:平均切开髌腱,将切下的外侧半髌腱连带骨膜自剩下的内侧半后方穿过,于胫骨结节内侧,近鹅足止点处植入GⅡ锚钉,将外侧半髌腱连带骨膜缝合分缝合固定于胫骨结节内侧,近鹅足止点处,见图3。松解髌骨外侧支持带[11]。

图3 远端重排手术示意图及术后的复发性髌骨脱位模型外观像

1.2.2.3 EM联合重排组手术方法

即将步骤1.2.2.1及1.2.2.2先后在同一标本上进行,松解髌骨外侧支持带[11],见图4。

图4 远端重排手术示意图及术后的复发性髌骨脱位模型外观像

1.2.3 髌骨位移测定过程及方法

1.2.3.1 髌骨位移测定过程

对照组及实验组充分暴露髌骨及EM,分离、包裹、保护股四头肌腱,以棉线使用“中国指套法”缠绕,棉线通过自制带挂钩钢缆连接一个可调式的滑轮,加载70N轴向拉力,通过拉力计对移位后的股内侧斜肌施加7N的轴向拉力[12,13],见图5a。通过髌骨中点以NK-20推拉力计接与髌骨冠状面平行的角度施加20N的外向脱位力量[13],见图5b。于屈膝90°膝关节前方1.5m处摆放MER-1070-10GM/C-P高清摄像头,调整至能清晰显露出1.2.2.1步骤中的克氏针。先于膝关节0°位,实验者握住标本足踝,缓慢将标本膝关节伸直并保持至0°,过程中避免膝关节非自然旋转,观察见NK-20推拉力计度数稳定后通过MER-1070-10GM/C-P高清摄像头摄像,所得图像命名、存档,于30°,60°,90°,120°位重复进行上述操作。

图5 髌骨位移测定方法

1.2.3.2 髌骨位移测定方法

将1.2.3.1中所得图像,使用windows图画工具打开,将鼠标放置于其中一点,记录该点的像素位置(X1,Y1定位位置),移动鼠标,将鼠标定位与另一定位点,保证Y定位点像素位置与上一个点相同,记录记录该点的像素位置(X2,Y1定位位置),使用步骤1.2.2.1中记录的两枚克氏针外缘水平距离/X2-X1的位置计算出每个像素差代表的实际位移距离,使用digitalspeckle软件,打开0°,30°两副照片,抓取于图像中髌骨上随机抓取位置点,选择相关度高于85%的点位,读取其像素差,以像素差*两枚克氏针外缘水平距离/X2-X1即位髌骨位移,见图6。

图6 使用digital speckle软件测量髌股位移

对于实验软件结果中出现负值情况者,根据髌骨相对股骨髁位移常识,理解为向相反方向移位。

重复上述步骤,即可完成相对于0°位置时,髌骨60°、90°、120°位置时的水平位移。

1.2.4 统计方法

2 结果

在上述施加力量条件下,髌骨的水平位移分别为0°位,A组水平位移为6.13±0.16mm,B组为5.04±0.06mm,C组为3.21±0.06mm,D组为3.35±0.12mm,其中A、B 2组间及C、D 2组间无显著统计学差异性(P>0.05),但A 组与C、D组及B组与C、D组间对比有显著统计学差异性(P<0.05);被动屈曲至30°位时:A组 7.30±0.18mm,B组为 6.06±0.07mm,C组为 3.78±0.11mm,D组为 3.90±0.23mm其中A、B 2组间及C、D 2组间无显著统计学差异性(P>0.05),但A 组与C、D组及B组与C、D组间对比有显著统计学差异性(P<0.05);被动屈曲至60°位时,A组水平位移为 5.55±0.08mm,B组为4.54±0.06mm,C组为2.04±0.01mm,D组为2.01±0.15mm其中A、B 2组间及C、D 2组间无显著统计学差异性(P>0.05),但A 组与C、D组及B组与C、D组间对比有显著统计学差异性(P<0.05);被动屈曲至90°位时,A组为 6.75±0.06mm,B组为5.62±0.05mm,C组为4.03±0.10mm,D组为4.01±0.26mm其中A、B 2组间及C、D 2组间无显著统计学差异性(P>0.05),但A 组与C、D组及B组与C、D组间对比有显著统计学差异性(P<0.05);被动屈曲至120°位时,A组为 7.40±0.04mm,B组为 6.09±0.05mm,C组为3.73±0.05mm,D组为3.90±0.24mm其中A、B 2组间及C、D 2组间无显著统计学差异性(P>0.05),但A 组与C、D组及B组与C、D组间对比有显著统计学差异性(P<0.05),见图7。

图7 膝关节被动屈曲至各经典角度时髌骨位移注:*#各膝关节屈曲角度C组、D组与A、B组有显著统计学差异(P<0.05),而C、D 2组间无显著统计学差异(P>0.05)。

3 讨论

3.1 DICM技术用于复发性髌骨脱位EM联合重排术后生物力学研究的优势

DICM相关技术已广泛应用于各种领域,Yang L等[14]于2007年首次报道将DICM技术应用于医学研究,之后,Carriero A等[15]于2014年报道使用DICM技术成功测定了骨组织应力分布情况。Rankin KE等[16]于2016年亦有成功报道。

本研究中,研究人员参考Stefano Zaffagnini[17]介绍的实验方法,使用自制的标本固定平台,用2枚交叉通过股骨近端的斯氏针[5]将下肢全长标本进行了牢固固定,通过高清(像素值达2000万像素)的摄像头进行膝关节被动屈曲至各典型角度即进行拍摄,之后通过昆明理工大学具有独立知识产权的Digital speckle软件进行数据分析,并根据已有的关于髌骨运动轨迹的权威文献描述[15,16],推断数据正负代表意义,以左膝为例,即:当数据为正值时,代表髌骨向外侧移位,而负值时代表髌骨向内侧移位。

经最终数据分析,各组髌骨位移与经典文献报道情况相似,这说明了DICM技术在髌骨位移测定上的有效性,而在进一步的对抗施加于髌骨中点水平方向脱位应力情况分析,EM联合重排组各角度位移均为最小,即对抗外向脱位应力上为各组最强,也说明EM联合重排手术对术后髌骨稳定性提供了良好的保障。

3.2 复发性髌骨脱位EM联合重排术后生物力学结果分析

本研究参照了Elias,JJ等[20]人介绍的方法,并沿用Stefano Zaffagnini[1]实验方法,在实验过程中对所有标本均采用分离股四头肌腱性成分并施加轴向拉力的方法完成测试,保证了实验条件的同质性。

在髌骨中点施加20N外向脱位力量的条件下,0°、30°、60°、90°及120°位髌骨的水平位移为均表现为其中A、B 2组间及C、D 2组间无显著统计学差异性,但A 组与C、D组及B组与C、D组间对比有显著统计学差异性。EM联合重排术组术后髌骨、向外移动距离为最小并最接近于正常值。笔者的分析认为是无论EM近端重排还是远端重排,均会使髌骨产生一定程度的旋转及移位,而在完成EM联合重排后,髌骨的旋转及外移在合力的作用下达到了消除,从而实现了髌股关节较正常的对合。

综上,所述上述三种的髌骨稳定手术后髌骨向外侧的水平位移以EM联合重排术组为最小并最接近于正常值。