模擬足底韌帶逐步損傷對承重壓力的影響研究

張三兵 蘇玉紅 張沉冰 高金寶

足底穩(wěn)健結(jié)構(gòu)是由跟骨、趾骨以及足橫弓來維持的，而足橫弓又是由骰骨、楔骨、跖骨、韌帶、腱膜、肌肉等共同構(gòu)成。足弓的特殊生理結(jié)構(gòu)能夠有效緩沖縱向壓力、吸收動能，保護足底血管、神經(jīng)免受壓迫[1-4]。足底壓力相關研究可以探討人體在各種生活狀態(tài)中足底壓力特征，能夠反映足底不同區(qū)域的受壓狀態(tài)，足底壓力測量是骨科臨床生物力學的重要組成部分[5,6]。本次試驗研究將足底部位主要分為以下4個區(qū)域：跟骨區(qū)域、第1跖骨區(qū)域、第2跖骨區(qū)域、3～5跖骨區(qū)域。通過比較不同狀態(tài)下，足底不同區(qū)域承重情況的變化趨勢，來分析各個足底韌帶對足部正常結(jié)構(gòu)的牽拉作用影響情況，對未來臨床上探究足部損傷患者實體針對性治療提供一定的數(shù)據(jù)基礎。足底韌帶和腱膜是參與和維持足弓穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是維系足部骨性結(jié)構(gòu)的力學紐帶，如果足底主要韌帶損傷將對人體步態(tài)以及足部骨間穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，最終發(fā)生不可逆骨融合等嚴重不良事件。本文模擬足底韌帶逐步損傷對足底不同分區(qū)承重壓力的變化趨勢，對足底韌帶對維持人體靜態(tài)承重的影響變化做一探討。報告如下。

1 材料與方法

1.1 材料 由河北醫(yī)科大學解剖學教研室提供新鮮尸體標本3具，其中男性標本2具，女性標本1具，排除膝、足畸形等生理、病理性結(jié)構(gòu)改變。年齡分別為36歲、47歲和51歲；共截取下肢6例用于檢測分析。標本從大體截取后置于-20℃冰柜中保存，檢測前1 d 20 h取出，室溫下解凍。保留踝關節(jié)足底韌帶的完整性，充分暴露并且按步驟切斷脛骨后肌腱、跟舟足底韌帶、足底長短韌帶、楔舟足底韌帶以及骰楔足底韌帶。

1.2 測試儀器及設備 采用foot-scan足底壓力測量儀對足部壓力狀況進行分析，測量儀包括固定支架、測力板、傳感器以及控制系統(tǒng)4部分組成。采用游標卡尺對不同情況下足部加壓距骨頸軸向位移狀況進行測量并且分析。

1.3 檢測方法 研究標本在固定支架上固定后開機微調(diào)，使標本處于直立狀態(tài)，通過校正標本位置，使脛骨受力方向與底座垂直，模擬人體正常直立狀態(tài)，通過脛骨上端壓力固定裝置對試驗標本逐漸加壓，以初始位置作為試驗原點，每次加載壓力后均恢復至原點狀態(tài)維持30 s后再進行下一次試驗，消除樣本因形變不及時復原導致的偏差。將測力板至于足底與固定底座之間，通過導線與監(jiān)測終端連接，實時記錄、采集壓力信息。大體標本最大載荷為縱向700 N，載荷以100 N作為累加單元，加載速率為2 mm/min，一直保持此恒定加載速率。隨著垂直于測量板的載荷加大，足底不同分區(qū)的峰值壓力也隨之增大，在施加外力為700 N 時達到最大。

2 結(jié)果

2.1 正常靜止狀態(tài)下足底壓力分布情況 模擬人體靜止狀態(tài)下檢測足底各區(qū)域壓力分布情況，在保持所有韌帶完整情況下，跟骨壓力最大，為(96.45±13.75)kPa/cm2；其次是第2跖骨和第1跖骨，分別為(17.32±3.59)kPa/cm2和(15.64±3.55 )kPa/cm2；3～5跖骨區(qū)為(5.83±1.22)kPa/cm2。經(jīng)方差分析對比，結(jié)果顯示韌帶損傷前跟骨區(qū)域所承受壓力最大，3～5跖骨區(qū)域承受壓力最小，第1跖骨和第2跖骨區(qū)域壓力分布兩者對比差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，總體方差值為105.441，其余兩兩比較差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。見表1。

表1正常靜止狀態(tài)下足底壓力分布情況

狀態(tài)跟骨第1跖骨第2跖骨第3～5跖骨區(qū)域F值P值韌帶損傷前96.45±13.75#△☆15.64±3.55?☆17.32±3.59?☆5.83±1.22?#△105.441<0.001

2.2 縱向載荷700 N作用力下逐步破壞足底主要韌帶后足底壓力變化情況 縱向軸逐步加壓至700 N 模擬靜止負重狀態(tài)人體足底壓力變化趨勢，韌帶損傷前跟骨受力最重，其次是第2跖骨、第1跖骨以及第3～5跖骨區(qū)域。在切斷脛骨后肌腱后，跟骨受力明顯減輕，縱向軸作用力分散至其他跖骨區(qū)域。隨著足底韌帶相繼切斷，跟骨受力及其他跖骨區(qū)域均逐漸增強。見表2。

表2縱向載荷700N作用力下逐步破壞足底主要韌帶足底壓力變化

狀態(tài)跟骨第1跖骨第2跖骨3～5跖骨區(qū)域F值P值韌帶損傷前 657.84±22.6551.82±6.5978.58±6.2237.53±6.44243.563<0.001切斷脛骨后肌腱 579.62±24.53?62.85±6.31?81.56±5.9852.83±5.32?221.544<0.001切斷跟舟足底韌帶597.18±31.63?73.17±5.88?84.85±7.6659.83±6.07?#203.587<0.001切斷足底長短韌帶613.54±33.62?#74.82±6.71?#86.77±6.31?78.56±6.67?#179.634<0.001切斷楔舟足底韌帶631.51±28.59#△☆77.31±5.95?#99.43±7.21?#△☆86.31±6.34?#△☆165.665<0.001切斷骰楔足底韌帶647.33±29.58#△☆80.33±6.12?#△☆115.31±6.91?#△☆▲92.24±7.32?#△☆175.684<0.001F值16.43123.57831.26526.553P值<0.001<0.001<0.001<0.001

2.3 逐步破壞足底主要韌帶后足底與地面接觸面積的變化情況 負荷為0 N 時，隨著足底韌帶損傷，足底與地面接觸面積逐漸增大，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；隨著縱向壓力的增加，足底與地面接觸面積逐漸增大的現(xiàn)象明顯加劇，不同壓力狀態(tài)下足底與地面接觸面積差異有統(tǒng)計學意義(P<0.01)；但是在同一壓力水下，不同足底韌帶發(fā)生損傷時足底與地面接觸面積數(shù)據(jù)差異表現(xiàn)不一，在100 N、200 N作用力下，不同足底韌帶發(fā)生損傷時足底與地面接觸面積不同，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；在其他壓力作用下發(fā)生不同足底韌帶損傷時足底與地面接觸面積差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表3。

2.4 逐步破壞足底主要韌帶后距骨頸軸向位移情況比較 負荷為0 N時，隨著足底韌帶損傷，距骨頸與韌帶損傷前比較發(fā)生明顯軸向位移，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.01)；隨著縱向壓力的增加，距骨頸發(fā)生軸向位移的現(xiàn)象明顯加劇，不同壓力狀態(tài)下距骨頸發(fā)生軸向位移差異有統(tǒng)計學意義(P<0.01)；但是在同一壓力水平下，不同足底韌帶發(fā)生損傷時距骨頸位移數(shù)據(jù)差異表現(xiàn)不一，在100 N和700 N作用力下，不同足底韌帶發(fā)生損傷時距骨頸位移不同，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.01)；但在其他壓力(200 N、300 N、400 N、500 N、600 N)作用下發(fā)生不同足底韌帶損傷時距骨頸位移差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表4。

表3逐步破壞足底主要韌帶后足底與地面接觸面積的變化情況

負荷(N)韌帶損傷前切斷脛骨后肌腱切斷跟舟足底韌帶切斷足底長短韌帶切斷楔舟足底韌帶切斷骰楔足底韌帶F值P值04.58±0.514.73±0.614.72±0.314.78±0.235.07±0.29?#△☆5.37±0.45?#△☆2.7880.03510019.00±1.1720.08±1.4923.01±2.65?#23.22±1.17?#23.67±0.97?#24.25±1.02?#11.751<0.00120027.72±1.6628.60±0.6228.90±1.7829.82±1.78?29.90±1.60?31.10±1.81?#△3.2930.01730033.03±0.7732.97±1.1933.73±2.3334.02±2.3334.48±1.8234.93±1.861.1250.36940036.93±2.7337.21±2.2038.07±1.7738.12±1.8338.52±1.4339.10±1.321.0370.41450042.82±1.2642.75±1.1442.98±0.8643.08±0.7343.03±0.6343.40±0.840.3620.87060045.50±2.3545.50±2.4845.90±2.3245.95±2.1445.97±2.0446.38±2.140.1310.98470047.48±1.4748.75±1.9949.27±2.2649.28±2.2049.97±2.5650.53±2.001.4940.221F值474.329497.711336.152430.507498.951528.714P值<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001

表4 逐步破壞足底主要韌帶后距骨頸軸向位移情況對比

2.5 距骨頸縱向位移情況與足底與地面接觸面積變化的相關性研究 將距骨頸縱向位移的數(shù)據(jù)作為橫坐標，足底與地面接觸面積數(shù)據(jù)作為縱坐標，繪制兩者相關性曲線，并且統(tǒng)計其關聯(lián)性大小，結(jié)果可知，距骨頸縱向位移情況與足底與地面接觸面積變化呈線性關聯(lián)，并且關聯(lián)性大小為0.807，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。見圖1。

3 討論

通過本次模擬試驗能夠大致了解靜止狀態(tài)下足踝部應力變化趨勢，同時負載不同載荷條件模擬不同體質(zhì)指數(shù)人體足踝部復雜結(jié)構(gòu)間的相互作用關系。在測量基礎數(shù)據(jù)后，按試驗步驟，分別破壞足底主要筋膜及韌帶結(jié)構(gòu)，模擬韌帶損傷直立狀態(tài)下足弓骨性應力變化趨勢?？v向軸逐步加壓至700 N模擬靜止負重狀態(tài)人體足底壓力變化趨勢，韌帶損傷前跟骨受力最重，其次是第2跖骨、第1跖骨以及第3～5跖骨區(qū)域，足底受力面積分布情況與國內(nèi)學者研究結(jié)果[7]保持一致。在切斷脛骨后肌腱后，跟骨受力明顯減輕，縱向軸作用力分散至其他跖骨區(qū)域。隨著足底韌帶相繼切斷，跟骨受力及其他跖骨區(qū)域均逐漸增強[8，9]。隨著縱向壓力的增加，足底與地面接觸面積逐漸增大的現(xiàn)象明顯加劇，不同壓力狀態(tài)下足底與地面接觸面積差異有統(tǒng)計學意義。在逐步破壞足底韌帶過程中，由于韌帶間的相互協(xié)同作用導致同一壓力水平下足底各區(qū)域受力及受力面積差異表現(xiàn)不一。但在全部足底韌帶破壞完畢后，人體足底壓力和足底與地面接觸面積均達到最大值。由此可見，足底主要韌帶相繼破壞能夠不同程度地影響各區(qū)域骨性應力水平，并且各韌帶間的相互協(xié)同作用很強[10]。

距骨是連接下肢和足部重要的橋梁樞紐[11]，肩負著運動的偶聯(lián)和力量的傳導。距骨的解剖位置位于踝穴，分別與跟骨關節(jié)面及舟狀骨、脛骨遠端關節(jié)面一起共同組成距下關節(jié)、距舟關節(jié)和脛距關節(jié)。各功能區(qū)域韌帶附著眾多，解剖結(jié)構(gòu)復雜[12,13]。本次試驗研究中，測量在100～700 N的縱向加壓及依次破壞足底韌帶的情況下，準確測量距骨頸的軸向位移，為研究足底韌帶在維持人體靜態(tài)穩(wěn)定性的研究中增添了理論依據(jù)。試驗結(jié)果顯示，隨著縱向壓力的增強，距骨頸發(fā)生軸向位移的現(xiàn)象明顯加劇，不同壓力狀態(tài)下距骨頸發(fā)生軸向位移差異有統(tǒng)計學意義(P<0.01)；但是在同一壓力水下，不同足底韌帶發(fā)生損傷時距骨頸位移數(shù)據(jù)差異表現(xiàn)不一，這一現(xiàn)象的產(chǎn)生也與韌帶間協(xié)同作用強有關。

有研究證實，足底長韌帶無論是在解剖位置還是結(jié)構(gòu)上都是維持外側(cè)足縱弓的主要韌帶，舟狀骨、楔骨以及骰骨間的骨間韌帶及足底韌帶構(gòu)成維持內(nèi)側(cè)足縱弓的主要韌帶群[14]，并且同足底短韌帶一道維持足橫弓的穩(wěn)定性。本次試驗依次將足底長、短韌帶切斷后并未發(fā)現(xiàn)足底壓力和接觸面積有明顯變化，反而在切斷楔舟足底韌帶后，足底壓力和接觸面積有明顯增高的趨勢，因此可以推測，楔舟足底韌帶可能具有比足底長、短韌帶更為重要的維系穩(wěn)定性作用，豐富了楔舟足底韌帶在正常人體足部結(jié)構(gòu)中的橋梁作用的理論依據(jù)。

本次試驗分析過程中，還探究了距骨頸縱向位移情況與足底與地面接觸面積之間的相關性。由圖不難發(fā)現(xiàn)，兩者的變化呈線性趨勢，并且關聯(lián)性較強。據(jù)此數(shù)據(jù)，我們推斷，在靜態(tài)作用力縱向加壓過程中，機體是通過增加足底接觸面積來分散壓強以減少外力沖擊對足踝部內(nèi)部組織的破壞作用，足底接觸面積增加了，對于足底結(jié)構(gòu)的受力也就更加分散，從而有效延緩了一處韌帶損傷導致的足底正常結(jié)構(gòu)進一步被破壞的趨勢，這也是足部的正常調(diào)節(jié)作用發(fā)揮自我保護功能的基礎。在研究過程中同時發(fā)現(xiàn)，當縱向加壓至700 N后，距骨頸縱向雖然仍有位移發(fā)生，但是足底與地面接觸面積已不能繼續(xù)線性增加，提示此狀態(tài)下已經(jīng)為全足接觸，足底神經(jīng)、血管處于完全受壓狀態(tài)，足弓也失去了緩沖的保護效果，此時起到核心作用的是骨結(jié)構(gòu)的應力改變，這一研究結(jié)果與國內(nèi)部分學者的相關研究[15]也保持了一致性。

在國內(nèi)，因交通事故及礦山事故發(fā)生導致的足部碾壓傷、砸傷較為常見，其中很大一部分患者在發(fā)生創(chuàng)傷后不同時間導致創(chuàng)傷性扁平足的發(fā)生，在實際臨床工作中較為常見，這類患者可能導致局部關節(jié)融合以行動不便、影響足部完整功能而告終。本次試驗結(jié)果更加證實，創(chuàng)傷性扁平足的產(chǎn)生與維系足縱弓和足橫弓的韌帶系統(tǒng)的損傷或斷裂有關。由于這些足底韌帶的位置及結(jié)構(gòu)復雜性導致相關研究不能夠深入，本次試驗模擬正常狀態(tài)下以及足底韌帶逐步損傷后對足底壓力的變化，對今后深入探討足底主要韌帶的功能分區(qū)有一定的啟示作用。