肱橈關節在肘關節內側副韌帶損傷后的生物力學變化

張培楠，武 娜，張 鑫，賈永利，楊新明，馬朋朋

(1.河北北方學院附屬第一醫院骨科，河北 張家口 075000；2.河北北方學院附屬第一醫院小兒外科，河北 張家口 075000)

·論 著·

肱橈關節在肘關節內側副韌帶損傷后的生物力學變化

張培楠1，武 娜2，張 鑫1，賈永利1，楊新明1，馬朋朋1

(1.河北北方學院附屬第一醫院骨科，河北 張家口 075000；2.河北北方學院附屬第一醫院小兒外科，河北 張家口 075000)

目的通過測量肘關節內側副韌帶(medial collateral-ligament，MCL)前束在不同狀態下(完整、部分斷裂、完全斷裂)肱橈關節的生物力學指標，探討MCL前束在不同狀態下對肱橈關節的生物力學影響。方法應用人體肘關節標本，將壓敏膠片(pressure sensitive film)置入肱橈關節間隙，測量MCL前束在不同狀態下(完整、部分斷裂、完全斷裂)及肘關節在不同屈曲角度下肱橈關節內的生物力學指標，即壓強和關節接觸面積；根據MCL前束的不同狀態將標本分為前束完整組(1組)、前束部分斷裂組(2組)及前束完全斷裂組(3組)，每組20個標本，將得出的數據進行統計學分析。結果組內比較，各組在30 °、60 °時的壓強均高于0 °，到90 °時略有降低，但仍高于0 °，其差異有統計學意義(P<0.05)；組間比較，30 °、60 °時3組的壓強高于1組和2組，差異有統計學意義(P<0.05)，0 °、90 °時3組間差異無統計學意義(P>0.05)。組內比較，1組、2組和3組在30 °、60 °、90 ° 時接觸面積均少于0 °，差異有統計學意義(P<0.05)；組間比較，在30 °、60 °時3組的接觸面積少于1組和2組，差異有統計學意義(P<0.05)，在0 °、90 °時3組間差異無統計學意義(P>0.05)。結論MCL前束在肘關節外翻穩定當中意義重要，損傷或斷裂后可造成肘關節不穩定，造成肱橈關節內壓強增大、關節接觸面積減小。肘關節在伸直位時，肘關節處于相對穩定狀態，比屈曲位時可承受更大的外翻應力。

肘關節；側副韌帶；運動損傷；生物力學

肘關節內側副韌帶( medial collateral ligament，MCL)也稱為肘關節尺側副韌帶，其對肘關節內側的穩定起著極為重要的作用，是維持肘關節避免失穩狀態的重要解剖結構，而MCL前束對維持肘關節外翻穩定性具有重要意義[1]。肘關節周圍韌帶損傷是骨科及運動醫學臨床工作的常見病及多發病，在高校青年學生運動損傷中，肘關節損傷可占到10.7%[2]，其中尤以MCL損傷較為多見，且MCL的損傷大多集中于MCL前束。MCL前束的急性損傷多為施加于肘關節的外翻應力所導致，常并發肘關節骨折脫位，而慢性損傷常見于投擲運動傷。在美國MCL前束損傷發病率每年增長，并且在損傷的運動員中，多以17～20歲男性為主[3]。國內學者研究也顯示MCL損傷多見于急性創傷和運動損傷，并以投擲項目運動員多見[4]。MCL前束損傷可造成肘關節內側結構不穩，且常引起肘部其他結構的慢性損傷。如果治療不當，易造成肘關節不穩定、長期慢性疼痛和肱橈關節創傷性關節炎、肘管綜合征等并發癥，嚴重者影響肘關節功能[3]。MCL可視為部分肘關節內側關節囊，其較其他部位略增厚，可分為3部分，即前束、斜束和后束。MCL前束為對抗肘關節外翻應力的主要結構之一，此觀點已得到廣大學者的一致認可[1、5-7]。本研究采用生物力學方法，利用不同生物力學指標探討MCL前束完整、部分斷裂及完全斷裂后對肱橈關節的生物力學影響，旨在為研究MCL前束斷裂與肱橈關節慢性損傷發病的關系提供思路和依據。

1 資料與方法

1.1 標本來源 選擇10具由河北北方學院解剖教研室提供的甲醛溶液保存的成人完整上肢標本，左右兩側共20個標本。納入標準：①年齡20～50歲；②尸體保存時間<3年。排除標準：①肘部明顯畸形；②肘部手術史；③肘部骨病者。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗儀器 長春實驗機研究所CSS-4402型生物力學試驗機，日本富士公司壓敏膠片數據讀出器及超低壓雙片型壓敏膠片，天津宇通醫療器械廠骨科專用低速電鉆、鉆頭，自制的標本固定架和牽引架，棗莊東泰源石膏有限公司醫用石膏粉。

1.2.2 實驗標本的制備 自標本肘關節上下方約20 cm處截骨，小心剔除標本肘關節周圍軟組織，包括皮膚及皮下組織、肘關節周圍肌肉(內含血管及神經)，注意勿傷及肘關節關節囊及內側副韌帶，并保留上述2種組織，制成符合實驗要求的肘關節“骨-韌帶”標本，備用。

1.2.3 實驗分組 按照是否切斷MCL前束及前束的切斷程度將標本分為MCL前束完整組(1組)、MCL前束部分斷裂組 (2組)、MCL前束完全斷裂組(3組)，每組均為10具，左右兩側共20個標本。分別測量3組標本在不同屈曲角度下肱橈關節的關節內壓強和肱橈關節的接觸面積。

1.2.4 制備壓敏膠片 在肱橈關節后方間隙做一切口直至能充分暴露肱橈關節，以亞甲藍均勻涂抹在肱橈關節肱骨關節面及橈骨關節面，將白紙剪成略大于肱橈關節的紙片，放入肱橈關節，進行預壓，使亞甲藍在紙片上形成肱橈關節接觸面的大致形狀，按此形狀將壓敏膠片進行修剪，其形狀以恰好能置入肱橈關節并將關節軟骨面全面覆蓋為佳。使用微波保鮮膜對剪好的壓敏膠片進行包裹以免關節面殘留亞甲藍污染壓敏膠片，制作多枚備用。

1.2.5 實驗過程 控制合適的室內溫度及濕度，將自制固定架與生物力學試驗機妥善固定。在標本肘關節上方肱骨近端矢狀面垂直于肱骨長軸用電鉆鉆孔，打透雙側皮質形成一骨道。用一略細于骨道直徑的螺栓穿過骨道，兩側分別用螺母固定以防止肱骨在螺栓上滑動，并連接于自制固定架的近端。用醫用石膏粉包埋標本的最遠端，將標本遠端固定于自制固定架的遠端；待石膏完全干透、硬化后將自制固定架角度作適度調整，使標本前臂部分垂直于試驗機操作平臺(圖1)。使肘關節伸直，即屈曲0 °，平行于肱骨螺栓在標本肱骨部分螺栓下方打入克氏針1枚，游標卡尺測得克氏針與螺栓距離為8 cm，給予克氏針1.875 kg的外翻應力，此時肘關節所承受的外翻扭矩1.5 Nm。緩慢對肘關節施加牽引，將制備好的壓敏膠片自肱橈關節后方切口置入肱橈關節。將標本與牽引裝置相連接，開啟生物力學試驗機并對標本逐漸施加外翻應力，設定實驗條件如下：實驗方法設為壓縮，實驗材料設為非金屬，實驗方式設為速度控制，壓縮速度設為5 mm/min，軸向壓力設為150 N，屈曲角度設為0 °，此時MCL前束為完整狀態(即1組)。觀察實驗后的壓敏膠片，將其中顯色較好的收集備用(圖2)，利用壓敏膠片數據讀出設備測量備用壓敏膠片的壓強，每張膠片均測量中央及四角共5個區域的壓強，得出數據并計算平均壓強，應用photoshop軟件計算壓敏膠片的顯色面積即關節接觸面積，記錄實驗數據。

將肘關節標本分別屈曲30 °及60 °，同樣在標本肘關節上方肱骨近端矢狀面垂直于肱骨長軸用電鉆鉆孔，打透雙側皮質形成一骨道，用一略細于骨道直徑的螺栓穿過骨道，兩側用螺母固定時須加用帶角度的斜墊并調整位置，再次對自制固定架進行適度調節，仍使標本前臂部分垂直于生物力學試驗機操作臺，其余方法與肘關節伸直時相同(圖3)。測量標本屈曲90 °的數據時，需將自制固定架遠端傾斜30 °，電鉆鉆孔需在矢狀面上與肱骨長軸成30 °夾角。

解剖并部分切斷MCL前束，即全部切斷MCL前束前部(圖4)，而后重復上述步驟(2組)，再將MCL前束全部切斷，再次重復上述步驟得出數據(3組)。

圖1 肘關節伸直位生物力學測量 Figure 1 Measurement of elbow joint in Extension position

圖2 顯色的壓敏膠片 Figure 2 Color sensitive film

圖3 肘關節屈曲位生物力學測量 Figure 3 Measurement of elbow joint in flexed position

圖4 肘關節內側副韌帶前束的不同狀態 Figure 4 Different states of the anterior bundle of the medial collateral ligament of elbow joint

A.完整；B.部分切斷

1.3 統計學方法 應用SPSS 19.0統計軟件處理實驗數據。計量資料比較分別采用F檢驗和SNK-q檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 3組肱橈關節內平均壓強比較 分別測得各組在肘關節0 °、30 °、60 °、90 °4個屈曲角度下的肱橈關節內平均壓強，組內比較，各組在30 °、60 °時的壓強均高于0 °，到90 °時略有降低，但仍高于0 °，其差異有統計學意義(P<0.05)；組間比較，30 °、60 °時3組壓強高于1組和2組，差異有統計學意義(P<0.05)，0 °、90 °時3組間差異無統計學意義(P>0.05)。見表1。

2.2 3組肱橈關節接觸面積比較 分別測得各組在肘關節0 °、30 °、60 °、90 °4個屈曲角度下的肱橈關節接觸面積。組內比較，1組、2組和3組在30 °、60 °、90 °時接觸面積均少于0 °，差異有統計學意義(P<0.05)；組間比較，在30 °、60 °時3組的接觸面積少于1組和2組，差異有統計學意義(P<0.05)，在0 °、90 °時3組間差異無統計學意義(P>0.05)。見表2。

表1 各組肱橈關節內平均壓強比較Table 1 Comparison of the average pressure in humeroradial joint among groups

aP<0.05與0 °比較 *P<0.05與1組比較 #P<0.05與2組比較(SNK-q檢驗)

表2 3組肱橈關節接觸面積比較Table 2 Comparison of contact area in humeroradial joint among groups

aP<0.05與0 °比較 *P<0.05與1組比較 #P<0.05與2組比較(SNK-q檢驗)

3 討 論

3.1 MCL前束的解剖、生物力學及功能 MCL復合體共有3部分，即前束、后束及斜束。其中前束起主要作用。MCL前束起自肱骨內上髁的前下方和內下方，止于尺骨冠突內側緣小結節處，可分為前后兩部分[8-9]，當肘關節屈曲<20 °及>120 °時，在肘關節側方穩定的作用中，骨性結構較軟組織結構作用大，而韌帶發揮的作用很小，在此范圍之外肘關節穩定則需要韌帶來維持，人在日常生活中肘關節大多處于此范圍之外，故韌帶是日常生活中維持肘關節穩定的結構[10]。國外有學者利用三維CT的方法測量肘關節周圍韌帶，認為肘關節從完全伸直位逐漸屈曲時，MCL前束逐漸緊張[11]，而當肘關節屈曲>90 °時，MCL前束的緊張度則較前略微減低。還有學者認為MCL前束平均復合可達260 N，是肘關節周圍韌帶中最堅強的韌帶。如將肘關節前束切斷，再與完整肘關節相比，肘外翻角度明顯增大，故MCL前束是維持肘關節內側穩定性的主要結構，可抵抗施加于肘關節的扭轉及外翻應力[12]。

3.2 肱橈關節內平均壓強的變化 肱橈關節內平均壓強可反映肘關節受力的改變。使用壓敏片可直觀顯示肱橈關節的受力分布，實驗條件容易控制，由于保鮮膜質地柔軟，測量時采用保鮮膜封裝，可使壓敏片余量稍稍增大而對測量的準確性并無明顯影響[13]。本研究結果顯示，MCL前束在完整狀態下，肘關節屈曲0 °時肱橈關節內平均壓強最小，為(1.21±0.11) mPa，這是由于肘關節處于伸直位時骨性結構對肘關節的側方穩定起主要作用，韌帶所起到的作用相對比較小，肘關節的特殊結構為其提供了對抗內外翻應力的內在穩定性[14]。而肘關節開始屈曲后，由于骨性穩定結構的作用逐漸減小，此時同伸直時相比，肘關節只能依靠軟組織提供的穩定作用，在肘關節屈曲30 °和60 °時，肱橈關節內壓強處于增大趨勢, 分別增大至(1.39±0.10) mPa及(1.49±0.19) mPa；肘關節繼續屈曲，角度逐漸增大，當屈曲角度>60 °時，此時MCL前束的緊張程度較前增強，對抗外翻的作用也同時增強，故屈曲90 °時關節內壓強反而減小至(1.40±0.23) mPa。同理，MCL前束損傷或斷裂后，當肘關節處于伸直位，由于骨性穩定結構的作用，此時肘關節處于相對穩定的狀態，故2組及3組在肘關節屈曲0 °時肱橈關節內平均壓強處于較小狀態，而MCL前束損傷或斷裂后，肘關節屈曲30 °和60 °時關節內壓強較MCL完整時明顯增大，尤以斷裂后增大較為明顯，屈曲30 °和60 °分別增大至(1.81±0.16) mPa及(1.87±0.20) mPa，與屈曲0 °時相比較差異有統計學意義，此結果也可證實MCL前束在肘關節屈曲過程中對肘關節穩定性所起的主要作用，MCL前束在肘關節伸直到屈曲的整個過程中狀態均處于緊張,可認為其在抗外翻應力方面起到主導作用。而肘關節在伸直位時各組相比肱橈關節內壓強差異無統計學意義，也與此時肘關節的骨性穩定作用有關。

本研究結果顯示，肘關節在屈曲90 °時各組兩兩比較肱橈關節內壓強差異無統計學意義?？紤]與肘關節MCL后束有關。肘關節在屈曲60 °以上時，MCL后束逐漸緊張，可承受一部分外翻應力，此時如MCL前束斷裂，后束可維持部分肘關節的側方穩定[15-17]。

3.3 肱橈關節接觸面積的變化 對于關節內接觸面積的測量，目前尚無統一標準，由于實驗方法及實驗客觀條件的不同，測出的接觸面積可存在比較大的差異。本研究結果顯示，與關節內壓強相同，2組和3組在肘關節處于伸直位時，接觸面積最大，此時行3組間肱橈關節接觸面積兩兩比較，差異無統計學意義?？紤]仍與此時肘關節的骨性穩定有關。MCL前束損傷或斷裂后，肘關節屈曲30 °和60 °時關節接觸面積較MCL完整時明顯降低，同樣證明了MCL前束的作用。肘關節在屈曲60 °以上時，MCL后束逐漸緊張可增加肘關節的穩定性，此時兩組相比肱橈關節接觸面積差異亦無統計學意義。

3.4 本研究的意義及局限性 肘關節MCL是維持肘關節側方外翻穩定的重要軟組織結構，其中以MCL前束最為重要。MCL前束損傷或斷裂后所造成的肘關節外翻失穩、肘關節慢性疼痛越來越引起關節外科及運動醫學醫生的重視。從本研究可以看出，MCL前束損傷或斷裂后可引起肱橈關節生物力學的顯著改變，生物力學的變化在骨關節炎發病過程中發揮著重要的作用，可引起軟骨的力學變化，造成軟骨退變，引起骨關節炎的發生[18]，故MCL前束斷裂或損傷可能是肱橈關節炎的致病因素之一。MCL前束損傷或斷裂后，肘關節在從伸直到屈曲的過程中，關節內壓強處于增加趨勢，接觸面積處于減小趨勢；而隨著屈曲角度增大至90 °時，關節內壓強和接觸面積卻呈現出相反趨勢的變化，表明此時肘關節依靠其他結構而增加了穩定性。

由于骨性穩定結構在某些角度下對肘關節側方穩定性具有一定的影響，所以在臨床工作中，對于懷疑肘關節MCL損傷的患者，行肘關節內側側方應力試驗時應使肘關節屈曲30 °以上，從而避免肘關節骨性結構對其穩定性的影響，減少假陰性率。

有學者指出對于某些MCL前束損傷的患者可非手術治療，即通過石膏固定3～4周，同時加強肩、腕關節的功能鍛煉，拆除石膏后再逐漸恢復肘關節功能及訓練相關肌肉[19-20],必要時可以在專業康復醫師指導下進行[21]。但需要指出的是石膏固定時應使肘關節屈曲90 °，使MCL后束緊張，承受一部分外翻應力，從而加強肘關節的穩定性。對于MCL前束損傷合并肘關節恐怖三聯征的患者，國內學者報道采用牽張式外固定聯合微型內固定方法治療，效果滿意[22]。

本研究僅比較了MCL前束斷裂后肱橈關節的生物力學改變，對于其關節軟骨的退變以及肘外翻不穩后對尺神經的慢性激惹尚需進一步探討。

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(本文編輯：許卓文)

The biomechanical changes of humeroradial joint after elbow joint medial collateral ligament injured

ZHANG Pei-nan1， WU Na2， ZHANG Xin1， JIA Yong-li1， YANG Xin-ming1， MA Peng-peng1

(1.DepartmentofOrthopedicSurgery，theFirstAffiliatedHospitalofHebeiNorthUniversity，Zhangjiakou, 075000,China; 2.DepartmentofPediatricSurgery，TheFirstAffiliatedHospitalofHebeiNorthUniversity，Zhangjiakou, 075000,China)

Objective To approach the biomechanical effect of anterior funicle of medial collateral-ligament(MCL) on different state for the humeroradial joint by taking measurement of the vitodynamics index of humeroradial joint in different state(complete、partly brake、brake)of the MCL. Methods Used the human elbow joint specimen and put the pressure sensitive film into the space of humeroradial joint,then take measurement of the pressure and the contact area of humeroradial joint in the different state and the anterior funicle of MCL and in the different flex angle. Take the separation of the specimen into 3 groups according to the different state of the anterior funicle of MCL: the anterior funicle of MCL complete group(group 1), the anterior funicle of MCL injured(partly brake) group(group 2) and the anterior funicle of MCL brake group(group 3). There were 20 cases in every group. Get the data and make the statistics analysis. Results Compared intra group, the pressure of each group at 30 ° and 60 ° is higher than that at 0 °, at 90 ° that decreased slightly, but still higher than 0 °, the difference had statistically significant(P<0.05). Compared between groups, the pressure of group 3 is higher than that of group 1 and group 2 at 30 ° and 60 °(P<0.05) but had no statistical significance at 0 ° and 90 °(P>0.05). Compared intra group, the contact area in every group at 30 °, 60 ° and 90 ° were less than that at 0 °, the difference had statistically significant(P<0.05). Compared between groups, the contact area in group 2 and group 3 were less than that in group 1 at 30 ° and 60 °(P<0.05) but had no statistically significant at 0 ° and 90 °(P>0.05). Conclusion The anterior funicle of MCL had important significance in the ecstrophy stabilization of the elbow joint, and injured or break could cause the instability of inter-elbow joint and make increasing of the pressure and decreasing of the contact area in humeroradial joint. While the elbow joint was straighten, the pressure and the contact area in humeroradial joint was little, the elbow joint was in the stable state, it could assume more ecstrophy stress.

elbow joint; collateral ligaments; athletic injuries; biomechanics

2017-01-18；

2017-02-21

河北省醫學科學研究重點課題(20150056)

張培楠(1982-)，男，河北張家口人，河北北方學院附屬第一醫院主治醫師，醫學碩士，從事關節外科、運動醫學及創傷骨科疾病診治研究。

R323.71

A

1007-3205(2017)05-0542-06

10.3969/j.issn.1007-3205.2017.05.011