人體足橫弓靜力性內(nèi)在維持結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)研究.pdf

1、目的：使用正常成人新鮮尸體足標(biāo)本，靜態(tài)下通過(guò)生物力學(xué)加載機(jī)對(duì)正常及韌帶或骨骼損傷后的足標(biāo)本進(jìn)行不同載荷的加載，利用數(shù)字散斑相關(guān)法、電阻應(yīng)變片法及足底壓力測(cè)試系統(tǒng)，來(lái)測(cè)量人體足橫弓主要骨結(jié)構(gòu)的位移變化、主要骨結(jié)構(gòu)的表面應(yīng)力變化和足底壓力分布變化。同時(shí)，圍繞正常人體足部主要骨、韌帶結(jié)構(gòu)建立正常人體足橫弓三維有限元模型，對(duì)模型模擬實(shí)驗(yàn)操作，分析有限元模型正常和韌帶、骨骼損傷后足橫弓主要骨結(jié)構(gòu)的形態(tài)和應(yīng)力變化。從尸體標(biāo)本和有限元模型兩方面，了解

2、足橫弓靜力性內(nèi)在維持結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)響應(yīng)，建立合理的足部生物力學(xué)模型，為足橫弓生物力學(xué)的研究提供平臺(tái)，為足橫弓塌陷的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行初步探討，并為治療方案的選擇提供理論依據(jù)。
　　 材料和方法：1、6例正常成人新鮮尸體足標(biāo)本（包括脛腓骨下1/3），去除踝關(guān)節(jié)以上的軟組織。解剖顯露連接內(nèi)側(cè)楔骨與第二跖骨基底部的背側(cè)韌帶、骨間韌帶及跖側(cè)韌帶、足舟骨、內(nèi)側(cè)楔骨、中間楔骨、外側(cè)楔骨、骰骨及5根跖骨，標(biāo)記足橫弓的主要骨結(jié)構(gòu)。具體分為8種工況：①

3、完整狀態(tài)；②切斷連接內(nèi)側(cè)楔骨與第二跖骨基底部的背側(cè)韌帶；⑨切斷連接內(nèi)側(cè)楔骨與第二跖骨基底部的骨間韌帶；④切斷連接內(nèi)側(cè)楔骨與第二跖骨基底部的跖側(cè)韌帶：⑤一枚螺釘從內(nèi)側(cè)楔骨擰入第二跖骨基底對(duì)韌帶損傷修復(fù)固定；⑥第二趾截除（保留跖趾關(guān)節(jié)）；⑦第二跖骨骨折（遠(yuǎn)1/3處）；⑧帶部分跖骨的第二趾截除（遠(yuǎn)1/3處）。通過(guò)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)從0N逐級(jí)加載到1200N(間隔為200N)，由兩個(gè)電荷耦合圖像傳感器CCD(Charge Coupled Devic

4、e)，采集各個(gè)工況下標(biāo)本的灰度圖像，利用數(shù)字散斑相關(guān)分析計(jì)算各個(gè)工況足橫弓整體剛度變化及主要骨性結(jié)構(gòu)的同步位移變化，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。2、通過(guò)靜態(tài)電阻應(yīng)變測(cè)試儀和微型箔式電阻應(yīng)變片，在上述各工況下，同步測(cè)量足橫弓主要骨性結(jié)構(gòu)（足舟骨、內(nèi)側(cè)楔骨、中間楔骨、外側(cè)楔骨、骰骨、第1～5跖骨）的表面應(yīng)力和應(yīng)變，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。3、利用TekScan便攜足底壓力測(cè)量系統(tǒng)及鞋墊式傳感器，在上述工況下，同步采集足底壓力分布圖，分析前足5個(gè)跖骨頭及踇趾

5、下的峰值壓力，了解韌帶、骨骼損傷對(duì)足底壓力分布的影響。4、選取一側(cè)正常新鮮尸體足標(biāo)本進(jìn)行CT掃描，采集圖片，在Dell prestionTM650工作站，利用同濟(jì)大學(xué)自行開發(fā)的圖像提取工具jpeg-Test final和建模前處理軟件包、繪圖軟件Qcad、圖像處理軟件Gimp、有限元分析軟件Ansys和Abaqus，建立包括脛腓骨下端的足部三維有限元模型。模型包括骨骼、關(guān)節(jié)、韌帶和足底軟組織成分。對(duì)模型施與適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和約束，模擬上述

6、實(shí)驗(yàn)操作，分析模型在不同載荷下足部骨骼結(jié)構(gòu)的位移及最大von mise應(yīng)力分布。并同標(biāo)本生物力學(xué)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。
　　 結(jié)果：1、采集6個(gè)標(biāo)本、10塊骨骼、8種工況、7個(gè)加載階段的實(shí)時(shí)位移灰度圖像。完整狀態(tài)（工況1）下，隨載荷的增加，足橫弓的高度逐級(jí)下降，前足逐漸變寬。在最大載荷1200N時(shí)，縱向位移舟骨下降最大，為5.18±0.38mm，第五跖骨下降最小，僅為1.57±0.13mm;前足的橫向位移第一跖骨表現(xiàn)為內(nèi)收，其余跖骨

7、為外展，第五跖骨最大，為2.84±0.25mm；第二跖骨最小，為1.79±0.28mm。背側(cè)韌帶切斷（工況2）后，足橫弓在縱向和橫向上的位移均有所增加，但與完整狀態(tài)相比各骨性結(jié)構(gòu)的位移變化均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＞0.05)。骨間韌帶切斷（工況3）后，足橫弓在縱向和橫向上的位移均有所增加，與工況2相比，縱向位移均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＞0.05)；5個(gè)跖骨頭及第一、二跖骨基底部的橫向位移均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)。跖側(cè)韌帶切斷(工況4)后，足橫

8、弓在縱向和橫向上的位移均繼續(xù)增加，但不顯著。重建（工況5）后，足橫弓的高度顯著回升，各骨性結(jié)構(gòu)的縱向和橫向位移顯著減小。第二趾截除(工況6)后，足橫弓各骨性結(jié)構(gòu)的縱向、橫向位移都有增加。但同工況5相比，各骨性結(jié)構(gòu)的位移下降都沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＞0.05)。第二跖骨骨折（工況7）后，足橫弓整體呈下降顯著趨勢(shì)，縱向位移顯著增加，同工況6相比，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)；橫向位移繼續(xù)增加，但無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＞0.05)。帶部分跖骨的第二趾截

9、除(工況8)后，足橫弓整體繼續(xù)顯著下降，各骨性結(jié)構(gòu)的縱向、橫向位移顯著增加，同工況7相比，各骨性結(jié)構(gòu)的位移變化有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)。2、采集6個(gè)標(biāo)本、12個(gè)測(cè)點(diǎn)、8種工況、7個(gè)加載階段的骨表面應(yīng)變值。隨載荷的增加，應(yīng)變呈逐級(jí)增大趨勢(shì)；同一載荷下，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值有顯著性差異(p＜0.05)。在所有工況下，足橫弓主要骨性結(jié)構(gòu)多數(shù)測(cè)點(diǎn)為負(fù)值，即表現(xiàn)為壓應(yīng)力。完整狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)中以第二跖骨中部的應(yīng)變值最大，為-738.45±71.87με

10、:第五跖骨測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變最小，為-59.94±5.81με。工況2與工況1相比各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值均有所增大，但無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＞0.05)。工況3與工況2相比各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值繼續(xù)增大，中間楔骨、內(nèi)側(cè)楔骨、第一跖骨、第二跖骨頸部、中部、基底部和第三跖骨測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)。工況4與工況3相比各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值均有所增大，但無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＞0.05)。工況5與工況4相比各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值呈減小趨勢(shì)，中間楔骨、內(nèi)側(cè)楔骨、第一跖骨、第二跖

11、骨頸部、中部、基底部、第三跖骨和內(nèi)側(cè)楔骨測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)。工況6與工況5相比各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值呈增大趨勢(shì)，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值變化均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＞0.05)。工況7與工況6相比各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值除第二跖骨中部、基底部及中問(wèn)楔骨顯著減小外，其余均顯著增大，均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)。工況8與工況7相比各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值除中間楔骨顯著變小，第二跖骨中部和基底部顯著減小并變?yōu)槔瓚?yīng)力外，其余均顯著增大，均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.0

12、5)。3、采集6個(gè)標(biāo)本、8種工況、7個(gè)加載階段的前足5個(gè)測(cè)點(diǎn)的足底峰值壓力值。隨載荷的增加，足底各測(cè)點(diǎn)的峰值壓力呈增大趨勢(shì)；同一載荷下，各測(cè)點(diǎn)的峰值壓力有顯著性差異(p＜0.05)。完整狀態(tài)下，各測(cè)點(diǎn)峰值壓力最小。工況2與工況1相比各測(cè)點(diǎn)的峰值壓力均有所增大，但無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＞0.05)。工況3與工況2相比各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值繼續(xù)增大，第一、二跖骨頭下的峰值壓力均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)。工況4與工況3相比各測(cè)點(diǎn)的峰值壓力均有所增大，但

13、無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＞0.05)。工況5與工況4相比各測(cè)點(diǎn)的峰值壓力呈減小趨勢(shì)，第一、二跖骨頭下的峰值壓力有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)。工況6與工況5相比各測(cè)點(diǎn)的峰值壓力呈增大趨勢(shì)，各測(cè)點(diǎn)的足底峰值壓力均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＞0.05)。工況7與工況6相比各測(cè)點(diǎn)的峰值壓力除第二跖骨顯著減小外，其余均顯著增大，均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)。工況8與工況7相比各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值除第二跖骨顯著減小外，其余均顯著增大，均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)。4、

14、建立了正常人體左足三維有限元模型（包括脛腓骨下端）。包含23塊骨骼。利用桿單元模擬足部骨骼間的關(guān)節(jié)。利用NURBS曲面，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成殼單元模擬足底，利用索單元模擬韌帶。最終建立包括骨骼、關(guān)節(jié)軟骨、韌帶、足底軟組織的足部三維有限元模型，對(duì)模型分析顯示：1200N載荷下，正常足橫弓各骨性橫弓均有不同程度的下降，應(yīng)力分布也有明顯差異。同標(biāo)本生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)比較，也有類似的變化趨勢(shì)。
　　 結(jié)論：
　　 1、數(shù)字散斑相關(guān)法、電

15、阻應(yīng)變片法和足底壓力分析系統(tǒng)緊密結(jié)合，用于足橫弓靜力性內(nèi)在維持結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)研究，可獲得較為全面的力學(xué)信息和數(shù)據(jù)，對(duì)足踝部生物力學(xué)研究的深入和細(xì)化有重要意義。
　　 2、足橫弓靜態(tài)下的主要維持因素為骨骼和韌帶。完整狀態(tài)下，足橫弓的位移、骨表面的應(yīng)變及足底壓力隨載荷增加呈逐級(jí)增大。就位移而言，表現(xiàn)為足橫弓高度的下降和前足的增寬（第一跖骨的內(nèi)收和其余跖骨的外展）；就應(yīng)變而言，其中第二跖骨最大，可見第二跖骨為應(yīng)力性骨折的好發(fā)部位；就足

16、底壓力而言，第二跖骨頭下壓力最大，從而不支持三點(diǎn)負(fù)重理論。
　　 3、隨韌帶的切斷，足橫弓高度持續(xù)下降，前足橫弓表現(xiàn)為第一跖骨的內(nèi)收和其余跖骨的外展增加，內(nèi)側(cè)楔骨和第二跖骨基底的間距變寬，與跖跗關(guān)節(jié)損傷后的應(yīng)力位攝片相吻合；骨表面的應(yīng)變也呈增大趨勢(shì)，且應(yīng)變的變化比位移更為靈敏。足底壓力持續(xù)增大，尤其是第一二跖骨頭。Lisfranc韌帶對(duì)足橫弓的維持至關(guān)重要。
　　 4、重建后足橫弓高度明顯恢復(fù)；足底的峰值壓力相應(yīng)減小。骨

17、表面的應(yīng)變減小，特別是內(nèi)側(cè)楔骨，可能是因?yàn)槁葆敺謸?dān)較大的應(yīng)力，因此提示跖跗關(guān)節(jié)損傷修復(fù)的患者在完全負(fù)重前應(yīng)取出螺釘，以免應(yīng)力集中，螺釘斷裂。
　　 5、隨骨性結(jié)構(gòu)的破壞，足橫弓高度顯著下降，同時(shí)伴有前足增寬。骨表面應(yīng)變顯著增加，以第一、三跖骨最為顯著。足底壓力的最高值向外移至第三、四跖骨頭。第二跖骨骨折和帶部分跖骨的第二趾切除對(duì)足橫弓的高度、骨表面應(yīng)變及足底壓力影響明顯。對(duì)于跖骨骨折臨床上應(yīng)及時(shí)修復(fù)，而對(duì)于第二趾的截除，應(yīng)盡量保