胫骨高位截骨对膝关节接触应力影响的生物力学研究
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【摘要】 目的 测量胫骨高位截骨手术前后膝内侧胫股关节接触应力的改变，探讨胫骨高位截骨手术对膝关节生物力学的影响。方法 从4具尸体(男尸2具，女尸2具)获得4个膝关节，年龄53～80岁。所有标本实验前均为膝内翻，切除内侧半月板，行胫骨高位外翻截骨，术后胫骨股骨角170度。压敏片技术测量截骨前后的膝内侧胫股关节接触应力。结果 根据测量结果计算截骨前后胫股关节的平均接触应力和最大接触应力，实验数据以配对t检验进行统计学分析。平均接触应力截骨前(4.047±0.217)MPa，截骨后(3.163±0.438)MPa。最大接触应力截骨前(5.455±0.4537)MPa，截骨后(3.8325±0.6335)MPa。结论 胫骨高位截骨可以减轻膝内侧胫股关节的接触应力，这可能是治疗膝内翻内侧间室骨关节炎的机制之一。
【关键词】 胫骨高位截骨；生物力学研究；接触应力；膝内翻
Effect of high tibial osteotomy on tibiofemoral contact pressures:a biomechanical study at human cadaveric knees
WANG Fei，ZHANG Qi.
Department of Joint,Third Hospital of Hebei Medical University，Shijiazhuang 050051
【Abstract】 Objective To investigate the effect of osteotomy on biomechanical parameters such as cartilage pressure and joint kinematics,and to explore the effects of high tibial osteotomy in a human cadaver model.Methods Using pressure sensitive film and low limbs from older human (age range,53～80 yr) cadavers with articular cartilage degeneration,the femur was sectioned transversely 25 cm from the knee joint line.Medial tibiofemoral contact pressures were measured in the extended knee in two conditions:(1) natural knee position (varussimulating single limb stance of gait);(2) after a proximal tibial closing wedge valgus osteotomy (femorotibial angle 170°).Medial meniscectomy was performed before first measure in every case.Results Average medial tibiofemoral contact pressures were (4.047±0.217) MPa preoperatively and (3.163±0.438) MPa postoperatively.Maximum medial tibiofemoral contact pressures were (5.455±0.4537) MPa preoperatively and (3.8325±0.6335) MPa postoperatively.Average and maximum medial tibiofemoral contact pressures were less postoperatively than that preoperatively.Conclusion The valgus osteotomy resulted in contact pressures are less than those in varus.Valgus high tibial osteotomy is an effective treatment for medial gonarthrosis,which may be one of its mechanisms.
【Key words】 high tibial osteotomy;biomechanical study;contact stress;knee varus
膝关节骨性关节炎是临床的常见病，其中以内侧胫股关节发病率最高，并经常合并膝内翻畸形。内侧胫股关节骨关节炎的发病机制被认为与解剖和功能性原因导致的过度接触应力有关。从解剖学角度来讲，内侧半月板更细小，更多内侧的关节软骨缺少覆盖，使内侧胫骨平台的关节软骨较外侧缺少半月板保护，导致在同样关节承重的情况下内侧会有更多缺少半月板覆盖的关节软骨直接承重。从功能角度来讲，单肢承重时(步态周期的单支撑相)膝关节内侧会出现相对的过度负重。Hsu等[1]研究了单肢承重时膝关节应力分布，并报告膝关节应力的75%通过内侧胫骨平台。如膝关节出现内翻畸形，下肢机械轴线内移使内侧胫股关节负荷进一步增加，从而导致内侧间室骨关节炎发生。胫骨高位外翻截骨应用于治疗内侧间室骨关节炎合并膝内翻畸形具有良好效果。手术目的是矫正患肢的机械轴线，将负荷移向膝关节外侧和减轻内侧胫股关节的接触应力[2]。但手术的作用机制和胫骨高位截骨前后膝内侧胫股关节应力的改变需要更进一步的生物力学实验探讨。本实验采用压敏片技术和尸体膝关节(膝内翻)，直接测定外翻10度胫骨高位截骨手术前后关节的接触应力改变。
1 资料与方法
1.1 标本和标本准备 从4具尸体(男尸2具，女尸2具)获得4个膝关节；死者死亡年龄53～80岁。所有标本实验前均为膝内翻，X线片没有发现明显关节间隙狭窄和骨赘形成，但手术时直接观察均存在不同程度退变(1～3级)，股骨保留25 cm，保留完整小腿及足部。行前内侧髌旁切口和半月板前后脚处短横行切口。注意保留交叉韧带和内外侧副韧带完整，切除内侧半月板。因在大多行胫骨高位截骨的患者中，其内侧半月板已损伤，并且多于手术中行内侧半月板的大部或全切术，应用半月板切除的实验模型更接近临床实际。标本固定装置：股骨近端以牙托粉固定在连接加压杆上的夹具中，在固定时保持下肢直立，尽量保持下肢在额状面和矢状面的中立体位。足部固定于台面的夹板中，可根据体位状况适当调整足内旋或外旋位置，使之更接近自然体位。手术操作：膝关节屈曲90度，行膝关节前外侧切口，打开上胫腓关节，切除腓骨上胫腓关节面，透视下于胫骨关节面下2 cm行近端截骨，胫骨结节水平上按术前设计角度行远端截骨。取出楔形骨块，折顶将截骨远端向近端对合，以L钢板固定截骨端。术后胫骨股骨角为170度。
1.2 接触应力的测量 接触应力的测量使用压敏片。压敏片包括两片不同作用的聚酯膜，测压时两片贴在一起，当受压时压敏片会随不同的压力模式出现不同范围的红色压迹，颜色的深浅也会随压力的大小改变。我们使用三种压力范围的压敏片进行预实验，测量结果发现压力范围2.5～10 MPa的压敏片最适合，实验中没有发现关节的压力数值超出压敏片的最大压力上界。对于低于压敏片测量范围时，结合使用0.5～2.5 MPa的压敏片进行测量。根据预压实验测定的内侧胫骨平台负重区的范围与每一个标本的胫骨平台大致形态，剪裁相似大小形状的压敏片，并且使用聚乙烯薄膜密封，用于保护压敏片免于受潮。压敏片厚200 μm，聚乙烯薄膜厚50 μm。压敏片的前后缘处贴以双层窄胶带，用于向前后方向牵拉压敏片，调整在关节内合适的位置。
1.3 实验方案 膝关节标本固定于伸直位，调整近端和远端的固定位置使负重线(机械轴线)通过胫骨平台的位置接近于自然的体位。通过短水平切口，使用贴在压敏片上的胶带将压敏片从前向后拉至关节间隙中的合适位置。以螺钉固定将压敏片上的胶带固定，避免在加压过程中压敏片移动。轴向加压700 N，接近于正常体重的平均值。7 s内垂直加压到最大700 N，在峰值位置保持5 s，然后在5 s之内卸载。轴向的加压过程每个标本重复2次，取两次实验数据的平均值。10度外翻楔形截骨后，重复上述加压过程。在实验进行中间不断向实验标本关节内喷淋生理盐水，避免关节软骨干燥，影响实验结果的准确。采用加湿器、空调等保持室内温度25～30℃，相对湿度35%～80%。并将实验室的室温和相对湿度与实验数据同时记录，用于实验数据的处理。
2 数据处理及结果
应力值读取使用FPD305密度仪和FPD306压力转换器。首先根据压敏片着色压迹，判断测量范围。根据实验中的温度和相对湿度将FPD305密度仪和FPD306压力转换器标定，由FPD305密度仪读取压迹区密度值(在压迹区均匀读取8个点)，通过FPD306压力转换器自动换算后得到应力值。记录应力数值，计算平均接触应力并记录最大接触应力。见表1。
表1 截骨前术后压敏片测量内侧胫股关节接触应力(略)
与术前比较，*P<0.05
3 讨论
3.1 膝关节标本的准备及测量
311 内侧半月板切除的问题 半月板是关节内重要的解剖结构，内侧半月板切除会导致胫股关节接触面积减少到以前的40%，从而在同样负重的情况下内侧关节的接触应力增加。但临床行胫股高位截骨的患者中大多存在不同程度的内侧半月板损伤，手术中一般进行关节镜手术切除大部或全部半月板组织。因此我们于实验前将半月板切除，使之更加符合于临床实际。同时半月板切除后关节内的空间增大，方便压敏片的置入和取出。关节间隙过于狭窄，压敏片置入困难会产生误压，影响实验结果的准确性。因为解剖结构完整，通过髁间窝由前向后插入撑开器，在置入和取出压敏片时撑开关节间隙也可以避免误压。
312 体位 Fukubayashi等[3]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。我们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。
313 压力负荷选择 在膝关节的生物力学测定中，采用的压力负荷的大小目前没有通用标准。Ahmed等[4]在测量标本应力时给予890 N压力，Fukubayashi等[3]使用1 000 N压力，而RieggerKrugh[5]在对膝关节应力测量中使用1 960 N，相当于普通人平均体重3倍，但在实验观察中，楔形切除的角度是5度，并报告在实验中采用更大角度的楔形截骨后标本不能承受1 960 N的负荷。Aglietti[6]、Sprenger等[7]的临床随访显示8～16度外翻角患者远期效果更好，因此我们选择700 N接近于正常人平均体重和外翻10度楔形截骨的手术方法。
3.2 压敏片的使用 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[8]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。RieggerKrugh[5]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[9]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骨关节面压力[10]。
3.3 实验数据分析 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，RieggerKrugh[5]和Fukubayashi等[3]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。我们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两次，如两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。同时我们将实验数据与其他学者的研究相对照，Fukubayashi[3]的实验研究显示切除半月板的膝关节最大接触应力6 MPa，这与我们的实验结果截骨手术前最大接触应力(5.455±0.4537)MPa比较接近。截骨前后内侧胫股关节接触应力的测量结果显示在外翻截骨后，胫骨平台内侧的平均接触应力和最大接触应力均较术前减小。接触应力被众多的因素所影响，如承重量、承重时间、关节姿势、半月板存在与否、膝关节大小、接触面积、关节软骨退变程度、骨赘形成和实验方法等。我们探讨内翻膝关节标本在进行胫骨高位截骨手术前后的胫股关节接触应力的改变，所有标本在进行测量前均切除内侧半月板，截骨后胫骨股骨角达到170度，实验结果显示，截骨手术使内侧胫股关节的接触应力减小。这可能是胫骨高位截骨手术治疗膝内翻内侧间室骨关节炎的机制之一。
参考文献
1 Hsu RWW,Himeno S,Coventry MB,et al.Normal axial alignment of the lower extremity and loadbearing distribution at the knee.Clin Orthop，1990，255:215227.
2 王飞，陈百成，高石军，等.关节镜并胫骨高位截骨术治疗膝内翻骨关节炎.河北医药，2005，27：413414.
3 Fukubayashi T,Kurosawa H.The contact area and pressure distribution pattern of the knee.Acta Orthop Scand，1980，51:871879.
4 Ahmed AJ,Burke DL.In vitro measurement of pressure distribution in synovial jointsPart I:Tibial surface of the knee.J Biomech Eng，1983，105:216225.
5 RieggerKrugh C,Gerhart TN,Powers WR,et al.Tibiofemoral contact pressures in degenerative joint disease.Clin Orthop Relat Res，1998，(348):233245.
6 Aglietti P,Buzzi R,Vena LM,et al.High tibial valgus osteotomy for medial gonarthrosis:a 10 to 21year study.J Knee Surg，2003，16:2126.
7 Sprenger TR,Doerzbacher JF.Tibial osteotomy for the treatment of varus gonarthrosis.Survival and failure analysis to twentytwo years.J Bone Joint Surg Am，2003，85A:469474.
8 Huberti HH,Hayes WC.Contact pressures in chondromalacia patellae and the effects of capsular reconstructive procedures.J Orthop Res，1988，6:499508.
9 Himeno S,Ogata K,Sugioka Y.Three dimensional analysis of the lower extremity alignment of normal and osteoarthritic knees.Trans Orthop Res Soc，1981，6:209.
10 樊继宏，朱青安，赵卫东，等压敏片材料在关节生物力学中的应用.中国医学物理学杂志，2001，18：104106.
作者单位： 050051 石家庄市,河北医科大学第三医院关节科(王飞)；河北医科大学解剖教研室(张奇)
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