引用本文： 赵宏谋, 梁晓军, 李毅, 牛文鑫, 张东升. 胫骨远端内外翻畸形对胫距关节接触的影响. 中国修复重建外科杂志, 2016, 30(7): 826-829. doi: 10.7507/1002-1892.20160169 复制
踝关节骨关节炎（osteoarthritis，OA）临床常见，在有症状的踝关节OA患者中，70%～80%合并内/外翻畸形，以内翻畸形多见[1-2]。对于有症状踝关节OA的治疗，早期可采用药物治疗、理疗、玻璃酸钠关节腔注射等；终末期踝关节OA目前主要采用关节融合或置换治疗。然而，对于中期踝关节OA的治疗，临床争议较多。如果合并有力线异常，踝上截骨为常用手术治疗方法。其理论依据在于通过纠正力线，缓解局部受力增加，进而延缓甚至逆转OA的进程。临床上，一些学者认为踝上截骨需要合并腓骨截骨[3-5]，一些认为应全部保留腓骨[6-9]，一些则认为应根据腓骨是否阻碍术中胫骨力线矫正来选择腓骨截骨[2, 10-13]。这些治疗选择多基于临床经验，缺乏相应基础研究依据。本研究通过生物力学方法，对不同程度胫骨远端内外翻畸形对胫距关节接触情况的影响进行比较研究，并比较分析保留与截断腓骨对胫距关节接触情况的影响，旨在为临床上合理选择踝上截骨的手术指征提供基础研究依据。
1 材料与方法
1.1 研究对象及设备
新鲜离体下肢标本8具，由同济大学医学院提供，标本截取后于—20℃低温冰柜中保存。所有标本外形正常，无小腿和足部肌肉、韧带、肌腱损伤及挛缩等；经X线片检查排除踝关节骨与关节退行性变、骨折、结构性畸形及骨质异常等骨骼疾病。
2T DDL实验机（长春机械科学研究院有限公司）；TekScan人体关节压力分析系统、5027号踝关节压敏片（TekScan公司，美国）；标本固定盒及载物台、金属楔形块、3.5 mm斯氏针及3.0 mm克氏针由西安交通大学医学院附属红会医院提供；T型钢板及螺钉（常州奥斯迈医疗器械有限公司）；组合式外固定架（北京骨外固定技术研究所）。
1.2 试验方法
试验前24 h取出标本，室温解冻。用3枚斯氏针于伸直位融合固定膝关节，去除小腿及踝关节周围软组织和肌腱等，显露胫腓骨，保留上、下胫腓联合及踝关节周围韧带和胫腓骨间膜的完整；将标本连接固定于DDL实验机。切开前侧踝关节囊，牵开踝关节并放置压敏片，尽量放置于踝关节中间，避免折叠。试验开始前先垂直缓慢预加载3次至载荷为600 N，以消除蠕变。试验采用垂直加载，载荷至600 N；分9种工况在同一标本上按顺序进行模型制作并完成加载（n=8）：①正常中立位（A组）；②通过踝上内侧闭合楔形截骨制作胫骨远端10°内翻模型（B组）；③在截骨间隙填充楔形块，制作5°内翻模型（C组）；④在截骨间隙填充楔形块，制作5°外翻模型（D组）；⑤在截骨间隙填充楔形块，制作10°外翻模型（E组）；⑥截断腓骨，按顺序重复工况②～⑤（分别为F、G、H、I组）。见图 1。通过TekScan压敏片法[14]采集二维彩图录像，获取不同工况下胫距关节的接触面积、接触压强和峰值压强，并观察不同工况下踝关节受力中心的位置。
图1
标本生物力学试验示意图ⓐ正常中立位加载ⓑ胫骨10°外翻并截断腓骨工况下加载 图 2不同工况下胫距关节的接触面积和压力分布ⓐ正常中立位ⓑ外翻10°并保留腓骨ⓒ内翻10°并保留腓骨ⓓ外翻10°并截断腓骨ⓔ内翻10°并截断腓骨
Figure1.
Specimen biomechanical test ⓐNormal neutral position ⓑ10°valgus with fibular osteotomy Fig. 2 Tibiotalar joint contact area and pressure in different conditions ⓐNormal neutral position ⓑ10°valgus with fibular preserved ⓒ10°varus with fibular preserved ⓓ10°valgus with fibular osteotomy ⓔ10°varus with fibular osteotomy
1.3 统计学方法
采用STATA11.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，不符合正态分布的数据采用Wilcoxon秩和检验；符合正态分布的数据，其余各工况与正常中立位数据比较采用配对t检验。检验水准取双侧α=0.05。
2 结果
接触面积：胫距关节加载至600 N，保留腓骨时，B～E组接触面积与A组比较差异均无统计学意义（P > 0.05）；截断腓骨时，F、I组接触面积显著小于A组，差异有统计学意义（P < 0.05），G、H组与A组比较差异无统计学意义（P > 0.05）。接触压强及峰值压强：保留腓骨时，B～E组接触压强及峰值压强与A组比较差异均无统计学意义（P > 0.05）；截断腓骨时，F、H、I组接触压强及F、I组峰值压强均显著大于A组，差异均有统计学意义（P < 0.05）。见表 1。
表1
各工况下胫距关节的接触面积、接触压强和峰值压强比较（n=8，胫距关节在正常中立位载荷时，有前外侧和前内侧两个主要受力区域；关节整体的受力中心位于前外侧象限，接近关节中心区域。保留腓骨时，随着内翻角度的增大，受力中心向前外侧转移；随着外翻角度的增大，受力中心则向后内侧转移。截断腓骨时，受力中心的移位正好相反，内翻时向后内侧转移，外翻时则向前外侧转移。见图 2。
3 讨论
3.1 踝关节内外翻对正常关节生物力学的影响
踝关节为人体最大的负重关节，由胫距关节和内、外踝关节构成，整体面积约12 cm2，其中胫距关节面积最大，约7 cm2；然而在负重及行走时，胫距关节的实际接触面积更小[14]。本研究结果显示，在600 N载荷时，胫距关节的接触面积仅为5.76 cm2，均小于髋关节（11.0 cm2）和膝关节（11.2 cm2）的接触面积[15]。因此，任何踝关节的对位或力线异常，都会导致踝关节局部出现应力集中，从而导致关节软骨磨损和OA形成。Stufkens等[16]通过生物力学研究指出，在踝关节畸形时，胫距关节的受力中心会发生移位；另外，关节畸形的进一步发展还可能导致步态异常和不稳定、足底压力改变、膝关节负重异常、局部疼痛等一系列问题[17]；严重时甚至引起同侧髋部疼痛、下腰痛以及对侧肢体受力异常。因此，对于伴有力线异常的踝关节OA患者，要保护关节，阻滞和延缓OA的进展，必须首先矫正负重力线，以缓解局部应力集中。
3.2 踝上截骨的临床研究进展
下肢不均衡的关节载荷会促进OA的发生与发展，关节保留手术治疗踝关节OA的目标就在于通过早期干预来延缓甚至逆转病程[3-12]。踝上截骨术正是基于矫正负重力线，进而均衡关节面的压力分布来治疗踝关节OA的一种术式。
对于不同类型的踝关节OA，选择合适的截骨矫形术式可以改善预后。常用术式大概分为3类：闭合截骨、开放截骨和关节内（Plafond）截骨术。虽然闭合截骨的手术操作相对容易[18]，但可能导致患肢短缩及术后外侧肌力变弱等问题[4]；另外，对于多数畸形，成角旋转中心正位于关节面，闭合截骨可能导致术后关节受力中心偏移[9]。对于关节内成角畸形，可采用Plafond截骨术[9]。近期，Ahn等[6]报道了一种保留腓骨的胫骨远端截骨术，截骨线从踝上5 cm斜向外下至踝上5 mm，主要针对伴有距骨内移及踝穴增宽的内翻型踝关节骨关节炎。
踝上截骨可以较好地矫正冠状面的成角畸形。临床研究指出，胫骨远端关节面角的平均矫正度为8.5～14.5°[3-12]。关于距骨倾斜角（talar tilt，TT）在踝上截骨术中的意义目前争论最为激烈，研究报道间的差异性较大。一些作者指出，术后TT可得到显著矫正[7-8, 11, 19]；然而，一些作者却强调踝上截骨并无矫正TT的能力[5-6, 20]。Lee等[5]指出，手术前后TT有相关性，他们认为术前TT≥7.3°的患者应放弃踝上截骨术。Mann等[9]报道，术后TT≥10°的患者依然可获得较好的临床功能。因为踝上截骨可以重新分布胫距关节受力情况，外移踝关节机械轴[3]，延缓甚至逆转OA的进程，甚至通过术后负重改变，使TT重新恢复至正常范围，所以对于TT较大的患者，依然可尝试踝上截骨术。
3.3 本研究的意义及临床相关性
根据本研究结果，无论保留腓骨或截断腓骨，在内、外翻5°以内，胫距关节的接触情况基本与正常关节相似。提示对于胫骨远端关节面5°以内的畸形，患者也许可通过周围关节的协同作用来调整关节应力分布，即对畸形可耐受。但畸形超过10°时，则对关节接触面积、接触压强及峰值压强产生显著影响，此时，周围关节的协同作用已不能耐受，提示需要手术干预。对于5～10°的畸形，因为本研究未进一步细分，无法得出确切结论。但根据目前结果，超过5°的畸形有可能会对关节接触产生影响，在临床上应根据患者的症状、影像学表现及治疗要求综合分析，并选择合适的手术指征。
临床上踝上截骨合并腓骨截骨的手术指征并无定论，主要通过术前和术中评估确定。术前评估包括[4, 20]：①患侧胫骨踝穴角较健侧减小超过5°或存在内翻改变；②存在腓骨骨折畸形愈合；③患者因胫骨骨骺损伤史而导致腓骨相对较长。术中主要评估在胫骨远端关节面及距骨复位时，是否存在外侧阻挡[18]。本研究结果显示，胫骨远端关节面外翻时，胫距关节的接触压强并未随之显著外移，而是转向后内侧；只有在腓骨截骨后，胫距关节的接触压强才随着外翻角度的增大逐渐转向前外侧；这与Stufkens等[16]报道的趋势结果一致。因此，在这种情况下，腓骨截骨可以促进关节协调性的恢复，以及接触压力的外移。
综上述，本研究结果显示，在不同的胫骨远端内外翻畸形中，腓骨截骨与否对胫距关节的接触面积、接触压强及峰值压强有显著影响，同时，可以影响胫骨关节受力中心的位置。但由于本研究未对5～10°区间内的畸形进一步分组研究，无法得出对胫距关节接触有显著影响的具体度数，有待进一步研究明确。
踝关节骨关节炎（osteoarthritis，OA）临床常见，在有症状的踝关节OA患者中，70%～80%合并内/外翻畸形，以内翻畸形多见[1-2]。对于有症状踝关节OA的治疗，早期可采用药物治疗、理疗、玻璃酸钠关节腔注射等；终末期踝关节OA目前主要采用关节融合或置换治疗。然而，对于中期踝关节OA的治疗，临床争议较多。如果合并有力线异常，踝上截骨为常用手术治疗方法。其理论依据在于通过纠正力线，缓解局部受力增加，进而延缓甚至逆转OA的进程。临床上，一些学者认为踝上截骨需要合并腓骨截骨[3-5]，一些认为应全部保留腓骨[6-9]，一些则认为应根据腓骨是否阻碍术中胫骨力线矫正来选择腓骨截骨[2, 10-13]。这些治疗选择多基于临床经验，缺乏相应基础研究依据。本研究通过生物力学方法，对不同程度胫骨远端内外翻畸形对胫距关节接触情况的影响进行比较研究，并比较分析保留与截断腓骨对胫距关节接触情况的影响，旨在为临床上合理选择踝上截骨的手术指征提供基础研究依据。
1 材料与方法
1.1 研究对象及设备
新鲜离体下肢标本8具，由同济大学医学院提供，标本截取后于—20℃低温冰柜中保存。所有标本外形正常，无小腿和足部肌肉、韧带、肌腱损伤及挛缩等；经X线片检查排除踝关节骨与关节退行性变、骨折、结构性畸形及骨质异常等骨骼疾病。
2T DDL实验机（长春机械科学研究院有限公司）；TekScan人体关节压力分析系统、5027号踝关节压敏片（TekScan公司，美国）；标本固定盒及载物台、金属楔形块、3.5 mm斯氏针及3.0 mm克氏针由西安交通大学医学院附属红会医院提供；T型钢板及螺钉（常州奥斯迈医疗器械有限公司）；组合式外固定架（北京骨外固定技术研究所）。
1.2 试验方法
试验前24 h取出标本，室温解冻。用3枚斯氏针于伸直位融合固定膝关节，去除小腿及踝关节周围软组织和肌腱等，显露胫腓骨，保留上、下胫腓联合及踝关节周围韧带和胫腓骨间膜的完整；将标本连接固定于DDL实验机。切开前侧踝关节囊，牵开踝关节并放置压敏片，尽量放置于踝关节中间，避免折叠。试验开始前先垂直缓慢预加载3次至载荷为600 N，以消除蠕变。试验采用垂直加载，载荷至600 N；分9种工况在同一标本上按顺序进行模型制作并完成加载（n=8）：①正常中立位（A组）；②通过踝上内侧闭合楔形截骨制作胫骨远端10°内翻模型（B组）；③在截骨间隙填充楔形块，制作5°内翻模型（C组）；④在截骨间隙填充楔形块，制作5°外翻模型（D组）；⑤在截骨间隙填充楔形块，制作10°外翻模型（E组）；⑥截断腓骨，按顺序重复工况②～⑤（分别为F、G、H、I组）。见图 1。通过TekScan压敏片法[14]采集二维彩图录像，获取不同工况下胫距关节的接触面积、接触压强和峰值压强，并观察不同工况下踝关节受力中心的位置。
图1
标本生物力学试验示意图ⓐ正常中立位加载ⓑ胫骨10°外翻并截断腓骨工况下加载 图 2不同工况下胫距关节的接触面积和压力分布ⓐ正常中立位ⓑ外翻10°并保留腓骨ⓒ内翻10°并保留腓骨ⓓ外翻10°并截断腓骨ⓔ内翻10°并截断腓骨
Figure1.
Specimen biomechanical test ⓐNormal neutral position ⓑ10°valgus with fibular osteotomy Fig. 2 Tibiotalar joint contact area and pressure in different conditions ⓐNormal neutral position ⓑ10°valgus with fibular preserved ⓒ10°varus with fibular preserved ⓓ10°valgus with fibular osteotomy ⓔ10°varus with fibular osteotomy
1.3 统计学方法
采用STATA11.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，不符合正态分布的数据采用Wilcoxon秩和检验；符合正态分布的数据，其余各工况与正常中立位数据比较采用配对t检验。检验水准取双侧α=0.05。
2 结果
接触面积：胫距关节加载至600 N，保留腓骨时，B～E组接触面积与A组比较差异均无统计学意义（P > 0.05）；截断腓骨时，F、I组接触面积显著小于A组，差异有统计学意义（P < 0.05），G、H组与A组比较差异无统计学意义（P > 0.05）。接触压强及峰值压强：保留腓骨时，B～E组接触压强及峰值压强与A组比较差异均无统计学意义（P > 0.05）；截断腓骨时，F、H、I组接触压强及F、I组峰值压强均显著大于A组，差异均有统计学意义（P < 0.05）。见表 1。
表1
各工况下胫距关节的接触面积、接触压强和峰值压强比较（n=8，胫距关节在正常中立位载荷时，有前外侧和前内侧两个主要受力区域；关节整体的受力中心位于前外侧象限，接近关节中心区域。保留腓骨时，随着内翻角度的增大，受力中心向前外侧转移；随着外翻角度的增大，受力中心则向后内侧转移。截断腓骨时，受力中心的移位正好相反，内翻时向后内侧转移，外翻时则向前外侧转移。见图 2。
3 讨论
3.1 踝关节内外翻对正常关节生物力学的影响
踝关节为人体最大的负重关节，由胫距关节和内、外踝关节构成，整体面积约12 cm2，其中胫距关节面积最大，约7 cm2；然而在负重及行走时，胫距关节的实际接触面积更小[14]。本研究结果显示，在600 N载荷时，胫距关节的接触面积仅为5.76 cm2，均小于髋关节（11.0 cm2）和膝关节（11.2 cm2）的接触面积[15]。因此，任何踝关节的对位或力线异常，都会导致踝关节局部出现应力集中，从而导致关节软骨磨损和OA形成。Stufkens等[16]通过生物力学研究指出，在踝关节畸形时，胫距关节的受力中心会发生移位；另外，关节畸形的进一步发展还可能导致步态异常和不稳定、足底压力改变、膝关节负重异常、局部疼痛等一系列问题[17]；严重时甚至引起同侧髋部疼痛、下腰痛以及对侧肢体受力异常。因此，对于伴有力线异常的踝关节OA患者，要保护关节，阻滞和延缓OA的进展，必须首先矫正负重力线，以缓解局部应力集中。
3.2 踝上截骨的临床研究进展
下肢不均衡的关节载荷会促进OA的发生与发展，关节保留手术治疗踝关节OA的目标就在于通过早期干预来延缓甚至逆转病程[3-12]。踝上截骨术正是基于矫正负重力线，进而均衡关节面的压力分布来治疗踝关节OA的一种术式。
对于不同类型的踝关节OA，选择合适的截骨矫形术式可以改善预后。常用术式大概分为3类：闭合截骨、开放截骨和关节内（Plafond）截骨术。虽然闭合截骨的手术操作相对容易[18]，但可能导致患肢短缩及术后外侧肌力变弱等问题[4]；另外，对于多数畸形，成角旋转中心正位于关节面，闭合截骨可能导致术后关节受力中心偏移[9]。对于关节内成角畸形，可采用Plafond截骨术[9]。近期，Ahn等[6]报道了一种保留腓骨的胫骨远端截骨术，截骨线从踝上5 cm斜向外下至踝上5 mm，主要针对伴有距骨内移及踝穴增宽的内翻型踝关节骨关节炎。
踝上截骨可以较好地矫正冠状面的成角畸形。临床研究指出，胫骨远端关节面角的平均矫正度为8.5～14.5°[3-12]。关于距骨倾斜角（talar tilt，TT）在踝上截骨术中的意义目前争论最为激烈，研究报道间的差异性较大。一些作者指出，术后TT可得到显著矫正[7-8, 11, 19]；然而，一些作者却强调踝上截骨并无矫正TT的能力[5-6, 20]。Lee等[5]指出，手术前后TT有相关性，他们认为术前TT≥7.3°的患者应放弃踝上截骨术。Mann等[9]报道，术后TT≥10°的患者依然可获得较好的临床功能。因为踝上截骨可以重新分布胫距关节受力情况，外移踝关节机械轴[3]，延缓甚至逆转OA的进程，甚至通过术后负重改变，使TT重新恢复至正常范围，所以对于TT较大的患者，依然可尝试踝上截骨术。
3.3 本研究的意义及临床相关性
根据本研究结果，无论保留腓骨或截断腓骨，在内、外翻5°以内，胫距关节的接触情况基本与正常关节相似。提示对于胫骨远端关节面5°以内的畸形，患者也许可通过周围关节的协同作用来调整关节应力分布，即对畸形可耐受。但畸形超过10°时，则对关节接触面积、接触压强及峰值压强产生显著影响，此时，周围关节的协同作用已不能耐受，提示需要手术干预。对于5～10°的畸形，因为本研究未进一步细分，无法得出确切结论。但根据目前结果，超过5°的畸形有可能会对关节接触产生影响，在临床上应根据患者的症状、影像学表现及治疗要求综合分析，并选择合适的手术指征。
临床上踝上截骨合并腓骨截骨的手术指征并无定论，主要通过术前和术中评估确定。术前评估包括[4, 20]：①患侧胫骨踝穴角较健侧减小超过5°或存在内翻改变；②存在腓骨骨折畸形愈合；③患者因胫骨骨骺损伤史而导致腓骨相对较长。术中主要评估在胫骨远端关节面及距骨复位时，是否存在外侧阻挡[18]。本研究结果显示，胫骨远端关节面外翻时，胫距关节的接触压强并未随之显著外移，而是转向后内侧；只有在腓骨截骨后，胫距关节的接触压强才随着外翻角度的增大逐渐转向前外侧；这与Stufkens等[16]报道的趋势结果一致。因此，在这种情况下，腓骨截骨可以促进关节协调性的恢复，以及接触压力的外移。
综上述，本研究结果显示，在不同的胫骨远端内外翻畸形中，腓骨截骨与否对胫距关节的接触面积、接触压强及峰值压强有显著影响，同时，可以影响胫骨关节受力中心的位置。但由于本研究未对5～10°区间内的畸形进一步分组研究，无法得出对胫距关节接触有显著影响的具体度数，有待进一步研究明确。
