引用本文: 劉松波, 黃東, 黃永軍, 劉偉杰, 劉曉春. 自體肌腱重建Lisfranc韌帶的生物力學研究. 中國修復重建外科雜志, 2016, 30(1): 60-64. doi: 10.7507/1002-1892.20160013 復制
Lisfranc關節在足部生物力學上發揮重要作用,是聯系中足和前足的橋梁,也是足弓的重要組成部分。連接于內側楔骨和第2跖骨基底之間的Lisfranc韌帶復合體為穩定跗跖關節提供了堅強支撐[1]。臨床上對于單純Lisfranc韌帶損傷又稱為隱匿性Lisfranc損傷,由于X線片上無明顯骨折征象且內側楔骨與第2跖骨基底間隙在未負重時無明顯增寬,初診時易漏診和誤診[2]。目前,對于此類損傷多采用鋼板和螺釘等剛性固定,但存在發生創傷性關節炎、瘢痕愈合導致韌帶生理強度下降等問題[3]。因此,彈性固定成為治療隱匿性Lisfranc損傷的方向。臨床上肌腱移植多用于膝關節交叉韌帶重建,用于修復Lisfranc韌帶報道較少。本研究旨在對自體肌腱移植修復Lisfranc韌帶的生物力學特征進行評價,探討其臨床應用的可行性。
1 材料與方法
1.1 實驗標本及分組
12只正常成年男性新鮮下肢尸體標本,由南方醫科大學解剖教研室提供。于脛骨結節下5 cm處橫形截斷脛腓骨,剔除近端皮膚、肌肉等軟組織,以2.0 mm克氏針固定跟距、跟骰和距舟關節,牙托粉包埋近端。將標本按順序制備Lisfranc韌帶完整(正常組)、Lisfranc韌帶斷裂(斷裂組)、Lisfranc韌帶重建(重建組)模型,進行生物力學測試。
1.2 實驗方法
1.2.1 模型制備方法
① 韌帶完整模型:剔除標本足背部皮膚,不處理任何韌帶或關節囊。② 韌帶斷裂模型:在韌帶完整模型基礎上切斷內側楔骨與第2跖骨間的背側韌帶、Lisfranc韌帶、跖側韌帶。同時切開第2跗跖關節囊,保留第1跗跖關節囊和第1、2 楔骨間韌帶完整。止血鉗插入內側楔骨和第2跖骨基底間并撐開,確保Lisfranc韌帶完全切斷。③ 韌帶重建模型:在韌帶斷裂模型基礎上,于跟腱內側作一縱切口,取自體跖肌腱,點式復位鉗復位內側楔骨和第2跖骨,在距第2跗跖關節面以遠約1 cm處,以2.5 mm鉆頭與第2跖骨矢狀面呈42°、水平面呈16°打入內側楔骨,同時由內側楔骨背側向內側另作一骨隧道。肌腱穿過內側楔骨-第2跖骨間骨隧道后,由背側翻折,穿入內側楔骨骨隧道,拉緊后維持復位狀態,愛惜邦縫線縫合固定。見圖 1。

1.2.2 生物力學測試方法
在足內側楔骨與第2跖骨底平行位置各打入1枚標記物,間距約12 mm。包埋段固定于Bose力學試驗機(ELectroForce3510;Bose公司,美國)。分別于中立位、跖屈30°位進行生物力學測試(圖 2)。具體方法:以10 N/s速度、0~600 N逐級軸向加載,每隔100 N停止加載1 min。數碼攝像頭記錄內側楔骨(C1)和第2跖骨(M2)基底間距以及第2跖骨基底部高度(代表足橫弓高度)圖像。將圖像導入Adobe photoshop CS6軟件中換算成坐標點,計算C1-M2間位移和足橫弓高度。計算中立位、跖屈30°位時0、600 N載荷下C1-M2間位移差值,作為C1-M2間位移變化值;以及中立位0、600 N載荷下足橫弓高度差值,作為足橫弓高度變化值。見圖 3。
1.3 統計學方法
采用SPSS20.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,多組間比較采用方差分析,兩兩比較采用SNK檢驗;斷裂組兩種體位間比較采用配對t檢驗;檢驗水準α=0.05。
2 結果
中立位及跖屈30°位,隨著載荷增加,C1-M2間位移及足橫弓高度均呈逐漸增加的趨勢。見圖 4。
中立位,正常組、斷裂組、重建組C1-M2間位移變化值分別為(0.81±0.11)、(1.66±0.19)、(0.95±0.17)mm;跖屈30°位,分別為(1.37±0.27)、(2.70±0.39)、(1.69±0.23)mm;每種體位3組間比較差異均有統計學意義(P<0.05),斷裂組中立位C1-M2間位移變化值顯著小于跖屈30°位,差異有統計學意義(t=7.392,P=0.000)。
中立位,正常組、斷裂組、重建組足橫弓高度變化值分別為(3.27±0.31)、(5.51±0.40)、(5.27± 0.49) mm;斷裂組和重建組足橫弓高度變化值明顯大于正常組,比較差異有統計學意義(P<0.05);斷裂組和重建組比較,差異無統計學意義(P>0.05)。
3 討論
3.1 Lisfranc韌帶在維持中足穩定性中的重要性
跗跖關節由5根跖骨、3塊楔骨和骰骨組成,功能上分內側柱、中間柱、外側柱。其中第2跖骨突入內外側楔骨之間的凹槽內,成為跗跖關節“羅馬拱形門”結構的“拱形石”,構成了足橫弓和縱弓的骨性穩定結構。研究表明,第2跗跖關節的特殊結構也是Lisfranc損傷的危險因素[4-5]。由于第1、2跖骨間無韌帶相連,內側柱和中間柱以及足弓的穩定性依賴于由內側楔骨向第2跖骨基底間發出的Lisfranc韌帶。本研究在切斷內側楔骨與第2跖骨間的韌帶連接后,發現斷裂組C1-M2間位移變化值較正常組顯著增加。同時第2跖骨基底作為足橫弓的最高點,我們以其為標志點,測量相應高度,以分析韌帶斷裂后足橫弓的緩沖能力。結果發現,斷裂組足橫弓高度變化值較正常組顯著增加。由于足橫弓主要作用是吸收震蕩,緩沖足底壓力;當韌帶斷裂后足的緩沖能力下降,將導致多種足部并發癥的發生。侯彥杰等[6]通過足底壓力測試系統研究金屬植入物修復后的Lisfranc韌帶,結果發現與正常組相比,患足負重由前足內側轉移至外側,表明了Lisfranc韌帶在跗跖關節中的重要性。臨床上對Lisfranc韌帶處理不當,可能發生足弓塌陷、創傷性關節炎、慢性跗跖關節疼痛等一系列并發癥。
3.2 Lisfranc韌帶損傷治療方法
Lisfranc韌帶是骨間韌帶,位置較深,損傷后無法直接縫合,僅依靠自身瘢痕愈合。目前治療方法以螺釘剛性固定為主,但剛性固定后一方面限制了Lisfranc關節間微動,加速了關節退化;另一方面瘢痕愈合的韌帶力學強度下降,存在韌帶再次斷裂的風險[7]。因此,尋找非剛性固定成為臨床修復Lisfranc韌帶的研究重點。Endobutton固定方法是一種新型彈性固定術,具有固定強度高、保留關節生理微動及術后無需取出等優點,但治療費用遠高于螺釘,難以在國內廣泛應用[8-9]。有學者提出采用肌腱移植方法修復Lisfranc韌帶損傷[10-11]。Miyamoto等[12]采用單骨隧道肌腱移植修復5例Lisfranc韌帶損傷,術后效果良好,提示肌腱移植可能是修復Lisfranc韌帶損傷的一種方法。為此,本研究采用雙骨隧道自體跖肌腱移植修復Lisfranc韌帶損傷,通過生物力學研究其修復效果。
3.3 足跖屈位對診斷隱匿性Lisfranc損傷的重要性
根據Nunley等[13]提出的Lisfranc韌帶損傷分類方法,當內側楔骨與第2跖骨基底間隙>2 mm,同時伴中足疼痛時,可考慮診斷為隱匿性Lisfranc損傷,但由于第2跖骨脫位后存在復位,誤診和漏診率較高[2, 14]。Lisfranc韌帶斷裂常由間接損傷所致,足跖屈時承受軸向暴力,同時足部產生反向的旋轉暴力所致。在診斷時我們無法完全模擬受傷時狀態,除MRI外,僅依靠在足負重位下加大損傷處的分離來達到診斷目的。本研究中,我們模擬足中立位和跖屈30°位,測量C1-M2間位移變化值;結果顯示,斷裂組跖屈30°位下C1-M2間位移變化值較中立位更大,提示跖屈負重位下較中立位能更好診斷隱匿性Lisfranc損傷。文藝等[15]通過固定第1跗跖關節、外展應力牽拉第3跗跖關節及外側柱來研究外展應力在診斷隱匿性Lisfranc韌帶損傷中的作用,結果顯示其較負重位能進一步加大C1-M2間位移變化。但在臨床實踐中較難模擬固定內側柱和牽拉外側柱這一狀態,故建議采用足跖屈負重位來診斷隱匿性Lisfranc損傷。
3.4 自體肌腱重建Lisfranc韌帶前后足生物力學改變
本研究結果顯示,中立位和跖屈30°位下,隨著載荷增加,3組間C1-M2間位移均呈逐漸增加趨勢;且0、600 N載荷下C1-M2間位移變化值比較,差異均具有統計學意義。Solan等[16]對內側楔骨和第2 跖骨基底間3條韌帶強度進行研究發現,三者強度大小依次為骨間韌帶(Lisfranc韌帶)、跖側韌帶、背側韌帶。本研究通過重建Lisfranc韌帶和背側韌帶后發現,重建組C1-M2間位移變化值較斷裂組下降,能穩定足內側柱和中間柱,但尚未達正常組水平。我們分析原因可能為肌腱在骨隧道內存在“蹦極效應”[17-18]。一方面,獲取肌腱后未對跖肌腱進行預張;另一方面,肌腱與骨隧道不匹配導致其在隧道內滑動。故重建組穩定效果弱于正常組,待肌腱在骨隧道內達腱-骨愈合后,其穩定效果可能會提升,但尚需進一步研究確定。Weglein等[19]通過生物力學研究比較了同種異體肌腱移植和螺釘固定修復Lisfranc韌帶的效果,結果顯示二者固定強度相似,但肌腱固定是彈性固定,在力學加載時具有一定活動度,避免了剛性固定后瘢痕愈合的韌帶其生物力學強度下降,有助于恢復內側楔骨與第2跖骨間關節的生理微動。
第2跖骨基底作為足橫弓的最高點,我們選取其作為足弓橫弓高度變化的參考點。中立位狀態下,正常組足橫弓高度變化值顯著小于斷裂組和重建組,而斷裂組和重建組間差異無統計學意義。說明在韌帶斷裂后,足橫弓緩沖能力下降,這可能是引起慢性跗跖關節疼痛的原因。但重建Lisfranc韌帶和背側韌帶后,足橫弓緩沖能力無明顯改善。既往研究認為[16-20],Lisfranc韌帶的強度大于跖側韌帶,其在維持Lisfranc關節穩定中發揮的作用最大。但結合本研究結果提示,跖側韌帶在維持足橫弓緩沖方面具有一定作用。但跖側韌帶起于內側楔骨底,止于第2、3跖骨基底,腓骨長肌腱覆蓋其上[21],位置較深,受限于目前技術,其愈合仍依賴于瘢痕愈合。
綜上述,自體肌腱移植修復Lisfranc韌帶能夠恢復跗跖關節的橫向穩定性,但對于縱向穩定性,即足橫弓緩沖能力,仍需要跖側韌帶的參與。本研究為臨床修復此類損傷提供了一個新方法,但其臨床應用療效以及肌腱移植物選取、固定方法選擇、骨隧道直徑等,仍需進一步研究明確。
Lisfranc關節在足部生物力學上發揮重要作用,是聯系中足和前足的橋梁,也是足弓的重要組成部分。連接于內側楔骨和第2跖骨基底之間的Lisfranc韌帶復合體為穩定跗跖關節提供了堅強支撐[1]。臨床上對于單純Lisfranc韌帶損傷又稱為隱匿性Lisfranc損傷,由于X線片上無明顯骨折征象且內側楔骨與第2跖骨基底間隙在未負重時無明顯增寬,初診時易漏診和誤診[2]。目前,對于此類損傷多采用鋼板和螺釘等剛性固定,但存在發生創傷性關節炎、瘢痕愈合導致韌帶生理強度下降等問題[3]。因此,彈性固定成為治療隱匿性Lisfranc損傷的方向。臨床上肌腱移植多用于膝關節交叉韌帶重建,用于修復Lisfranc韌帶報道較少。本研究旨在對自體肌腱移植修復Lisfranc韌帶的生物力學特征進行評價,探討其臨床應用的可行性。
1 材料與方法
1.1 實驗標本及分組
12只正常成年男性新鮮下肢尸體標本,由南方醫科大學解剖教研室提供。于脛骨結節下5 cm處橫形截斷脛腓骨,剔除近端皮膚、肌肉等軟組織,以2.0 mm克氏針固定跟距、跟骰和距舟關節,牙托粉包埋近端。將標本按順序制備Lisfranc韌帶完整(正常組)、Lisfranc韌帶斷裂(斷裂組)、Lisfranc韌帶重建(重建組)模型,進行生物力學測試。
1.2 實驗方法
1.2.1 模型制備方法
① 韌帶完整模型:剔除標本足背部皮膚,不處理任何韌帶或關節囊。② 韌帶斷裂模型:在韌帶完整模型基礎上切斷內側楔骨與第2跖骨間的背側韌帶、Lisfranc韌帶、跖側韌帶。同時切開第2跗跖關節囊,保留第1跗跖關節囊和第1、2 楔骨間韌帶完整。止血鉗插入內側楔骨和第2跖骨基底間并撐開,確保Lisfranc韌帶完全切斷。③ 韌帶重建模型:在韌帶斷裂模型基礎上,于跟腱內側作一縱切口,取自體跖肌腱,點式復位鉗復位內側楔骨和第2跖骨,在距第2跗跖關節面以遠約1 cm處,以2.5 mm鉆頭與第2跖骨矢狀面呈42°、水平面呈16°打入內側楔骨,同時由內側楔骨背側向內側另作一骨隧道。肌腱穿過內側楔骨-第2跖骨間骨隧道后,由背側翻折,穿入內側楔骨骨隧道,拉緊后維持復位狀態,愛惜邦縫線縫合固定。見圖 1。

1.2.2 生物力學測試方法
在足內側楔骨與第2跖骨底平行位置各打入1枚標記物,間距約12 mm。包埋段固定于Bose力學試驗機(ELectroForce3510;Bose公司,美國)。分別于中立位、跖屈30°位進行生物力學測試(圖 2)。具體方法:以10 N/s速度、0~600 N逐級軸向加載,每隔100 N停止加載1 min。數碼攝像頭記錄內側楔骨(C1)和第2跖骨(M2)基底間距以及第2跖骨基底部高度(代表足橫弓高度)圖像。將圖像導入Adobe photoshop CS6軟件中換算成坐標點,計算C1-M2間位移和足橫弓高度。計算中立位、跖屈30°位時0、600 N載荷下C1-M2間位移差值,作為C1-M2間位移變化值;以及中立位0、600 N載荷下足橫弓高度差值,作為足橫弓高度變化值。見圖 3。
1.3 統計學方法
采用SPSS20.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,多組間比較采用方差分析,兩兩比較采用SNK檢驗;斷裂組兩種體位間比較采用配對t檢驗;檢驗水準α=0.05。
2 結果
中立位及跖屈30°位,隨著載荷增加,C1-M2間位移及足橫弓高度均呈逐漸增加的趨勢。見圖 4。
中立位,正常組、斷裂組、重建組C1-M2間位移變化值分別為(0.81±0.11)、(1.66±0.19)、(0.95±0.17)mm;跖屈30°位,分別為(1.37±0.27)、(2.70±0.39)、(1.69±0.23)mm;每種體位3組間比較差異均有統計學意義(P<0.05),斷裂組中立位C1-M2間位移變化值顯著小于跖屈30°位,差異有統計學意義(t=7.392,P=0.000)。
中立位,正常組、斷裂組、重建組足橫弓高度變化值分別為(3.27±0.31)、(5.51±0.40)、(5.27± 0.49) mm;斷裂組和重建組足橫弓高度變化值明顯大于正常組,比較差異有統計學意義(P<0.05);斷裂組和重建組比較,差異無統計學意義(P>0.05)。
3 討論
3.1 Lisfranc韌帶在維持中足穩定性中的重要性
跗跖關節由5根跖骨、3塊楔骨和骰骨組成,功能上分內側柱、中間柱、外側柱。其中第2跖骨突入內外側楔骨之間的凹槽內,成為跗跖關節“羅馬拱形門”結構的“拱形石”,構成了足橫弓和縱弓的骨性穩定結構。研究表明,第2跗跖關節的特殊結構也是Lisfranc損傷的危險因素[4-5]。由于第1、2跖骨間無韌帶相連,內側柱和中間柱以及足弓的穩定性依賴于由內側楔骨向第2跖骨基底間發出的Lisfranc韌帶。本研究在切斷內側楔骨與第2跖骨間的韌帶連接后,發現斷裂組C1-M2間位移變化值較正常組顯著增加。同時第2跖骨基底作為足橫弓的最高點,我們以其為標志點,測量相應高度,以分析韌帶斷裂后足橫弓的緩沖能力。結果發現,斷裂組足橫弓高度變化值較正常組顯著增加。由于足橫弓主要作用是吸收震蕩,緩沖足底壓力;當韌帶斷裂后足的緩沖能力下降,將導致多種足部并發癥的發生。侯彥杰等[6]通過足底壓力測試系統研究金屬植入物修復后的Lisfranc韌帶,結果發現與正常組相比,患足負重由前足內側轉移至外側,表明了Lisfranc韌帶在跗跖關節中的重要性。臨床上對Lisfranc韌帶處理不當,可能發生足弓塌陷、創傷性關節炎、慢性跗跖關節疼痛等一系列并發癥。
3.2 Lisfranc韌帶損傷治療方法
Lisfranc韌帶是骨間韌帶,位置較深,損傷后無法直接縫合,僅依靠自身瘢痕愈合。目前治療方法以螺釘剛性固定為主,但剛性固定后一方面限制了Lisfranc關節間微動,加速了關節退化;另一方面瘢痕愈合的韌帶力學強度下降,存在韌帶再次斷裂的風險[7]。因此,尋找非剛性固定成為臨床修復Lisfranc韌帶的研究重點。Endobutton固定方法是一種新型彈性固定術,具有固定強度高、保留關節生理微動及術后無需取出等優點,但治療費用遠高于螺釘,難以在國內廣泛應用[8-9]。有學者提出采用肌腱移植方法修復Lisfranc韌帶損傷[10-11]。Miyamoto等[12]采用單骨隧道肌腱移植修復5例Lisfranc韌帶損傷,術后效果良好,提示肌腱移植可能是修復Lisfranc韌帶損傷的一種方法。為此,本研究采用雙骨隧道自體跖肌腱移植修復Lisfranc韌帶損傷,通過生物力學研究其修復效果。
3.3 足跖屈位對診斷隱匿性Lisfranc損傷的重要性
根據Nunley等[13]提出的Lisfranc韌帶損傷分類方法,當內側楔骨與第2跖骨基底間隙>2 mm,同時伴中足疼痛時,可考慮診斷為隱匿性Lisfranc損傷,但由于第2跖骨脫位后存在復位,誤診和漏診率較高[2, 14]。Lisfranc韌帶斷裂常由間接損傷所致,足跖屈時承受軸向暴力,同時足部產生反向的旋轉暴力所致。在診斷時我們無法完全模擬受傷時狀態,除MRI外,僅依靠在足負重位下加大損傷處的分離來達到診斷目的。本研究中,我們模擬足中立位和跖屈30°位,測量C1-M2間位移變化值;結果顯示,斷裂組跖屈30°位下C1-M2間位移變化值較中立位更大,提示跖屈負重位下較中立位能更好診斷隱匿性Lisfranc損傷。文藝等[15]通過固定第1跗跖關節、外展應力牽拉第3跗跖關節及外側柱來研究外展應力在診斷隱匿性Lisfranc韌帶損傷中的作用,結果顯示其較負重位能進一步加大C1-M2間位移變化。但在臨床實踐中較難模擬固定內側柱和牽拉外側柱這一狀態,故建議采用足跖屈負重位來診斷隱匿性Lisfranc損傷。
3.4 自體肌腱重建Lisfranc韌帶前后足生物力學改變
本研究結果顯示,中立位和跖屈30°位下,隨著載荷增加,3組間C1-M2間位移均呈逐漸增加趨勢;且0、600 N載荷下C1-M2間位移變化值比較,差異均具有統計學意義。Solan等[16]對內側楔骨和第2 跖骨基底間3條韌帶強度進行研究發現,三者強度大小依次為骨間韌帶(Lisfranc韌帶)、跖側韌帶、背側韌帶。本研究通過重建Lisfranc韌帶和背側韌帶后發現,重建組C1-M2間位移變化值較斷裂組下降,能穩定足內側柱和中間柱,但尚未達正常組水平。我們分析原因可能為肌腱在骨隧道內存在“蹦極效應”[17-18]。一方面,獲取肌腱后未對跖肌腱進行預張;另一方面,肌腱與骨隧道不匹配導致其在隧道內滑動。故重建組穩定效果弱于正常組,待肌腱在骨隧道內達腱-骨愈合后,其穩定效果可能會提升,但尚需進一步研究確定。Weglein等[19]通過生物力學研究比較了同種異體肌腱移植和螺釘固定修復Lisfranc韌帶的效果,結果顯示二者固定強度相似,但肌腱固定是彈性固定,在力學加載時具有一定活動度,避免了剛性固定后瘢痕愈合的韌帶其生物力學強度下降,有助于恢復內側楔骨與第2跖骨間關節的生理微動。
第2跖骨基底作為足橫弓的最高點,我們選取其作為足弓橫弓高度變化的參考點。中立位狀態下,正常組足橫弓高度變化值顯著小于斷裂組和重建組,而斷裂組和重建組間差異無統計學意義。說明在韌帶斷裂后,足橫弓緩沖能力下降,這可能是引起慢性跗跖關節疼痛的原因。但重建Lisfranc韌帶和背側韌帶后,足橫弓緩沖能力無明顯改善。既往研究認為[16-20],Lisfranc韌帶的強度大于跖側韌帶,其在維持Lisfranc關節穩定中發揮的作用最大。但結合本研究結果提示,跖側韌帶在維持足橫弓緩沖方面具有一定作用。但跖側韌帶起于內側楔骨底,止于第2、3跖骨基底,腓骨長肌腱覆蓋其上[21],位置較深,受限于目前技術,其愈合仍依賴于瘢痕愈合。
綜上述,自體肌腱移植修復Lisfranc韌帶能夠恢復跗跖關節的橫向穩定性,但對于縱向穩定性,即足橫弓緩沖能力,仍需要跖側韌帶的參與。本研究為臨床修復此類損傷提供了一個新方法,但其臨床應用療效以及肌腱移植物選取、固定方法選擇、骨隧道直徑等,仍需進一步研究明確。