粘弹性理论在挛缩关节康复治疗中的应用
作者：倪国新
单位：南京军区总医院康复医学科，南京中山东路305号，210002
关键词：
中国康复医学杂志990320 关节挛缩是康复医学中最常遇到的问题之一，目前对挛缩关节最常采用的康复措施有牵引、夹具、运动等，它们实质上都是利用生物软组织粘弹性特性的力学疗法〔1〕。了解关节周围软组织的粘弹性特性，对揭示其治疗机理、改善治疗手段、提高疗效均有十分重要的作用。
1 研究和应用现状 绝大多数关节周围软组织，如肌腱、韧带、关节囊等，其主要组成成份为胶原。正常情况下，其胶原纤维大多沿其受力或传力的方向平行排列。在受到外力作用时，其应力-应变关系为非线性，表现为典型的粘弹性特性〔2，3〕。在挛缩关节中，其周围软组织尽管在形态结构、生物力学特性等方面较正常组，有不同程度的改变，但它们仍表现出明显的粘弹性特性。倪国新等〔4，5〕发现，挛缩膝关节髌韧带的应力-应变关系曲线与正常组相比明显右偏，但曲线类型相同，均可用指数函数关系表示；且两组髌韧带均表现出较明显的蠕变及应力松弛现象。在挛缩关节的康复治疗中所涉及的粘弹性特性包括：蠕变、应力松弛、滞后现象、应变率依赖性等。
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1.1 蠕变 蠕变(creep)是指一个物体突然受到应力的作用，此后保持此应力不变，该物体将继续产生形变的现象〔5〕。物体处在一个持续应力作用的状态下，不断发生形变但很缓慢，需数小时到数天的时间才能产生塑性形变(plastic deformation)。在临床治疗中常用的牵引治疗(traction therapy)〔6，7〕、动态夹板(dynamic splinting)〔8〕等疗法就是通过在挛缩关节的近远端肢体上施加一恒定的力，使得关节周围的挛缩组织发生有时间依赖关系的伸长形变——即蠕变，关节活动范围(ROM)不断改善，结缔组织中胶原纤维的生长方向与其受力的方向一致，从而对挛缩关节起到治疗作用〔9〕。
1.2 应力松弛 应力松弛(stress relaxation)是指一个物体突然发生形变，然后保持此长度不变，该物体内应力随时间而逐渐减少的现象〔5〕。系列石膏塑形(serial plaster casting)〔10〕、静态夹板(static aplinting)〔9〕、静态进展型牵伸法(static progressive stretch,SPS)〔1〕等疗法实质上就是应力松弛原理在临床中的应用。将挛缩关节的两端保持在一定的角度(较关节主动活动度增加5°～10°)，随着时间的延长，关节周围软组织内所承受的应力会逐渐减少，患者对这种人为作用的不适感也会逐渐消失。此后，进一步增加关节的矫形角度，如此重复使得关节的ROM不断增加以至趋于正常〔11〕。
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1.3 滞后 滞后(hysteresis)是指当一个物体承受循环载荷时，加载时的应力-应变关系通常与卸载时的应力-应变关系存在某些差异的现象。早在70年代初，Salter〔12，13〕就提出了有悖于传统固定原则的关节持续被动运动(continuous passive motion,CPM)的概念，并逐步应用于临床。很多实验及临床的研究都证实其在关节挛缩的预防与治疗中的作用〔14，15〕。实质上这就是循环加载原理在康复医学中的应用。关节持续被动运动实际上就是对关节进行循环的加载与卸载，由于滞后现象的存在，每次卸载后关节周围的软组织都有残余应变，以此达到增加关节活动度的目的。
1.4 应变率依赖性 应变率依赖性(strain rate dependence)是指物质的特性与所加载荷的速率相关。临床中对挛缩关节进行手法和被动活动时，要求轻、柔、缓，避免不应有的医疗损伤。Taylor等〔16〕的研究表明：拉伸速度越快，组织越容易受伤；并且挛缩关节周围的软组织，其极限强度显著下降，即便原本对健康组织来说是较小的力，也可能导致挛缩组织的破坏，因此其较正常组织更容易受伤〔17〕。另一方面，快速或突然加载主要是导致组织的弹性形变(elastic deformation)，而缓慢加载将更多地引起组织的塑性形变。弹性形变是指随外力的撤去而逐渐消失的那种形变；塑性形变是指外力撤去后所遗留的不能消失的那部分形变。在弹性形变中，组织并无永久性形变产生，而当组织发生塑性形变后，其长度将发生永久性改变。因此在挛缩关节的康复治疗中，理想的方法是能尽量多地引起组织的塑性形变。Steffen等〔6，7〕比较了不同的拉伸方法对改善挛缩关节活动范围的效果，认为小载荷长时间组的远期疗效要好于大载荷短时间组。
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2 存在的问题和发展方向 尽管在挛缩关节的康复治疗中早已应用了软组织的粘弹性特性，其疗效也是肯定的，但由于对软组织的粘弹性特性并没有进行深入的研究，使得康复治疗缺乏理论上的指导。
今后应加强以下几个方面的研究：
●以往对关节周围软组织的结构特性和力学特性的研究较多，但对其应力松弛、蠕变、滞后等特性的研究却很少，而在挛缩关节的康复治疗中主要是利用了软组织的这些特性，今后应加强此方面的研究。
●以往主要是一种定性的研究，缺少定量的分析。我们知道正常和挛缩关节中软组织的滞后现象有所不同，但到底有何不同，每次卸载后残余应变是多少等我们都不太了解，使得在进行CPM治疗时缺乏科学的理论指导。此外，对挛缩关节使用牵引治疗，到底牵引重量多大、时间多长才能达到最佳疗效，这些都是我们需要研究的问题。
, 百拇医药 ●在软组织生物力学特性的研究方面，以往主要是对单一的组织进行离体研究，而对整个关节的研究却很少。整个关节与单一的软组织之间，其生物力学特性存在很大的差异，且以整个关节作为研究对象，显然会更好地指导挛缩关节的治疗。在对挛缩关节进行牵引时，通过对其所受力矩、关节角度、作用时间等的相互关系进行研究，不仅可以对挛缩关节进行评定，而且可以指导挛缩关节的康复治疗，选用最佳治疗参数。
●康复仪器的研制。目前应用于挛缩关节的康复矫形器械很多，它们的疗效是肯定的，但目前这些治疗装置存在的主要问题有〔18〕：①功能单一，缺乏通用性；②自动化程度不高，操作复杂；③缺乏力学指导、全过程监控、实时数据采集和分析系统，对挛缩关节的应力-应变关系无法测定和分析，不利于疗效的前后定量对比和理论研究；④固定结构有待进一步的完善。目前迫切需要研制一种功能多、操作简易并有完善实时监控、数据采集和分析等功能的测试和治疗装置。
3 参考文献 [1]Bonutti PM,et al.Static progressive stretch to reestablish elbow range of motion.Clin Orthop,1994,303:128.
, http://www.100md.com
[2]Cabaud HE.Biomechanics of the anterior cruciate ligament.Clin Orthop,1983,172:26.
[3]杨桂通主编.医用生物力学.第1版.北京：科学出版社，1994.143～158.
[4]倪国新，等.挛缩膝关节髌韧带轴向应力-应变关系的实验研究.中华物理医学杂志，1998，1：19.
[5]Woo SL,et al.The time and history-dependent viscoelastic properties of the canine medial collateral ligament.J Biomech Eng,1981,103:293.
[6]Steffen TM.Low-load prolonged stretch in the treatment of knee flexion contractures in nursing home resident.Phys Ther,1995,75:886.
, http://www.100md.com
[7]Light KE,et al.Low-load prolonged stretch vs high-load brief stretch in treating knee contracture.Phys Ther,1984,64:330.
[8]Richard R.Dynamic versus static splints,a prospective case for sustained stress.J Hand Ther,1995,8:131.
[9]卓大宏.中国康复医学.第1版.北京华夏出版社，1990.806～818.
[10]Bennett GB,et al.Serial casting:A method for treating burn contracture.J Burn Care Rehabil,1989,10:543.
, http://www.100md.com
[11]Jansen CM.Treatment of knee contracture using a knee orthosis incorporating stress-relaxation techniques.Phys Ther,1996,76:182.
[12]Salter RB,et al.The effects of continuous passive motion on the healing of articular cartilage defects.J Bone Joint Surg,1975,57A:570.
[13]Salter RB.The biologic concept of continuous passive motion of synovial joints.Clin Orthop,1989,242:12.
[14]Maccarthg MR.理疗中连续被动运动的临床应用.国外医学.物理医学与康复学分册，1993，13：81.
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[15]Gates HS,et al.Anterior capsulotomy and continuous passive motion in the treatment of post-traumatic flexion contracture of the elbow.J Bone Joint Surg,1992,74A:1229.
[16]Taylor DC,et al.Viscoelastic properties of muscle-tendon units:the biomechanical effects of stretching.Am J Sports Med,1990,18:300.
[17]Newton PO,et al.Immobilization of the knee joint alters the mechanical and ultrastructure properties of the rabbit anterior cruciate ligament.J Orthop Res,1995,13:191.
[18]成海平.粘弹性理论在关节挛缩康复矫形装置中的应用.国外医学.物理医学与康复学分册，1996，16：150.
收稿日期：1998-06-10, 百拇医药
单位：南京军区总医院康复医学科，南京中山东路305号，210002
关键词：
中国康复医学杂志990320 关节挛缩是康复医学中最常遇到的问题之一，目前对挛缩关节最常采用的康复措施有牵引、夹具、运动等，它们实质上都是利用生物软组织粘弹性特性的力学疗法〔1〕。了解关节周围软组织的粘弹性特性，对揭示其治疗机理、改善治疗手段、提高疗效均有十分重要的作用。
1 研究和应用现状 绝大多数关节周围软组织，如肌腱、韧带、关节囊等，其主要组成成份为胶原。正常情况下，其胶原纤维大多沿其受力或传力的方向平行排列。在受到外力作用时，其应力-应变关系为非线性，表现为典型的粘弹性特性〔2，3〕。在挛缩关节中，其周围软组织尽管在形态结构、生物力学特性等方面较正常组，有不同程度的改变，但它们仍表现出明显的粘弹性特性。倪国新等〔4，5〕发现，挛缩膝关节髌韧带的应力-应变关系曲线与正常组相比明显右偏，但曲线类型相同，均可用指数函数关系表示；且两组髌韧带均表现出较明显的蠕变及应力松弛现象。在挛缩关节的康复治疗中所涉及的粘弹性特性包括：蠕变、应力松弛、滞后现象、应变率依赖性等。
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1.1 蠕变 蠕变(creep)是指一个物体突然受到应力的作用，此后保持此应力不变，该物体将继续产生形变的现象〔5〕。物体处在一个持续应力作用的状态下，不断发生形变但很缓慢，需数小时到数天的时间才能产生塑性形变(plastic deformation)。在临床治疗中常用的牵引治疗(traction therapy)〔6，7〕、动态夹板(dynamic splinting)〔8〕等疗法就是通过在挛缩关节的近远端肢体上施加一恒定的力，使得关节周围的挛缩组织发生有时间依赖关系的伸长形变——即蠕变，关节活动范围(ROM)不断改善，结缔组织中胶原纤维的生长方向与其受力的方向一致，从而对挛缩关节起到治疗作用〔9〕。
1.2 应力松弛 应力松弛(stress relaxation)是指一个物体突然发生形变，然后保持此长度不变，该物体内应力随时间而逐渐减少的现象〔5〕。系列石膏塑形(serial plaster casting)〔10〕、静态夹板(static aplinting)〔9〕、静态进展型牵伸法(static progressive stretch,SPS)〔1〕等疗法实质上就是应力松弛原理在临床中的应用。将挛缩关节的两端保持在一定的角度(较关节主动活动度增加5°～10°)，随着时间的延长，关节周围软组织内所承受的应力会逐渐减少，患者对这种人为作用的不适感也会逐渐消失。此后，进一步增加关节的矫形角度，如此重复使得关节的ROM不断增加以至趋于正常〔11〕。
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1.3 滞后 滞后(hysteresis)是指当一个物体承受循环载荷时，加载时的应力-应变关系通常与卸载时的应力-应变关系存在某些差异的现象。早在70年代初，Salter〔12，13〕就提出了有悖于传统固定原则的关节持续被动运动(continuous passive motion,CPM)的概念，并逐步应用于临床。很多实验及临床的研究都证实其在关节挛缩的预防与治疗中的作用〔14，15〕。实质上这就是循环加载原理在康复医学中的应用。关节持续被动运动实际上就是对关节进行循环的加载与卸载，由于滞后现象的存在，每次卸载后关节周围的软组织都有残余应变，以此达到增加关节活动度的目的。
1.4 应变率依赖性 应变率依赖性(strain rate dependence)是指物质的特性与所加载荷的速率相关。临床中对挛缩关节进行手法和被动活动时，要求轻、柔、缓，避免不应有的医疗损伤。Taylor等〔16〕的研究表明：拉伸速度越快，组织越容易受伤；并且挛缩关节周围的软组织，其极限强度显著下降，即便原本对健康组织来说是较小的力，也可能导致挛缩组织的破坏，因此其较正常组织更容易受伤〔17〕。另一方面，快速或突然加载主要是导致组织的弹性形变(elastic deformation)，而缓慢加载将更多地引起组织的塑性形变。弹性形变是指随外力的撤去而逐渐消失的那种形变；塑性形变是指外力撤去后所遗留的不能消失的那部分形变。在弹性形变中，组织并无永久性形变产生，而当组织发生塑性形变后，其长度将发生永久性改变。因此在挛缩关节的康复治疗中，理想的方法是能尽量多地引起组织的塑性形变。Steffen等〔6，7〕比较了不同的拉伸方法对改善挛缩关节活动范围的效果，认为小载荷长时间组的远期疗效要好于大载荷短时间组。
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2 存在的问题和发展方向 尽管在挛缩关节的康复治疗中早已应用了软组织的粘弹性特性，其疗效也是肯定的，但由于对软组织的粘弹性特性并没有进行深入的研究，使得康复治疗缺乏理论上的指导。
今后应加强以下几个方面的研究：
●以往对关节周围软组织的结构特性和力学特性的研究较多，但对其应力松弛、蠕变、滞后等特性的研究却很少，而在挛缩关节的康复治疗中主要是利用了软组织的这些特性，今后应加强此方面的研究。
●以往主要是一种定性的研究，缺少定量的分析。我们知道正常和挛缩关节中软组织的滞后现象有所不同，但到底有何不同，每次卸载后残余应变是多少等我们都不太了解，使得在进行CPM治疗时缺乏科学的理论指导。此外，对挛缩关节使用牵引治疗，到底牵引重量多大、时间多长才能达到最佳疗效，这些都是我们需要研究的问题。
, 百拇医药 ●在软组织生物力学特性的研究方面，以往主要是对单一的组织进行离体研究，而对整个关节的研究却很少。整个关节与单一的软组织之间，其生物力学特性存在很大的差异，且以整个关节作为研究对象，显然会更好地指导挛缩关节的治疗。在对挛缩关节进行牵引时，通过对其所受力矩、关节角度、作用时间等的相互关系进行研究，不仅可以对挛缩关节进行评定，而且可以指导挛缩关节的康复治疗，选用最佳治疗参数。
●康复仪器的研制。目前应用于挛缩关节的康复矫形器械很多，它们的疗效是肯定的，但目前这些治疗装置存在的主要问题有〔18〕：①功能单一，缺乏通用性；②自动化程度不高，操作复杂；③缺乏力学指导、全过程监控、实时数据采集和分析系统，对挛缩关节的应力-应变关系无法测定和分析，不利于疗效的前后定量对比和理论研究；④固定结构有待进一步的完善。目前迫切需要研制一种功能多、操作简易并有完善实时监控、数据采集和分析等功能的测试和治疗装置。
3 参考文献 [1]Bonutti PM,et al.Static progressive stretch to reestablish elbow range of motion.Clin Orthop,1994,303:128.
, http://www.100md.com
[2]Cabaud HE.Biomechanics of the anterior cruciate ligament.Clin Orthop,1983,172:26.
[3]杨桂通主编.医用生物力学.第1版.北京：科学出版社，1994.143～158.
[4]倪国新，等.挛缩膝关节髌韧带轴向应力-应变关系的实验研究.中华物理医学杂志，1998，1：19.
[5]Woo SL,et al.The time and history-dependent viscoelastic properties of the canine medial collateral ligament.J Biomech Eng,1981,103:293.
[6]Steffen TM.Low-load prolonged stretch in the treatment of knee flexion contractures in nursing home resident.Phys Ther,1995,75:886.
, http://www.100md.com
[7]Light KE,et al.Low-load prolonged stretch vs high-load brief stretch in treating knee contracture.Phys Ther,1984,64:330.
[8]Richard R.Dynamic versus static splints,a prospective case for sustained stress.J Hand Ther,1995,8:131.
[9]卓大宏.中国康复医学.第1版.北京华夏出版社，1990.806～818.
[10]Bennett GB,et al.Serial casting:A method for treating burn contracture.J Burn Care Rehabil,1989,10:543.
, http://www.100md.com
[11]Jansen CM.Treatment of knee contracture using a knee orthosis incorporating stress-relaxation techniques.Phys Ther,1996,76:182.
[12]Salter RB,et al.The effects of continuous passive motion on the healing of articular cartilage defects.J Bone Joint Surg,1975,57A:570.
[13]Salter RB.The biologic concept of continuous passive motion of synovial joints.Clin Orthop,1989,242:12.
[14]Maccarthg MR.理疗中连续被动运动的临床应用.国外医学.物理医学与康复学分册，1993，13：81.
, 百拇医药
[15]Gates HS,et al.Anterior capsulotomy and continuous passive motion in the treatment of post-traumatic flexion contracture of the elbow.J Bone Joint Surg,1992,74A:1229.
[16]Taylor DC,et al.Viscoelastic properties of muscle-tendon units:the biomechanical effects of stretching.Am J Sports Med,1990,18:300.
[17]Newton PO,et al.Immobilization of the knee joint alters the mechanical and ultrastructure properties of the rabbit anterior cruciate ligament.J Orthop Res,1995,13:191.
[18]成海平.粘弹性理论在关节挛缩康复矫形装置中的应用.国外医学.物理医学与康复学分册，1996，16：150.
收稿日期：1998-06-10, 百拇医药