胫骨骨干端延长后对膝关节内压力的影响

【摘要】  ［目的］活体内测量胫骨骨干端延长后膝关节内压力的变化。［方法］16只周龄为8周的健康新西兰幼兔的左腿放置双侧外固定架，于胫骨中段截骨后以每天分2次共0.8 mm的速度延长30%，16只动物平均分为2组，分别于延长结束时(8只兔子,周龄13周)及随后的5周（8只兔子,周龄18周） 测量膝关节内压力。压力的测定是通过两侧超膝关节牵引器内装的压力感应器与跨膝关节固定的关节牵引距离测定器实现的。当牵引器逐渐牵引关节时，关节牵引的力量和距离就通过与测定器相连的显示器纪录下来。［结果］延长侧膝关节内压力在30%胫骨骨干端延长结束时，较对侧正常关节有显著的升高(44.4±7.8 N对27.2±4.0 N),并维持至随后的5周后(44.3±6.5 N对 31.3±3.0 N)。［结论］30%胫骨骨干端延长能升高膝关节内压力，有造成关节软骨损伤的风险。

【关键词】  肢体延长； 膝关节； 关节压力

　　肢体延长术临床上被用来矫正肢体的不等长、骨缺损及身材矮小症，延长端骨愈合的问题已基本上解决，但是软组织挛缩、关节活动范围下降、关节僵硬的问题依然存在，可能导致临近关节内压力增高和损伤关节软骨［1］，但临床还无法直接测量肢体延长术后关节内压的变化，只有Olney & Jayaraman［2］直接测量了尸体膝和髋关节的关节内压，然而这种尸体测量有很大的局限性。尸体的肌肉缺乏活体内主动收缩的力学特性；尸体内下肢的延长是一次性完成的，而活体内则是逐渐在相当长的时间内完成的，并在这相应的时间内肌肉本身又发生了继发性的改变反而影响关节内压；尸体内测量需要打开关节腔后置于压力感应器，这会改变关节的状态。本研究目的是要摹拟临床肢体延长的状况，在不破坏关节结构的情况下活体内测量关节内压的变化。

　　1  材料和方法

　　1.1  测量方法的理论依据
   
　　理论上假定关节内压是由跨越关节的肌肉和软组织被动张力-长度变化决定的，整个肌肉和软组织的被动拉伸特性可由一曲线关系T(D)所描述，如图1所显示的T为张力，D为拉伸度。肢体延长中组织结构和材料特性的改变可改变曲线关系的参数值。假定存在一基础水平关节内压，那么一相同幅度的张力T(?)和一?度的拉伸必然产生于肌肉和软组织中。这个关节内压将导致关节表面压缩δ，其幅度是很小的。如果一外来的力量P牵引关节，从零开始逐渐增加而导致增加的关节位移d,在这过程中，软组织张力增加，关节内应力下降。当关节被牵开δ，起初关节表面压缩变形就恢复过来，关节内应力就是零，此时牵引力量P(δ)=T(Δ+δ)=T(Δ)+kδ
   
　　(1)其中k=［T(Δ+δ)-T(Δ)］/δ,它是位于?和(Δ+δ)之间T-D曲线的斜率，位于零和δ之间P-d曲线的斜率是K=P(δ)/δ=T(Δ+δ)/δ=T(Δ)/δ+k
   
　　(2)当关节牵引大于δ，关节表面被分开，P-d曲线就和T-D曲线一样。如果δ足够小，P-d曲线就有两个重要特征：(1)由于公式(1)中kδ接近零，  牵引力P(δ)接近起初加压力T(Δ)；(2)公式(2)中K接近无限，远高于当D>Δ+δ时那部分T-D曲线的斜率，换句话说，在关节面分开前，关节牵引力量P的增加引起关节位移的变化非常小，而当关节面分开后，牵引力量P的增加就会引起比较大的关节位移的变化。依据以上理论考虑，关节压力就相当于关节牵引力量-关节位移曲线变形点处的关节牵引力量。

　　图1  测量方法示意图（略）

　　2.2  实验步骤
   
　　16只幼年新西兰兔（平均周龄9±0.6周,重量1.4±0.3 kg）在全麻下行左侧胫骨干横向截骨,双臂外固定器固定。截骨后5 d开始牵引，每天牵引2次，每次0.4 mm。胫骨延长至其起初长度30%后停止，动物在笼中自由活动，右侧胫骨作为对照。其中8只兔子（平均周龄14±0.6周,重量2.4±0.4 kg）在延长结束时测关节内压，另外8只（周龄平均19±0.7周,重量2.9±0.5 kg）在延长结束5周后测关节内压。用双侧牵引杆各内置一压力感应器的关节牵引器测量关节压力，U形变形测定器测量关节移动的距离。来自变形测定器和压力感应器的信号被放大并以数码的形式显示在显示器上。所有的测量在动物麻醉状态下进行。测量关节压力前照前后方向放射照片，量角器测膝关节和踝关节的活动范围。测膝关节的活动范围时保持髋和踝关节屈曲90°，测踝关节的活动范围时髋关节屈曲90°和膝关节伸直位。
   
　　测延长端关节内压时踝关节维持45°跖屈位，2根2.0 mm的钢针由内向外穿于股骨远端以连接膝关节牵伸器于股骨远端和胫骨近端的钢针上，U形变形测定器固定于膝关节的内侧，与关节牵伸器平行并处于放松状态下。此时检查显示器的数据应该为零，表示没有力量作用于膝关节。通过拧关节牵伸器两侧牵引杆螺丝逐渐牵开关节，每转一圈螺丝牵伸0.8 mm（牵伸杆的直径0.8 mm），并记录牵伸力和移动的数据。当显示器显示关节牵伸超过0.5 mm时停止牵伸，记录显示器上显示的关节牵伸力量的数值，切断跟腱再次纪录关节牵伸力量的数值。
   
　　相同的测量过程在对侧正常膝关节重复一遍，由于正常侧胫骨没有外固定器，所以需要在股骨远端和胫骨近端各穿两根钢针，以便连接关节牵伸器。
   
　　测量结束后，用过量的巴比妥杀死动物，取腓肠肌测量其长度和周径。取股骨远端和胫骨近端的标本做组织学检查，在放射照片上用精确的卡钳测量胫骨的长度。

　　2.3  数据分析
   
　　关节挛缩度就是延长侧和正常侧膝关节活动范围的区别值。腓肠肌相对长度就是腓肠肌的全长除以胫骨的全长，用来显示肌肉相对的短缩。关节内压力就是关节牵伸力量-移动曲线的变形点。跟腱切断后力量下降值就是腓肠肌造成的关节内压力。配对t检验用来比较延长侧和对照侧的差异，非配对t检验被用来比较两组间的差异。

　　3  结果
   
　　切断跟腱前后膝关节内压力的平均值（标准差）显示在表1中。

　　表1  切断跟腱前后关节内压力（N）的平均值（略）

　　注：延长侧平均值标有#是显著性差异于正常对照侧(P<0.01)。延长结束时标有*的平均值是显著性差异于延长结束5周后。

　　延长结束时延长侧膝关节内压力达到了44.4 N（大概体重的1.8倍），正常对侧的压力为27.2 N（大概体重的1.1倍）。延长结束5周后延长侧和对侧的压力分别为44.3 N和31.3 N，与延长结束时相比并没有显著的差异。延长侧的压力无论在延长结束时还是结束5周后都比正常对侧显著的高（P<0.01）。虽然在延长侧腓肠肌导致的关节内压力占不足21%，但是延长侧与正常侧相比腓肠肌所占的比例明显增高（P<0.01）。延长侧腓肠肌所导致的压力在延长结束5周后较延长结束时下降（P<0.05），但正常侧保持不变。相对于胫骨的长度，延长侧腓肠肌的相对长度比正常侧相比在延长结束和5周后都显著的短（P<0.05），如表2、3所示。

　　表2  延长开始前、结束时、结束后5周胫骨长度（略）

　　表3  延长结束时、结束后5周腓肠肌相对长度（略）

　　注:延长侧平均值标有# 是相差显著差异(P<0.01) 于对照侧。延长结束时延长侧膝关节和踝关节分别出现平均27°（标准差8°）和36°（标准差13°）的屈曲挛缩。5周后依然有平均26°（标准差6°）和35°（标准差8°）的屈曲挛缩。

　　4  讨论
   
　　以前通过放置压力感受装置于人工关节或关节内来测定关节内压力，但是这些方法不适合本项研究，因为他们不是打开关节就是损坏了关节腔，改变了力量测定的条件，这些破坏性的方法也无法收集关节液、关节软骨标本。本项研究通过活体内关节以外的方法并没有造成对关节内腔的结构性侵害，测量牵开关节面所需要的力而间接又等量地测量了关节内的力。实验结果与理论推测一致。
   
　　目前还没检索到测量活体内胫骨延长后膝关节压力的研究报道，只有Olney和Jayaraman［2］测量了人尸体胫骨一次性延长25 mm后膝关节的关节内压达到64 N，本试验无法与Olney和Jayaraman的研究相比较，因为两者所用的实验对象种类、性质（活体对尸体）、延长的程序（一次性对逐渐增长性）都存在本质的不同。本试验在全麻状态下测得延长侧关节内压力明显比正常对侧高，延长结束时达到了体重的1.8倍，并且在延长结束5周后还保持了较高的水平，可以推测在清醒活动状态下，肌肉的收缩会导致压力的进一步增高。关节软骨处在这样一持续高压力下很可能出现损伤的并发症［1］。
   
　　许多因素可以造成延长侧关节内压力的增高，其中包括跨越关节的肌肉和周围的软组织。本实验发现延长侧腓肠肌相对于延长的胫骨变短，进一步证实了肌肉被延长的能力低于骨质［3］。其他的研究［4～6］也进一步证实了在肢体延长后肌肉出现肌膜内外的纤维化和退变，其程度取决于延长的长度和速度,并导致了肌肉硬度的增加。相对短缩和硬度增加的肌肉都会升高关节内压力。另一方面本实验显示腓肠肌导致的关节内压力只占不到整个的21%，揭示其他的软组织发挥了更重要的作用，要准确地确定有哪些结构在什么程度上参与了关节内压的提高是很困难的。但是本实验显示明显的关节屈曲挛缩存在，这可以引起关节内及关节周围软组织的挛缩，导致关节囊及周围软组织的硬度增加而造成关节内压力的升高。试验结果显示升高的关节内压力和关节挛缩在延长结束5周后都继续存在，也提示升高的关节内压力和关节挛缩的某种相关性。
   
　　延长侧单纯腓肠肌升高的关节内压力在延长结束5周后出现明显下降，这可能显示肌肉随着延长结束后牵拉力量的消失而出现某种程度的应力松弛，也可能随着年龄的增加幼兔肌肉、韧带、肌腱生长和发育，其长度增加和结构调整与恢复［3］。
   
　　本试验的局限性在于测量是在麻醉状态下进行的，无法显示在正常生理和活动情况下的实际情况。另外动物做胫骨延长时没有辅助理疗等肢体功能锻炼和康复，关节处于自然挛缩状态，无法完全模拟人体临床状态下的肢体延长。

　　5  结论
   
　　本试验在活体兔行30%胫骨骨干端延长术，在关节外不干扰关节内结构的情况下测量膝关节内压力，证实胫骨延长可明显升高膝关节内压力，原因可能是由于关节挛缩和相对短缩的肌肉。其临床意义在于肢体延长术可以造成关节挛缩和升高关节内压力，为防止关节软骨的损伤，保持关节的活动和减少肌肉挛缩是关键。

【】
  　　［1］ 王序全，李起鸿，徐建中，等.实验性胫骨延长对膝关节功能变化的影响［J］.矫形外科杂志，2003，11（15）：1050-1052.

　　［2］ Olney BW,Jayaraman G.Joint reaction forces during femoral lengthening［J］.Clin Orthop,1994,301:64-67.

　　［3］ Szoke G,Lee SH,Simpson AHRW,et al.Response of the tendon during limb lengthening［J］.J Bone Joint Surg(Br),2005,87:583-587.

　　［4］ Williams P,Simpson H,Kyberd P,et al.Effect of rate of distraction on loss of range of joint movement,muscle stiffness,and intramuscular connective tissue content during surgical limb?lengthening:a study in the rabbit［J］.Anatomical Record,1999,255:78-83.

　　［5］ Fink B,Neuen JE,Lienert A,et al.Changes in canine skeletal muscles during experimental tibial lengthening［J］.Clinical Orthop,2001,385:207-218.

　　［6］ 张新，王宁，吴其常，等.变速肢体延长及肌肉损伤［Ｊ］.中国矫形外科杂志，2002，10（12）：1164-1166.