不同术式重建第一腕掌关节稳定性的生物力学研究

Abstract

Objective

To study the biomechanical differences of the first carpometacarpal joint stability by using different reconstruction methods so as to provide theoretical basis for the clinical choice of reconstruction method.

Methods

The upper limb specimens were selected from 12 fresh adult cadavers, which had no fracture, bone disease, dislocation of wrist joint, deformity, degeneration, or ligament injury on the anteroposterior and lateral X-ray films. The specimens were randomly divided into 5 groups: normal group, injury group, palmar carpometacarpal ligaments reconstruction group, dorsal carpometacarpal ligaments reconstruction group, and palmar and dorsal carpometacarpal ligaments reconstruction group. Three normal specimens were used as normal group, and then were made of the first carpometacarpal joint dislocation models (injury group); after the first carpometacarpal joint dislocation was established in the other 9 specimens; the volar ligament, dorsal ligament, and volar-dorsal ligaments were reconstructed with Eaton-Little method, Yin Weitian method, and the above two methods in 3 construction groups. The biomechanical test was done to obtain the load-displacement curve and to calculate the elastic modulus.

Results

During biomechanical test, ligament rupture and loosening of Kirschner wire occurred in 1 case of injury group and palmar carpometacarpal ligaments reconstruction group; no slipping was observed. The elastic modulus values were (11.61±0.20), (5.39±0.12), (6.33±0.10), (7.12±0.08), and (8.30±0.10) MPa in normal group, injury group, palmar carpometacarpal ligaments reconstruction group, dorsal carpometacarpal ligaments reconstruction group, and palmar and dorsal carpometacarpal ligaments reconstruction group respectively, showing significant differences among groups (P<0.05).

Conclusion

Volar ligament reconstruction, dorsal ligament reconstruction, and volar-dorsal ligament reconstruction all can greatly improve the stability of the first carpometacarpal joint. And the effect of volar-dorsal ligament reconstruction is the best, but the stability can not restore to normal.

日常生活和工作中拇指占整个手功能的 50%，握、捏、提以及精细动作完成均离不开拇指的参与和配合^[1-2]。手指功能的发挥基于其正常解剖关系和内在稳定性的支撑，若解剖关系发生改变或内在稳定性失衡，会造成手指疼痛、活动受限及骨与关节退变等一系列临床症状和体征^[3-4]。第 1 腕掌关节，即拇指腕掌关节，是由大多角骨与第1掌骨组成，故又称为大多角骨关节，是拇指最重要关节，其关节囊厚而松弛，但关节囊周围有数条韧带加强，从而保证了该关节的稳定性与灵活性，可以完成屈、伸、收、展及旋转运动^[5-6]。单纯第 1 腕掌关节脱位罕见，约占所有手外伤的 1%^[7]。其治疗原则是切开复位、肌腱转位和韧带重建，以增强深部关节囊。目前已有文献报道使用桡侧腕屈肌腱、拇长展肌腱、掌长肌腱或桡侧腕长伸肌腱重建修复第 1 腕掌关节脱位^[8-15]，但对于修复方式的选择尚缺少生物力学对比研究。本研究旨在通过模拟不同肌腱转位术式修复重建韧带，观察其对第 1 腕掌关节稳定性的生物力学影响，为临床选择重建方式提供理论依据。报告如下。

1. 材料与方法

1.1. 实验标本制备

新鲜成人尸体上肢标本 12 个，由四川大学生物力学工程实验室提供。供体均为男性，年龄 28～43 岁，平均 35 岁。左上肢 3 个，右上肢 9 个。所有标本均经正侧位 X 线片检查，排除骨折、骨病、腕部各关节脱位、畸形、退变及关节周围韧带损伤。标本近端于肘下 8 cm 处截骨，保留以远肢体。所有标本均置于 –20℃ 冰箱冷冻，实验前 12～20 h 取出后于室温（20～25℃）解冻，并在解冻后 12 h 内完成实验。所有标本在制作、固定、测试过程中均用生理盐水保持湿润。

1.2. 实验分组及方法

实验分为 5 组，分别为正常组、损伤组、掌侧重建组、背侧重建组以及掌背侧重建组。随机取 3 个正常标本作为正常组进行生物力学测试后，制备第 1 腕掌关节脱位模型作为损伤组进行测试。剩余 9 个标本随机分为掌侧重建组、背侧重建组以及掌背侧重建组，每组各 3 个标本，制备第 1 腕掌关节脱位模型后分别进行修复重建。

第 1 腕掌关节脱位模型制备参照文献[16-17]方法，根据不同重建方式作相应切口，手术刀切断第 1 腕掌关节前斜韧带、背桡韧带及第 1 掌骨间韧带。见图 1a、b。

图 1.

Repair and reconstruction methods a. Dorsal radial ligament of the first carpometacarpal joint; b. Anterior oblique ligament of the first carpometacarpal joint; c. Volar ligament reconstruction (Eaton-Little method); d. Dorsal ligament reconstruction (Yin Weitian method); e, f. Volar-dorsal ligaments reconstruction

韧带修复重建示意图 a. 第 1 腕掌关节背桡韧带； b. 第 1 腕掌关节前斜韧带； c. 掌侧韧带重建（Eaton-Little法）； d. 背侧韧带重建（尹维田法）； e、f. 掌背侧韧带同时重建

掌侧重建组：采用 Eaton-Little 法重建掌侧韧带^[18]。具体步骤：自第 1 掌骨桡侧弧形向近、尺侧切开，至鱼际基底、骨膜下显露第 1 腕掌关节，骨膜外显露大多角骨掌面，在大多角骨嵴尺侧游离桡侧腕屈肌远端，再在前臂远端纵行切开显露该肌腱，纵行劈裂制备 1 条长约 6 cm 的腱束，切断近端，然后向远端分离至肌腱附着于第 2 掌骨基底部。将第 1 掌骨与大多角骨整复，用克氏针固定，在大多角骨嵴部将腱束从第 2 掌骨底部引向第 1 掌骨，然后在第 1 腕掌关节深部关节囊附近的正常位置处从掌侧向背侧钻孔，经过第 1 掌骨基底部至拇短伸肌腱尺侧，将腱束穿过骨隧道引向拇长展肌腱的深面，绕至腕关节掌侧并拉紧，在其出口处与骨膜、拇短伸肌腱止点缝合，再将腱束绕经桡侧腕屈肌腱止点处，抽紧后折回与第 1 掌骨基底骨膜、韧带一并缝合。见图 1c。

背侧重建组：采用尹维田法重建背侧韧带^[18]。具体步骤：从第 1 腕掌关节背侧纵行切开，切口长 4 cm，逐层分离显露关节囊及韧带。将切口向尺侧牵拉，显露桡侧腕长伸肌腱，从该肌腱中间纵行切开，取一半腱束，切断近端腱束，向远端分离至止点处；用同样方法切取拇长展肌腱一半腱束至止点处。然后，用克氏针固定第 1 腕掌关节，在第 1 掌骨基底部钻孔，将桡侧腕长伸肌腱腱束穿入，与拇长肌腱腱束交叉于拇指腕掌关节背桡侧，游离端固定于关节囊及其周围软组织，牢固缝合。见图 1d。

掌背侧重建组：同时采用上述两种方法重建第 1 腕掌关节。见图 1e、f。

1.3. 生物力学测试

将各组腕关节标本纵向垂直放置，前臂固定于自制钢制模具内，并通过夹具将直径 2.0 mm 和 3.0 mm 各 1 枚克氏针植入尺、桡骨（距离腕关节 10 cm），再通过夹具两侧螺栓加强前臂固定，在拇指近节指骨处（距离第 1 指间关节 1 cm）植入 1 枚直径 1.5 mm 克氏针，并将克氏针两端固定于上方测试杆。然后查看固定后的标本侧方，明确前臂、腕关节及拇指在同一垂直线上后开始测量。所有标本克氏针植入位置保持一致。

采用 INSTRON 8874 液压伺服生物力学测试系统（Instron 公司，美国）进行第 1 腕掌关节纵向拉伸试验，应力方向沿纵轴向上。常温、常压下，10 kN 传感器，加载速度 0.05 mm/s，缓慢加载载荷至标本拉伸 5 cm 时停止加载。记录标本载荷-位移曲线，计算标本弹性模量（即载荷-位移曲线斜率）。见图 2。

图 2.

Specimen fixation and biomechanical test a. Biomechanical test system; b, c. Specimens fixation; d. Longitudinal tensile test

标本固定与生物力学测试示意图 a. 生物力学测试系统； b、c. 标本固定； d. 纵向拉伸试验

1.4. 统计学方法

采用 SPSS18.0 统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用 SNK 检验；检验水准 α=0.05。

2. 结果

生物力学测试过程中，损伤组和掌侧韧带重建组各 1 例标本出现韧带断裂以及远端 1.5 mm 克氏针滑松，但是标本仍牢固固定于生物力学测试机上，未出现标本滑脱，其测量结果纳入研究。各组载荷-位移曲线见图 3。随位移增加，各组加载载荷均增大，且正常组载荷增加幅度最大，掌背侧重建组、背侧重建组增加幅度小于正常组，但大于掌侧重建组和损伤组。正常组、损伤组、掌侧重建组、背侧重建组、掌背侧重建组弹性模量分别为（11.61±0.20）、（5.39±0.12）、（6.33±0.10）、（7.12±0.08）、（8.30±0.10）MPa，各组间比较差异均有统计学意义（P<0.05）。

图 3.

The load-displacement curve of each group a. Normal group; b. Injury group; c. Palmar carpometacarpal ligaments reconstruction group; d. Dorsal carpometacarpal ligaments reconstruction group; e. Palmar and dorsal carpometacarpal ligaments reconstruction group

各组载荷-位移曲线图 a. 正常组； b. 损伤组； c. 掌侧重建组； d. 背侧重建组； e. 掌背侧重建组

3. 讨论

3.1. 第 1 腕掌关节解剖及生物力学特点

第 1 腕掌关节大多角骨位于活动的舟骨与拇指掌骨之间，桡侧缺少骨性支持，其关节囊厚而松弛，要维持其稳定性，必须依靠周围复杂的韧带系统，包括关节囊、掌背侧韧带等^[19-21]。关节囊周围韧带主要包括浅前斜韧带、深前斜韧带、尺侧副韧带、掌侧第 1 掌骨间韧带、背侧第 1 掌骨间韧带、背桡韧带、后斜韧带等 16 条韧带^{[18, 22]}，维持其稳定性的韧带主要为前斜韧带、掌骨间韧带、背桡韧带、后斜韧带^{[20, 23]}。Eaton 等^[11]认为浅前斜韧带发挥着重要作用；Van Brenk 等^[20]研究发现背桡韧带对预防第 1 腕掌关节桡背侧半脱位至关重要，应在术中进行修复；田青业等^[24]也发现前斜韧带的弹性模量和抗张强度均小于背桡韧带。其他学者也同样发现防止第 1 腕掌关节桡背侧脱位的主要韧带是背桡韧带^{[17, 25-27]}。

3.2. 第 1 腕掌关节脱位分类及治疗方法

第 1 腕掌关节脱位常分为第 1 腕掌关节骨折与脱位（Bennett 骨折）、第 1 掌骨基底粉碎性骨折（Rolando 骨折）与第 1 腕掌关节复发性脱位，此外也有第 1 腕掌关节脱位合并大多角骨骨折报道^[28]。而单纯第 1 腕掌关节脱位罕见，主要由创伤造成^[7]，也存在先天性脱位^[29]。第 1 腕掌关节复发性脱位多由于修复固定不牢固引起，常伴有前斜韧带、背桡韧带、第 1 掌骨间韧带损伤和断裂^[16-17]。其临床症状多为局部疼痛和肿胀，需要摄正侧位和斜位 X 线片明确诊断，必要时还需加拍应力位 X 线片^[30]。第 1 腕掌关节不稳会导致拇指功能丧失，进而导致手大部分功能丧失，因此一旦确诊必须手术重建第 1 腕掌关节，以恢复手功能。

3.3. 第 1 腕掌关节重建方式的选择

目前用于重建第 1 腕掌关节的肌腱选择较多，包括桡侧腕屈肌腱^{[8-9, 11-13]}、掌长肌腱^[10]、桡侧腕长伸肌腱^[14]、拇长展肌腱^[15]。公认的经典重建方式有掌侧韧带重建（Eaton-Littler法）、背侧韧带重建（尹维田法）及掌背侧韧带重建^[18]。也有学者采用游离肌腱进行重建^[7]。

本研究选择新鲜成人上肢标本制备第 1 腕掌关节脱位模型，采用不同术式修复重建后进行生物力学测试，结果显示掌侧韧带重建、背侧韧带重建和掌背侧韧带重建第 1 腕掌关节后，其稳定性均有提高，且掌背侧韧带重建后关节稳定性更好，同时也表明背桡韧带在维持关节稳定性方面发挥重要作用。但以上重建术式后关节稳定性均未达正常腕关节水平，弹性模量与正常组比较差异仍有统计学意义。

此外，本研究存在以下不足：① 尸体标本有限，部分标本进行了多组测试，对检测结果有一定影响。② 标本固定方法存在一定缺陷，在测试过程中出现韧带断裂以及远端固定克氏针滑松，虽未出现标本滑脱，但仍会影响研究结果。③ 本研究采用的生物力学测试方法只能间接反映第 1 腕掌关节的稳定性，同时尸体标本研究不能完全排除优势手和个体差异等。因此本研究结论尚待进一步研究明确。