拇外翻微创截骨手法整复术后软组织对截骨端稳定性的有限元分析

摘要

背景：
　　拇外翻是足部畸形的常见疾病之一，具体是指拇趾向外偏离了中线，向外倾斜的角度大于正常生理角度15°，还常伴有拇趾纵轴上向外的旋转畸形。拇外翻畸形一旦形成后，通过保守的方法仅能缓解暂时的疼痛。随着病情的发展第一跖趾关节半脱位并且内侧骨性凸起会不断增大，影响日常的穿鞋及行走，严重影响患者的生活质量。伴随拇外翻病程的发展，患者还常常伴有其余足趾的畸形及前足痛等症状。故拇外翻是一种进行性发展的疾病，对于明显畸形，疼痛的患者应尽早采用手术治疗，防止延误病情，加重畸形。
　　拇外翻的病因尚不明确，多种原因都会导致拇外翻的形成及发展，但就其发病过程及病理上的改变方面看却大致相同，现代医学认为包含遗传因素、鞋袜因素以及骨性结构及周围软组织的改变等等。中医学认为其主要病因包括:外因的湿邪侵袭及外伤、慢性劳损、先天不足、后天失养，但以上这些原因最终都会使肝血不荣，筋脉失养从而引起“骨离缝、筋出槽”。通过了解拇外翻的病理、生物力学的改变，从而应用“筋束骨”理论治疗拇外翻。
　　导师温建民教授经过10几年的探索，运用第一跖骨头颈斜行二维截骨、并将中医正骨手法、中医中药、“筋束骨”理论、“裹帘”（“8”字绷带外固定）方法与微创技术结合，创立了中西医结合治疗微创治疗拇外翻及小趾内翻、跖痛症等相关畸形的新方法。其具有操作简单、患者痛苦小、合并症少、疗效确定等优点。经过不断完善、创新与发展，已经形成了规范化的诊疗体系。2002年获得国家科技进步二等奖，被科技部推荐参加了德国举行的“新思维、新发明、新技术”国际博览会，荣获金奖。中西医结合治疗拇外翻被国家中医药管理局列为全国十大优秀项目向全国推广。目前全国已有20多个省、市的医院开展此项技术，已治疗3万多例拇外翻患者，其优良率达98.5％。该方法技术要点为:①微创技术在中医足踝外科的应用;②采用第1跖骨头颈斜行截骨矫正畸形;③中医正骨手法纠正畸形及关节脱位;④依据小夹板纸夹垫原理及“筋束骨”理论，采用“裹帘”（“8”字绷带外固定）方法固定截骨端。摒弃传统的钢板螺钉内固定和石膏外固定方法，术后患者即能下地行走。
　　足部肌肉等软组织的肌力失衡会导致拇外翻的形成及进一步发展。近年来很多研究者研究发现软组织对拇外翻形成的重要性:若外翻肌肌力大于内翻肌肌力并且胫后肌腱失效，可以诱发拇外翻的发生。很多患者并不是单纯的拇外翻或拇囊炎，其第一跖趾关节半脱位常常伴有第一跖骨骨性关节炎，足横弓及纵弓塌陷，第一跖骨籽骨系统脱位、第二趾半脱位、锤状趾，小趾内翻等等，同时，第一跖列周围肌肉如拇展肌、拇短屈肌移位、拇收肌及外侧关节囊紧张等软组织的改变。所以我们认为拇外翻在发展的过程中会逐渐使全足的生物力学发生不可逆的改变，以致足部功能紊乱功能异常，同时给患者带来越来越大的痛苦。
　　中西医结合拇外翻截骨手法整复术不但对畸形予以纠正，还在手术的同时进行手法整复，恢复前足的正常生物力学环境。微创截骨手法一经提出，就受到了部分骨科学者的质疑。特别是AO学派认为截骨的愈合需要稳定，截骨复位后必须有坚强的内固定才能保证截骨端骨折的愈合。人体在负重时足部负荷增大，尤其是在第1跖骨处压力较大。一些骨科医生认为在此处截骨不做内固定，又不做石膏等外固定进行制动，截骨端额稳定得不到良好的保证，出现截骨端延迟愈合或不愈合的可能性大大增加。但事实是中西医结合治疗拇外翻方法，通过十多年的临床应用，已治疗3万多例拇外翻患者，并未出现截骨不愈合现象，而且术后发生转移性跖骨痛的患者也少。截骨后根据小夹板纸压垫原理和“筋束骨”理论而采用“裹帘”（“8”字绷带外固定）方法是否稳定？允许患者早期下地行走是否影响截骨端愈合？这些问题尚需做深入的研究。
　　有限元分析的方法随着日渐发展的数字及计算机技术不断完善并拥有越来越强大并精细的建模功能和计算能力。有限元分析可以解决以往不能直接进行力学测试或由于伦理问题等这些难以解决的问题。三维有限元可以对无论是处于动或静状态、具有不规则的几何形状、受力条件不均、材料参数不同等等的物体进行模型建造，对需要测量的部分进行计算。足部是人体非常复杂的结构之一，包括26块骨骼，并与胫腓骨形成踝关节，足部包括的韧带、筋膜、肌肉也同样数量多且功能各异。因此足部各结构的应力和应变的计算问题异常复杂。但是我们运用三维有限元分析方法，不仅可以得到整个足部三维结构的应力状态，还可重复性地研究接触应力，从而显示关节面的应力分布情况，了解应力对骨折端的影响。以及各种治疗措施对足部影响。通过有限元分析我们对拇外翻及其一系列疾病的研究定会更加精确及深入，也将对临床的工作产生深远的意义。
　　目前对拇外翻足有限元模型的研究报导很少，对第1跖骨截骨端稳定性及外固定对截骨端的愈合的影响没有相关生物力学的研究。该研究结果必将提高对拇外翻的治疗的认识，对改进和完善中西结合治疗拇外翻产生深远的影响。本研究方法也为中医骨伤科现代化的研究寻求新思路及科学的指导。
　　目的：
　　1.建立拇外翻足的有限元模型，并在拇外翻足模型上模拟中西医结合微创截骨手法整复术，建立中西医结合微创技术截骨手法整复后三维有限元模型。探讨数字仿真医学建模的方法及意义;
　　2.获取有限元截骨模型在有/无软组织存在的情况下截骨端的位移和应力的可靠数据并进行对比，研究和观察截骨端在软组织存在的情况下位移和应力变化。为“筋束骨”治疗拇外翻寻求科学依据。
　　方法:
　　1.中西医结合微创技术截骨手法整复后拇外翻截骨模型的建立
　　材料与方法:
　　1)选取青年女性拇外翻志愿者，HAV角24°，IM角13°，PASA角7°、DASA角7°，体质量58kg，无其他系统疾病及其他足病。采用CT对患足进行扫描，层厚1mm，间隔1mm，扫描从足尖至足后跟。获得足的CT图像。扫描时受试者踝关节处于中立位。
　　2)利用Mimics10.0处理足部CT图像，辨别软组织、骨皮质、髓腔的界限，获得骨骼边缘轮廓曲线的矢量数据，模型中仅考虑骨骼、软骨、肌腱、足内在肌四种组织材料。通过阈值分割后重建足踝部的28块骨骼及外围软组织的三维结构，导入到Geomagic Studio12软件，对模型进行构造曲片面、构造栅格、拟合曲面等处理，最后生成零件实体，然后进行整足的装配。在ABAQUS中定义材料属性。骨solid实体单元，韧带视为不可压缩材料，为truss单元，都设定为单一各向同性线弹性材料。划分网格，控制全局种子大小在1.5-3左右，生成四面体自由网格。总节点数175711总单元数412557。将所有骨骼软骨韧带装配起来。在ABAQUS中建立长方体模型，作为地面模型。划分六面体网格。3
　　3)模拟拇外翻患者在双足平衡站立时双足受力情况，定义作用载荷跟腱力、足底压力、足底摩擦力。支撑结构上表面和足底表面定义为接触关系，摩擦系数为0.6。根据载荷和地面反作用力等效互换原理，压力中心处施加集中向上通过支撑结构面的力，踝关节表面完全约束，处在平衡站立时中立位。另以Footscan力板测试技术，静态下测量受试者足部受力情况，通过测试结果与有限元足底云图比较压力均集中在跟骨、第2、3跖骨，受力区域大致一致。
　　4)利用CATIA软件在建好的拇外翻模型上模拟第1跖骨头颈部截骨。首先，削磨掉第1跖骨头内侧骨赘，而后在第1跖骨头颈部截骨，截骨线在水平面与第1跖骨轴线成70°角，方向从远端内侧到近端外侧;在矢状面与第1跖骨轴线成75°角，方向从远端背侧到近端跖侧。模拟手法复位的要求，将远端截骨块向外侧推移越3mm，建成中西医结合微创技术截骨手法整复后拇外翻截骨模型。
　　2.中西医结合微创技术截骨手法整复后模型截骨端在无周围软组织存在的情况下截骨端的位移和应力研究
　　材料与方法:
　　1)采用已建立的拇外翻足三维有限元截骨模型，模拟模型截骨端在无周围软组织存在的情况下的工况。将跖骨截骨近端设为固定端，远端为自由端，断端间摩擦系数根据实际测量设定。在远端截骨面的上下、内外边缘四个点分别标记作为观察点。不考虑截骨端周围软组织（拇展肌、拇趾长短屈肌、拇趾长短伸肌和拇收肌）的影响。
　　2)模型的约束与加载:模型的约束和加载同前工况。
　　3)有限元模型数据的计算:当模型截骨端在无周围软组织存在的情况下时，截骨远端最大位移是0.336mm，发生在整个截骨面上。截骨断端间最大Von Mises应力为0.296Mpa，应力主要集中在截骨背侧远端，并向近端逐渐减小。
　　3中西医结合微创技术截骨手法整复后模型截骨端周围软组织存在的情况下截骨端的位移和应力变化研究
　　材料与方法:
　　1)采用已建立的拇外翻足三维有限元截骨模型，模拟模型截骨端周围软组织存在的情况下的工况。截骨端周围软组织（拇展肌、拇趾长短屈肌、拇趾长短伸肌和拇收肌）肌腱材料特性定义为各向同性弹性材料和缆索材料，采用2节点线性单元COMBIN14弹簧阻尼复合单元(spring-damper14)模拟肌腱，阻尼系数设为0。肌肉定义为被动张力非线性超弹性材料。其它设定同前工况。
　　2)模型的约束与加载:模型的约束和加载同前工况。
　　3)有限元模型数据的计算:模拟模型截骨端周围软组织存在的情况下的工况，截骨远端最大位移是0.2647mm，发生在整个截骨面上。截骨断端间最大Von Mises应力为0.468Mpa，应力主要集中在整个截骨面上，并向近端和跖侧集中
　　4)数据采集及对比分析:采集有/无软组织存在的情况下两种工况截骨端的位移和应力变化的有限元计算数值进行对比，观察和研究截骨端软组织对截骨端稳定性的影响。
　　结果：
　　1、建立拇外翻足有限元模型，该模型包含了足部26块骨骼、1对籽骨、胫腓骨，27条韧带，软骨等。骨solid实体单元，韧带为truss单元。关节面接触定义为无摩擦弹性接触。韧带视为不可压缩材料。根据课题的需要将模型进行简化，将除第一跖骨的其他跖骨趾骨融合，第一趾骨之间的关节也进行融合。胫骨腓骨融合。保留舟骨、跟骨、距骨、骰骨、第一跖骨关节。总节点数175711，总单元数412557。
　　2、在建好的拇外翻模型上模拟中西医结合微创治疗拇外翻截骨手法整复术。建成中西医结合微创技术截骨手法整复后拇外翻截骨模型。
　　3、通过有限元截骨模型在有/无软组织存在的情况下截骨端的位移和应力的可靠数据并进行对比分析，发现截骨端在软组织存在的情况下位移和应力变化更利于截骨端的稳定。
　　结论：
　　1、本研究通过建立拇外翻截骨手法整复后的有限元模型，为拇外翻术后截骨端的稳定性的研究提供基础。从分析生物力学机制的角度重点分析第一跖骨近端截骨端的应力环境包括应力大小、方向、位移等因素。拇外翻截骨模型可以作为研究手术方案、指导术后康复、设计术后用鞋等等提供依据。提高对拇外翻的治疗的认识，对改进和完善中西结合治疗拇外翻产生深远的影响。本研究方法也为中医骨伤科现代化的研究开辟新的思路。
　　2、通过加载截骨后拇外翻有限元模型有无软组织工况，有限元计算后发现有软组织情况下截骨端更稳定，从生物力学角度充分说明了“筋束骨”理论指导中西医结合微创技术治疗拇外翻的科学性。拇外翻微创截骨手法治疗拇外翻利用中医骨伤学中“筋束骨，筋骨并重”的传统理论，结合结合足部生理解剖及复杂的生物力学特性，通过中医传统的理筋手法，尽量少的破坏第一跖骨周围的软组织，使之成为促进骨折愈合的有利因素，使“筋束骨”的作用得以发挥，从而进一步促进截骨端骨折的愈合。加深并提高了对中西医结合治疗拇外翻机理的认识，并证实了其科学内涵，对中西医结合治疗拇外翻理论和方法的不断完善的发展产生深远影响。
　　创新点:
　　1、建立拇外翻足截骨手法整复术后的三维有限元模型，为中西医结合微创技术治疗拇外翻手术方法的评价及预后的研究开辟新的思路。
　　2、通过模拟截骨端在有无软组织存在的不同工况，发现截骨端有软组织的工况更易维持稳定，从生物力学机制方面证实了中医骨伤科“筋束骨”理论的科学性。

目录

声明

摘要

英文缩略语表(Abbreviations)

文献综述一 “筋束骨”理论在中西医结合治疗拇外翻中的应用

文献综述二 有限元分析在骨科及足踝外科的应用

前言

第一部分 拇外翻微创截骨手法整复后有限元模型建立

1 拇外翻足有限元模型的建立

1．1 材料与方法

1．2 结果

2 拇外翻足有限元模型的验证

2．1 材料和方法

2．2 结果

3 有限元模型数据与Footscan数据的比较及有限元模型的可靠性验证

3．1 有限元模型数据与Footscan数据的静态测试比较

3．2 结果

4 讨论

4．1 拇外翻足有限元模型的建立

4．2 材料力学参数的选定

4．3 拇外翻有限元模型的验证

4．4 拇外翻有限元模型的应用

5 结论

第二部分 “筋束骨”对拇外翻截骨端稳定性的有限元分析

1 中西医结合微创技术截骨手法整复后模型截骨端在无周围软组织存在的情况下截骨端的位移和应力研究

1．1 材料与方法

2 中西医结合微创技术截骨手法整复后模型截骨端周围软组织存在的情况下截骨端的位移和应力变化研究

2．1 材料与方法

3 结果

数据采集及对比分析

4 讨论

4．1 “筋束骨”理论治疗拇外翻

4．2 影响截骨端稳定的因素

4．3 软组织对截骨端稳定性的影响

4．4 骨折端的稳定性和骨折的愈合

4．5 肌肉的材料参数设定

5 结论

6 创新点

参考文献

致谢