腕管综合征生物力学研究进展

· 58· 国际骨科学杂志2013年1月第34卷第1期IntJOrthop，!塑!!翌!!!!!!!!!!!：i!!型!：! 腕管综合征生物力学研究进展 吴江 肖海军 摘要腕管综合征是腕部正中神经受到卡压而引起的一种神经病症。目前研究表明，键盘操作可 增加腕管内压力；腕骨间横向韧带连接横向排列的腕骨，在维持腕骨弓稳定性方面起主要作用；滑膜下结 缔组织损伤可能是腕管综合征病因之一，腕横韧带重建有助于腕管综合征治疗；构建包括腕骨、尺桡骨末 端、掌骨近端、骨间韧带、腕横韧带在内的三维有限元模型可为腕骨间关节接触应力和接触位置变化研究 提供帮助。该文就腕管综合征相关生物力学研究进展作一综述。 关键词腕管综合征；生物力学；正中神经 DoIdoi：10．3969／j．issrL1673—7083．2013．01．018 腕管综合征是正中神经经腕管时受到压迫而引起的 一组症候群，是最常见的周围神经压迫性疾病；临床上可 出现拇指、食指、中指及桡侧半环指等正中神经支配区域 感觉异常、麻木和疼痛，患者可于夜间因疼痛麻刺感而觉 醒；晚期可出现运动障碍，并因鱼际肌萎缩而出现手捏抓 力减弱，神经传导试验可检测到神经传导异常。 目前对腕管综合征相关生物力学实验研究主要集中 于腕管内压力、腕关节稳定性、腕管内组织滑移及剪切 力、腕横韧带松解、腕管结构性能有限元分析等方面。 1腕管内压力 腕管综合征作为一种神经压迫性疾病，与腕管内压 力增大密切相关，故最直接的评估手段即测定腕管内压 力。正常人静止状态下腕管内压力为3～9mmHg，腕关 节和手指完全牵伸时压力可达20～60mmHg，而腕管综 合征患者静止状态下腕管内压力为15～30mmHg，腕关 节和手指牵伸时可增大至150～200mmHg。有研究口1报 道，腕关节处于正常中立位且手放松手指稍弯曲、前臂半 旋前时腕管内压力最低，手腕牵伸和屈曲时腕管内压力 升高值最多，其次为前臂旋前和旋后时，手腕桡偏和尺偏 也可增加腕管内压力；表明工作生活中保持腕关节及前 臂于自然中立位可减小腕管内压力，降低腕管综合征发 生风险。Tosti等[21报道描述急性腕管综合征，认为腕管 内压力突然升高会造成正中神经瞬间压迫所致缺血而产 生临床症状，早期诊断和手术松解有助于患者功能恢复。 Rempel等[31报道研究17名正常成年人前臂旋前、旋后及 掌指关节弯曲对腕管内压力的影响，发现前臂旋转、掌指 关节弯曲及两者之问协同作用均能增加腕管内压力，平 均压力最高值(55mmHg)出现在前臂完全旋后且掌指关 节弯曲90。时，平均压力最低值(12mmHg)出现在前臂旋 前45。且掌指关节弯曲45。时。Goss等[4]经腕管综合征患 者腕管内压力测定发现，与手指伸直状态(腕管内平均压 力为56mmHg)相比，手指抓握载荷时钩骨钩处压力会显 著增高，最大抓握载荷状态下，平均峰值压力为 1151mmHg；而手术松解后，任何手部活动时钩骨钩处压 力均下降。我们在研究中也发现，腕管综合征患者手部 作者单位：201400上海，南方医科大学附属奉贤区中心医院骨科 主动活动时腕管内压力最大值出现于钩骨钩处，此处管 道最为狭窄，故腕管综合征时正中神经在此处卡压最为 严重。Sanz等[53报道分析103例腕管综合征患者和25 名正常人(对照组)中立位、完全被动屈曲位、完全被动牵 伸位等3种腕部姿势下腕管内压力，测定结果显示实验 组3种压力均明显高于对照组，完全被动牵伸位时腕管 内压力最大，自然中立位时压力最小；手术松解后腕管内 压力明显降低，但术后第2个月出现压力明显升高(仍在 正常压力之下)，并持续升高至术后第12个月，表明创伤 修复过程中腕部韧带也在重建，因此防止术后压力升高 是术前应考虑的问题之一。 腕管内神经受到压迫可导致正中神经功能改变，可 通过神经传导实验进行检测，正中神经结构改变则可通 过超声检查进行评估。腕管综合征患者正中神经会出现 肿胀。Ahn等№1报道对39例腕管综合征患者(48个腕关 节)进行实验研究，发现腕管内压力与正中神经损伤严重 程度及正中神经横截面积之问均不存在显著相关性，而 正中神经损伤严重程度与正中神经横截面积显著相关； 导致神经传导减弱的真正病理因素为正中神经压力增加 而非腕管内压力增加，原因在于临床测定中往往测得的 是腕关节自然中立位静态压力，而腕管内压力会随手腕 姿势、手指活动、反复手部活动而变化，故动态神经压迫 才是腕管综合征真正的致病因素。 Rempel等口1研究认为，长期键盘操作会导致并加重 腕管综合征，腕关节屈曲和牵伸，桡偏和尺偏时均会改变 腕管内压力。与同一位置呈静置状态的手腕相比，打字 这一动态可提高腕管内压力。但Thomsen等[81经对8个 流行病学研究进行系统评价发现，尚无充分的流行病学 证据证明计算机键盘操作会引起腕管综合征，仍需要更 大规模、无偏倚的前瞻性临床研究进一步证实其相关性。 2腕关节稳定性 腕管是由腕骨、韧带、肌腱及肌肉等组成的复杂解剖 结构，其底面是由8块腕骨及腕骨间韧带组成的腕骨弓， 横跨其上的是腕横韧带。腕横韧带内侧附着于豌豆骨、 钩骨，外侧附着于手舟骨、大多角骨，形成一较大的骨纤 维管道，内有正中神经、拇长屈肌腱、4条指浅屈肌腱、4 条指伸屈肌腱通过。腕关节稳定性与关节面一致性、行 万方数据 旦匿骨科学杂志2013年1月第34卷第l期IntJ Orthop，January25，2013，V01．34，No．1 经腕部的韧带、关节内负压、腕骨间韧带、宽而坚韧的腕 横韧带等有关。 临床上治疗腕管综合征通常行腕横韧带切开减压 术，腕横韧带切开对腕关节稳定性的影响目前仍存在争 议。Tengrootenhuysen等一1报道在尸体标本上对腕横韧 带稳定性进行研究，发现腕横韧带完整、外加负荷情况下 腕骨弓最大可延展55．30，逐渐切开腕横韧带后腕骨弓 又可延展32．9X，再切开舟月韧带、桡月韧带和桡舟月韧 带后可再分别延展腕骨弓9．3％和2．5％；作者在讨论中 认为，腕横韧带切断虽可明显增加舟骨和钩骨之间的距 离，但目前临床研究尚未发现腕横韧带松解会导致腕关 节不稳定，腕横韧带切断后可能存在某种潜在的代偿机 制维持腕骨弓的稳定性，如果这种代偿不充分，则患者会 出现术后腕部钝痛。 Garcia-Elias等[10’Ⅲ在腕关节稳定性研究中发现，屈 肌支持带切除后腕骨刚度仅下降7．5％，故推测屈肌支持 带在维持腕骨弓稳定性方面未起主要作用；与之相比，横 向的腕骨间韧带连接横向排列的腕骨，在维持腕骨弓稳 定性方面起着主要作用；腕横韧带切开后腕骨刚度可自 204N／ram下降至188N／ram，但切断任何一条腕骨问韧 带均可使腕骨刚度明显下降至67N／ram，说明腕骨间韧 带对腕关节稳定性的作用更大。Pevny等u20研究发现， 切断腕横韧带会导致豌豆骨横向移动度增加，但腕骨刚 度并未明显下降。 3腕管内组织滑移及剪切力 腕管内有肌腱、正中神经及滑膜下连接组织，手部活 动可引起这些组织径向滑移。Hough等口33研究对比腕管 综合征患者和健康者正中神经在腕管内纵向滑移距离， 结果显示腕管综合征患者和健康者伸肘位平均纵向滑移 距离分别为8．3±2．6iTlrn和11．2±2．8mrll，平均神经 ／肌腱滑移距离分别为0．23±0．06mill和0．32± 0．07mm，两者差异均明显；同时认为，正中神经在腕管内 滑移受限、受牵张可引起腕管综合征。上肢姿势也会影 响正中神经滑移。Echigo等[141研究评估健康人腕关节和 手指主被动活动时上肢姿势与正中神经滑移度之间的关 系，结果发现前臂旋后位和手部主动抓握活动更有利于 正中神经滑移。Coppieters等[15]经尸体生物力学研究显 示，伸腕时正中神经在腕管内滑移距离为91TlIn，如果伸 腕同时屈肘，滑移距离即增加30％(达到12．6mm)，因为 这一动作可减少神经床长度，降低肘部周围正中神经张 力，有利于正中神经滑移；相反，若伸腕同时伸肘，滑移距 离则下降30％(仅为6．1mm)，说明正中神经滑移方式不 同可影响神经病理生理进程。 Zhao掣161经尸体标本研究腕管内压力与腕管内屈 肌腱滑移阻力之间的关系，发现随着腕管内压力的增高， 中指指浅屈肌腱平均滑移阻力逐渐升高，这提示腕管综 合征患者也许要用更多力量去完成特定动作，于是便引 起手部疼痛、无力、疲乏等临床常见症状。 Yoshii等m1经尸体标本研究腕管松解术前后正中神 · 59· 经、肌腱、滑膜下结缔组织相对滑移及剪切力，发现在屈 肌支持带完整情况下，屈腕时滑膜下结缔组织和正中神 经滑移较肌腱滑移少，屈腕60。时滑膜下结缔组织和正中 神经受到最大剪切力，伸腕动作较之自然中立位也可增 加剪切力；屈肌支持带切断后，屈腕时滑膜下结缔组织和 正中神经滑移显著增加，它们与肌腱之间的剪切力显著 下降；结果表明，腕管松解术除可降低腕管内压力外，还 可通过增加正中神经滑移度，减少肌腱和正中神经之间 剪切力。Yoshii等[183经尸体标本模拟手指屈曲活动(速 率分别为2．0mm／s、5．0mm／s,7．5mm／s、10．0ram／s)， 研究手指屈曲速率与腕管内组织相对滑移度及剪切力， 结果显示10．0mm／s活动速率时正中神经和滑膜下结缔 组织滑移度较2．0mm／s活动速率时显著下降， 10．0mm／s活动速率时肌腱与滑膜下结缔组织之间剪切 指数显著高于2．0mm／s活动速率时；该研究表明，手指 活动速率可影响滑膜下结缔组织剪切力，高速活动则引 起更高的剪切力，使滑膜下结缔组织更易受到损伤，因此 推测滑膜下结缔组织损伤可能是腕管综合征病因之一。 4腕横韧带松解 Jin等[1叼报道认为，经腕部正中小切口行正中神经切 断韧带松解术可达到有效减压作用，具有安全、减少损 伤、瘢痕小的优点。Pavlidis等瞳叨报道的研究涉及38个 尸体腕部标本，取出腕管内容物后切断腕横韧带，并以4 种不同方式重建延长腕横韧带，结果显示腕横韧带重建 后腕部容积平均增加31％444％，且可恢复腕部活动和 抓握力量。Li等瞳妇报道对10个尸体腕部标本腕横韧带 施加10～200N力，结果显示腕管未受力时横截面积为 148．4±36．8InlTl2，受力10N时横截面积增加33．3± 5．6mn-i2(22．4％)，受力达到200N时横截面积则增加 48．7±11．4rflln2(32．8％)，认为不切断腕横韧带，单纯对 腕横韧带施加拉力，可使其延长。KarpenE221报道采用类 似于血管成形的方法对120例腕管综合征患者腕横韧带 进行拉伸，即在神经保护装置下于远端掌横纹的掌长肌 尺侧切一1cm小VI，将气囊经导管插入至腕横韧带下方 并充气，使腕横韧带受拉伸力作用而延长；术后随访显 示，疗效满意度达95％。刘华等瞳3]研究发现，腕管综合 征手术治疗效果优于保守治疗，早期发现、及时治疗并去 除发病诱因是促进腕管综合征患者恢复的有效措施。 5腕管结构性能有限元分析 近年随着计算机、有限元软件及医学影像技术的发 展，有限元建模分析能力有了质的飞跃，逼真的三维有限 元分析模型应运而生口“。郭欣等[251报道从生物力学角 度建立基于CT扫描图像数据的腕管三维有限元模型，首 次立体构架出包括腕骨、腕横韧带和腕骨间韧带在内的 三维实体腕管管道模型，并计算分析掌向拉伸力作用下 腕横韧带和腕管典型截面的变形情况，结果显示腕横韧 带的挠度随拉伸力作用的增大而呈非线性增加趋势，腕 管容积随着腕横韧带逐渐拉长而逐步增大，腕管中段横 截面积随着拉伸力作用的增大呈非线性增长，腕横韧带 万方数据 · 60· 国匾量型堂盘查；!!!生!旦箜!!鲞箜!塑!坐!Q生!!￡!!!!塑翌!!!!!!!!!!!：!!!型!：! 远端(大多角骨一钩骨面)变形能力明显小于近端(舟骨一豌 豆骨面)，这可解释腕管综合征患者正中神经在靠近腕管 远端出口处受压较明显的临床现象。但该模型的建立是 以解剖学位置为基础，缺乏形象的影像学资料，且生物组 织属于各向异性的非线性体而该研究假设腕横韧带为各 向同性的线性均质材料，因此可能影响分析结果的可靠 性。Ko等瞄1报道在解剖形态学基础上建立腕管三维有限 元模型并分析正中神经损伤机制，结果显示正中神经所受 压力主要源于周围肌腱等组织的直接接触压迫．故推测直 接接触压迫在腕管综合征病理进程中起主要作用。Guo 等凹1报道建立包括腕骨、尺桡骨末端、掌骨近端、骨间韧带、 腕横韧带在内的三维有限元模型并在第二、三掌骨上部施 加100N轴向负载下分析腕管结构的力学特性，结果发现 腕横韧带切断后轴向压力负载使腕骨呈放射状偏移，桡侧 腕骨(大多角骨、小多角骨、舟骨)更趋于向桡侧偏移，尺侧 腕骨(钩骨、三角骨、豌豆骨)更趋于向掌侧偏移，腕骨间关 节接触应力和接触位置也发生改变，推测这可能与手术松 解后出现的一些并发症相关。吴志鹏等[2印综合腕关节生 物力学有限元分析研究发现，目前的研究基本是在静态下 对腕关节有限元模型进行力学加载，尚难以实现动态模拟、 分析并给予腕关节完全真实的生理载荷条件，且模型问缺 乏较统一的建模标准。 6结语 综上所述，腕管综合征究竟能否归结为一种与计算 机工作相关的职业性损害，需要更大规模流行病学研究 加以证实；腕管内组织滑移及相互剪切力与腕管综合征 相关症状的关系，需要深入研究；如何构建更精确、逼真 的腕部骨骼及软组织有限元模型，以指导实验研究和临 床诊疗研究，是未来需要实现的目标。总之，与腕管综合 征相关的生物力学研究，有待进一步深入。 参考文献 1 WemerR，ArrI】strongYJ，EirC，eta1．Intracarpalcanalpressures：theroleof finger，hand，wristandforearmposition[J]．ClinEiomech(Bristol，Avon)， 1997，12(1)：44_51． 2 TostiR，IlyasAMAcute删tunnelsyndrorI】eD]．OrthopClinNoahAm， 2012，43(4)：45％465． 3 Rerr性lD，BachJM，GordonL，eta1．EffectsofforealTupronation／supinationon删tunnelpressureLJ]．JHandSurgAm，1998，23(1)：38-42． 4GossBC，AgeeJMI)yllaII]ic8ofintra卿altunnelpressureinpatientswith carpaltunnelsyr】dmTndJ]．JHandSLlIgAm，2010，35(2)：197206． 5SanzJ，f&aurA，Samh防DelcaInpOFPostoperativechangesofcarpalcanal pressureincar叫tunnelsyndrome：aprospectivestudywithfollow-upof1year [『]．JHand&】rgBr，2005，3(】(6)：611—614． 6AhnSY，HongYH，KohYH，eta1．PressureiDP2Lsurerflentin删tunnel syndrome：corrdafionwithelectrodiagnostieanduhrasonog：raphicfindings[J]．J KoreanNeurosurgSoe，3"109，46(3)：19争美H 7RempalDM，KdrPJ，INchJMEffectofwristpostureoncarpaltunnelpressure whiletypingd-J]．JOrthopRes，2008，26(9)．．1∞％1273． 8TllolI】senJF，(3errF，AtroshiLC￡删tunndsyndromeandtheuseof computerrlDuseandkeyboard：asystematicreview[J]．BMCIV‘xsculoskelet Disord，2008，9：134． 9TengrootenhuysenM，vanRietR，PirnontelP，eta1．Theroteofthetransverse ∞叫ligatmmtincarpalstability：aninvitmstudy[J]．ActaOrthopBe崦，2009， 75(4)：467—471． 10Garda_日iaSM，AnKN，CooneyWP3rd，eta1．Stabilityofthetransverse cal侧arch：allexperimentalst．dyD]．JHandSurgAm，191=；9，14(2Pt1)：研一 282 11Gard}日iasM．AnKN，CooneyWP，eta1．Transversestabilityofthecarpus． Ananalyticalstudy[J]．JOrtl∞pRes，1989，7(5)：738-743． 12PevnyT，RayanGM，EglenLigamentousandtendinoussupportofthe pisiform：anatomicandbiomechaniealstudyD]．JOldaStateMedAssoc，1995· 躅(5)：2YJ-210． 13HoughAD，lⅥi30reAP，JonesMP．Reduced10画tL血mexcursionoftheiT出an nervein衄l靼1tunnel踟dmI叫I]．ArchPhysM甜Rehabil，2007，88(5)：569-576． 14EchigoA．AokiM，IshiaiS，eta1．11kexcursionofthe1Tlediannerveduring nerveglidingexerdse：aIlobservationwithhigtrresolutionultrasoncgraphy[J]．J Handnler，2008，21(3)：221227． 15CoppietersMW。ButlerD&Do‘sliders’slideand‘tensioners’tension?An analysisofneurodynamictechniquesandconsiderationsregardingthdrapplication J1．ManⅢH，2008，13(3)：213-221． 16ZhaoC，EttermAM，BerglundIJ，eta1．Glidingresistanceofflexortendon assodatedwithcarpaltunnelpressure：abiomechanicalcadaverstudy口]．J OrthopRes．2011，29(1)：58-61． 17YoshiiY，ZhaoC，HendersonJ，eta1．Effectsofca叫tunnelrdeaseonthe rdativemotionoftendon，nerve，andsubsynovialconnmivetissueinahuman cadaverrnOdelU]．OinBiomech(Bristol，Avon)，2008，23(9)：112111觋 18YoshiiY，ZhaoC，HendersonJ，eta1．VelodtyLdependentchangesinthe rdativemotionofthesubsynovialconnectivetissueinthehuman＆吲tunnel D]．JOrthopRes，2011，29(1)：62-66． 19Jh(逾，YangJ，LiCY，eta1．"n'eatmentofcarpaltunnelsyDdlx)nlewithmini indsiondecompression[J]．ZhongguoGuShang，2012，25(1)：58-61． 20PavlidisL，ChalidisBE，DemiriE，eta1．Theeffectoftransverse酬ligament lengtheningon删tunnelvolumetry：acomparisonbetweenfourtechniques LJj．AnnHaststⅡg，2010，65(5)：480-484, 21LiZM，TangJ，ChakanM，eta1．(kpaltunneleNm墒onbymllIlarlydirected forcestothetransverseⅫ瑚lligamentEJ]．JItornechE堍，2009，131(8)： 081011． 22Ka砌MTreatingcarpaltunndsyndromeEJ]．AlternatComplementTher， 1995，1(5)：28428醴 23刘华，董晖，杜永军．腕管综合征治疗分析[I]．国际骨科学杂志，2011，32(6)： 4(肛401． 24ChosaE，TotoribeK，砀imaN．Abiornechanicalstudyofltm以arsvmdylolysis bamlOilathree-dimeusionalfinitedementmetix3d[J]．JOrthopRes，2034，盟 (1)：15&163． 25郭欣，樊瑜波，李宗明．掌向拉伸力作用下腕管的三维有限元分析[J]．中国生 物医学工程学报，2007，26(4)：561—566． 26KoC，BrownTD．Afired-immersedmultibodycontactfiniteelement formulationforIDediannervestressinthecar。altunnelEJ]．ConDutMethods BiowechHornedFtlgin，2007，10(5)：343-549． 27Guox，FanY，Li姒Effectsofdividingthetransversecal砌ligamentoilthe mechanicalbehaviorofthealrpalbonesundera菇alcompressiveload：afinite dementstudy[J]．MedF-ngPhys，2009，31(2)：188-194． 28吴志鹏，高伟阳，吴立军．腕关节生物力学有限元分析研究进展[J]．国际骨科 学杂志，2008，29(5)：3咿3吩 (收稿：2012—09-17；修回：2012-11-lO) (本文编辑：翁洁敏) 二⋯t．．Ⅲ⋯．．1¨．．．．⋯v"．I．．⋯山一¨-．．．⋯¨．一。。一．t|．．⋯¨．一～一一．．I⋯¨．一’‘r⋯t．．一．t．一～一¨．．．1¨-、川"．．“一1．_⋯-．．．一¨．一岫一．．．一¨-v⋯-v⋯、一‰．¨一v⋯¨．川Ⅲr⋯．．．一t．．Ⅲ岫． 万方数据