胫骨骨折侧方成角畸形对胫股关节生物力学的影响

doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2010.48.015

摘要/Abstract

摘要：

背景：关于胫骨骨折有许多治疗方法的报道，但是究竟什么角度的胫骨骨折侧方成角畸形，才能对膝关节的生物力学特性产生明显影响尚无统一结论。
目的：制作胫骨骨折后侧方不同角度成角畸形模型，利用生物力学方法及压敏片技术测试胫骨向侧方成角时，胫股关节接触特性的变化，预测胫骨骨折侧方成角的最大允许角度。
方法：纳入6具下肢标本，所有标本实验前均为正常膝关节，制作胫骨侧方成角畸形模型，应用压敏片技术测量胫骨侧方成角5°，10°，15°时胫股关节接触面积、平均应力、最大应力值并进行比较分析。
结果与结论：胫骨骨折侧方成角5°即明显改变胫股关节的接触特性。所以临床上在处理胫骨骨折时，对于大于5°的胫骨侧方成角都要给予纠正，应尽可能恢复胫骨的解剖复位。

关键词: 胫骨, 骨折, 成角畸形, 胫股关节, 生物力学, 压敏片

Abstract:

BACKGROUND: The angular deformity of tibial fracture on biomechanical characteristics of knee joint remains controversial.
OBJECTIVE: To evaluate the effect of tibial fracture on biomechanical characters of knee joint and prescribe the most acceptable extent of lateral angular deformity using biomechanics and pressure sensitive film.
METHODS: The six specimens of lower limbs were obtained from fresh human cadavers. The cadaveric specimens were not infected with diseases. Model of lateral angular deformity was established, and tibiofemoral joint contact area, mean stress, and maximum stress were measured under tibial lateral angulation at 5°, 10°, 15° using pressure sensitive film.
RESULTS AND CONCLUSION: The 5° lateral angular deformity had changed the contact character of the tibiofemoral joint. Thus, when dealing with tibial fracture, a lateral angular deformity > 5° should be reduced, and the anatomic position of tibia should be recovered.

中图分类号:

R318

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参考文献

引言

材料方法

讨论

3.1 膝关节标本的准备及测量
体位：Fukubayashi等^[2]在进行膝关节标本生物力学测量时将标本固定于自然位置，但是没有描述具体方法。本实验股骨近端的固定夹具与加压杆之间使用半球面的可调式螺旋固定装置，可用于调整标本矢状面、额状面的体位和旋转角度。矢状位上应使标本保持伸直体位并与工作平台垂直，避免在矢状位上出现膝关节过伸、屈曲或肢体的前后倾斜；额状位应使标本保持原有下肢轴线，胫骨股骨角维持不变；另外也要特别注意下肢旋转的问题，这主要体现于标本足部的固定，避免足尖过度内旋或外旋。
压力负荷的选择：在膝关节的生物力学测定中,采用的力负荷的大小目前没有通用标准。Ahmed等^[3]在测量标本应力时给予890 N压力，Fukubayashi等^[2]使用1 000 N压力，而Riegger-Krugh等^[4]在对膝关节应力测量中使用 1 960 N，相当于普通平均体质量的3倍。因此本实验选择700 N接近于正常人平均体质量的压力负荷。
3.2 压敏片的应用 压敏片是近年来应用于关节内应力测量的一项重要试验手段，压敏片有两片聚酯膜组成，包括保护膜厚度约250 μm。目前研究认为这样的厚度不会影响关节内压力分布。
Huberti等^[5]应用压敏片技术测量正常髌股关节接触应力并与其他方法测量的结果进行对照，认为没有明显不同Riegger-Krugh等^[4]在膝关节生物力学实验中采用压敏片技术，认为压敏片及保护膜厚度不会影响接触应力的测量。Himeno等^[6]研究指出使用这种压敏片系统测定关节内接触压力时，两关节面之间相对位移产生的剪切力可以忽略，认为不会对测量结果产生影响。同时压敏片的薄膜状结构也更适合于测量平整的胫股关节面压力^[7] 。
3.3 实验结果分析 本实验通过对胫骨骨折成角畸形愈合模型胫股关节接触面积及应力测量，作者发现随着侧方成角程度的增加，胫股关节内的各象限的接触面积、平均应力和最大应力均出现显著变化；胫骨向内侧侧方成角畸形时，随着成角畸形程度的增加，前内、后内象限的接触面积呈减小趋势，平均应力和最大应力呈降低的趋势，而后外、前外象限相反，接触面积及应力呈增高的趋势。
尸体生物力学的实验由于受标本来源的影响，难以获得大样本的实验样本，Riegger-Krugh等^[4]和Fukubayashi等^[2]使用小样本尸体膝关节标本进行实验研究，获得较为准确的实验结果。作者在实验中对每一个实验步骤均进行严格的设计和测量，并且每一个实验数据均测量2次，如2次实验数据相差较大，则放弃以上数据重新进行测量，从而有效避免较大实验误差的产生。
胫骨侧方成角畸形较重者，日久可继发膝关节周围软组织变性、骨性关节炎、髌骨软化等，其中骨性关节炎是其最终结果。力学机制是骨性关节炎的主要成因和影响疗效的主要因素。王以进等^[8]通过计算认为对骨性关节炎影响最大的压应力有如下因素：①小腿的内翻或外翻畸形。②肌肉力的变化、损伤。③体质量变化引起作用力大小的改变。④重心异常位置引起作用力偏移。
Sprenger等^[9]也认为膝关节骨性关节炎的发病原因是作用于关节面的应力分布不均匀而过分集中所致。膝关节功能的发挥有赖于关节软骨功能的正常，软骨组织中的软骨细胞、蛋白多糖、水及胶原纤维是它的主要成分，各成分之间有着非常密切的依赖关系，以共同行使软骨的功能。任何原因导致软骨细胞发生退变和坏死均会引起胶原纤维和蛋白多糖减少或消失，胶原网络结构破坏必定引起软骨细胞发生退变或坏死，使得胶原纤维和蛋白多糖合成受阻，这又会加剧软骨细胞的损伤，如此恶性循环越演越烈。正常软骨组织主要成分间是一种良性的相互依赖的关系。但是过大的局部负荷会撕裂软骨表面，使胶原纤维裸露，诱发炎症反应，同时也将破坏软骨的黏弹性及液流学特点，导致软骨和软骨下组织发生一系列的损伤病变^[10] 。
从生物力学的角度考虑，Teshima等^[11]提出软骨变性过程，一些微裂纹，即在超微结构水平上的病灶变性，是由于某种机械应力的反常状态而在浅表的切向区形成。胫股排列紊乱可使关节软骨局部应力高度集中, 过高的应力可使软骨胶原蛋白和蛋白多糖基质的内部分子和微细结构被破坏，软骨的表面层受损，渗透性增加使软骨软化.虽然施加的应力其量级远小于材损，渗透性增加使软骨软化。虽然施加的应力其量级远小于材料的极限强度，但由于软骨反复受压而产生微小损害的积累可导致发生疲劳性磨损^[12] 。
软骨的退变与关节面负荷过大或过小相关。多数学者认为高压是引起软骨退变的主要原因。Flamereman等^[10]则认为关节面负荷过低，应力刺激不充分，软骨营养不足导致软骨退变。实验表明，膝关节内、外翻对胫股关节的应力分布有显著影响，可以诱发胫股关节退变性关节病的发生。
从本实验结果可以看出：①人体在行走状态下、胫骨侧方成角后胫股关节接触面积减小，随着胫骨向内侧成角程度的增加，胫股关节面后外、前外象限应力明显增大，这样有可能在负载时，作用于充有液体的多空介质的关节软骨上的压应力不易及时的从接触区中心扩散出去，以至压应力在短时相内相对集中而作用于接触区，结果出现类似冲击负荷对软骨组织的损害效应，从而提示，这种类似冲击损害效应可能是膝关节失稳后出现关节退变的重要原因^[11] 。②胫股关节接触面各象限的接触面积发生重新分配时，造成负重区中间关节液流动的障碍，使软骨从关节液中获得的营养成分减少，从而使软骨细胞在缺少水和营养的环境中发生固缩和坏死，继而加速膝关节骨性关节炎的发生。由此可见，胫骨侧方成角后膝关节稳定性降低，胫股关节面软骨的损害是导致创伤性关节炎的主要原因。所以临床上在处理胫骨骨折时，对于大于5°的胫骨侧方成角都要给予纠正，应尽可能恢复胫骨的解剖复位。
3.4 本实验局限性 本实验仅考虑到胫骨骨折侧方成角后对胫股关节的影响，缺少对前后成角及旋转移位时胫股关节生物力学改变的实验，作者计划今后继续深入研究，使结果更为完善。

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