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编号:10280525
兔膝挛缩髌韧带应力松弛及蠕变特性的研究
http://www.100md.com 《中国康复医学杂志》 1998年第5期
     作者:倪国新1 成海平2 吴宗耀2

    单位:1 南京军区总医院康复医学科,南京市中山东路305号,210002;2 重庆西南医院康复理疗科

    关键词:制动;挛缩;膝关节;髌韧带;应力松弛;蠕变

    中国康复医学杂志980505 摘要 目的:探讨兔挛缩膝关节髌韧带的应力松弛和蠕变特性,为临床治疗提供理论依据。方法:将兔膝关节伸直位制动6周,复制伸直型挛缩膝关节模型,然后分别在37℃、42℃的条件下,对正常组和制动组髌韧带行应力松弛和蠕变试验。结果:正常组和制动组髌韧带均表现出较明显的应力松弛和蠕变现象;无论是正常组还是制动组,37℃和42℃之间髌韧带的最大应力松弛率、最大蠕变率均无显著性差异(P>0.05),制动组42℃时髌韧带的最大蠕变率较正常组42℃有显著性增加(P<0.01)。结论:髌韧带的这种应力松弛和蠕变特性可从机理上解释牵引、夹板等疗法在挛缩关节康复治疗中的有效性;37℃和42℃的温差对髌韧带的最大应力松弛率和最大蠕变率均无显著性影响。
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    A study on stress relaxation and creep of patellar ligament on knee contraction/NI Guoxin,CHENG Haiping,WU Zongyao//Chinese Journal of Rehabilitation Medicine,1998,13(5):209~211

    Abstract Objective:To discover the properties of stress relaxation and creep of patellar ligament(PL) on knee contraction in rabbits.Method:The knee of rabbits were immobilized in extension position for 6 weeks,then the properties of stress relaxation and creep of PL and the effect of temperature on them were investigated at 37℃ and 42℃.Result:Either in normal or in immobilized group,the stress relaxation and creep of PL were all obvious,and the maximum stress relaxation rate and maximum creep rate were not significantly different between 37℃ and 42℃.At 42℃,the maximun creep rate of PL in immobilized group increased significantly than normal group(P<0.01).Conclusion:Effects of the therapeutic methods such as traction therapy,static splinting,etc,for the rehabilitation of joint contracture were explained mechanically by this study.Effects of 5℃ temperature difference on the properties of stress relaxation and creep of PL were not significant either in normal or in immobilized group.
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    Author′s address Dept. of Rehabilitation,Nanjing Military General Hospital,210002

    Key words Immobilization;Contracture;Knee;Patellar ligament;Stress relaxation;Creep

    关节挛缩是康复医学中常遇到的问题之一。目前对关节挛缩最常采用的康复措施有牵引、夹具(夹板和支具)、运动等,它们实质上都是利用生物软组织粘弹性的力学疗法〔1,2〕。在软组织生物力学方面,以往的研究大多仅限于对组织应力-应变关系等方面〔3,4〕,而在挛缩关节的康复治疗中,更多的利用了软组织的应力松弛(stress relaxation)、蠕变(creep)等特性。如夹具实质上是软组织应力松弛特性的应用,而牵引即是利用了软组织的蠕变特性。因此对挛缩关节周围软组织的应力松弛及蠕变等特性进行研究,对了解挛缩关节的治疗原理、改善治疗方案、提高疗效等都有重要的意义。
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    关节长期的制动最终将导致关节挛缩〔5,6〕。本实验将兔膝关节伸直位制动6周以复制伸直型挛缩膝关节模型,从而探讨正常和挛缩膝关节髌韧带的应力松弛及蠕变等特性,以及温度对它们的影响,以期为挛缩关节的康复治疗提供必要的理论依据和实用参数。

    1 材料和方法

    1.1 实验动物分组及模型制备

    家兔40只,随机均分为正常和制动组,每组20只,以左后肢作为试验侧。将制动组兔的左后肢从腹股沟到趾头行石膏管型固定,膝关节伸直180°位,踝关节背屈60°位,共制动6周。

    1.2 观察内容和测试指标

    1.2.1 股胫角测量〔7〕:将兔左侧大腿平放固定在桌面上,在小腿上施加0.5N*m的初始力矩使膝关节被动屈曲,稳定后测量股胫角,即由股骨外髁分别引线至股骨大转子和外踝,二线之间的夹角。
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    1.2.2 力学试验:处死动物,分离试验侧膝关节,获取髌骨-髌韧带-胫骨组合体标本。标本取出后,首先测量髌韧带在无应力状态下的初始长度(L0),即从髌取远端至其胫骨附着处近端之间的距离。使用软组织截面面积测微仪测量髌韧带的截面面积〔8,9〕

    将组合体固定在特制的夹具上,髌韧带长轴方向与胫骨成45°角,以使髌韧带长轴与其胶原纤维的走向基本一致〔8,9〕。然后再把夹具固定在CSS-1102C型电子万能试验机上,使试件的纵轴与其受力方向相一致。整个试件与夹具都浸泡在特制的恒温水箱中,其中充满0.9%的NaCl溶液。将水箱温度调至所需的37±0.5℃或42±0.5℃,待试件浸泡10min后,以5mm/min加载速率、在0~5MPa应力范围内对试件进行预调,共5次,然后正式进行应力松弛及蠕变试验,具体方法如下:

    应力松弛试验:以5mm/min的加载速率,将髌韧带拉伸至1.1L0长(即λ=1.1),停止拉伸,保持试件长度不变,记录应力、时间值。
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    蠕变试验:以5mm/min的加载速率对试件进行拉伸,直到试件应力达到4MPa,然后停止加载,保持此应力不变,记录位移、时间值。

    2 结果

    股胫角测量结果:由于正常组兔膝关节屈曲范围均超过90°,将其股胫角均记为90°,而制动组兔膝关节的股胫角在133.5°~145.0°之间,说明制动6周后,膝关节活动范围明显受限,表现为伸直型膝关节挛缩。

    髌韧带的应力松弛率和蠕变率的计算:假设髌韧带受力拉伸其长度由L0至L1时,其初始应力为T1,保持试件长度不变,经过一段时间之后,其应力变为T2,则:

    髌韧带的应力松弛率=(T1-T2)/T1×100%
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    (1)

    假设髌韧带受力拉伸其长度由L0至L1后,保持此应力不变,经过一段时间之后,其长度变为L2,则:

    髌韧带的蠕变率=〔(L2/L1)-1〕×100%

    (2)

    经过202s后髌韧带的最大应力松弛率及最大蠕变率的结果见附表,可见同一组中(正常组或制动组),37℃和42℃的温差对髌韧带的最大应力松弛率及最大蠕变率均无显著性影响(P>0.05),同一温度下制动组与正常组之间髌韧带的最大应力松弛率并无显著差异(P>0.05),37℃时制动组髌韧带的最大蠕变率与正常组之间亦无显著性差异(P>0.05)。而在42℃时制动组髌韧带的最大蠕变率大于正常组,二组之间有显著性差异(P<0.01)。
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    根据试验结果制作出不同状况下髌韧带的应力松弛率-时间曲线、蠕变率-时间曲线(见图1,2),从中可以看出髌韧带的应力松弛率和蠕变率随时间而变化的情况。

    附表 髌韧带的最大应力松弛率及蠕变率

    (±s,n=10) 组 别

    最大应力松弛率(%)

    最大蠕变率(%)

    正常组

    37℃

    42.74±6.09

    1.74±0.61
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    42℃

    41.75±3.99

    1.34±0.42

    制动组

    37℃

    40.74±6.68

    2.40±1.18

    42℃

    46.48±6.48

    2.65±0.56

    42℃时正常组与制动组比较①P<0.01
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    图1 髌韧带的应力松弛率—时间关系曲线

    图2 髌韧带的蠕变—时间关系曲线

    3 讨论

    关节周围软组织缩短所致的关节活动范围受限称为关节挛缩,目前对挛缩关节的康复治疗手段很多〔10~14〕:如常用的持续恒力牵引疗法(traction therapy)、动态夹板(dynamic splinting)、系列石膏塑形(serial plaster casting)、静态夹板(static splinting)、静态进展型牵伸法(static progressive stretch,SPS)等,尽管疗法种类繁多,然而实质上都是利用了软组织的粘弹性特性。

    应力松弛和蠕变特性是生物软组织的两个重要特性。应力松弛是指物体受外力作用突然发生形变,保持长度不变,该物体内应力随时间而逐渐减小的现象。常用的夹板等疗法实质上就是利用了软组织的应力松弛特性:将挛缩关节的两端肢体保持在一定的角度(较关节主动活动度增加5°~10°),随着时间的延长,关节周围软组织内所承受的应力逐渐减小,此后进一步增加关节的矫形角度,如此重复进行使得关节活动范围不断增加。蠕变是指一个物体突然受到应力的作用,此后保持此应力不变,该物体继续发生形变的现象。常用的牵引等疗法便是软组织蠕变特性在挛缩关节康复治疗中的应用:通过在挛缩关节的远端肢体上施加一恒定的牵引力,使关节周围的挛缩组织发生有时间依赖关系的伸长变形——即蠕变,关节的活动范围不断改善,从而达到治疗挛缩关节的目的。
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    尽管在临床中早已应用了软组织的粘弹性特性来对挛缩关节进行治疗,而且其疗效也是肯定的,但我们并没有对软组织,特别是挛缩关节周围的软组织进行深入的研究,而使康复治疗缺乏科学的理论和指导。在软组织生物力学方面,过去对其应力松弛及蠕变特性研究很少。通过对挛缩关节周围软组织的应力松弛、蠕变特性进行研究,可为挛缩关节的康复治疗提供必要的理论依据。本研究表明,无论是正常组还是制动组,髌韧带均表现出较明显的应力松弛及蠕变特性,从图中可看出髌韧带的应力松弛率及蠕变率随时间而逐渐变化的规律,髌韧带的应力松弛在开始阶段变化很快,以后则逐趋平稳;髌韧带的蠕变率也表现出相似的规律,其中制动组42℃髌韧带的最大蠕变率较其他各组要高,与正常组42℃之间有显著性差异。髌韧带的之中应力松弛和蠕变特性,可从机理上解释夹板、牵引等疗法在关节挛缩康复治疗中的有效性。

    在挛缩关节的康复治疗中,行牵引、被动运动等力学疗法之前,常先结合使用温热疗法以提高疗效,但温度对软组织的生物力学特性有何影响目前尚无定论。本研究结果表明:无论是正常还是挛缩膝关节,37℃与42℃的温差对髌韧带的最大应力松弛率、最大蠕变率均无显著影响。要明确温热疗法通过何种途径起作用还有待进一步探讨。
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    当然本研究仅仅是一个初步的探讨,组织的离体研究与在体研究之间有很大的差异,而整个关节又受到很多因素的综合影响。要对挛缩关节的康复治疗进行定量的评定和指导,还有很长的路要走。

    4 参考文献

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    收稿日期:1997-09-18, http://www.100md.com(倪国新1 成海平2 吴宗耀2)