动静态生物力学试验及三维有限元分析研究高空跳伞环境下踝关节易伤机制

摘要

前言：
　　 踝关节损伤是运动过程中最为常见的损伤之一,运动过程中踝关节损伤的发生率仍较高。尤其在空降兵这一特殊群体中,踝关节损伤更为常见,是我军非战斗减员的主要原因。这不仅严重影响正常军事事务和训练,甚至是导致空降兵和平时期致残的重要原因之一。目前,我国公共医学及我军其他兵种医学尚未涉及此特殊群体中常见高空跳伞踝关节损伤的易伤机制及预防的研究。在空军范围内仅见临床病例报道和局部范围内的流行病学调查,对于可能存在的特殊及复杂损伤机制的研究也未见相关报道。就国外而言,也未见与此类相似的研究文献。同时,由于空降兵高空跳伞训练方式、着陆方式及配备装置在英、美、俄及我国各有不同,即使国外有个别的研究,但其方法及结果均与我军空降兵跳伞时踝关节的损伤机制及预防有一定差异,故不适用于我空降兵高空跳伞环境中踝关节损伤机制的研究。因此,了解其特有的损伤机制并加以预防是唯我空军亟待解决的重要研究。
　　 三维有限元模型应用于医学领域是计算机模拟与医学研究的有机结合,Mimics软件是一套编辑处理软件,它能高度整合输入的人体CT、MRI等扫描数据,并通过一系列程序编辑建立3D模型。目前,三维有限元技术十分成熟,其与医学研究的文献报道也层出不穷,但是多针对一般人群生理或病理状态下进行研究,而对于空降兵着陆瞬间踝关节受力情况却鲜有报道,因此,利用Mimics及Ansys软件构建空降兵着陆瞬间踝关节位置的模型并分析受力情况具有重要意义。
　　 目的：
　　 目的一:研究军事高空跳伞伤中踝关节的易伤机制,并探讨空降兵着陆瞬间踝关节由跖屈状态到内翻位时外侧副韧带及关节囊等相关软组织损伤的承载力,为我国空军研制新式伞兵护踝和科学训练等提供理论依据。
　　 目的二:通过对健康尸体的胫骨及跖屈30°位踝关节CT扫描图像结合Mimics软件和Ansys软件构建人体胫骨及踝关节三维有限元模型,模拟我军空降兵着陆瞬间踝关节跖屈30°时胫骨及胫距关节面受力情况,为进一步研究高空跳伞环境下人体踝关节易伤机制及研制新型踝关节护具提供理论依据。
　　 材料与方法：
　　 一、标本纳入
　　 标本收集于空军航空航天医学研究所2009～2011年间8例健康新鲜的尸体标本,根据我军空降兵年龄、身高及体重标准,选取其中最符合标准的1例用于踝关节CT扫描,构建三维有限元模型。剩余7例标本中有1例标本因年龄偏大(69岁)而排除。将收集的7例标本从膝关节处离断保留胫腓骨、踝关节及足部,其中用于建模的标本在X线透视下应用石膏固定于跖屈30°位置。全部标本至于深冻冰箱(-40℃)内保存。
　　 二、实验方法
　　 方法一:6具新鲜冰冻踝关节标本通过夹具固定在美国MTS-858生物材料试验机上,施加轴向压力,起始值为ON,轴向压缩范围10cm,观察压力曲线变化,曲线出现峰值时停止加压,记录承载力峰值及时间,并绘制承载力一时间曲线。对实验后的标本进行解剖,观察踝关节外侧副韧带及周围软组织的损伤情况。
　　 方法二:取新鲜踝关节标本1具,石膏固定保持跖屈30°位进行CT平扫,扫描层厚0.625mm,将平扫图像数据刻录成光盘并导入Mimics软件中建模,经过编辑蒙罩、平滑处理、面网格划分、优化三角片生成面网格模型,导入Ansys软件后进行体网格划分、赋材料,并于模型的胫骨平台垂直加压6000N求解,分析胫骨及胫距关节面受力情况。
　　 结果：
　　 结果一:踝关节外侧副韧带及关节囊承载力测定分别为:2162.51N、2547.08N、2081.22N、1888.86N、2226.57N、2336.96N,承载力达峰值时间记录分别为:7.59秒、8.52秒、16.10秒、8.28秒、9.65秒、14.41秒;承载力一时间曲线走行趋势由平缓到陡峭;尸体解剖发现踝关节外侧副韧带及关节囊主要呈现钝性断裂损伤,断端极不整齐,6具标本均发现距腓前后韧带、跟腓韧带及外侧关节囊不同程度的断裂,其中有1具标本损伤较为严重,除外侧副韧带及外侧关节囊断裂外,踝关节前侧及后侧部分关节囊也不同程度损伤,距骨暴露于关节囊外,呈半脱位状态;全部标本经C型臂透视后观察均无骨性损伤
　　 结果二:通过三维有限元软件构建空降兵着陆位胫腓骨及踝关节模型。从模型上观察,当模拟胫骨受到垂直于胫骨平台的外力6000N时,胫骨中下段为主要受力区间,并且胫骨力线并非严格沿着胫骨轴向走行,有向后弯曲的倾向。胫骨前侧拉伸应力最大值约为3609N,后侧压缩应力最大值为5212N。胫距关节面压力分布集中于中央及后踝处,分布不均匀,平均应力值约为129lN。
　　 结论：
　　 结论一:1.模拟空降兵跳伞着陆瞬间踝关节由跖屈状态到内翻状态下外侧副韧带及关节囊纤维组织在抗内翻应力作用时可呈现“等长收缩”及“等张收缩”特性。
　　 2.本实验踝关节外侧副韧带及关节囊损伤时的承载力均值约为2207.18N,在真实情况下可能大于此数值。
　　 3.对于目前空降兵配备的伞靴是否能缓冲踝关节极度内翻时2207.18N的承载力应需要进一步研究。
　　 结论二:1.从构建的三维有限元模型中观察到伞兵跳伞着陆瞬间胫骨中下段为主要应力集中区域,区域颜色越鲜艳则应力越集中,胫骨前侧主要为拉伸应力,胫骨后侧表现为压缩应力。
　　 2.从模型中观察胫骨力线并非沿着胫骨轴向走行,有向后弯曲的倾向。胫骨前侧拉伸应力最大值约为3609N,后侧压缩应力最大值为5212N。
　　 3.胫距关节面为空降兵落地瞬间的主要承重关节面,模型显示压力主要分布于胫骨远端关节面中央及后踝处,分布不均匀,平均应力值约为1291N。
　　 4.实际情况下,伞兵着陆损伤是一个动态的过程,力的变化较为复杂,仍有待于进一步研究。