基于“裹簾”法外固定拇外翻術(shù)后截骨端穩(wěn)定性的有限元分析.pdf

1、拇外翻是足部常見畸形，發(fā)病率約為10％，主要表現(xiàn)為足部拇囊炎，拇趾跖趾關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)紅腫疼痛、行走困難，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。傳統(tǒng)拇外翻治療術(shù)式存在對(duì)軟組織損傷大，采用內(nèi)固定或石膏支具外固定，費(fèi)用較高，患者痛苦大，恢復(fù)慢，術(shù)后生活不能自理等缺點(diǎn)。
　　中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)治療拇外翻，術(shù)后基于“裹簾”法采用“8”字繃帶和分趾墊外固定，術(shù)后患者即能下地行走，曾受到部分骨科學(xué)者的質(zhì)疑?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)為截骨的愈合需要穩(wěn)定固定，截骨復(fù)位后必須保持穩(wěn)定才能愈

2、合。人體在負(fù)重時(shí)足部負(fù)荷增大，尤其是在第1跖骨處壓力較大。一些骨科醫(yī)生認(rèn)為在此處截骨不做內(nèi)固定，又不制動(dòng)，會(huì)影響截骨端穩(wěn)定，可能會(huì)出現(xiàn)截骨端的延遲愈合，甚至不愈合，但事實(shí)是中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)治療拇外翻方法，通過近30年的臨床應(yīng)用，3萬余例隨訪，并未出現(xiàn)截骨不愈合現(xiàn)象。微創(chuàng)技術(shù)治療拇外翻，基于“裹簾”法采用“8”字繃帶和分趾墊外固定是否可以維持截骨端有效固定？允許患者早期下地行走是否會(huì)影響截骨端愈合？“裹簾”法外固定是否科學(xué)？這些問題亟待

3、我們進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究。
　　目前，對(duì)拇外翻足進(jìn)行有限元分析研究的報(bào)導(dǎo)較少，多數(shù)為靜態(tài)模擬，我們有必要建立足部拇外翻有限元模型，對(duì)中西醫(yī)結(jié)合治療拇外翻相關(guān)生物力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究，使得我們進(jìn)一步了解拇外翻術(shù)后不同狀態(tài)（靜態(tài)和步態(tài)周期中）下的應(yīng)力分布和位移，探討“裹簾”法外固定對(duì)第1跖骨截骨端穩(wěn)定和生物力學(xué)的影響。進(jìn)一步闡明中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)治療拇外翻的生物力學(xué)機(jī)制，為本療法的完善和改進(jìn)提供理論依據(jù)。
　　目的：
　　1.建

4、立和完善拇外翻足有限元模型，模擬微創(chuàng)截骨手法整復(fù)和“裹簾”外固定，建立“裹簾”法外固定的有限元模型。
　　2.探討“裹簾”法外固定在準(zhǔn)靜態(tài)和步態(tài)周期中對(duì)截骨端的位移和應(yīng)力影響。
　　3.觀察拇外翻微創(chuàng)截骨手法整復(fù)“裹簾”法外固定后，不同時(shí)間點(diǎn)影像學(xué)上的截骨端成角和距離的變化。
　　4.分析中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)截骨手法整復(fù)術(shù)后，基于“裹簾”法外固定對(duì)截骨端穩(wěn)定性的影響，提高對(duì)中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)治療拇外翻科學(xué)性的認(rèn)識(shí)，為中西醫(yī)結(jié)

5、合治療拇外翻理論豐富和完善提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　方法：
　　1.建立中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)截骨手法整復(fù)后拇外翻模型
　　1.1 選取青年女性拇外翻志愿者，右足HAV角24°，IM角13°，PASA角7°，DASA角7°，體質(zhì)量58kg，無足部其它畸形及足部手術(shù)史，采用CT對(duì)患足進(jìn)行掃描，層厚1mm，間隔1mm，掃描從足尖至足后跟，獲得足的CT圖像。掃描時(shí)受試者踝關(guān)節(jié)處于中立位，患足非負(fù)重。
　　1.2 利用Mimics10

6、.01導(dǎo)入足部CT圖像，進(jìn)行圖像分割填充，生成3D模型，導(dǎo)入到Geomagic Studio12.0軟件，通過擬合曲面，生成實(shí)體模型，然后進(jìn)行骨骼、韌帶等的裝配，在ABAQUS中定義材料屬性，都設(shè)定為單一各向同性線彈性材料，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成四面體自由網(wǎng)格，將所有骨骼、軟骨、韌帶等裝配起來，在ABAQUS中建立長方體模型，作為地面模型，劃分六面體網(wǎng)格。
　　1.3 模擬拇外翻患者在雙足平衡站立時(shí)雙足受力情況，定義作用載荷跟腱力、足

7、底壓力、足底摩擦力。支撐結(jié)構(gòu)上表面和足底表面定義為接觸關(guān)系，摩擦系數(shù)為0.6，固定平板完全約束，雙足處在平衡站立時(shí)中立位，脛腓骨上端加載。以Foot scan力板測試系統(tǒng)，靜態(tài)下測量受試者足底壓力，通過測試結(jié)果與有限元足底云圖比較，進(jìn)行模型驗(yàn)證。
　　1.4 利用CATIA軟件在拇外翻模型上模擬截骨，削磨掉第1跖骨頭內(nèi)側(cè)骨贅，在第1跖骨頭頸部截骨，水平面與第1跖骨軸線的垂線成20°角，方向從遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)向近端外側(cè)，矢狀面與第1跖骨軸線

8、垂線成15°角，方向從遠(yuǎn)端背側(cè)向近端跖側(cè)，模擬手法復(fù)位，將遠(yuǎn)端截骨塊向外側(cè)推移3mm，通過機(jī)械載荷模擬皮膚，建成中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)截骨手法整復(fù)后拇外翻有限元模型。
　　2.研究中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)截骨手法整復(fù)后，基于“裹簾”法外固定在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的對(duì)截骨端位移和應(yīng)力的影響
　　2.1 采用已建立的拇外翻足三維有限元截骨模型，在ABAQUS軟件中，采用機(jī)械載荷方式，模擬基于“裹簾”法“8”字繃帶及第1、2趾間分趾墊、粘膏外固定系統(tǒng)的

9、工況。外固定繃帶的彈性模量根據(jù)實(shí)測為44.61MPa。分趾墊和“8”字繃帶的外固定力，經(jīng)術(shù)后外固定包扎實(shí)際測得，在分析時(shí)以載荷的方式表示，其它設(shè)定同前工況。
　　2.2 模型的約束與加載:模型的約束和加載同前工況。
　　2.3 有限元模型數(shù)據(jù)的計(jì)算:計(jì)算和分析截骨遠(yuǎn)端截骨面四個(gè)節(jié)點(diǎn)（上、下、內(nèi)、外）的應(yīng)力分布，方向、大小及位移的大小與方向以及截骨面間總應(yīng)力(Miles Stress)和總位移量。
　　2.4 數(shù)據(jù)采集及

10、統(tǒng)計(jì)學(xué)處理:采集在有/無外固定的兩種工況下，截骨端的位移和應(yīng)力變化的有限元計(jì)算數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，觀察和研究截骨端基于“裹簾”法外固定對(duì)截骨端穩(wěn)定性的影響，本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析。
　　3.研究中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)截骨手法整復(fù)后，基于“裹簾”法外固定在步態(tài)周期中對(duì)截骨端位移和應(yīng)力的影響
　　3.1 通過足底壓力測試和同步的三維運(yùn)動(dòng)測試兩種步態(tài)分析技術(shù)，獲取足底反力-時(shí)間曲線和下肢脛骨軸線與地面垂線的角度-

11、時(shí)間曲線，確定足底反力和脛骨角度對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　3.2 模型的約束與加載:選取步態(tài)周期中支撐時(shí)相中兩個(gè)波峰和一個(gè)波谷共三個(gè)特征點(diǎn)，通過對(duì)應(yīng)的脛骨軸線角度、地面垂直反力和足外在肌力進(jìn)行約束和加載。模型中的足外在肌，全部通過機(jī)械載荷的方式模擬，約束脛腓骨的自由度，模擬地面，對(duì)模型進(jìn)行垂直加載。
　　3.3 有限元模型數(shù)據(jù)的計(jì)算:計(jì)算和分析步態(tài)周期中，不同時(shí)刻加載前后四個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和位移的變化，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。
　　4.基

12、于“裹簾”法外固定拇外翻術(shù)后截骨端穩(wěn)定性的影像學(xué)評(píng)價(jià)
　　采用回顧性研究，選取2014年11月-2015年3月在中國中醫(yī)科學(xué)院望京醫(yī)院骨關(guān)節(jié)二科采用微創(chuàng)截骨手法整復(fù)術(shù)治療的拇外翻患者63例（120足），基于“裹簾”法采用“8”字繃帶、分趾墊外固定，術(shù)后即刻、2周、6周、3個(gè)月均行足負(fù)重位X光片檢查，記錄不同時(shí)間點(diǎn)角度位移指標(biāo)（∠α、∠β），位移指標(biāo)（距離M、距離N值），進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，分析不同時(shí)間點(diǎn)角度位移和位移指標(biāo)的差異。

13、>　　結(jié)果：
　　1.建立了拇外翻足三維有限元模型，模型重建了骨骼、軟骨、內(nèi)在肌、皮膚等組織，總節(jié)點(diǎn)209832，總單元數(shù)333776，以Foot scan力板測試系統(tǒng)，靜態(tài)下測量受試者足底壓力，通過測試結(jié)果與有限元足底云圖比較，壓力主要集中在跟骨、第2、3跖骨下，受力區(qū)域大致相同。
　　2.利用ABAQUS軟件的Load模塊采用機(jī)械載荷方式,模擬了基于“裹簾”法“8”字繃帶及第1、2趾間分趾墊、粘膏外固定系統(tǒng)的工況，遠(yuǎn)端截

14、骨面4個(gè)節(jié)點(diǎn)中，無外固定工況最大應(yīng)力0.067 MPa，有外固定工況最大應(yīng)力1.258 MPa，應(yīng)力主要分布在截骨端的外側(cè)邊緣部位。無外固定工況最大絕對(duì)位移0.363mm，有外固定工況最大絕對(duì)位移0.716mm，均在Z軸方向位移最大，經(jīng)單因素方差分析，有/無外固定工況，4個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和絕對(duì)位移存在顯著性差異(P＜0.01)。選取近端、遠(yuǎn)端截骨面4個(gè)節(jié)點(diǎn)相互對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)的2個(gè)節(jié)點(diǎn)的變形距離:無外固定工況最大相對(duì)位移0.101mm，有外固定工況

15、最大相對(duì)位移0.046mm，經(jīng)單因素方差分析，有/無外固定工況4個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＜0.05)。
　　結(jié)論：
　　1.通過CT平掃、逆向工程軟件和有限元分析軟件，成功建立了拇外翻三維有限元模型和中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)治療拇外翻的術(shù)后模型，通過Footscan力板測試對(duì)有限元模型進(jìn)行了可靠性檢驗(yàn)，證實(shí)模型可靠。
　　2.通過準(zhǔn)靜態(tài)有限元分析證實(shí)中西醫(yī)結(jié)合徽創(chuàng)技術(shù)治療拇外翻，基于“裹簾”法采用“8”字繃帶及第1、

16、2趾間分趾墊、粘膏外固定系統(tǒng)外固定，可有效減少截骨端位移，保持截骨端微動(dòng)、應(yīng)力適中，不影響截骨端骨折愈合。
　　3.通過步態(tài)分析技術(shù)，對(duì)步態(tài)周期中支撐期三個(gè)特征時(shí)相進(jìn)行有限元分析，證實(shí)了在步態(tài)周期中“裹簾”法外固定可以維持截骨端相對(duì)穩(wěn)定，應(yīng)力適中，有利于截骨端骨折愈合，是一種安全、有效的外固定方法。
　　4.通過對(duì)拇外翻患者120足術(shù)后不同時(shí)間點(diǎn)的截骨端穩(wěn)定性測量和分析，從臨床實(shí)踐證實(shí)了“裹簾”法外固定，可以有效保持截骨端穩(wěn)

17、定，同時(shí)截骨端存在微動(dòng)，骨折愈合屬于間接愈合，符合“彈性固定”準(zhǔn)則。
　　5.通過有限元分析法對(duì)中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)治療拇外翻生物力學(xué)機(jī)制的有限元分析，提高了對(duì)此方法治療拇外翻機(jī)理和科學(xué)性的認(rèn)識(shí)，為中西醫(yī)結(jié)合治療拇外翻理論豐富和完善，提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　創(chuàng)新點(diǎn)：
　　1.建立了拇外翻足微創(chuàng)截骨手法整復(fù)術(shù)后的三維有限元模型和基于“裹簾”法外固定的有限元模型，為中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)治療拇外翻術(shù)后評(píng)價(jià)及預(yù)后研究開辟了新的思路。