Lisfranc韧带对跖跗关节稳定性的影响：解剖学测量及生物力学
研究实验方案

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.20.005

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：
跖跗关节：是由一系列的跖骨、楔骨和骰骨，以及其间相应的关节组成的精细复杂的多关节系统。跖跗关节是构成足弓的重要组成部分，位于足弓的最高点，在足的站立、行走、跳跃的过程中肩负的重要使命。
Lisfranc韧带：位于足底，连接于内侧楔骨和第2跖骨基底之间，第2-5跖骨基底之间有横向的韧带连接，而第1-2跖骨基底之间没有横向的韧带，所以Lisfangc韧带是唯一连接于第1、2跖骨之间的韧带连接，其完整性对于关节的稳定十分重要。

摘要
背景：在第二跖骨和内侧楔状骨之间的3条韧带中，Lisfranc韧带最强壮，其强度是背侧韧带的3倍，所以Lisfranc韧带对于维持第2跖骨和内侧楔骨之间的稳定至关重要，但单纯Lisfranc韧带的损伤对跖跗关节稳定性的研究，国内外均末见报道。
方法/设计：解剖学测量及生物力学实验。①采用防腐尸体标本，对Lisfranc韧带的起点、止点、走行、长度、宽度及厚度进行解剖学观测及统计。②选择新鲜人体足部标本，利用生物力学测试方法，依次切断背侧韧带、Lisfranc韧带和跖侧韧带分别加载，采用引伸计测量不同负载下第一、二跖骨基底之间的位移变化，探讨Lisfranc韧带对跖跗关节稳定性的影响。
讨论：实验利用生物力学测试方法，探讨Lisfranc韧带对跖跗关节稳定性起何作用，同时通过对Lisfranc韧带的解剖学观测，提高临床上对Lisfranc韧带重要性的认识，为临床跖附关节损伤的治疗提供理论依据。
伦理批准：研究经广州市正骨医院医学伦理委员会批准。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程
ORCID: 0000-0002-2004-9405(苏博源)

关键词: 组织构建, 组织工程, 跖跗关节, Lisfranc韧带, 稳定性, 解剖学测量, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: Lisfranc ligament is the strongest one among three ligaments between the second metatarsal bone and the medial cuneiform, and it is critical for maintaining the stability between the second metatarsal bone and the medial cuneiform because Lisfranc ligament is three times stronger than the dorsal ligament. However, there have been no reports addressing the effects of Lisfranc ligament injury on the stability of tarsometatarsal joints.
METHODS/DESIGN: An anatomical and biomechanical study was performed. Anatomical measurements were performed in the origin, terminal, path, length, width, and thickness of Lisfranc ligament utilizing cadaverous embalmed specimens. In the experiment on fresh-frozen cadaveric specimens, the displacement changes between the first and the second metatarsal base under different loading were measured with biomechanical analysis after the successively resected dorsal ligament, Lisfranc ligament, and plantar ligament were loaded, respectively, exploring the effect of Lisfranc ligament on stability of tarsometatarsal joints.
DISCUSSION: This study provides the theoretical basis for the treatment of tarsometatarsal joint injury in the clinic through exploring the effects of Lisfranc ligament on stability of tarsometatarsal joints. The attention should be paid to Lisfranc ligament by the physicians when the tarsometatarsal joint injury occurs.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Tarsal Joints, Ligaments, Articular, Biomechanics

中图分类号:

R318

苏博源，孙占东. Lisfranc韧带对跖跗关节稳定性的影响：解剖学测量及生物力学
研究实验方案[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(20): 2921-2926.

Su Bo-yuan, Sun Zhan-dong. Effects of Lisfranc ligament on stability of tarsometatarsal joints: an anatomical and biomechanical study[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(20): 2921-2926.

图/表（结果） 2

7 指标与观察 Outcome measurement

7.1 主要观察指标明确韧带完整组、切断背侧韧带组、切断背侧和Lisfranc韧带组、韧带全切断组的应力应变及第一、二跖骨基底之间位移变化。

采用引伸器测量技术，将第一二跖骨基底之间轻微的位移变化通过克氏针传递给引伸器，使机械信号转变为电信号，通过电脑记录下不同负荷对应的位移变化。7.2 次要观察指标游标卡尺测量经防腐处理、乳胶灌注的成人足标本Lisfranc韧带的长、宽、厚指标。

7.3 实验观察指标一览表见表1。

8 统计方法 Statistical analysis

8.1 研究假设所有假设检验均为双侧检验，P < 0.05认为差异有显著性意义。

8.2 标本数防腐处理成人足标本32侧，6具新鲜尸体标本。

8.3 实验分析使用统计软件SPSS 13.0完成数据统计工作。计量资料(如第一、二跖骨基底之间位移、Lisfranc韧带的长、宽、厚等)以x(_)±s表示，组间比较采用two way ANOVA检验。

8.4 统计分析由不参与生物力学测试和解剖测量的小组人员完成统计工作。在所有数据录入、审核完毕后，统计人员应及时完成统计分析工作，并出具书面统计分析报告。

9 行政部分 Administration

9.1 标本的保存经防腐处理、乳胶灌注的成人足标本和新鲜尸体标本保存在广东省医学生物力学重点实验室，新鲜尸体标本用双层塑料包裹，置于深低温冰柜冻存，由专人保存。实验前12 h取出，在室温状态下自然解冻。

9.2 数据质量保证 ①实验操作者认真填写数据观察记录表，在记录过程中要做到不遗漏项目，经常检查原始资料的准确性，保证准确无误。②监察员应定期确认所有的数据记录正确完整，与原始记录一致。③由2个数据录入员分别将数据双份输入计算机数据库中。

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引言

1 实验设计 Study design

1.1 实验设计类型解剖学测量及生物力学实验。

1.2 实验设计的描述在防腐尸体标本上对Lisfranc韧带进行解剖学测量；利用新鲜人体足部标本做生物力学测试。

1.3 实验完成地点中国，广州，广州市正骨医院及广东省医学生物力学重点实验室。

2 学术背景及理论基础 Academic background and theoretical basis

2.1 前言 Lisfranc骨折脱位是指发生在坚固的中足与负重的前足之间的骨折脱位，可以引起跖跗关节、前方跗骨间关节及近侧跖骨间关节的损伤，骨折脱位如果不能正确复位，有可能导致足部慢性疼痛及畸形。Lisfranc骨折脱位的发生率有文献报道占全身骨折的0.02%左右^[1-2]，随着交通伤等高能量损伤的增多，近年来其发生率呈逐年上升的趋势^[3-4]。由于Lisfranc骨折脱位的临床表现复杂，国外文献报道其误诊率达20%^[5-6]，因此，Lisfranc骨折脱位的真实发生率可能更高。

跖跗关节由3块楔骨和骰骨的远侧面与5个跖骨底构成，位于足背的中部，是足弓的最高点，其作用主要是负重，维持足弓，在足的站立、行走、跳跃等各项运动过程中负责重力的传递^[7-8]。跖跗关节损伤主要表现为中足疼痛、负重困难，由于可能的自行复位可致畸形。

跖跗关节除了各种骨性结构外，各个小关节之间有众多坚强韧带连接，以增加足弓的稳定性。跖跗关节中远排跗骨与第1-5跖骨基底组成4个独立关节，每一个关节背侧有背侧韧带加强，跖侧有跖侧韧带加强，横向跖骨基底间则由横韧带加强，在第一、二跖骨基底间没有横韧带连接，其稳定主要由Lisfranc韧带维持^[9-10]。Lisfranc韧带是第二跖骨基底跖内缘和内侧楔骨外缘间的骨间韧带(图1)，连接内侧柱和中间柱，是维持跖跗关节稳定的重要因素，Lisfranc韧带损伤经常导致整个跖跗关节的稳定丧失^[11-12]。
2.2 背景研究第二跖骨和内侧楔骨间的跖侧韧带、背侧韧带和Lisfranc韧带的强度和重要性很多学者做了相关研究。de Palma等^[14]报道背侧韧带相对跖侧韧带瘦小，而Lisfranc韧带较跖侧韧带相对粗大，但是他只是从韧带的解剖形态上观察，没有对3条韧带做定量的研究。郭洪亮等^[15]对成人尸体标本进行解剖，获得了Lisfranc关节及韧带详细形态学参数，Lisfranc韧带长(8.67±1.15) mm，宽(8.16±1.37) mm，厚(1.69±0.21) mm，同时通过做苏木精-伊红染色后，了解到Lisfranc韧带与周围组织的组织学特性，不过他们没有进行Lisfranc韧带的生物力学研究。Kura等^[16]对跖侧韧带和Lisfranc韧带进行离体的研究，Lisfranc韧带的强度、断裂负载较跖侧韧带大得多，可以承受(449±58) N的负荷。闫荣亮等^[17]则进行了Lisfranc韧带的拉伸生物力学研究，他们发现沿Lisfranc韧带走形方向，Lisfranc韧带对抗拉力能力远强于采用2.0 mm克氏针、3.0 mm空心螺钉，而与4.0 mm空心螺钉接近。张学斌^[18]应用正常成人新鲜尸体标本，研究生理状态下Lisfranc韧带对前足稳定性的影响，通过万能生物力学机记录不同载荷下标本的变化，结果发现在第二跖骨和内侧楔状骨之间的稳定维持中，Lisfranc韧带更重要，而背侧韧带和跖侧韧带的作用相对较小；Lisfranc韧带损伤可影响足内侧柱和中间柱之间的稳定性。有作者研究了组成足横弓的5个跖骨头，认为它们均是重要的负重结构，在不同的步态时相均匀地承担不同比例的体质量^[19]，但是足跟在逐渐抬起的过程中，足的负重由第一跖附关节向第二跖附关节转移，在这一负荷转移的过程中Lisfranc韧带起何作用？而单纯Lisfranc韧带的损伤对跖跗关节稳定性的研究，国内外均末见报道。因此，作者设计了此次尸体标本实验，为临床跖跗关节损伤的治疗提供理论依据。

2.3 前期实验介绍作者所在研究小组团队是广东省首家以足踝外科为主的诊治中心，团队成员长期从事足踝专科临床工作，对Lisfranc骨折脱位的治疗有较强的认识。洪劲松等^[20]针对Lisfranc关节损伤，使用闭合复位克氏针内固定，取得了较满意的疗效。潘永雄等^[21]总结了陈旧性Lisfranc骨折脱位的治疗经验，认为陈旧性Lisfranc骨折脱位多因早期漏诊或诊断后治疗不当所致，其后期功能障碍与复位不彻底及固定不牢固有关，而解剖复位与内固定仍是治疗陈旧性Lisfranc骨折脱位的有效方法。

2.4 研究的理论依据跖跗关节损伤是一种毁灭性的损伤，可以导致退化性关节疾病、进行性足弓塌陷及跖跗关节慢性疼痛等长期的后遗症，而恢复受累关节的解剖复位是临床修复跖跗关节损伤的关键^[22-23]。对于第二跖骨和内侧楔状骨之间的3条韧带，生物力学研究表明，其强度背侧韧带< 跖侧韧带< Lisfranc韧带，Lisfranc韧带的强度是背侧韧带的3倍^[24-25]，所以Lisfranc韧带对于维持第2跖骨和内侧楔骨之间的稳定至关重要，因此对于跖跗关节脱位患者重建Lisfrane韧带十分必要。鉴于跖跗关节的重要性，近年来国内外许多学者对附跖关节解剖及附跖关节损伤的治疗等方面进行了一系列研究^[26-30]，但还没有单纯Lisfranc韧带损伤对跖跗关节稳定性的研究，所以本文探讨Lisfranc韧带对跖跗关节稳定性的作用。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

3 研究目的 Study purpose

3.1 主要目的采用引伸计测量负荷下第一、二跖骨间位移变化情况，探讨Lisfranc韧带对跖跗关节稳定性的作用。

3.2 次要目的对Lisfranc韧带进行解剖学观测，提高临床应用对Lisfranc韧带重要性的认识。

4 标本的选择 Recruitment

4.1 入选标准

(1)成年人足部标本。

(2)经防腐处理、乳胶灌注的足标本。

(3)新鲜尸体足部标本。

4.2 排除标准

(1)所用标本大体观察排除畸形者。

(2)所用标本经X射线摄片排除严重骨质疏松者。

(3)所用标本经大体观察和X射线摄片排除骨性组织破坏等病理异常。

5 实验方法 Experimental procedure

5.1 Lisfranc韧带的解剖学观测经防腐处理、乳胶灌注的成人足标本32侧，大体解剖观察韧带的起、止点和走行，游标卡尺(精确度0.02 mm)测量Lisfranc韧带的长、宽、厚指标，并进行统计分析。

5.2 Lisfranc韧带对跖跗关节稳定性的生物力学研究

模型制备：取6具正常成人新鲜尸体标本，在踝关节以上20 cm处横行截断胫腓骨，剔除近段5 cm皮肤、肌肉等软组织，保留胫腓骨间膜，标本近端用聚甲基丙烯酸甲脂包埋处理，包埋盒与胫腓骨垂直，以保持向下加载时踝关节位于中立位。并将尸体标本标号，便于以后实验和统计分析。

生物力学测试：自制胫腓骨夹具，将小腿标本牢固固定于夹具中。在模型制作过程中，小腿标本需始终保持直立位，以便标本平稳地受载，确保实验精度。将包埋好的标本置于万能生物力学机上，标本下方通过特制的防滑界面，上方连接加载装置。解剖第一二跖跗关节皮肤，暴露第一二跖跗关节及其间隙。于小腿前方上跨踝关节外固定架固定踝关节于跖屈30°位。于第一跖骨基底背侧，距第一跖骨关节面1 cm处打入1枚细克氏针，在第二跖骨基底背侧对应位置打入另一枚细克氏针，之间连接引伸器。第一二跖骨基底之间轻微的位移变化都可通过克氏针传递给引伸器，使机械信号变形转变为电信号，通过电脑记录下不同负荷对应的位移变化。生物力学仪加载，以10 N/s的速度向标本顶端施加压力至最大压力100 N，保持最大载荷5 s后卸载。

依次切断背侧韧带、Lisfranc韧带和跖侧韧带分别加载，电脑记录4个实验组(韧带完整组、切断背侧韧带组、切断背侧和Lisfranc韧带组、韧带全切断组)不同负载下第一二跖骨基底之间的位移变化。

6 研究设计 Study protocol

6.1 研究设计概要单一样本研究，解剖学测量及生物力学实验。

6.2 实验计划实验计划解决2个问题：①Lisfranc韧带的解剖学观测。②Lisfranc韧带对跖跗关节稳定性的生物力学研究。

拟解决的关键问题：①新鲜人体足部标本的采集。②如何将标本不同负载下第一、二跖骨基底之间的位移变化转变为可识别的电能信号，本实验采用引伸器测量技术，将第一二跖骨基底之间轻微的位移变化通过克氏针传递给引伸器，使机械信号转变为电信号，通过电脑记录下不同负荷对应的位移变化。

6.3 实验步骤

(1)取经防腐处理、乳胶灌注的成人足标本，游标卡尺测量Lisfranc韧带的长、宽、厚指标。

(2)取正常成人新鲜尸体足部标本，将标本固定于生物力学实验机上(MTS)，记录韧带完整时不同负载下第一二跖骨基底之间的位移变化(图2)。

(3)切断背侧韧带，记录不同负载下第一二跖骨基底之间的位移变化。

(4)切断背侧和Lisfranc韧带，记录不同负载下第一二跖骨基底之间的位移变化。

(5)韧带全切断，记录不同负载下第一、二跖骨基底之间的位移变化。

6.4 技术路线图见图3。