腕部的三維有限元模擬及腕管綜合征的生物力學(xué)研究.pdf

1、腕是將手維持于正常功能位置的重要關(guān)節(jié)，腕部畸形或病變會(huì)影響手部功能的正常發(fā)揮。腕管綜合征是腕部神經(jīng)卡壓綜合征中最常見的一種，最早由James Paget爵士在1865年提出。它是腕部正中神經(jīng)在腕管受到卡壓而引起的一種神經(jīng)病癥。當(dāng)正中神經(jīng)穿過腕管時(shí)，往往會(huì)因?yàn)槭艿娇▔憾鴮?dǎo)致一定程度上的感覺神經(jīng)和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)功能的障礙。其癥狀包括腕部及手掌出現(xiàn)疼痛、麻木或者刺痛感等。在臨床上，當(dāng)保守治療不能取得滿意的療效時(shí)，手外科的醫(yī)生一般采用腕管松解手術(shù)將腕

2、橫韌帶部分或全部切開以釋放正中神經(jīng)所受的壓力。但已有臨床病例和研究表明這種手術(shù)治療方法不可避免地會(huì)帶來一些術(shù)后并發(fā)癥，如腕管釋放不完全、正中神經(jīng)或尺神經(jīng)失用癥以及對(duì)指神經(jīng)或尺動(dòng)脈的損害等等。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)估算，每年腕管綜合征給美國(guó)工業(yè)造成超過20億美元的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。為了降低如此高昂的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)花費(fèi)，腕管綜合征的研究應(yīng)運(yùn)而生，并且在過去的十年里得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 目前與腕管及腕管松解術(shù)相關(guān)的生物力學(xué)研究主要集中在實(shí)驗(yàn)研究方面，如探究腕

3、橫韌帶與腕骨間韌帶對(duì)腕管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響、腕橫韌帶松解術(shù)對(duì)腕管內(nèi)屈肌肌腱運(yùn)動(dòng)的影響、腕橫韌帶與腕管內(nèi)容物之間的相互運(yùn)動(dòng)等。針對(duì)腕管松解術(shù)帶來的術(shù)后并發(fā)癥現(xiàn)象，研究者們也開始考慮采用延長(zhǎng)腕橫韌帶的方法擴(kuò)大腕管的容積，從而降低腕管內(nèi)正中神經(jīng)所受的壓力。這類研究為尋求區(qū)別于常規(guī)的腕管綜合征手術(shù)提供了新的思路，但目前還停留在實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段。 經(jīng)過將近四十年的發(fā)展，有限元方法已經(jīng)成為目前國(guó)際肌骨系統(tǒng)計(jì)算力學(xué)分析的主要手段。但是由于腕部關(guān)節(jié)復(fù)

4、雜，組織眾多，到目前為止考慮腕管軟組織尤其是腕橫韌帶真實(shí)的幾何構(gòu)型和材料力學(xué)特性的腕部整體三維有限元模型還很缺乏，同時(shí)針對(duì)腕管綜合征和腕管松解術(shù)的生物力學(xué)有限元模擬與分析也鮮見報(bào)道?；谝陨显颍疚慕⒘艘粋€(gè)包括腕橫韌帶空間結(jié)構(gòu)的腕部整體三維有限元模型，運(yùn)用該模型分析了腕橫韌帶和腕管結(jié)構(gòu)在力荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，并研究了腕管松解術(shù)對(duì)腕部力學(xué)行為的影響，旨在為腕管綜合征的臨床診斷和治療提供相關(guān)的理論依據(jù)。具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

5、 (1)基于一位男性志愿者的腕部CT圖像，利用三維醫(yī)學(xué)圖像建模軟件對(duì)腕部骨骼進(jìn)行了三維表面模型重建，并利用逆向工程軟件生成相應(yīng)的幾何實(shí)體。再將其導(dǎo)入有限元前處理軟件分別對(duì)腕部各骨骼的骨組織和軟骨組織進(jìn)行單元?jiǎng)澐趾腿S重建；參考解剖學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)腕橫韌帶和其他韌帶分別進(jìn)行三維重建和單元模擬；并對(duì)各類型組織進(jìn)行單元屬性和材料性質(zhì)的定義；整合得到腕部整體三維有限元模型。通過與實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)照，驗(yàn)證了該模型的合理性； (2)利用腕部三維有限元

6、模型中的腕管模型計(jì)算并分析了掌向拉伸力作用下腕橫韌帶的延展性能以及腕管特征截面面積的變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著載荷的增大，腕橫韌帶的橈度、應(yīng)力與應(yīng)變值以及腕管截面面積都呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是腕橫韌帶本身的延展性能較差。由于目前尚缺乏對(duì)于腕橫韌帶材料性質(zhì)較為準(zhǔn)確的描述，本文還討論了腕橫韌帶材料屬性的不同參數(shù)對(duì)其變形能力以及對(duì)腕管特征截面面積變化的影響，發(fā)現(xiàn)腕橫韌帶和腕管截面面積的變形能力隨著彈性模量和泊松比的增加分別出現(xiàn)不同趨勢(shì)的降低。這些數(shù)據(jù)對(duì)

7、相關(guān)的腕管拉伸荷載實(shí)驗(yàn)提供了可靠的理論依據(jù)； (3)利用腕部整體三維有限元模型計(jì)算并分析了掌骨受軸向壓力作用下腕部載荷傳遞與關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力的分布情況，并通過計(jì)算分析了腕橫韌帶的切除對(duì)腕骨以及腕管結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力分布的影響，發(fā)現(xiàn)腕管松解術(shù)不僅使舟骨發(fā)生向橈側(cè)和掌側(cè)的偏移，以及相對(duì)于橈腕關(guān)節(jié)產(chǎn)生屈曲和向橈側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)，還使得整個(gè)腕管結(jié)構(gòu)近似于以頭狀骨-月骨為軸產(chǎn)生橈側(cè)偏移。腕橫韌帶的切除對(duì)腕中關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布產(chǎn)生了與腕管結(jié)構(gòu)位移變化相一致的影

8、響。由于月骨和頭狀骨的軸向位移在切除腕橫韌帶前后變化很小，因此月骨-頭狀骨關(guān)節(jié)的接觸應(yīng)力相應(yīng)也幾乎沒有變化。由于舟骨向橈側(cè)移動(dòng)、側(cè)偏并同時(shí)產(chǎn)生屈曲，使得舟骨-大多角骨-小多角骨關(guān)節(jié)的接觸應(yīng)力相應(yīng)減少，同時(shí)舟骨向腕背側(cè)的運(yùn)動(dòng)也使得舟骨-頭狀骨關(guān)節(jié)的最大應(yīng)力點(diǎn)向背側(cè)遷移。由于鉤骨軸向位移減少的趨勢(shì)大于三角骨軸向位移減少的趨勢(shì)，從而加劇鉤骨和三角骨之間的擠壓，使三角骨-鉤骨關(guān)節(jié)的最大接觸應(yīng)力值明顯增大。 綜上所述，本文在對(duì)腕部結(jié)構(gòu)進(jìn)行

9、模擬時(shí)將腕橫韌帶納入三維實(shí)體組成部分的構(gòu)建，從而首次建立了包括腕管三維管狀結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)端橈尺關(guān)節(jié)以及近端腕掌關(guān)節(jié)在內(nèi)的腕部整體三維有限元模型。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相印證，證實(shí)了該模型的合理性與可行性，并通過分析拉伸載荷作用對(duì)腕橫韌帶和腕管變形能力的影響，以及腕管松解術(shù)對(duì)腕部運(yùn)動(dòng)和生物力學(xué)行為的影響，為個(gè)體化人腕關(guān)節(jié)的三維建模和在體生物力學(xué)研究提供了可操作的平臺(tái)和方法學(xué)的參考，也為進(jìn)一步深入了解腕部各組織結(jié)構(gòu)在力荷載作用下的生物力學(xué)行為和功能效應(yīng)，