柔韌性平足及距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定術(shù)的生物力學(xué)研究進(jìn)展

程翔宇 宋衛(wèi)東 李文翠 劉建全

柔韌性平足及距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定術(shù)的生物力學(xué)研究進(jìn)展

程翔宇 宋衛(wèi)東 李文翠 劉建全

距下關(guān)節(jié)連接距骨和跟骨，其三維運(yùn)動(dòng)可保持足部的穩(wěn)定，而距下關(guān)節(jié)力學(xué)結(jié)構(gòu)及接觸特性的改變是柔韌性平足的特點(diǎn)，目前沒有統(tǒng)一的治療方式。距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定術(shù)（extraosseous talotarsalstabi?lization,EOTTS）作為距下關(guān)節(jié)制動(dòng)術(shù)的一種特殊類型，是一種治療柔韌性平足簡單而有效的方法，中長期隨訪結(jié)果良好。雖然EOTTS是行之有效的技術(shù)，但目前尚缺乏術(shù)后距下關(guān)節(jié)生物力學(xué)改變的研究結(jié)果及其安全性和有效性的資料。同時(shí)EOTTS的生物力學(xué)機(jī)制還未被完全了解，未來可建立手術(shù)模型深入分析足部生物力學(xué)變化。

距下關(guān)節(jié)；扁平足；生物力學(xué)；外科手術(shù)；綜述

距下關(guān)節(jié)又稱距跟關(guān)節(jié)，包括距下前、中、后三個(gè)關(guān)節(jié)面，它聯(lián)合距跟舟關(guān)節(jié)，承受體重并傳導(dǎo)至全足，支配跗中關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，協(xié)同和輔助踝關(guān)節(jié)各項(xiàng)活動(dòng)，將下肢的垂直和旋轉(zhuǎn)應(yīng)力通過跟骨和舟骨傳遞至中足和前足，是保持足部穩(wěn)定的樞軸［1?3］。

平足癥是指各種原因所致足弓低平或消失，患足外翻，站立及行走時(shí)足弓塌陷，并出現(xiàn)疲乏或疼痛癥狀的一類疾?。?，5］，依據(jù)足部活動(dòng)度及畸形能否被動(dòng)糾正分為柔韌性（或可復(fù)性）平足癥及僵硬性平足癥。柔韌性平足癥在兒童中較為常見［4］，屬于Ⅱ期脛后肌腱功能不全（PTTD）［5］。僵硬性平足癥可達(dá)骨性僵直，表現(xiàn)為足部固定畸形，由柔韌性平足癥進(jìn)展為僵硬性平足癥的機(jī)制尚不明確。

距下關(guān)節(jié)制動(dòng)術(shù)，是治療距下關(guān)節(jié)活動(dòng)過度或距下關(guān)節(jié)半脫位的柔韌性平足癥的有效手術(shù)方法。作為距下關(guān)節(jié)制動(dòng)術(shù)的其中一種術(shù)式，距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定術(shù)（extraosseous talotar?sal stabilization,EOTTS）治療柔韌性平足癥，簡單微創(chuàng)，臨床療效較好，應(yīng)用廣泛，但其生物力學(xué)機(jī)制尚未被闡明。本文就柔韌性平足癥及EOTTS的生物力學(xué)研究進(jìn)展作一綜述。

一、距下關(guān)節(jié)的力學(xué)結(jié)構(gòu)

（一）正常距下關(guān)節(jié)的生物力學(xué)

距下關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生在垂直于運(yùn)動(dòng)軸的平面上，運(yùn)動(dòng)軸為斜向（內(nèi)旋25°～30°，跖屈5°～8°），產(chǎn)生三維運(yùn)動(dòng)［2］。距下關(guān)節(jié)是連接小腿和足部的“斜向鉸鏈”，是下肢和足部負(fù)重的交叉點(diǎn)，其力學(xué)特性與遠(yuǎn)端肢體的運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)［3］。

距下關(guān)節(jié)的三維運(yùn)動(dòng)在足的單方向運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)為非同向運(yùn)動(dòng)，并且在運(yùn)動(dòng)范圍和形式上有很大的不同，但彼此之間聯(lián)系緊密。周軍杰等［6］研究了12例正常足標(biāo)本在三維運(yùn)動(dòng)中的生物力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)隨著足背伸跖屈、內(nèi)外翻和內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)度的增加，雖然三軸上的增加幅度不同，但距下關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍符合線性增加，三維方向上的運(yùn)動(dòng)存在著密切的相關(guān)性。傳統(tǒng)研究認(rèn)為，距下關(guān)節(jié)在不同足運(yùn)動(dòng)形式中發(fā)揮不同的作用，在足內(nèi)外翻和內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)中尤其重要［2，6］。

距下關(guān)節(jié)各關(guān)節(jié)面之間接觸面積和接觸壓力的特性是距下關(guān)節(jié)的主要生物力學(xué)特征。Campbell等［1］發(fā)現(xiàn)當(dāng)距下關(guān)節(jié)外翻時(shí)，距下關(guān)節(jié)活動(dòng)度增加，通過距下關(guān)節(jié)傳導(dǎo)的負(fù)荷也隨之增加。Wagner等［7］研究發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)荷增大，距下關(guān)節(jié)的接觸壓力明顯增大，接觸面積減少，高壓力區(qū)域增加，并通過后關(guān)節(jié)面?zhèn)鲗?dǎo)大部分應(yīng)力。目前研究表明，足外翻時(shí)距下關(guān)節(jié)接觸面積較中立位時(shí)顯著減少［1，3］。

（二）平足狀態(tài)下距下關(guān)節(jié)的生物力學(xué)

平足狀態(tài)下距下關(guān)節(jié)畸形錯(cuò)位，關(guān)節(jié)負(fù)重結(jié)構(gòu)改變，尤以足跟外翻為著，提示距下關(guān)節(jié)區(qū)域生物力學(xué)改變。柔韌性平足癥患者跟骨外翻、距下關(guān)節(jié)半脫位，行走時(shí)踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)易導(dǎo)致距下關(guān)節(jié)活動(dòng)過度，前足跖跗關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)增加，造成距下關(guān)節(jié)及前足不穩(wěn)［8］，引起畸形、疼痛、不穩(wěn)、步態(tài)異常等臨床表現(xiàn)。綜合目前研究認(rèn)為，正常的距下關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中，關(guān)節(jié)面接觸一致，跗骨竇開放，距骨傾斜角正常，舟狀骨高度正常；平足狀態(tài)距下關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中，關(guān)節(jié)面無法保持完整接觸，跗骨竇閉合，距骨傾斜角增大，舟狀骨下沉［4，5，8］。

目前，柔韌性平足癥沒有統(tǒng)一的治療方式，臨床上是否采用手術(shù)治療及手術(shù)方式取決于患者的臨床癥狀、影像學(xué)評估及外科醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)［9］。無癥狀的平足常采用保守治療，但無文獻(xiàn)證明保守治療的效果。過去的手術(shù)治療方式創(chuàng)傷大、恢復(fù)時(shí)間長、長期制動(dòng)；近年來距下關(guān)節(jié)制動(dòng)術(shù)因其微創(chuàng)、恢復(fù)快、預(yù)后良好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用［10］。

二、EOTTS概述

目前，大多數(shù)研究認(rèn)為EOTTS為距下關(guān)節(jié)制動(dòng)術(shù)的改良術(shù)式［10，11］。距下關(guān)節(jié)制動(dòng)術(shù)常采用跗骨竇假體植入和跟骨防滑螺釘植入兩種方式，EOTTS采用的是前者［12］。

1946年，Chambers［13］報(bào)道了第1例利用自體骨塊植入以限制距下關(guān)節(jié)活動(dòng)的病例。1962年，Haraldsson［14］將做成楔形的同種異體骨插入跗骨竇中限制距下關(guān)節(jié)的外翻。

1965年，Lund［15］首次報(bào)道應(yīng)用人造內(nèi)固定器植入跗骨竇限制距下關(guān)節(jié)活動(dòng)。由此開始，金屬或可吸收材料的內(nèi)固定器逐漸取代了植骨。1977年，Subotnick［16］首次報(bào)道采用硅膠假體植入跗骨竇來糾正兒童平足畸形，并將該類手術(shù)稱為距下關(guān)節(jié)制動(dòng)術(shù)。但Black等［17］研究發(fā)現(xiàn)硅膠假體裝置穩(wěn)定性較差，影像學(xué)改善不能長期維持，且疼痛緩解不佳。此后硅膠等可降解裝置逐漸被聚乙烯、鈦合金或高分子材料假體裝置所取代。Graham等［3］最早提出EOTTS的概念，后逐步改進(jìn)術(shù)式及距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)常用的距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定器有KalixⅡ、Talar?Fit、HyProCure等［12］。

三、EOTTS的原理及適應(yīng)證

EOTTS糾正畸形的原理是將內(nèi)置物植入跗骨竇和跗骨管以維持距下關(guān)節(jié)正常的解剖關(guān)系，將距骨復(fù)位在跗骨結(jié)構(gòu)上，恢復(fù)距骨正常的運(yùn)動(dòng)軸，消除過度的外翻，從而糾正距下關(guān)節(jié)畸形［12］。

研究認(rèn)為，距下關(guān)節(jié)制動(dòng)術(shù)的手術(shù)指征是有疼痛癥狀的柔韌性平足，保守治療無效同時(shí)伴有跟骨外翻畸形，且未達(dá)到需要傳統(tǒng)關(guān)節(jié)融合術(shù)的嚴(yán)重程度［18］。Graham等［19］研究指出，應(yīng)用EOTTS的必要條件：患者年齡≥6歲，同時(shí)負(fù)重位X線片顯示跗骨竇閉合，距骨第二跖骨角＞16°，距骨跟骨角＞26°。目前研究普遍認(rèn)為，EOTTS適用于距下關(guān)節(jié)活動(dòng)過度或距下關(guān)節(jié)半脫位的柔韌性平足患者，而對于僵硬性平足，患者需要接受跟骨內(nèi)移截骨、三關(guān)節(jié)融合等較大手術(shù)來改善力線、重塑足弓［18，19］。

兒童平足癥患者多為柔韌性平足。于濤等［10］研究認(rèn)為兒童患者植入距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定器治療柔韌性平足的適宜年齡為6～12歲，此后隨生長發(fā)育機(jī)體塑形改造，可使兒童重建足弓，即使取出了穩(wěn)定器，仍能終身保持足弓。夏江等［20］報(bào)道，兒童患者接受EOTTS的最佳年齡為10歲左右，此時(shí)對于大部分患兒，單純使用制動(dòng)器就可達(dá)到良好效果；較大年齡的青少年或成人，由于有其他固定畸形，需要附加其他骨或軟組織手術(shù)。EOTTS可以作為治療柔韌性平足癥的一個(gè)獨(dú)立手術(shù)，若無效亦不影響其他手術(shù)的實(shí)施。

柔韌性平足癥是以EOTTS為代表的距下關(guān)節(jié)制動(dòng)術(shù)的最佳適應(yīng)證，而僵硬性平足是EOTTS的絕對禁忌證。對于具有手術(shù)指征的平足癥患者，應(yīng)根據(jù)病變類型選用相應(yīng)的手術(shù)方式，無論采用何種術(shù)式，越早治療，療效越佳。

四、EOTTS的治療效果

目前研究認(rèn)為EOTTS的特點(diǎn)是切口小，恢復(fù)期短，并發(fā)癥少，可較好地矯正柔韌性平足癥的后足外翻和前足外展畸形，抬高足內(nèi)側(cè)縱弓，緩解負(fù)重及行走時(shí)的疼痛癥狀［10，20］。回顧近年的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，患者術(shù)后的影像學(xué)測量和臨床觀察結(jié)果都得到明顯改善，臨床滿意度為81%～92%［21?25］。

Graham等［21］對83例（117足）接受EOTTS治療的柔韌性平足癥患者進(jìn)行了長達(dá)5年的回顧性研究，發(fā)現(xiàn)該組患者的Maryland足踝評分平均為88分，52%患者的疼痛完全緩解，69%患者的足部功能完全恢復(fù)，80%患者對足部外觀滿意，植入物移除率為6%。Bresnahan等［22］應(yīng)用EOTTS治療35例（46足）柔韌性平足癥患者，發(fā)現(xiàn)其Maryland評分由術(shù)前的（69.53±19.56）分增大至術(shù)后的（89.17±14.41）分，與術(shù)前比較，疼痛減少度為36.97%，足踝功能提高度為14.39%，足部外形改善度為29.49%，植入物移除率為4.35%。梁曉軍等［23］應(yīng)用EOTTS治療16例（27足）柔韌性平足癥患者，平均隨訪14.6個(gè)月，臨床評分及影像學(xué)結(jié)果均較術(shù)前明顯改善。

較早的文獻(xiàn)多報(bào)道距下關(guān)節(jié)制動(dòng)術(shù)的隨訪研究。Je?rosch等［24］評估防滑螺釘技術(shù)在治療兒童柔韌性平足方面的效果，選取18例（21足）患兒，隨訪發(fā)現(xiàn)其足跟外翻角、距骨舟骨角、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)度及足印分級都得到較大改善；據(jù)此作者認(rèn)為該技術(shù)可用于治療兒童柔韌性平足，是一項(xiàng)簡單、有效且微創(chuàng)的技術(shù)。De Pellegrin等［25］的研究結(jié)果與之類似。

目前的研究大多是從臨床角度評估EOTTS的手術(shù)效果，缺乏對EOTTS術(shù)后足部生物力學(xué)改變的研究，且客觀上受限于EOTTS為新技術(shù)，研究隨訪時(shí)間仍較短，因此未來應(yīng)著重于EOTTS作用機(jī)制的生物力學(xué)研究以及有關(guān)EOTTS安全性和有效性的長期隨訪研究。

五、EOTTS的生物力學(xué)研究

（一）距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定器的生物力學(xué)原理

Graham等［26］將距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定器依據(jù)其設(shè)計(jì)特征分為三種類型：ⅠA型（圓柱型）、ⅠB型（圓錐型）和Ⅱ型（復(fù)合型）。EOTTS采用的Ⅱ型距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定器較適配跗骨竇的解剖結(jié)構(gòu)，可達(dá)到需要的距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定度，同時(shí)保留一定的后足活動(dòng)度，并有最低的植入物移除率（植入物移除率：ⅠA型40%，ⅠB型40%，Ⅱ型5.86%）。跗骨竇間隙近似圓錐形，跗骨管為圓柱形，單純圓柱形內(nèi)植物不易穩(wěn)定受力，而圓錐形不利于距下關(guān)節(jié)活動(dòng)，因此復(fù)合型更有利于應(yīng)力分布和減少并發(fā)癥的發(fā)生。

依據(jù)距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定器的生物力學(xué)特性也可將其分為三種類型：軸線改變型、楔狀自鎖型和壓緊阻擋型［12］。軸線改變型距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定器的原理為限制跟骨外翻，從而改變距下關(guān)節(jié)軸；楔狀自鎖型距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定器的原理為防止距骨外側(cè)突接觸跗骨竇底，限制距下關(guān)節(jié)外翻；壓緊阻擋型距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定器的原理為壓迫距跟后關(guān)節(jié)面制動(dòng)距骨，不改變距下關(guān)節(jié)軸。目前使用最廣泛的是楔狀自鎖型距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定器，可有效穩(wěn)定距下關(guān)節(jié)［26］。

Graham等［27］認(rèn)為，距下關(guān)節(jié)穩(wěn)定器的作用原理是通過跗骨竇制動(dòng)，防止距骨外側(cè)突與距跟后關(guān)節(jié)面接觸，抬起距骨頭限制跟骨外翻，減少軟組織損傷，矯正距下關(guān)節(jié)半脫位和前足外旋。Christensen等［28］對正常足標(biāo)本進(jìn)行生物力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)使用適配的假體不僅可以有效制動(dòng)距下關(guān)節(jié)，且不會(huì)改變正常的足部生物力學(xué)結(jié)構(gòu)。

（二）EOTTS的生物力學(xué)研究方法

手術(shù)治療柔韌性平足癥相關(guān)術(shù)式的生物力學(xué)研究方法大致可分為尸體模型、在體研究及有限元分析法。

Zanolli等［29］報(bào)道，治療柔韌性平足的生物力學(xué)研究可在尸體模型上進(jìn)行，選擇尸體模型可評估手術(shù)矯正效果，同時(shí)避免后續(xù)調(diào)整的損失。尸體模型的局限性是難以模擬生理

狀態(tài)，故目前研究多從在體足底壓力分析入手。Razak等［30］將足底壓力測試系統(tǒng)依據(jù)原理分為平板傳感器和鞋內(nèi)傳感器技術(shù)，平板傳感器是采樣率最高的測試足底壓力分布的儀器，鞋內(nèi)傳感器技術(shù)采用壓力鞋或鞋墊式傳感器，二者均在步態(tài)中反饋各項(xiàng)生物力學(xué)信息。Fitzgerald等［31］對6例（12足）應(yīng)用EOTTS治療平足癥的患者，使用鞋內(nèi)F?Scan系統(tǒng)測量術(shù)前、術(shù)后步態(tài)中足部壓力變化及接觸面積，結(jié)果發(fā)現(xiàn)全足峰值壓力、足部接觸面積均得到改善；據(jù)此作者認(rèn)為EOTTS可有效穩(wěn)定距下關(guān)節(jié)復(fù)合體，進(jìn)而減少后足不正?；顒?dòng)，恢復(fù)足踝的正常生物力學(xué)關(guān)系。在體研究大多從足外部狀態(tài)間接反映內(nèi)部情況，難以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

有限元分析法是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬真實(shí)物理系統(tǒng)仿真模型，同時(shí)用數(shù)學(xué)求解法對模型的幾何和載荷進(jìn)行量化分析的方法［32，33］。1972年，Brekelmans等［34］首次在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引入有限元分析法。目前該法已被廣泛應(yīng)用于骨科生物力學(xué)研究，分析骨與關(guān)節(jié)內(nèi)部及內(nèi)植物的應(yīng)力改變、應(yīng)變狀態(tài)等，定量分析接觸面積及應(yīng)力分布［32］，較傳統(tǒng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法有明顯的優(yōu)勢，得到以前無法獲得的研究結(jié)果，具有重要的臨床意義。Xu等［33］在CT基礎(chǔ)上建立PTTDⅡ期平足三維有限元模型后，可對足踝關(guān)節(jié)各組成部分進(jìn)行數(shù)字化分析，同時(shí)可以得到各組成骨的形變圖、旋轉(zhuǎn)角度及位移圖。建立手術(shù)模型后，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行有限元分析，可對骨、關(guān)節(jié)軟骨及韌帶等組織的生物力學(xué)特性、內(nèi)植物設(shè)計(jì)、材料選擇、安裝方式等進(jìn)行比較評估［35］。因此，應(yīng)用有限元分析法研究柔韌性平足癥及EOTTS的生物力學(xué)特征是較佳選擇。

尸體和在體生物力學(xué)研究方法都有其局限性，目前三維有限元研究多集中在某些組成骨、韌帶上，對柔韌性平足有限元模型研究較少，未來可建立柔韌性平足模型并模擬EOTTS手術(shù)，深入分析柔韌性平足癥及EOTTS術(shù)后距下關(guān)節(jié)的生物力學(xué)改變，從而為柔韌性平足癥的治療特別是手術(shù)方式的選擇提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)支持。

六、總結(jié)與展望

距下關(guān)節(jié)作為后足活動(dòng)的中樞，平足狀態(tài)下關(guān)節(jié)面畸形錯(cuò)位，關(guān)節(jié)負(fù)重結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致距下關(guān)節(jié)區(qū)域生物力學(xué)改變，進(jìn)而引起足部異常運(yùn)動(dòng)、關(guān)節(jié)不穩(wěn)，產(chǎn)生相應(yīng)臨床癥狀。EOTTS能糾正距下關(guān)節(jié)畸形，同時(shí)穩(wěn)定距下關(guān)節(jié)，手術(shù)簡單微創(chuàng)，患者預(yù)后良好，可以有效治療柔韌性平足癥，但目前對其引起的距下關(guān)節(jié)生物力學(xué)改變認(rèn)識不足。有限元分析法是研究柔韌性平足及EOTTS生物力學(xué)的好方法，未來可建立相關(guān)手術(shù)模型，分析距下關(guān)節(jié)乃至全足部的生物力學(xué)變化，為柔韌性平足癥手術(shù)方式的選擇提供研究支持。

目前對柔韌性平足及EOTTS的研究熱點(diǎn)均在于其生物力學(xué)研究，未來應(yīng)加深對距下關(guān)節(jié)病理改變和EOTTS生物力學(xué)機(jī)制的研究，同時(shí)需要更多EOTTS的長程安全性和有效性的資料。

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2015?10?19）

10.3969/j.issn.1674?8573.2016.05.020

510120 廣州，中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院骨外科（程翔宇、宋衛(wèi)東）；深圳市第二人民醫(yī)院手足外科（李文翠、劉建全）

宋衛(wèi)東，E?mail：songsz999@163.com