人踝关节外侧韧带损伤和慢性不稳定重建生物力学的三维有限元分析

摘要

研究背景：
　　 踝关节外侧副韧带是维持踝关节稳定的重要结构，尤以距腓前韧带（Anterior Talofibular Ligament，ATFL）及跟腓韧带（Calcaneo-fibularLigament，CFL）起主要稳定作用，其损伤可导致踝关节外侧不稳定，严重影响踝关节功能。有文献报道:踝关节韧带损伤是最常见的运动性损伤，其数量约占整个运动损伤的25％，其中内翻扭伤导致踝关节外侧副韧带的损伤又约占踝关节韧带损伤的85％;10％～20％的急性外侧副韧带损伤会发展为慢性踝关节外侧不稳定(Chronic Lateral AnkleInstability，CAI)。
　　 传统骨科生物力学实验主要是以动物模型及尸体标本作为研究对象，但存在诸多弊端和局限性。动物模型的结构和功能与人类差别较大，而踝关节的动物模型目前尚未成功建立;尸体标本虽然在物理相似性上优势较大，但由于失活的组织其生物力学性能是渐变的，不同的尸体标本力学性能各异，并且一个标本不能反复利用，故而使对照研究的可比性下降。
　　 随着电子计算机技术的发展，有限元分析(Finite ElementAnalysis，FEA)已经迅速发展成为一种现代计算方法。在有限元仿真实验中，可以对模型材料参数进行实验条件仿真，模拟拉伸、弯曲、扭转等各种力学实验，以求获得在不同实验条件下模型任意部位变形、应力/应变分布、内部能量变化、极限破坏分析等变化情况。与传统的生物力学实验相比，有限元方法能够建立具有高度物理相似性的数值模型，既可以进行精确的数字分析，也可以进行形象的、直观的定性研究，还可以完成传统方法难以实现的加载方式及约束条件，得到客观实体实验所难以获得的研究数据，甚至可以通过改变材料特性等途径进行个体化的差异性受力分析。由于有限元法相较于传统研究方法拥有诸多优势，因此被迅速引入生物力学研究领域，成为经典生物力学研究方法的有力补充。
　　 本研究首先采用MRI技术扫描一健康志愿者的踝关节，利用三维仿真建模软件Mimics建立一个正常踝关节三维仿真模型，模型包括胫腓骨远端、距骨和跟骨以及相应关节面，并在有限元分析软件ANSYS中建立踝关节的内、外侧副韧带、距下关节距跟骨间韧带和距跟内外侧韧带。然后利用已有文献资料中的数据对构建的有限元模型进行验证，以保证所构建模型的有效性。接着分别模拟急性ATFL撕裂、ATFL及CFL同时断裂，对损伤后的踝关节的生物力学特性进行研究。最后对ATFL及CFL断裂后的踝关节模型进行韧带重建，模拟Watson-Jones、Chrisman-Snook及Evans三种非解剖肌腱重建术式，比较不同重建术后的踝关节生物力学特性，以期为临床工作中CAI治疗术式的选择提供可靠的理论依据。
　　 第一章人踝关节三维有限元模型的建立及有效性分析
　　 目的:
　　 建立正常人踝关节三维有限元模型，并验证模型的有效性，测试其敏感性，为下一步研究提供数字化平台。
　　 方法:
　　 选取一名健康志愿者，采用MRI对其踝关节进行连续扫描，层厚为1mm，以Dicom格式文件存储所得的扫描图像。将扫描图像导入三维仿真建模软件Mimics，利用Mimics软件生成健康人踝关节的三维仿真模型，模型包括骨性结构和软骨，将原始模型导入Mimics自带的Magics9.9软件中进行网格划分和模型优化，将优化后的模型导入大型通用有限元分析软件ANSYS12.0中，在ANSYS中对模型网格赋予特定的材料属性。最后利用解剖学资料，在ANSYS中构建踝关节周围的主要韧带。人踝关节三维有限元模型建立后，对模型进行生物力学测试，将获取数据与既往已有研究文献中的数据进行对比，分析模型的有效性，并测试模型敏感性。
　　 结果:
　　 1.在踝关节三维有限元模型中模拟前抽屉试验（anterior drawertest，ADT），对跟骨施加不同大小前向牵引力，所获得距骨前移距离(anterior talus translation，ATT)与以往文献数据基本一致。
　　 2.ADT中ATT随着踩关节屈曲角度增大而减小，处于中立位时，踝关节最为“松弛”。只有ATFL的断裂会导致踝关节出现明显的前向不稳定。
　　 结论:
　　 1.基于MRI扫描的Dicom格式文件，采用Mimics与ANSYS软件，成功构建了正常人踝关节的三维有限元模型，模型中包括了距骨、跟骨、远端胫腓骨、踝关节及距下关面软骨、踝关节周围主要韧带。
　　 2.有限元模型模拟计算得到的ATT与以往文献尸体标本试验的数据基本一致，证实了模型具有良好的有效性。参数敏感性分析的结果证实了该模型具有良好的敏感性，为进一步研究提供了可靠的数字化平台。
　　 第二章踝关节外侧韧带维持踝关节稳定性的的生物力学有限元分析
　　 目的:
　　 采用第二章所建立的正常人踝关节有限元模型，建立踝关节外侧韧带损伤模型，探讨踝关节外侧韧带对维持踝关节稳定性的生物力学影响。
　　 方法:
　　 1.逐个移除各条韧带所对应的韧带单元并建立踝关节外侧韧带损伤模型。
　　 2.模拟ADT实验，在模型中对跟骨施加由50N递增至150N的前向牵引力，同时对踝关节施加由50N递增至1500N的垂直轴向压力，计算ATT和各条韧带的应力。
　　 3.模拟内翻应力试验，约束胫腓骨远端的活动，屈曲并固定踝关节于不同角度，对跟骨施加1.7N·m内翻扭矩，计算距骨倾斜角度(Talus Tilt，TT)和各条韧带的应力。
　　 4.模拟内旋应力试验，约束胫腓骨远端的活动，调整固定踝关节屈曲于不同角度，对跟骨施加3.4N·m的内旋扭矩，计算距骨内旋角度(Talus Rotation，TR)及各条韧带的应力。
　　 结果:
　　 1.ATFL损伤后，ATT明显增加;ATFL和CFL联合损伤与ATFL单独损伤的ATT值差异不明显;当垂直压力大于300N后，ATT明显减小;ATFL是ADT中承受应力最高的韧带。
　　 2.内翻应力试验中，当ATFL单独损伤时TT增加不明显;当ATFL与CFL同时损伤后，TT明显增加;ATFL与CFL共同承受了对抗内翻运动的应力。
　　 3.内旋应力试验中，当ATFL损伤后，踝关节TR就会明显增加;ATFL是对抗内旋运动中承受应力最高的韧带。
　　 结论:
　　 1.ATFL能够限制距骨从榫眼处向前移位即所谓前抽屉运动，而CFL和PTFL在维持踝关节前向稳定性当中作用不明显。本实验研究数据提示:中立位下，前向牵引力100N，当ATT≥6mm，△ATT≥2mm时，ADT试验可判定为阳性，提示ATFL损伤。
　　 2.ADT在踝关节中立位下操作时，距骨前抽屉运动最明显。当胫骨垂直轴向压力大于300N后，关节面的吻合已成为维持踝关节稳定的最主要因素。
　　 3.内翻应力试验对检查ATFL损伤不敏感，CFL是阻止距骨内翻的主要韧带;CFL断裂同时合并有ATFL损伤时则会出现明显的踝关节内翻不稳。正常踝关节TT≤4°，当TT≥12°时，提示ATFL与CFL同时撕裂。
　　 4.内旋应力试验提示:ATFL是维持踝关节内旋稳定性的主要韧带。正常TR≤4°，当TR≥8°时，提示ATFL断裂，CFL和PTFL在维持踝关节内旋稳定性中作用不明显。
　　 第三章:Evans、Chrisman-Snook和Watson-Jones术式治疗踝关节外侧不稳的生物力学有限元分析
　　 目的:
　　 在ATFL及CFL损伤模型上模拟Watson-Jones、Chrisman-Snook及Evans三种非解剖肌腱移植重建法，对重建外侧稳定结构后的踝关节模型进行生物力学分析，比较三种重建方法的优劣。
　　 方法:
　　 1.在移除ATFL与CFL的踝关节有限元模型上，根据三种重建手术方法，分别建立Evans法、Chrisman-Snook法和Watson-Jones法三个移植肌腱重建模型。
　　 2.模拟ADT，在三个重建模型上分别对跟骨施加由50N递增至150N的前向牵引力，计算踝关节不同屈曲角度下，不同重建模型的ATT与韧带及肌腱应力。
　　 3.模拟内翻应力试验，在三个重建模型上对分别对跟骨施加1.7N·m的内翻力矩，计算踝关节不同屈曲角度下，不同重建模型的TT与韧带及肌腱应力。
　　 4.模拟内旋应力试验，在三个重建模型上分别对跟骨施加3.4N·m内旋力矩，计算踝关节不同屈曲角度下，不同重建模型的TR与韧带及肌腱应力。
　　 结果:
　　 三种重建方法均能提高踝关节稳定性，但效果与施力方向及踝关节屈曲角度有关系。其中Watson-Jones法能够最有效的恢复踝关节的稳定性。
　　 结论:
　　 1.在外侧韧带损伤踝关节有限元模型基础上，成功模拟建立了Evans法、Chrisman-Snook法和Watson-Jones法三种非解剖肌腱重建模型。
　　 2.实验结果显示:三种非解剖肌腱重建术式中，Watson-Jones法能够最有效的恢复踝关节的稳定性。Watson-Jones法重建后的踝关节内翻、内旋和前向稳定性以及韧带应力都要优于Evans法和Chrisman-Snook法。
　　 3.三种非解剖肌腱重建法都无法使踝关节生物力学恢复到正常状态。

目录

声明

摘要

英汉缩略词表

第一章 正常人体踝关节三维有限元模型的建立及其有效性验证

引言

1 材料与方法

2 结果

2．1 完整模型网格划分结果

2．2 踝关节有限元模型ADT模拟加载试验结果

2．3 参数敏感性试验结果

3 讨论

3．1 有限元分析的基本思想

3．2 有限元分析的特点

3．3 有限元分析的基本过程

3．4 正常踝关节三维有限元模型的建立

3．5 踝关节有限元模型的优缺点

3．6 踝关节有限元模型的有效性评估

4 结论

第二章 踝关节外侧韧带维持踝关节稳定性的的生物力学有限元分析

引言

1 材料与方法

1．1 创建踝关节外侧韧带损伤模型

1．2 施加边界条件和载荷

1．3 运算指标

1．4 数据处理

2 结果

2．1 模拟ADT时运算得到的ATT

2．2 内翻应力试验中的TT

2．3 内旋应力试验中的TR

3 讨论

3．1 踝关节的稳定性

3．2 踝关节负重分布

3．3 踝关节外侧韧带损伤机制

3．4 踝关节外侧不稳定的诊断

3．5 踝关节慢性不稳定与骨关节炎

3．6 踝关节外侧韧带的稳定作用

4 结论

第三章 Evans、Chrisman-Snook和Watson-Jones术式治疗踝关节外侧不稳的生物力学有限元分析

引言

1 材料与方法

1．1 Evans、Chrisman—Snook和Watson-Jones法手术要点描述

1．2 模拟建立Evans、Chrisman—Snook和Watson-Jones法重建术后模型

1．3 模拟实验分组

1．4 模拟各种应力试验

1．5 运算指标

1．6 数据处理

2 结果

2．1 模拟ADT运算得到的ATT

2．2 内翻应力试验TT

2．3 内旋应力试验

2．4 内翻与内旋应力试验中的PTTL，TiCL应力

2．5 ADT，内翻与内旋应力试验中的移植肌腱应力(中立位)

3 讨论

3．1 踝关节生物力学研究方法的选择

3．2 供体肌腱解剖学资料

3．3 踝关节外侧韧带重建手术机制概述

3．4 距下关节的运动

3．5 踝关节外侧韧带重建手术生物力学研究与临床随访

3．6 有限元法实验结果分析

3．7 本研究的不足

4 结论

参考文献

综述

致谢

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