人髌腱密度与其生物力学性质的关系【临床医学专业论文】.doc

人髌腱密度与其生物力学性质的关系 作者：夏志林王欣方礼明张树喜 【关键词】 密度 【摘要】 目的 研究人髌腱密度与其生物力学的关系,寻找能于前交叉韧带重建术前检测髌腱移植物生物力学性质的方法。方法 对20例不成对人体髌腱(男10例，女10例)进行单轴拉伸试验,来研究供者性别及髌腱密度对其生物力学性质的影响, 髌腱密度根据其所测得体积和质量计算出。结果 髌腱的生物力学性质基于性别上的差异均无显著性, 而与其密度呈正相关。密度1.68g/cm3(n=8)的髌腱的最大抗张强度比质量密度1.68g/cm3(n=12)者明显要高。结论 髌腱密度可以用来评价该髌腱的质量, 因此，可利用术前测量活体内髌腱的密度来决定该前交叉韧带重建是用异体移植物还是自体移植物。【关键词】 髌腱；密度；移植物质量；生物力学性质 The mechanical properties of the human patellar tendon correlated to its mass density 【Abstract】 Objective To study the effects of tissue mass density on the mechanical properties of the patellar tendon and find out predictors of the mechanical properties of the patellar tendon, used as grafts in anterior cruciate ligament reconstruction surgeries.Methods Uniaxial tension tests were performed to determine the effects of donor sex and mass density of the tissue on the mechanical properties of twenty unpaired human patellar tendons(10 male and 10 female).Mass density of the patellar tendon was determined by measuring its volume and mass.Results No evidence of sex-based differences in any of the mechanical properties of the patellar tendon was found.The mechanical properties of the patellar tendon were significantly correlated to its mass density.The tensile strength were significantly higher for those patellar tendons having a mass density greater than 1.68g/cm3.Conclusion The mass density of the patellar tendon may be considered as an indicator of mechanical properties of the patellar tendon or graft quality.In vivo measurement of the mass density of the patellar tendon,prior to surgery,can be used to decide if a particular ACL reconstruction should be carried out with an allograft or an autograft.【Key words】 patellar tendon；mass density；graft quality；mechnical properties 自体髌腱复合体曾被作为移植重建前交叉韧带的金标准，目前仍为外科医生重建手术的首选。学者们对髌腱的生物力学性质进行了广泛研究，希望找到能于移植前有效评价移植腱质量的客观变量，为临床选择肌腱提供依据。笔者对人髌腱的密度及其生物力学性质进行研究，希望确定供体髌腱密度对其生物力学性质的影响。1 资料与方法1.1 一般资料 从国人新鲜尸体中获取20例不成对的膝关节（男10例，女10例），冷冻在-20，直到试验日为止。膝关节均在供者死亡后12h内冷冻。冷冻时间112个月不等。死者排除以下情况：（1）年龄50岁；（2）骨骼未发育完全者（女性16岁，男性19岁）；（3）有膝关节手术史；（4）有膝关节炎病史。在取髌腱标本之前，先将膝关节在室温中解冻。将髌腱连同全部髌骨和胫骨的一部分（包含有胫骨结节）从膝关节中分割出来。胫骨部分修整成楔形，取髌腱的中央部分（平均5mm宽），用手术刀沿着腱束的长轴将腱的内外侧修理成直的平面。小心操作以避免将腱束横行切断。用游标卡尺在不同截面测量髌腱的宽和厚，取其均值，并测量髌腱的长，用以计算髌腱的体积。1.2 使用仪器 将样本安装在DCS-25T电子万能试验机（日本岛津）上，进行单轴拉伸试验，拉伸速度为30mm/min。以3033型X-Y函数记录仪（四川仪表制造厂）记录载荷变形曲线，并进行分析，得出最大载荷、衰竭应变及弹性模量。1.3 计算样本密度 力学测试完毕后将样本的腱性部分从骨的附着点上分离出来，称重。根据前面算出的体积计算出每个样本的密度。1.4 统计学方法 采集所有数据，应用t检验来比较不同性别来源的髌腱的力学性质，进行相关性分析来判断髌腱密度与生物力学性质间的关系。将样本根据密度排列,再随机选择其中一个密度作为标准,将其上、下两组样本的生物力学指标用t检验分析,重复这个过程，检验是否存在一个密度值,比这个密度值大的样本与比这个密度值小的样本相比，其生物力学强度要高。2 结果样本的平均截面积是19.47mm2（SD 8.72），髌腱的平均长度是47.83mm(SD 3.78),男性髌腱平均长49.22mm(SD 3.42),比女性髌腱平均46.44mm(SD 3.76）稍长一些（P=0.05）。髌腱组织混合在一起的平均密度是1.61g/cm3(SD 0.47)。男性髌腱的密度（1.68g/cm3）和女性髌腱的密度（1.54g/cm3）之间差异无显著性（P=0.23）,所测得密度范围为0.812.57g/cm3。髌腱的力学性质不依赖于供体的年龄和性别。在最大抗张强度（P=0.62,）、最大应变（P=0.61）、弹性模量（P=0.57）方面基于性别上的差异均无显著性。因为性别和年龄对髌腱力学性质没有任何影响，所以将样本混合起来做密度的相关分析。样本的最大抗张强度与其密度相关（r=0.57, P<0.02）。髌腱的弹性模量也与其密度呈正相关，尽管其相关性较弱，但亦有统计学意义（r=0.44,P<0.05）。衰竭应变与其密度无相关性（r=-0.25,P>0.1）。连续采用t检验分析显示密度1.68g/cm3(n=8)的髌腱的最大抗张强度比质量密度1.68g/cm3(n=12)者明显要高。3 讨论本研究中，组织密度被作为变量进行相关性分析，通过测量其密度，就去除了组织大小对相关性分析的影响。我们发现在髌腱的生物力学性质与密度之间高度相关。较大的组织密度可能意味着较多的胶原堆积在组织中，产生较大的生物力学强度。Woo SL1发现经常活动的猪的伸趾肌腱质量和胶原含量增加，其最大抗张强度显著增加。但其未做肌腱生物力学和其质量的相关性研究。我们发现了髌腱组织的一个密度值（1.68g/cm3），大于这个密度的髌腱群体，其生物力学强度显著要高。因为高于或低于这个髌腱密度值的供者的平均年龄非常接近，所以年龄不会导致髌腱的生物力学的差异。这与Flahiff2报道的结果一致。在以前的研究中，诸如样本大小、组织储藏方法、组织的测试条件、样本的截面积和力学测试方法等因素都被认为是很重要的因素，并且各实验间各不相同3，因此，难以 做具体数据上的比较。文献报道3，测试过程中对样本进行盐水浴，让液体从腱组织渗出，能产生更大的强度和硬度。一些研究人员观察了髌腱生物力学的差异，猜测可能有某些内在或外在的因素与此差异性有关。例如，Flahiff2认为重量、活动量、健康及饮食能影响髌腱的力学性能，虽然Beynnon4陈述软组织内在的未知生物学因素能导致肌腱力学性能的差异。基于我们的研究，髌腱的密度似乎是这种差异的一个原因。本研究最有意义的成果是，髌腱密度可以用来评价该髌腱的质量。这个发现在临床上将具有重要意义。有些学者4认为，在重建手术进行之前预测自体移植物的生物力学性能很重要。他们报道移植物移植后有不同程度的伸长，导致手术5年后过度的膝关节前后松弛。这些研究人员也主张,因为重建术后难以立即测量移植物的伸长量，所以有一种能预测自体移植物的生物力学性质的简单指示器是非常必要的。基于我们的研究，自体移植物的密度能被用来预测包括弹性模量在内的生物力学性质。现代影像技术如CT扫描能无创测量移植组织的密度。利用一条组织密度与CT值的标准曲线就可以从CT扫描中得到组织密度。因此，可利用术前测量活体内髌腱的密度来决定该前交叉韧带重建是用异体移植物还是自体移植物为好。这里得出的结果不能应用到异体移植物。因为重建术前异体移植物经过了射线照射和冻干处理。【参考文献】1 Woo SL,Gomez MA,Amiel D,et al. The effects of exercise on the biomechanical and biochemical properties of swine digital flexor tendons.J Biomech Eng，1981,103：51-56.2 Flahiff CM,Brooks AT,Hollis JM, et al. Biomechanical analysis of patellar tendon allografts as a function of donor age.Am J Sports Med，1994,23：354-358.3 Haut RC,Powlison AC.The effects of test environment and cyclic stretching on the failure properties of human patellar tendons.J Orthop Res，1990，8：532-540.4 Beynnon BD,Uh BS,Johnson RJ, et al. The elongation behavior of the anterior cruciate ligament graft in vivo.A long-term follow-up study.Am J Sports Med，2001,29：161-166.劳德诺又道：“当时我问师父：林家这辟邪剑法威力很大么？青城派为甚么这样用心修习？师父不答，闭眼沉思半晌，才道：德诺，你入我门之前，已在江湖上闯荡多年，可曾听得武林之中，对福威镖局总镖头林震南的武功，如何评论？我道：武林中朋友们说，林震南手面阔，交朋友够义气，大家都买他的帐，不去动他的镖。至于手底下真实功夫怎样，我不大清楚。师父道：是了！福威镖局这些年来兴旺发达，倒是江湖上朋友给面子的居多。你可曾听说，余观主的师父长青子少年之时，曾栽在林远图的辟邪剑下？我道：林林远图？是林震南的父亲？师父道：不，林远图是林震南的祖父，福威镖局是他一手创办的。当年林远图以七十二路辟邪剑法开创镖局，当真是打遍黑道无敌手。其时白道上英雄见他太过威风，也有去找他比试武艺的，长青子便因此而在他辟邪剑法下输了几招。我道：如此说来，辟邪剑法果然是厉害得很了？师父道：长青子输招之事，双方都守口如瓶，因此武林中都不知道。长青子前辈和你师祖是好朋友，曾对你师祖说起过，他自认这是他毕生的奇耻大辱，但自忖敌不过林远图，此仇终于难报。你师祖曾和他拆解辟邪剑法，想助他找出这剑法中的破绽，然而这七十二路剑法看似平平无奇，中间却藏有许多旁人猜测不透的奥妙，突然之间会变得迅速无比。两人钻研了数月，一直没破解的把握。那时我刚入师门，还只是个十来岁的少年，在旁斟茶侍候，看得熟了，你一试演，便知道这是辟邪剑法。唉，岁月如流，那是许多年前的事了。”林平之自被青城派弟子打得毫无招架之功，对家传武功早已信心全失，只盼另投明师，再报此仇，此刻听得劳德诺说起自己曾祖林远图的威风，不由得精神大振，心道：“原来我家的辟邪剑法果然非同小可，当年青城派和华山派的首脑人物尚且敌不过。然则爹爹怎么又斗不过青城派的后生小子？多半是爹爹没学到这剑法的奥妙厉害之处。” 只听劳德诺道：“我问师父：长青子前辈后来报了此仇没有？师父道：比武输招，其实也算不得是甚么仇怨。何况那时候林远图早已成名多年，是武林中众所钦服的前辈英雄，长青子却是个刚出道的小道士。后生小子输在前辈手下，又算得了甚么？你师祖劝解了他一番，此事也不再提了。后来长青子在三十六岁上便即逝世，说不定心中放不开此事，以此郁郁而终。事隔数十年，余沧海忽然率领群弟子一起练那辟邪剑法，那是甚么缘故？德诺，你想那是甚么缘故？“我说：瞧着松风观中众人练剑情形，人人神色郑重，难道余观主是要大举去找福威镖局的晦气，以报上代之仇？师父点头道：我也这么想。长青子胸襟极狭，自视又高，输在林远图剑底这件事，一定令他耿耿于怀，多半临死时对余沧海有甚么遗命。林远图比长青子先死，余沧海要报师仇，只有去找林远图的儿子林仲雄，但不知如何，直挨到今日才动手。余沧海城府甚深，谋定后动，这一次青城派与福威镖局可要有一场大斗了。“我问师父：你老人家看来，这场争斗谁胜谁败？师父笑道：余沧海的武功青出于蓝而胜于蓝，造诣已在长青子之上。林震南的功夫外人虽不知底细，却多半及不上乃祖。一进一退，再加上青城派在暗而福威镖局在明，还没动上手，福威镖局已输了七成。 倘若林震南事先得知讯息，邀得洛阳金刀王元霸相助，那么还可斗上一斗。德诺，你想不想去瞧瞧热闹？我自是欣然奉命。师父便教了我几招青城派的得意剑法，以作防身之用。” 陆大有道：“咦，师父怎地会使青城派剑法？啊，是了，当年长青子跟咱们祖师爷爷拆招，要用青城派剑法对付辟邪剑法，师父在旁边都见到了。”劳德诺道：“六师弟，师父他老人家武功的来历，咱们做弟子的不必多加推测。师父又命我不可和众同门说起，以免泄露了风声。但小师妹毕竟机灵，却给她探知讯息，缠着师父许她和我同行。我二人乔扮改装，假作在福州城外卖酒，每日到福威镖局去察看动静。别的没看到，就看到林震南教他儿子林平之练剑。小师妹瞧得直摇头，跟我说：这哪里是辟邪剑法了？这是邪辟剑法，邪魔一到，这位林公子便得辟易远避。”在华山群弟子哄笑声中，林平之满脸通红，羞愧得无地自容，寻思：“原来他二人早就到我局中来窥看多次，我们却毫不知觉，也真算得无能。” 劳德诺续道：“我二人在福州城外耽不了几天，青城派的弟子们就陆续到了。最先来的是方人智和于人豪二人。他二人每天到镖局中踹盘子，我和小师妹怕撞见他们，就没再去。 那一日也是真巧，这位林公子居然到我和师妹开设的大宝号来光顾，小师妹只好送酒给他们喝了。当时我们还担心是给他瞧破了，故意上门来点穿的，但跟他一搭上口，才知他是全然蒙在鼓里。这纨裤弟子甚么也不懂，跟白痴也差不了甚么。便在那时，青城派中两个最不成话的余人彦和贾人达，也到我们大宝号来光顾” 陆大有鼓掌道：“二师哥，你和小师妹开设的大宝号，当真是生意兴隆通四海，财源茂盛达三江。你们在福建可发了大财哪！”那少女笑道：“那还用说么？二师哥早成了大财主，我托他大老板的福，可也捞了不少油水。”众人尽皆大笑。劳德诺笑道：“别瞧那林少镖头武功稀松平常，给咱们小师妹做徒儿也还不配，倒是颇有骨气。余沧海那不成材的小儿了余人彦瞎了眼睛，向小师妹动手动脚，口出调笑之言，那林公子居然伸手来抱打不平” 林平之又是惭愧，又是愤怒，寻思：“原来青城派处心积虑，向我镖局动手，是为了报上代败剑之辱。来到福州的其实远不止方人智等四人。我杀不杀余人彦，可说毫不相干。” 他心绪烦扰，劳德诺述说他如何杀死余人彦，就没怎么听进耳去，但听得劳德诺一面说，众人一面笑，显是讥笑他武功甚低，所使招数全不成话。只听劳德诺又道：“当天晚上，我和小师妹又上福威镖局去察看，只见余观主率领了侯人英、洪人雄等十多个大弟子都已到了。我们怕给青城派的人发觉，站得远远的瞧热闹，眼见他们将局中的镖头和趟子手一个个杀了，镖局派出去求援的众镖头，也都给他们治死了，一具具尸首都送了回来，下的手可也真狠毒。当时我想，青城派上代长青子和林远图比剑而败，余观主要报此仇，只须去和林震南父子比剑，胜了他们，也就是了，却何以下手如此狠毒？那定是为了给余人彦报仇。可是他们偏偏放过了林震南夫妻和林平之三人不杀，只是将他们逼出镖局。林家三口和镖局人众前脚出了镖局，余观主后脚就进去，大模大样的往大厅正中太师椅上一坐，这福威镖局算是教他青城派给占了啦