站立負重位足跖骨的應(yīng)變分析

李兵,俞光榮,楊云峰,周家鈐,祝曉忠,黃軼剛,徐峰,丁祖泉

足是人體重要的運動器官,其主要作用是負重和應(yīng)力緩沖。跖骨作為中前足的重要組成部分,在足部應(yīng)力傳導(dǎo)及負重緩沖方面至關(guān)重要。本研究模擬站立負重位的足部生物力學模型,通過電阻應(yīng)變片法檢測跖骨的應(yīng)力變化,并比較各跖骨應(yīng)變值的差異,從而為跖骨應(yīng)力性骨折的發(fā)病機制提供生物力學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與設(shè)備 由同濟大學醫(yī)學院解剖教研室提供6具正常成人新鮮尸體足標本;CCS-44010電子萬能試驗機:長春試驗機研究所;DH-3818電阻應(yīng)力儀:靖江華東測試技術(shù)公司;BE120-2CA微型箔式電阻應(yīng)變片:中航電測儀器公司;應(yīng)變片連接端子:上海應(yīng)變計廠。

1.2 方法

1.2.1 標本制備 實驗前24 h將標本從-20℃深低溫冰箱中取出,室溫下自然解凍。自踝關(guān)節(jié)上方 10 cm處切除小腿皮膚、肌肉,切斷經(jīng)過踝關(guān)節(jié)的肌腱,包括足部屈肌腱、伸肌腱、脛骨前后肌腱、腓骨長短肌腱及跟腱等,顯露脛腓骨,保留踝關(guān)節(jié)周圍皮膚、韌帶的完整。將脛骨殘端用骨銼挫平,截除部分腓骨,使其較脛骨殘端短約5 cm,以便于加載機上端夾具的固定,截下的腓骨段保留備用。

去除足背部跖骨處的皮膚、皮下組織及肌腱,顯露5根跖骨的背側(cè),5根跖骨(M1～M5)選取背側(cè)中央部位,第二跖骨在背側(cè)的近端、中間和遠端骨面用丙酮去除油污,無水乙醇脫水各3次,干燥后用細砂紙打磨骨面,以便應(yīng)變片的粘貼。

1.2.2 電阻應(yīng)變測量的準備 首先將應(yīng)變片的導(dǎo)絲和連接導(dǎo)線用電烙鐵焊接在接線端子上,同時在準備好的骨面標記處、應(yīng)變片和接線端子粘貼面上涂薄層氰基丙烯酸乙酯瞬間粘合劑,將應(yīng)變片與骨面緊密粘合。粘貼前注意標記線和應(yīng)變片末端對齊,粘貼應(yīng)變片的方向要與骨骼的縱軸平行。通過萬用表測試連接導(dǎo)線末端以確定無短路。溫度補償片粘貼在從同一標本上截取的一段腓骨上,溫度補償片和工作片為同一批次產(chǎn)品。

1.2.3 加載及測試 將粘貼應(yīng)變片的足標本放置于萬能加載機的底座上,脛骨近端固定于加載機頂端的骨骼專用固定器內(nèi)堅強固定,不固定腓骨。開機后微調(diào),使標本處于非負重狀態(tài),通過鉛錘矯正標本的位置,使實驗標本的脛骨受力方向與底座垂直。模擬人體正常站立情況,經(jīng)脛骨上端軸向加載,將實驗標本從0 N～1200 N逐級加載,分7級達到,中間每間隔200 N加載機停止1 min,以便數(shù)據(jù)采集,通過電阻應(yīng)變測試儀將相應(yīng)應(yīng)變值存儲于電腦。數(shù)據(jù)采集時設(shè)定連續(xù)采集3次,然后取平均值得到最終數(shù)據(jù)。每一工況加載前先對電阻應(yīng)變測試儀進行調(diào)零,即0 N時各測試點的應(yīng)變也應(yīng)為0(原則上±5之間可以接受)。其中正值為拉應(yīng)變,負值為壓應(yīng)變。實驗前先對實驗標本進行預(yù)加載,按照生物力學試驗標準,實驗標本預(yù)調(diào)3次到600 N,加載速率為2 mm/min,至整體載荷位移曲線趨于穩(wěn)定,以消除生物標本載荷的蠕變。

1.3 統(tǒng)計學方法 實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析,實驗數(shù)據(jù)定量資料以(±s)表示,采用單因素方差分析(One-way ANOVA),組間兩兩比較采用LSD檢驗法,顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

共采集6個標本、7個測點、7個加載階段的應(yīng)變值,以0 N時的應(yīng)變值作為基線校準。在所有情況下,跖骨各測點的應(yīng)變值均為負值,即表現(xiàn)為壓應(yīng)變。發(fā)現(xiàn)隨載荷的增加,各測點的應(yīng)變呈逐級增大趨勢;各測點中以第二跖骨中部的應(yīng)變值最大,第五跖骨測點的應(yīng)變最小。同一載荷下,5根跖骨中部各測點的應(yīng)變值有顯著性差異(P＜0.05),第二跖骨中部應(yīng)變值最大,第三跖骨次之,第五跖骨最小。第二跖骨頸部、中部、基底部3個測點的應(yīng)變值也有顯著性差異(P＜0.05),中部最大,頸部次之,基底部最小。不同載荷下各測點應(yīng)變的具體數(shù)值見表1～表2。

表1 不同載荷下 5根跖骨中部各測點的應(yīng)變值(μ ε)

表2 不同載荷下第二跖骨各測點的應(yīng)變值(μ ε)

3 討論

電阻應(yīng)變測試技術(shù)是目前最常用的實測法,已被廣泛應(yīng)用于實驗應(yīng)力分析[1]。電阻應(yīng)變測量依據(jù)電阻絲的電阻率隨電阻絲的變形而變化的關(guān)系,把力學參數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成比例的電學參數(shù),通過測量電學參數(shù)并按照一定的比例關(guān)系將其轉(zhuǎn)換成受試對象的應(yīng)變值[2]。由于其具有靈敏度高、傳感元件小、適應(yīng)性強、無創(chuàng)等優(yōu)點,應(yīng)用廣泛。在電測應(yīng)變實驗中,應(yīng)變片的粘貼和焊接好壞將直接影響電測結(jié)果的準確性。故操作過程中應(yīng)注意受試標本的去污、脫水和打磨。

在生物力學領(lǐng)域,電阻應(yīng)變測試技術(shù)作為一種精確的、無損的應(yīng)變測量方法,其用途受到越來越多的學者的關(guān)注。同時也對該方法的可靠性進行了大量的實驗驗證。Milgrom等通過尸體模型,研究比較U型應(yīng)變夾及電阻應(yīng)變片在脛骨、第二跖骨應(yīng)變測量上的異同點和可靠度,經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn),應(yīng)變片能更好地反映骨骼的表面應(yīng)變,而且不會引起受試對象的損傷,較植入性應(yīng)變測量夾來說更為安全、可靠[3]。Gail等對一種新型的應(yīng)變計進行測試,并同表面粘貼式應(yīng)變片相比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn)后者能更精確的反映局部的應(yīng)變變化[4]。近年來隨著國內(nèi)生物力學研究的不斷深入和傳感器的發(fā)展,應(yīng)變電測方法開始廣泛應(yīng)用于骨骼生物力學的測試研究。但電測法應(yīng)用于足踝部生物力學測試的研究,國內(nèi)外文獻報道較少,缺乏足部骨結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布的資料。作為人體運動的力學基石,對足部跖骨應(yīng)力、應(yīng)變的研究有利于了解足部的功能。

本實驗結(jié)果表明,第二、三跖骨的應(yīng)變較大,與第二、三跖骨是應(yīng)力性骨折的好發(fā)部位[5]相吻合。從足部的結(jié)構(gòu)特點來看,第二、三跖骨屬于足的中間柱,第二、三跖跗關(guān)節(jié)的活動度甚小,而作為第一跖跗關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)柱和第四、五跖跗關(guān)節(jié)的外側(cè)柱均有一定程度的活動范圍。故當足部負重時,足的內(nèi)外側(cè)柱由于存在一定的活動度,可將應(yīng)力適當緩沖,而中間的第二、三跖骨給予堅強的支撐,故負重時第二、三跖骨所受的應(yīng)力較大。另外,在跖跗關(guān)節(jié)處,3塊楔骨相互嵌合形成一個突向上方的拱形結(jié)構(gòu),內(nèi)外側(cè)楔骨向遠側(cè)突出超出中間楔骨,從而形成一個隱窩,接納第二跖骨基底部,使其牢固嵌入其中[6],這種結(jié)構(gòu)限制了第二跖列的活動,使第二跖骨在5塊跖骨中成為抗彎、抗剪的主要構(gòu)件,足部彎曲和剪切載荷傾向于通過第二跖骨傳遞。同樣,Kanatli等通過步態(tài)分析對16名正常人的前足橫弓進行足底壓力檢測,發(fā)現(xiàn)站立相中期平均壓強最大的區(qū)域在第二、三跖骨頭下,為7.96 N/cm2,而第一跖骨頭下為4.86 N/cm2,第四、五跖骨頭下為6.26 N/cm2[7]。Muehleman等對21具尸體標本進行研究,測量了第二跖骨的骨密度和相關(guān)的幾何特性,并對離體第二跖骨進行疲勞加載,結(jié)果發(fā)現(xiàn)第二跖骨的強度而不是它的幾何特點在第二跖骨應(yīng)力性骨折發(fā)生過程中起主要作用[8]。Griffin等對40例隨機樣本進行跖骨CT橫斷面掃描,并與以往有關(guān)足底壓力的相關(guān)研究進行對照,發(fā)現(xiàn)第二、三跖骨本身的結(jié)構(gòu)相對薄弱,卻承擔相對較多的負荷,相對于其他跖骨來說,這種負荷與結(jié)構(gòu)關(guān)系的不合理是其好發(fā)應(yīng)力性骨折的原因[9]。

本實驗發(fā)現(xiàn),對于第二跖骨的應(yīng)變由大到小依次為:中部、頸部和基底部。同樣,Arangio等對第二至第五跖骨進行不同方向的力學加載,結(jié)果顯示第二跖骨的最大應(yīng)變部位出現(xiàn)在距離跖骨近端3 cm和4 cm的地方,即第二跖骨的中部,主要是垂直加載作用的結(jié)果[10]。第二跖骨基底部應(yīng)力性骨折較為少見,多發(fā)生于芭蕾舞演員[11]。由于足在極度跖屈時應(yīng)力都集中在跖跗關(guān)節(jié)和第二跖骨基底部,因此過度負重機制是芭蕾舞蹈演員第二跖骨近端骨折的潛在性原因。而對于一般人群而言,應(yīng)力性骨折多發(fā)生于跖骨的中部。

本實驗中應(yīng)變片粘貼于標本的表面,雖然該方法在工程力學的應(yīng)用上已相當成熟,但在生物力學實驗中還存在多種問題,如人體骨骼外形不規(guī)則,人體骨骼在材料參數(shù)上是非均質(zhì)、非線性、各向異性的,對應(yīng)力變化的趨勢和方向難以預(yù)測。本實驗中只能以人體縱軸和骨小梁的走行作為參照,對各跖骨的表面應(yīng)變進行初步探討,為臨床上足部疾患的預(yù)防和診治提供一定的參考依據(jù),如能結(jié)合三維有限元分析骨骼內(nèi)部的應(yīng)力變化,則結(jié)果更為可信。

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