足踝部生物力學與臨床相關(guān)性

陳立+馬昕

摘 要 作為惟一直立行走的哺乳類動物，人類足踝部關(guān)節(jié)有著獨特的生物力學特點。踝關(guān)節(jié)在人體行走中穩(wěn)定而又靈活，但踝關(guān)節(jié)的生物力學平衡一旦遭到破壞，相比其他主要關(guān)節(jié)更容易發(fā)生創(chuàng)傷性骨關(guān)節(jié)炎。踝關(guān)節(jié)與后足三關(guān)節(jié)（距下關(guān)節(jié)、距舟關(guān)節(jié)、跟骰關(guān)節(jié)）在步態(tài)運動中形成偶聯(lián)機制，通過扭力轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)足踝部整體剛度以適應(yīng)步態(tài)周期的需要。在足踝部疾病的診斷與治療中，所涉及關(guān)節(jié)的生物力學特點是首要考慮的因素。

關(guān)鍵詞 足踝關(guān)節(jié) 生物力學 骨折 三關(guān)節(jié)融合術(shù)

中圖分類號：R681.8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1533（2014）24-0009-03

直立行走是人類區(qū)別于其他哺乳類動物的根本特征，但足踝關(guān)節(jié)仍存在進化上的弱點，由四足爬行到雙足行走，踝關(guān)節(jié)及足部小關(guān)節(jié)應(yīng)力增加[1]。絕大部分后天足踝關(guān)節(jié)疾患，包括創(chuàng)傷和退行性病變，均直接或間接來自于直立行走的不合理或累積性應(yīng)力。

踝關(guān)節(jié)生物力學與臨床相關(guān)性

踝關(guān)節(jié)的生物力學特點

踝關(guān)節(jié)是人體接觸地面的第一個負重大關(guān)節(jié)，維系著人體的各種運動與平衡，其生物力學特征是“穩(wěn)定中的靈活”。踝關(guān)節(jié)活動范圍較小，在人體所有的大關(guān)節(jié)中最為穩(wěn)定[2]，但也絕不僅是下肢連接足部的兩個“鉸鏈”。踝關(guān)節(jié)在冠狀面上有3°左右的外翻，在矢狀面上有10°左右的前傾，這使其在背伸運動時伴足部外翻，跖屈運動時伴足部內(nèi)翻。踝關(guān)節(jié)背伸時踝穴更為穩(wěn)定，適應(yīng)步態(tài)推進器對于足部剛硬度的需要，在跖屈時更為靈活，使足部在步態(tài)擺動期適應(yīng)不同地形柔韌性的需要。足部共有41個關(guān)節(jié)，占雙下肢關(guān)節(jié)數(shù)量的84%，具有三維解剖結(jié)構(gòu)、復雜微妙的運動功能。在以踝關(guān)節(jié)為主的大運動中包含了足部微動關(guān)節(jié)的三維運動，由此形成了人類站立、行走、跑步中的自然擺動運動與“步態(tài)美”。因此，踝關(guān)節(jié)的解剖軸線、生物力學及功能重建等牽涉的問題較髖、膝關(guān)節(jié)多。正常的踝關(guān)節(jié)極少發(fā)生退變性踝關(guān)節(jié)炎，而一旦踝關(guān)節(jié)的生物力學平衡遭到破壞（如創(chuàng)傷），則相比髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)更易發(fā)展為骨性關(guān)節(jié)炎。另一方面，踝關(guān)節(jié)生物力學的復雜性帶來了人工踝關(guān)節(jié)假體的設(shè)計困難。第二、三代人工踝關(guān)節(jié)假體雖較第一代有長足進步，但相比人工髖、膝關(guān)節(jié)，仍因并發(fā)癥多、使用壽命短而未能在臨床上廣泛開展[3]。

踝關(guān)節(jié)骨折的生物力學與臨床相關(guān)性

運動關(guān)節(jié)損傷中以踝關(guān)節(jié)最為常見，高達64.6%；踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外側(cè)韌帶損傷約占全身韌帶損傷的80%[4]。2000年的踝關(guān)節(jié)骨折發(fā)病率比1970年增加319%，在2000年至2010年的10年間亦有了進一步增加[5]。

在很長一段時間里，我們將內(nèi)、外踝骨折塊移位的多少作為踝關(guān)節(jié)骨折是否需要手術(shù)的指征。Ramsy-Hamilton[6]生物力學實驗顯示，距骨外移1 mm導致脛距關(guān)節(jié)接觸面積減少42%。這一經(jīng)典實驗至今仍是踝關(guān)節(jié)骨折強調(diào)解剖復位的重要依據(jù)。精確地復位脛骨與距骨關(guān)節(jié)面的解剖關(guān)系，構(gòu)建脛距關(guān)節(jié)面在負重及步行條件下的動態(tài)穩(wěn)定，是踝關(guān)節(jié)骨折進行手術(shù)的首要目的和原則，也是術(shù)后判斷創(chuàng)傷性骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生概率及踝關(guān)節(jié)預后的主要依據(jù)。

然而，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)生理性運動條件下距骨異常運動導致動態(tài)脛距關(guān)節(jié)接觸面失匹配[7]關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，是創(chuàng)傷導致踝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生的主要原因。踝穴的穩(wěn)定依靠骨與韌帶組織在水平面及冠狀面構(gòu)成的兩個相扣的環(huán)形鎖鏈狀結(jié)構(gòu)。脛腓骨遠端通過脛腓下聯(lián)合韌帶及骨間膜構(gòu)成水平面上的穩(wěn)定；而內(nèi)外踝則通過內(nèi)外側(cè)副韌帶與距骨滑車形成冠狀面上的穩(wěn)定[6]。踝關(guān)節(jié)骨折是否需要手術(shù)，更多的取決于踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性是否破壞，而不僅僅在于骨折塊移位多少。

腓骨是僅次于三角韌帶的踝關(guān)節(jié)第二重要的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[8-9]，踝關(guān)節(jié)骨折的手術(shù)治療首先復位外踝[5] 。腓骨的位移通過踝關(guān)節(jié)雙環(huán)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的傳導，影響其他穩(wěn)定器的位置與功能。腓骨骨折塊一旦回到其解剖位置，其復位力量通過這兩個環(huán)形結(jié)構(gòu)的傳導，通過“四兩撥千斤”的辦法使脛距關(guān)節(jié)、后踝及內(nèi)踝相應(yīng)地各歸其位。相反，腓骨骨折塊的移位或復位不佳則可能導致“牽一發(fā)而動全身”，破壞整個踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定體系，包括脛距關(guān)節(jié)面的移位。

足部生物力學與臨床相關(guān)性

后足的生物力學特點

踝關(guān)節(jié)（脛距關(guān)節(jié)、下脛腓關(guān)節(jié)）以及后足三關(guān)節(jié)（距下關(guān)節(jié)、距舟關(guān)節(jié)、跟骰關(guān)節(jié)）統(tǒng)稱為踝足四關(guān)節(jié)，其不僅是現(xiàn)代人類直立行走時杠桿推進的中心，更是完成復雜運動的核心結(jié)構(gòu)[10-11] ，從爬行人猿到現(xiàn)代人類，四關(guān)節(jié)的進化是足弓形成的關(guān)鍵[4，12]。跟骨與距骨形成距下關(guān)節(jié)，在矢狀面上前傾41°，水平面上內(nèi)傾23°，距下關(guān)節(jié)將小腿的內(nèi)、外旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)楹笞愕膬?nèi)、外翻運動，再通過跗中（距舟關(guān)節(jié)與跟骰關(guān)節(jié)復合體）將后足運動轉(zhuǎn)變成前足的旋前與旋后。這樣踝關(guān)節(jié)、距下關(guān)節(jié)、附中聯(lián)動實現(xiàn)小腿到后足到中足再到前足的扭力轉(zhuǎn)換，使足部在步態(tài)的推進與擺動之間轉(zhuǎn)換實現(xiàn)剛度與靈活的轉(zhuǎn)換。

踝足四關(guān)節(jié)是全身最復雜的關(guān)節(jié)復合體，在生理運動狀態(tài)下，四關(guān)節(jié)各自的運動及受力發(fā)生瞬時變化，相互間又在時間與空間上存在更為復雜的偶聯(lián)機制，也表現(xiàn)為運動及受力的相互代償。在步態(tài)推進期，距下關(guān)節(jié)內(nèi)翻，距舟關(guān)節(jié)、跟骰關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面成角，使后足關(guān)節(jié)“鎖定”，增加推進期足部的剛度；在步態(tài)擺動期，距下關(guān)節(jié)外翻，距舟關(guān)節(jié)、跟頭關(guān)節(jié)面平行，后足“解鎖”恢復足部柔韌性。在踝關(guān)節(jié)背伸跖屈運動的同時，還協(xié)同距下關(guān)節(jié)主導的內(nèi)、外翻以及距舟、跟骰關(guān)節(jié)主導的內(nèi)、外旋轉(zhuǎn)運動，各個關(guān)節(jié)各個方向的運動組合使踝足關(guān)節(jié)復合體變得非常靈活，在整體上表現(xiàn)出“穩(wěn)定中帶有靈活”的生物力學特征，讓足踝部能夠在不同路況環(huán)境下進行行走和跑跳。

跟骨骨折的生物力學與臨床相關(guān)性

跟骨骨折是足踝部最常見的骨折之一，約占所有骨折的2%[19]，60%～75%的跟骨骨折累及距下關(guān)節(jié)面[20]。因此，跟骨骨折的治療除了需要恢復跟骨的長度與內(nèi)翻角來恢復足踝部的力線，最重要的就是恢復距下關(guān)節(jié)。距下關(guān)節(jié)，尤其是距下關(guān)節(jié)后關(guān)節(jié)面是否塌陷，是評估跟骨骨折是否需要手術(shù)治療、骨折嚴重程度以及手術(shù)愈合的關(guān)鍵[21]。

后足關(guān)節(jié)融合術(shù)的生物力學與臨床相關(guān)性

三關(guān)節(jié)融合手術(shù)指的是同時融合距下關(guān)節(jié)、距舟關(guān)節(jié)和跟骰關(guān)節(jié)，在平足癥、馬蹄內(nèi)翻足的矯形、后足骨關(guān)節(jié)炎的手術(shù)治療中廣泛應(yīng)用，是足踝外科最常用的手術(shù)方式之一。但是，由于踝足四關(guān)節(jié)的聯(lián)動，三關(guān)節(jié)融合術(shù)后足部的應(yīng)力集中于臨近關(guān)節(jié)，使臨近關(guān)節(jié)退變，出現(xiàn)疼痛癥狀[13]。三關(guān)節(jié)融合術(shù)后10年，75%的踝關(guān)節(jié)出現(xiàn)退行性變[14]；融合術(shù)后14年，27%的患者踝關(guān)節(jié)出現(xiàn)嚴重退變，27%的患者舟楔關(guān)節(jié)退變，23%的患者跖跗關(guān)節(jié)退變[15]。

距舟關(guān)節(jié)是三關(guān)節(jié)復合體的關(guān)鍵，是惟一連接后足與中足，同時又連接脛距復合體與跟足復合體的關(guān)節(jié)。單純?nèi)诤暇嘀坳P(guān)節(jié)，距下關(guān)節(jié)活動度降至8%，跟骰關(guān)節(jié)活動度降至8%[16]。而單純距下關(guān)節(jié)融合使跟骰、距舟關(guān)節(jié)活動度分別下降至56%與46%；單純?nèi)诤细魂P(guān)節(jié)使距下關(guān)節(jié)活動度降至67%，而距舟關(guān)節(jié)活動度沒有改變。因此，用單純距舟關(guān)節(jié)融合替代一部分的三關(guān)節(jié)融合手術(shù)是近年來的趨勢，單純距舟關(guān)節(jié)融合比雙關(guān)節(jié)融合、三關(guān)節(jié)融合對臨近關(guān)節(jié)產(chǎn)生的影響更小[17-18]。

綜上所述，負重與運動是足踝部最重要的兩大生理功能，足踝部疾病的診斷與治療無不與這兩大功能息息相關(guān)。除了解剖因素，足踝部的生物力學特點對判斷足踝部疾病是否需要治療、怎么治療、治療效果如何起到至關(guān)重要的作用，需為足踝外科醫(yī)師以及骨科醫(yī)師熟悉與掌握。

參考文獻

Daniels T ， Thomas R. Etiology and biomechanics of ankle arthritis[J]. Foot Ankle Clin ， 2008， 13（3）： 341-352.

Kleipool RP， Blankevoort L. The relation between geometry and function of the ankle joint complex： a biomechanical review[J]. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc， 2010， 18（5）： 618-627.

Gougoulias N， Khanna A， Maffulli N. How successful are current ankle replacements？： a systematic review of the literature[J]. Clin Orthop Relat Res， 2010， 468（1）： 199-208.

Kobayashi T，Gamada K. Lateral ankle sprain and chronic ankle instability： a critical review[J]. Foot Ankle Spec. 2014， 7（4）： 298-326.

Kannus P， Palvanen M， Niemi S， et al. Increasing number and incidence of low-trauma ankle fractures in elderly people： Finnish statistics during 1970-2000 and projections for the future[J]. Bone， 2002， 31（3）： 430-433.

Michelson JD， Magid D， McHale K. Clinical utility of a stability-based ankle fracture classification system[J]. J Orthop Trauma， 2007， 21（5）： 307-315.

Michelson JD. Ankle fractures resulting from rotational injuries[J]. J Am Acad Orthop Surg， 2003， 11（6）： 403-412.

Chu A， Weiner L. Distal fibula malunions[J]. J Am Acad Orthop Surg， 2009， 17（4）： 220-230.

Leardini A， OConnor JJ， Catani F， et al. The role of the passive structures in the mobility and stability of the human ankle joint： A literature review[J]. Foot Ankle Int， 2000， 21（7）： 602-615.

Coughlin MJ， Mann RA， Saltzman CL. Surgery of the foot and ankle[M]. 8th ed. Mosby： Elsevier Medicine， 2007： 13-18.

Savory KM， Wülker N， Stukenborg C， et al. Biomechanics of the hindfoot joints in response to degenerative hindfoot arthrodeses[J]. Clin Biomech （Bristol， Avon）， 1998， 13（1）： 62-70.

Fassbind MJ， Rohr ES， Hu Y. Evaluating foot kinematics using magnetic resonance imaging： from maximum plantar flexion， inversion， and internal rotation to maximum dorsiflexion， eversion， and external rotation[J]. J Biomech Eng， 2011， 133（10）： 104502.

Wapner KL. Triple arthrodesis in adults[J]. J Am Acad Orthop Surg， 1998， 6（3）： 188-196.

de Heus JA， Marti RK， Besselaar PP， et al. The influence of subtalar and triple arthrodesis on the tibiotalar joint. A long-term follow-up study[J]. J Bone Joint Surg Br， 1997， 79（4）： 644-647.

Smith RW， Shen W， Dewitt S， et al. Triple arthrodesis in adults with non-paralytic disease. A minimum ten-year follow-up study[J]. J Bone Joint Surg Am， 2004， 86-A（12）： 2707-2713.

Astion DJ， Deland JT， Otis JC， et al. Motion of the hindfoot after simulated arthrodesis[J]. J Bone Joint Surg Am， 1997， 79（2）： 241-246.

Thelen S， Rütt J， Wild M， et al. The influence of talonavicular versus double arthrodesis on load dependent motion of the midtarsal joint[J]. Arch Orthop Trauma Surg， 2010， 130（1）： 47-53.

Suckel A， Muller O， Herberts T， et al. Talonavicular arthrodesis or triple arthrodesis： peak pressure in the adjacent joints measured in 8 cadaver specimens[J]. Acta Orthop， 2007， 78（5）： 592-597.

Sl?tis P， Kiviluoto O， Santavirta S， et al. Fractures of the calcaneum[J]. J Trauma， 1979， 19（12）： 939-943.

Zwipp H， Rammelt S， Barthel S. Calcaneal fractures-open reduction and internal fixation （ORIF）[J]. Injury， 2004， 35（Suppl 2）： SB46-54.

Sanders R. Turning tongues into joint depressions： a new calcaneal osteotomy[J]. J Orthop Trauma， 2012， 26（3）：193-196.

（收稿日期：2014-09-22）