踝关节韧带损伤对关节生物力学的影响和治疗方案选择

摘要

目的：
　　1.通过新鲜冰冻尸体踝关节标本，制作各种模型分成正常组，下胫腓联合部分损伤（下胫腓前韧带）组，下胫腓韧带全部损伤组，测试、比较各组各种生物力学特性，探究下胫腓联合损伤的危害性，强调下胫腓联合完好的重要性。
　　2.通过比较正常踝关节与下胫腓联合完全损伤后单螺钉固定后踝关节生物力学特性，探究单螺钉固定下胫腓联合后在提供下胫腓联合稳定的同时，是否提供类拟正常踝关节的生物力学环境以利于韧带愈合。同时通过比较下胫腓联合完全损伤后单螺钉固定组，下胫腓联合部分损伤（下胫腓前韧带）组，下胫腓韧带全部损伤组，测试、比较各组各种生物力学特性，探究下胫腓联合损伤完全损伤后单螺钉固定后能否改善损伤后踝关节生物力学环境。
　　3.以新鲜冰冻人踝关节标本模拟涉及内侧三角韧带，下胫腓联合同时损伤的踝三柱损伤的手术方式，比较各种手术方式对踝关节生物力的影响，探究何种手术方式更利于踝关节的康复，以减少此类损伤的病残率。
　　方法：
　　1.采用6具成年新鲜踝关节标本（暨南大学），左、右各3具，男性4具，女性2具，尸体年龄70-80岁（平均74岁），尸体标本的制作、储存、转运等准守相关法规，符合伦理学规定。所有标本均经过肉眼观察及X光照片检查，排除骨折、感染、肿瘤及解剖学变异等情况。所有标本行单光子X线骨密度检查，检查部位为标本跟骨，结果显示未有明显骨质疏松的标本。标本准备:实验前24小时取出，室温下(20-25℃)过液自然解冻。自踝关节上25cm离断，保留小腿及足、踝。
　　2.标本分组及制备:A组:（正常组）踝关节内、外侧韧带，下胫腓联合完好。B组:把A组下胫腓联合前韧带切断，作为下胫腓联合部分损伤（下胫腓前韧带）组。C组:把B组标本下胫腓联合完全切断;在第一部分作为下胫腓联合切断完全断裂组;在第二部分，作为模拟内、外侧韧带损伤后予以形态和张力完全修复重建，下胫腓联合未固定的手术方法组。D组:把C组标本下胫腓联处给予一枚3.5mm的皮质骨螺钉固定;在第一部分作为下胫腓联合完全损伤后单螺钉固定组;在第二部分，作为模拟内、外侧韧带损伤后予以形态和张力完全修复重建，下胫腓联合固定的手术方法组。E组:把D组标本的内侧三角韧带切断。作为模拟踝关节外侧韧带损伤后予以形态和张力完全修复重建，固定下胫腓联合，内侧韧带损伤未予修复的手术方式组。
　　3.力学实验操作按照A、B、C、D、E组的顺序进行实验，每组的6例标本依次进行5种状态下的力学测试:①背伸10°;②内翻20°;③外翻10°;④跖屈20°;⑤中立位。
　　4.电子压力传感器的放置:当标本被固定于BOSE材料试验机上之后，每个标本切开踝关节囊前壁皮肤暴露关节腔，在分离组织过程中，注意切勿损伤关节囊前方的肌腱和韧带，保护好胫距关节的上下关节面。将电子压力传感器(K-Scan4000，TeKscan，Inc，USA)植入踝关节腔内，贴片过程严格按照操作规范。实验中，注意用等渗盐水喷洒标本，尽量减少实验造成的组织变性。
　　5.实验参数的设置:实验参数的设置参考了既往实验与预实验的结果，保护标本不受破坏以达到重复测量的目的。材料试验机参数为50N/S速度，轴向载荷施加至700N，对所有标本均采用一直的实验参数以保证数据的可靠性。每测量均加载、卸载3次，加载、卸载间隔50S，只记录第3次结果，这样可以减少踝关节粘弹性的影响，得到相对稳定的运动学测量数据。加载过程中的由材料机实时输出实验数据，并由I-Scan工具平台PC端记录与保存。
　　6.数据的收集:通过软件的数据分析系统，按照预先的实验要求，对标本每个实验状态下的3次实验过程进行数据提取，选择其中关节接触面积、关节内应力的数据，进行数据分类与整理，绘制出相应的关节接触面积、应力值等实验图表，记录并分析接触而积、应力大小，受力位置等各项实验数据。
　　7.统计学处理:
　　统计的数据包括踝关节的胫骨距骨关节面的受力面积大小，受力面积上的平均应力大小，以及受力面的受力情况图像。进行分析的数据包括受力面积与平均应力两项，数据采用均数±标准差((x)±s)的形式描述。
　　第一部分对以下实验状态进行统计分析:(1)比较踝关节周围韧带完整状态（A组）与不同的韧带损伤状态（B/C/D组）下的受力面积与应力大小;(2)比较下胫腓前韧带损伤（B组）与下胫腓联合完全损伤状态（C组）下的踝关节面受力面积与应力大小;(3)比较下胫腓联合损伤后给予螺钉固定（D组）与不予固定的状态（B/C组）下的踝关节面受力而积与应力大小。
　　第二部分对以下实验状态进行统计分析:(1)比较踝关节周围韧带完整状态（A组）与不同的韧带损伤后修复状态（C/D/E组）下的受力面积与应力大小;(2)比较内侧三角韧带修复（D组）与内侧三角韧带不予修复（E组）下的踝关节面受力面积与应力大小;(3)比较下胫腓联合损伤后给予螺钉固定（D组/E组）与不予固定的状态（C组）下的踝关节面受力面积与应力大小。
　　采用IBM SPSS22.0统计学软件对数据进行统计分析。计量资料采用均数±标准差描述，各组间的比较，整体比较采用单因素重复测量方差分析，后续两组比较采用LSD法。定义P＜0.05为差异具有统计学意义。
　　结果：
　　1.第一部分各组在各种状态下受力面积(mm2)结果如下:
　　在各种状态下A组面积最大，其次依次是D组，B组，C组;B组与A组，C组与A组在五种状态下相比较均有统计学差异(P＜0.05);D组在背伸、内翻、外翻、中立位与A组相比较有统计学差异(P＜0.05)，但在跖屈位相比较无统计学差异;D组与B组、D组与C组在五种状态下均有统计学上差异(P＜0.05)。
　　2.第一部分各组在各种状态下应力大小结果如下:
　　在各种状态下A组应力最小，其次依次是D组、B组、C组;B组与A组，C组与A组在五种状态下相比较均有统计学差异(P＜0.05);D组在内翻、中立位与A组相比较有统计学差异(P＜0.05)，但在背伸、外翻、跖屈位与A组相比较无统计学差异;D组与B组，D与C组在五种状态下均有统计学差异(P＜0.05)。
　　3.第二部分各组在各种状态下受力而积(mm2)结果如下:
　　在各种状态下，A组受力面积最大，其次依次是D组，E组，C组;在各种状态下C组与A组，E组与A组相比较均有统计学差异(P＜0.05);D组在背伸、内翻、外翻、中立位与A组相比较有统计学差异(P＜0.05)，但在跖屈位无统计学差异;D组与C组，D组与E组在五种状态下相比较均有统计学差异(P＜0.05)。
　　4.笫二部分各组在各种状态下应力(Kpa)大小结果如下:
　　在各种状态下，A组应力最小，其次依次是D组，E组，C组;在各种状态下，A组与C组相比较均有统计学差异(P＜0.05);A组与E组在内翻、外翻位相比较有统计学差异(P＜0.05)，但在背伸、跖屈、中立位相比较无统计学差异;A组与D组在内翻位，中立位相比较有统计学差异(P＜0.05)，但在背伸、外翻、跖屈位相比较无统计学差异;D组与C组在各种状态下相比较均有统计学差异(P＜0.05);D组与E组相比较在背伸、外翻位有统计学差异(P＜0.05)，在其他位置无统计学差异。
　　结论：
　　1.当单纯下胫腓前韧带断裂，或下胫腓联合完全断裂时，在踝关节的各种状态下，均会引起踝关节面受力面积减少，相应的关节面应力呈增大趋势。而当行下胫腓联合处被螺钉4层皮质固定以后，踝关节面受力面积与应力虽在有些状态下未能完全恢复正常踝关节生物力学特性，但却明显优于断裂后未予固定的两组。由上述结果可以推断，当临床上遇到下胫腓联合损伤的病人，如不能有效固定下胫腓联合，则可能会引起术后踝关节不稳，关节面受力面积降低，应力增加，有发生创伤性关节炎的危险。相反，如稳固固定了受损的下胫腓联合，即较好地改善了，下胫腓联合断裂后的生物力学环境，减少应力集中，有利于韧带的愈合及功能的恢复，减少关节炎发生的可能。但如何更佳地修复固定下胫腓联合还需要进一部探究。
　　2.在踝关节韧带损伤同时导致内、外侧副韧带（骨）断裂、下胫腓韧带完全断裂时;尽管内、侧韧带同时完好（或修复），并且有效固定下胫腓联合以后，踝关节面受力面积与应力虽在有些状态下未能完全恢复正常踝关节生物力学特性，但却明显优于单纯使内、外侧副韧带完好（或修复）而不固定下胫腓联合;或者单纯使外侧副韧带完好（或修复），固定下胫腓联合而不修复内侧副韧带。故临床上遇到此类患者，需对踝关节三柱韧带均给予修复，以减少只处理两柱而引起的应力集中，从而使患者术后尽可能恢复运动功能，避免术后踝关节顽固性疼痛及创伤性骨性关节炎的发生。但当踝关节三柱同时损伤时，应如何同时修复、固定仍需进一步探究。
　　3.本研究的不足之处在于:1、由于标本来源困难，如能增加标本数量，研究将更完美。2、本研究对旋转的生物力学未作研究，有待下一步研究补充;3、本研究加载力量只模拟了人体正常站立时状态，但人体行走、跑步时踝关节承载力量远远大于站立力量。所以以上研究在模拟行走，跑动的生物力学情况，仍需进一步研究。由于研究存在以上不足，下一步将予以完善，并结合大量病例对照，把研究结果应用于临床工作中;4、如何更佳地修复固定下胫腓联合和如何同时修复、固定踝关节三柱损伤仍需进一步探究。

目录

摘要

前言

第一部分 踝关节下胫腓联合损伤及固定对踝关节生物力学的影响

1．引言

2．材料与方法

2．1 材料

2．2 方法

2．3 力学实验

2．4 统计学处理

3．实验数据与结果

3．1 各组在各种状态下受力面积(mm2)结果

3．2 各组在各种状态下应力(Kpa)大小结果

3．3 各组在各种状态下主要受力部位

4．讨论

4．1 实验相关问题

4．2 解剖学基础

4．3 实验结果分析

4．4 下胫腓联合损伤的诊断

4．5 下胫腓联合修复的重要性与临床意义

4．6 总结

参考文献

第二部分 不同手术方式治疗踝关节韧带复合体损伤的生物力学评价

1．引言

2．材料与方法

2．1 材料

2．2 力学实验

2．3 统计学处理

3．实验数据与结果

4．讨论

4．1 实验设计分析

4．2 解剖学基础

4．3 三角韧带损伤与诊断

4．4 实验结果分析

4．5 总结

参考文献

全文小结

中英文缩略词对照表

攻读博士学位期间成果

致谢

统计学审稿证明

声明