膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)髕股韌帶纖維束應(yīng)變的測量研究

劉 敏 周曉賽 張 雷 楊國敬 蔡春元 王偉良 林瑞新

1(溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院骨科，浙江 瑞安 325200)2(瑞安市中醫(yī)院放射科，浙江 瑞安 325200)

膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)髕股韌帶纖維束應(yīng)變的測量研究

劉 敏1周曉賽2*張 雷1楊國敬1蔡春元1王偉良1林瑞新1

1(溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院骨科，浙江 瑞安 325200)2(瑞安市中醫(yī)院放射科，浙江 瑞安 325200)

通過國人內(nèi)側(cè)髕股韌帶形態(tài)學(xué)的觀察并測定纖維束應(yīng)變，為臨床重建內(nèi)側(cè)髕股韌帶提供生物力學(xué)參考。觀察10例新鮮冰凍膝關(guān)節(jié)標(biāo)本內(nèi)側(cè)髕股韌帶在膝關(guān)節(jié)屈伸過程中的緊張-松弛模式，并利用數(shù)字圖像相關(guān)法分別測量在髕骨外推實驗下屈膝 0°、30°、60°、 90°和120°等5個角度時纖維束應(yīng)變。結(jié)果表明，內(nèi)側(cè)髕股韌帶在膝關(guān)節(jié)屈曲過程中呈交替緊張-松弛。在髕骨外推實驗條件下，同一纖維束在不同角度之間應(yīng)變平均值差異具有統(tǒng)計學(xué)差異。研究結(jié)果揭示了內(nèi)側(cè)髕股韌帶力學(xué)行為特點(diǎn)，為臨床重建提供生物力學(xué)參考。

膝關(guān)節(jié)；內(nèi)側(cè)髕股韌帶；數(shù)字圖像相關(guān)法；位移與應(yīng)變

引言

習(xí)慣性髕骨脫位是臨床常見疾病，常在膝關(guān)節(jié)發(fā)育不良的基礎(chǔ)上，伴有輕度外傷引起。在青少年中發(fā)病率較高，約占20%～50%[1]，而中年以上發(fā)病相對較少。其發(fā)病原因主要包括以下幾個方面：髕骨發(fā)育小而平，股骨外髁發(fā)育不良，髂脛束攣縮，股外側(cè)肌起點(diǎn)低或另有肌腹或索條直接連于髕骨，伸膝力線不正，股骨髁間凹發(fā)育不良，股骨下端內(nèi)旋，脛骨上端外旋，膝外翻引起髕韌帶附著點(diǎn)外移，膝關(guān)節(jié)半脫位等。內(nèi)側(cè)髕股韌帶(medial patellofemoral ligament，MPFL)位于髕內(nèi)側(cè)支持帶深層，是維持髕骨排列的靜力性平衡機(jī)制。近來的生物力學(xué)研究顯示MPFL是膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)的最主要的髕骨穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[2]。但由于受到測量方法等的制約，MPFL在膝關(guān)節(jié)屈伸過程中纖維應(yīng)變情況卻一直停留在形態(tài)學(xué)的觀察上。

經(jīng)典的實驗力學(xué)包括應(yīng)變電測方法和各種光測方法兩大類。其中電測主要指電阻應(yīng)變計測量，而光測方法則包括云紋法、云紋干涉法和電子散斑干涉法等[4]。各種方法都存在各種不足之處。傳統(tǒng)國內(nèi)外多利用電阻應(yīng)變法測量韌帶纖維應(yīng)變[5]，但由于一個電阻應(yīng)變計只能測定試件表面上一點(diǎn)在某個方向的應(yīng)變，是只能測柵長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，這樣所得的結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映韌帶應(yīng)變的真實情況。而傳統(tǒng)的光測法，如云文法及云紋干涉法等卻存在對應(yīng)變分析精度不能滿足小應(yīng)變測量的要求。

近年來計算機(jī)和圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了電子散斑法和數(shù)字散斑相關(guān)法，數(shù)據(jù)的自動化采集和處理提高了實驗效率和精度。筆者在解剖研究[3]的基礎(chǔ)上，通過對MPFL在膝關(guān)節(jié)屈伸過程中形態(tài)學(xué)的觀察，并利用數(shù)字圖像相關(guān)法(digital image correlation, DIC)測定纖維應(yīng)變，探討MPFL松緊變化規(guī)律，掌握其在屈伸過程中詳細(xì)的生物力學(xué)行為特性，為臨床MPFL重建提供參考。

1 材料與方法

1.1材料

新鮮冰凍膝關(guān)節(jié)標(biāo)本10具，股骨端至少保留20 cm，遠(yuǎn)段則完整保留。排除關(guān)節(jié)明顯退變、畸形及韌帶損傷。其中男性6例，女性4例，左側(cè)5例，右側(cè)5例，死亡年齡43～89歲，平均年齡64歲。新鮮標(biāo)本在-20℃冰柜中保存15～30 d不等。

1.2實驗設(shè)備

實驗設(shè)備包括由計算機(jī)控制、機(jī)械加載機(jī)構(gòu)等組成的BZ2.5/TS1S材料實驗機(jī)(Zwick/Roell集團(tuán)，德國)，高分辨率CCD相機(jī)(1 380像素×1 035像素)， CV-A1，JAI公司，丹麥)及安裝有自動操縱控制軟件的聯(lián)想電腦(見圖1)。模擬電信號通過Pcvision plus圖像采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，存儲在計算機(jī)中，圖像采樣頻率1 Hz。試驗儀的拉力桿能向外對髕骨施加拉力。自制固定支架加持標(biāo)本。

1.3方法

實驗前一天，將新鮮冰凍標(biāo)本室溫下解凍。取膝內(nèi)側(cè)橫切口，切開皮膚、皮下筋膜、深筋膜，直至膝內(nèi)側(cè)支持帶。助手用拉鉤暴露好切口，盡量少地去除軟組織。仔細(xì)觀察纖維走向，并追蹤其纖維起止點(diǎn)，逐層將淺層剝離，充分暴露股內(nèi)側(cè)斜肌(vastus medialis oblique muscle，VMO)、內(nèi)側(cè)髕股韌帶、膝內(nèi)側(cè)副韌帶淺層(superficial medial collateral ligament，SMCL)等結(jié)構(gòu)。

實驗主要由3個步驟組成。

步驟1：將下肢標(biāo)本固定于自制實驗支架上，分別觀察在不受力和給予股四頭肌恒定10 N拉力時，膝關(guān)節(jié)活動過程中MPFL的松緊情況。

步驟2：對內(nèi)側(cè)髕股進(jìn)行人工斑化：在MPFL的光滑表面噴涂黑亞光漆，使其形成人工散斑見圖2)。由于內(nèi)側(cè)髕股韌帶近端與遠(yuǎn)端纖維束較難分離，故選擇MPFL中間區(qū)域作為固定測試區(qū)。

步驟3：將標(biāo)本置于實驗機(jī)上，于髕骨內(nèi)側(cè)以5 N/ s的速度施加外向力量至10 N(模擬髕骨外推試驗條件)。當(dāng)壓力達(dá)到80 N時不再增加并維持此壓力40 s。MPFL纖維束的應(yīng)變通過用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測得。

使用標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差互相關(guān)函數(shù)

(1)

(2)

通過上述方法分別測量屈膝 0°、30°、60°、90°和120°等5個角度時測試區(qū)纖維束的應(yīng)變，每組測量5次，取平均值。

圖1 測試設(shè)備Fig.1 The test device

圖2 帶有人工散斑的韌帶Fig.2 The ligament With artificial speckle

2 結(jié)果

2.1MPFL在膝關(guān)節(jié)屈伸過程中的松緊變化規(guī)律

10具膝關(guān)節(jié)標(biāo)本的MPFL均被仔細(xì)剝離出，出現(xiàn)率達(dá)100%。大部分標(biāo)本的MPFL在股內(nèi)側(cè)斜肌的后部被向前掀起后，通過觀察纖維走向，仔細(xì)剝離髕骨內(nèi)側(cè)支持帶淺層后能順利找到。也有個別尸體標(biāo)本的MPFL不發(fā)達(dá)，相對小束、稀薄，但通過先仔細(xì)分辨股骨端附麗部，再追蹤其纖維走向，向髕骨端剝離的方法亦能成功分辨。在不受力情況下，伸直位時，MPFL較松弛，且屈伸過程中松緊度變化不明顯。給予股四頭肌恒定10 N拉力情況下，在屈伸膝過程中：伸直位時MPFL呈扇型展開，各部分纖維相對松弛；隨著膝關(guān)節(jié)的屈曲，松緊程度不斷變化：輕度屈曲時(屈曲20°～40°)MPFL逐漸緊張；屈曲角度較大時(屈曲50°～120°)時， MPFL各部分纖維雖有不同程度松弛，但仍較緊張。

2.2MPFL在膝關(guān)節(jié)屈伸過程中的應(yīng)變情況

80 N負(fù)荷下MPFL纖維束在膝關(guān)節(jié)屈伸過程中的應(yīng)變?nèi)绫?所示?？梢娎w維束的應(yīng)變隨著膝關(guān)節(jié)屈曲角度的變化而變化：纖維束的應(yīng)變在伸直位時為負(fù)值，后逐漸增大為正值，屈曲30°時達(dá)最大值；屈曲超過30°后又開始重新下降(見圖3)。與上述形態(tài)學(xué)觀察結(jié)果基本一致。經(jīng)統(tǒng)計學(xué)分析顯示，同一纖維束在不同角度之間應(yīng)變平均值差異有統(tǒng)計學(xué)意義 (P<0.05)?？梢姡リP(guān)節(jié)的屈伸過程也是MPFL纖維束之間交替緊張-松弛的過程。

屈伸角度α/(°)0306090120Δl-3.95±1.4460.22±4.2344.26±3.1327.33±3.5120.11±4.23

圖3 MPFL纖維束在膝關(guān)節(jié)屈伸過程中的應(yīng)變情況Fig.3 The strains of the MPFL in relation to the angle of knee flexion

3 討論

3.1利用數(shù)字圖像相關(guān)法測定韌帶纖維的應(yīng)變

數(shù)字圖像相關(guān)測量技術(shù)作為一種非接觸的光學(xué)變形測量方法，具有以下幾個顯著的優(yōu)點(diǎn)：(1)由于它不需要相關(guān)光源,光路簡單,可以方便地在現(xiàn)場進(jìn)行檢測；(2)通過圖像分析,可以同時獲得任意方向的全場變形信息，達(dá)到事半功倍的效果；(3)該方法具有很大的測量范圍，應(yīng)變測試靈敏度達(dá)到0.01%，最大可測量100%的應(yīng)變，特別適用于生物軟組織材料的變形測量；(4)該方法具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，根據(jù)測量對象尺寸的不同，選用相應(yīng)的成像鏡頭，可實現(xiàn)從宏觀到微觀的變形測量[6]。

本實驗是建立在解剖研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行，且相關(guān)的應(yīng)變測量結(jié)果與形態(tài)學(xué)的觀察結(jié)果基本吻合，更進(jìn)一步證實了結(jié)論的準(zhǔn)確性。

3.2MPFL對維持膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)穩(wěn)定中的作用

髕內(nèi)側(cè)支持帶深層結(jié)構(gòu)主要包括內(nèi)側(cè)髕股韌帶、內(nèi)側(cè)髕脛韌帶和內(nèi)側(cè)髕半月板韌帶[3]。而其中MPFL被認(rèn)為是限制髕骨向外側(cè)脫位的最主要的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提供了膝內(nèi)側(cè)40%～80%的張力[7]，特別是在屈膝30°時，由于缺乏股骨外側(cè)髁的骨性保護(hù)，髕骨更容易脫位。相比較于膝關(guān)節(jié)的其他韌帶MPFL顯得小束、稀薄，但其力學(xué)表現(xiàn)卻絲毫不遜色。Amis等研究顯示MPFL的抗拉張力為平均208 N[8]，需要特別指出的是他們所研究的尸體標(biāo)本平均年齡是70歲。Nomura等的生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，屈膝15%～30%時MPFL呈輕微松弛狀態(tài)，而在其他角度則呈緊張狀態(tài)[9]；且當(dāng)MPFL的股骨止點(diǎn)較正常位點(diǎn)編移越過5 mm時會引起MPFL長度的明顯改變。Sandmeier等使用尸體切斷膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)模擬髕脫位，然后使用自體移植物重建MPFL，評估MPFL對髕骨軌跡的作用[10]。當(dāng)髕骨受到向外推的外力時，切斷髕骨內(nèi)側(cè)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以后，髕骨軌跡明顯改變；而重建MPFL后，能夠使髕骨軌跡恢復(fù)并趨于正常。本研究的測量結(jié)果更傾向于支持Sehottle的觀點(diǎn)[7]。本研究的形態(tài)學(xué)觀察和定量測量研究證實在膝關(guān)節(jié)輕度屈曲時，特別是在屈膝30°時，MPFL呈明顯的緊張狀態(tài)，發(fā)揮最大的限制髕骨向外脫位的作用。而隨著膝關(guān)節(jié)屈曲角度的加大，這種作用逐漸縮小。這與臨床實際工作中習(xí)慣性膝關(guān)節(jié)脫位多發(fā)生在膝關(guān)節(jié)在輕度屈曲時相吻合。

4 結(jié)論

綜上所述，膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)髕股韌帶纖維束，在膝關(guān)節(jié)輕度屈曲時呈明顯的緊張狀態(tài)，而隨著膝關(guān)節(jié)屈曲角度的加大，纖維束逐漸松弛，發(fā)揮防止髕骨外移的作用。同時也發(fā)現(xiàn)，采用數(shù)字圖像相關(guān)法測量纖維束應(yīng)變，結(jié)果可靠，為生物軟組織材料的變形測量提供一種新的方法，值得推廣。

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Measurement of the Bundle Strain of Human Medial Patellofemoral Ligament

Liu Min1Zhou Xiaosai2*Zhang Lei1Yang Guojing1Cai Chunyuan1Wang Weiliang1Lin Ruixin1

1(Department of Orthopaedics, The Third Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University，Ruian 325000, Zhejiang,China)2(Department of Radiology, Ruian Hospital of Traditional Chinese Medicine, Ruian 325000, Zhejiang,China)

knee joint；medial patellofemoral ligament； digital image correlation；displacement and strain

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 03.018

2014-07-07， 錄用日期:2014-11-17

溫州市科技局項目基金(Y20110098)

R68

D

0258-8021(2015) 03-0381-04

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: 153043716@qq.com