拇外翻微創(chuàng)截骨手法整復(fù)術(shù)后軟組織對(duì)截骨端穩(wěn)定性的有限元分析.pdf

1、背景：
　　拇外翻是足部畸形的常見疾病之一，具體是指拇趾向外偏離了中線，向外傾斜的角度大于正常生理角度15°，還常伴有拇趾縱軸上向外的旋轉(zhuǎn)畸形。拇外翻畸形一旦形成后，通過保守的方法僅能緩解暫時(shí)的疼痛。隨著病情的發(fā)展第一跖趾關(guān)節(jié)半脫位并且內(nèi)側(cè)骨性凸起會(huì)不斷增大，影響日常的穿鞋及行走，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。伴隨拇外翻病程的發(fā)展，患者還常常伴有其余足趾的畸形及前足痛等癥狀。故拇外翻是一種進(jìn)行性發(fā)展的疾病，對(duì)于明顯畸形，疼痛的患者應(yīng)盡早

2、采用手術(shù)治療，防止延誤病情，加重畸形。
　　拇外翻的病因尚不明確，多種原因都會(huì)導(dǎo)致拇外翻的形成及發(fā)展，但就其發(fā)病過程及病理上的改變方面看卻大致相同，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)為包含遺傳因素、鞋襪因素以及骨性結(jié)構(gòu)及周圍軟組織的改變等等。中醫(yī)學(xué)認(rèn)為其主要病因包括:外因的濕邪侵襲及外傷、慢性勞損、先天不足、后天失養(yǎng)，但以上這些原因最終都會(huì)使肝血不榮，筋脈失養(yǎng)從而引起“骨離縫、筋出槽”。通過了解拇外翻的病理、生物力學(xué)的改變，從而應(yīng)用“筋束骨”理論治療拇外

3、翻。
　　導(dǎo)師溫建民教授經(jīng)過10幾年的探索，運(yùn)用第一跖骨頭頸斜行二維截骨、并將中醫(yī)正骨手法、中醫(yī)中藥、“筋束骨”理論、“裹簾”（“8”字繃帶外固定）方法與微創(chuàng)技術(shù)結(jié)合，創(chuàng)立了中西醫(yī)結(jié)合治療微創(chuàng)治療拇外翻及小趾內(nèi)翻、跖痛癥等相關(guān)畸形的新方法。其具有操作簡(jiǎn)單、患者痛苦小、合并癥少、療效確定等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過不斷完善、創(chuàng)新與發(fā)展，已經(jīng)形成了規(guī)范化的診療體系。2002年獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，被科技部推薦參加了德國(guó)舉行的“新思維、新發(fā)明、新技術(shù)

4、”國(guó)際博覽會(huì)，榮獲金獎(jiǎng)。中西醫(yī)結(jié)合治療拇外翻被國(guó)家中醫(yī)藥管理局列為全國(guó)十大優(yōu)秀項(xiàng)目向全國(guó)推廣。目前全國(guó)已有20多個(gè)省、市的醫(yī)院開展此項(xiàng)技術(shù)，已治療3萬多例拇外翻患者，其優(yōu)良率達(dá)98.5％。該方法技術(shù)要點(diǎn)為:①微創(chuàng)技術(shù)在中醫(yī)足踝外科的應(yīng)用;②采用第1跖骨頭頸斜行截骨矯正畸形;③中醫(yī)正骨手法糾正畸形及關(guān)節(jié)脫位;④依據(jù)小夾板紙夾墊原理及“筋束骨”理論，采用“裹簾”（“8”字繃帶外固定）方法固定截骨端。摒棄傳統(tǒng)的鋼板螺釘內(nèi)固定和石膏外固定方法，

5、術(shù)后患者即能下地行走。
　　足部肌肉等軟組織的肌力失衡會(huì)導(dǎo)致拇外翻的形成及進(jìn)一步發(fā)展。近年來很多研究者研究發(fā)現(xiàn)軟組織對(duì)拇外翻形成的重要性:若外翻肌肌力大于內(nèi)翻肌肌力并且脛后肌腱失效，可以誘發(fā)拇外翻的發(fā)生。很多患者并不是單純的拇外翻或拇囊炎，其第一跖趾關(guān)節(jié)半脫位常常伴有第一跖骨骨性關(guān)節(jié)炎，足橫弓及縱弓塌陷，第一跖骨籽骨系統(tǒng)脫位、第二趾半脫位、錘狀趾，小趾內(nèi)翻等等，同時(shí)，第一跖列周圍肌肉如拇展肌、拇短屈肌移位、拇收肌及外側(cè)關(guān)節(jié)囊緊張等

6、軟組織的改變。所以我們認(rèn)為拇外翻在發(fā)展的過程中會(huì)逐漸使全足的生物力學(xué)發(fā)生不可逆的改變，以致足部功能紊亂功能異常，同時(shí)給患者帶來越來越大的痛苦。
　　中西醫(yī)結(jié)合拇外翻截骨手法整復(fù)術(shù)不但對(duì)畸形予以糾正，還在手術(shù)的同時(shí)進(jìn)行手法整復(fù)，恢復(fù)前足的正常生物力學(xué)環(huán)境。微創(chuàng)截骨手法一經(jīng)提出，就受到了部分骨科學(xué)者的質(zhì)疑。特別是AO學(xué)派認(rèn)為截骨的愈合需要穩(wěn)定，截骨復(fù)位后必須有堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定才能保證截骨端骨折的愈合。人體在負(fù)重時(shí)足部負(fù)荷增大，尤其是在第1

7、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，又不做石膏等外固定進(jìn)行制動(dòng)，截骨端額穩(wěn)定得不到良好的保證，出現(xiàn)截骨端延遲愈合或不愈合的可能性大大增加。但事實(shí)是中西醫(yī)結(jié)合治療拇外翻方法，通過十多年的臨床應(yīng)用，已治療3萬多例拇外翻患者，并未出現(xiàn)截骨不愈合現(xiàn)象，而且術(shù)后發(fā)生轉(zhuǎn)移性跖骨痛的患者也少。截骨后根據(jù)小夾板紙壓墊原理和“筋束骨”理論而采用“裹簾”（“8”字繃帶外固定）方法是否穩(wěn)定？允許患者早期下地行走是否影響截骨端愈合？這些問題尚

8、需做深入的研究。
　　有限元分析的方法隨著日漸發(fā)展的數(shù)字及計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷完善并擁有越來越強(qiáng)大并精細(xì)的建模功能和計(jì)算能力。有限元分析可以解決以往不能直接進(jìn)行力學(xué)測(cè)試或由于倫理問題等這些難以解決的問題。三維有限元可以對(duì)無論是處于動(dòng)或靜狀態(tài)、具有不規(guī)則的幾何形狀、受力條件不均、材料參數(shù)不同等等的物體進(jìn)行模型建造，對(duì)需要測(cè)量的部分進(jìn)行計(jì)算。足部是人體非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一，包括26塊骨骼，并與脛腓骨形成踝關(guān)節(jié)，足部包括的韌帶、筋膜、肌肉也同樣

9、數(shù)量多且功能各異。因此足部各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變的計(jì)算問題異常復(fù)雜。但是我們運(yùn)用三維有限元分析方法，不僅可以得到整個(gè)足部三維結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，還可重復(fù)性地研究接觸應(yīng)力，從而顯示關(guān)節(jié)面的應(yīng)力分布情況，了解應(yīng)力對(duì)骨折端的影響。以及各種治療措施對(duì)足部影響。通過有限元分析我們對(duì)拇外翻及其一系列疾病的研究定會(huì)更加精確及深入，也將對(duì)臨床的工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義。
　　目前對(duì)拇外翻足有限元模型的研究報(bào)導(dǎo)很少，對(duì)第1跖骨截骨端穩(wěn)定性及外固定對(duì)截骨端的愈合的

10、影響沒有相關(guān)生物力學(xué)的研究。該研究結(jié)果必將提高對(duì)拇外翻的治療的認(rèn)識(shí)，對(duì)改進(jìn)和完善中西結(jié)合治療拇外翻產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本研究方法也為中醫(yī)骨傷科現(xiàn)代化的研究尋求新思路及科學(xué)的指導(dǎo)。
　　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擬中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)截骨手法整復(fù)術(shù)，建立中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)截骨手法整復(fù)后三維有限元模型。探討數(shù)字仿真醫(yī)學(xué)建模的方法及意義;
　　2.獲取有限元截骨模型在有/無軟組織存在的情況下截骨端的

11、位移和應(yīng)力的可靠數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比，研究和觀察截骨端在軟組織存在的情況下位移和應(yīng)力變化。為“筋束骨”治療拇外翻尋求科學(xué)依據(jù)。
　　方法:
　　1.中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)截骨手法整復(fù)后拇外翻截骨模型的建立
　　材料與方法:
　　1)選取青年女性拇外翻志愿者，HAV角24°，IM角13°，PASA角7°、DASA角7°，體質(zhì)量58kg，無其他系統(tǒng)疾病及其他足病。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

12、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。
　　2)利用Mimics10.0處理足部CT圖像，辨別軟組織、骨皮質(zhì)、髓腔的界限，獲得骨骼邊緣輪廓曲線的矢量數(shù)據(jù)，模型中僅考慮骨骼、軟骨、肌腱、足內(nèi)在肌四種組織材料。通過閾值分割后重建足踝部的28塊骨骼及外圍軟組織的三維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入到Geomagic Studio12軟件，對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)造曲片面、構(gòu)造柵格、擬合曲面等處理，最后生成零件實(shí)體，然后進(jìn)行整足的裝配。在ABAQUS中定義材

13、料屬性。骨solid實(shí)體單元，韌帶視為不可壓縮材料，為truss單元，都設(shè)定為單一各向同性線彈性材料。劃分網(wǎng)格，控制全局種子大小在1.5-3左右，生成四面體自由網(wǎng)格?？偣?jié)點(diǎn)數(shù)175711總單元數(shù)412557。將所有骨骼軟骨韌帶裝配起來。在ABAQUS中建立長(zhǎng)方體模型，作為地面模型。劃分六面體網(wǎng)格。3
　　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

14、，摩擦系數(shù)為0.6。根據(jù)載荷和地面反作用力等效互換原理，壓力中心處施加集中向上通過支撐結(jié)構(gòu)面的力，踝關(guān)節(jié)表面完全約束，處在平衡站立時(shí)中立位。另以Footscan力板測(cè)試技術(shù)，靜態(tài)下測(cè)量受試者足部受力情況，通過測(cè)試結(jié)果與有限元足底云圖比較壓力均集中在跟骨、第2、3跖骨，受力區(qū)域大致一致。
　　4)利用CATIA軟件在建好的拇外翻模型上模擬第1跖骨頭頸部截骨。首先，削磨掉第1跖骨頭內(nèi)側(cè)骨贅，而后在第1跖骨頭頸部截骨，截骨線在水平面與第

15、1跖骨軸線成70°角，方向從遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)到近端外側(cè);在矢狀面與第1跖骨軸線成75°角，方向從遠(yuǎn)端背側(cè)到近端跖側(cè)。模擬手法復(fù)位的要求，將遠(yuǎn)端截骨塊向外側(cè)推移越3mm，建成中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)截骨手法整復(fù)后拇外翻截骨模型。
　　2.中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)截骨手法整復(fù)后模型截骨端在無周圍軟組織存在的情況下截骨端的位移和應(yīng)力研究
　　材料與方法:
　　1)采用已建立的拇外翻足三維有限元截骨模型，模擬模型截骨端在無周圍軟組織存在的情況下的

16、工況。將跖骨截骨近端設(shè)為固定端，遠(yuǎn)端為自由端，斷端間摩擦系數(shù)根據(jù)實(shí)際測(cè)量設(shè)定。在遠(yuǎn)端截骨面的上下、內(nèi)外邊緣四個(gè)點(diǎn)分別標(biāo)記作為觀察點(diǎn)。不考慮截骨端周圍軟組織（拇展肌、拇趾長(zhǎng)短屈肌、拇趾長(zhǎng)短伸肌和拇收?。┑挠绊?。
　　2)模型的約束與加載:模型的約束和加載同前工況。
　　3)有限元模型數(shù)據(jù)的計(jì)算:當(dāng)模型截骨端在無周圍軟組織存在的情況下時(shí)，截骨遠(yuǎn)端最大位移是0.336mm，發(fā)生在整個(gè)截骨面上。截骨斷端間最大Von Mises應(yīng)力為

17、0.296Mpa，應(yīng)力主要集中在截骨背側(cè)遠(yuǎn)端，并向近端逐漸減小。
　　3中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)截骨手法整復(fù)后模型截骨端周圍軟組織存在的情況下截骨端的位移和應(yīng)力變化研究
　　材料與方法:
　　1)采用已建立的拇外翻足三維有限元截骨模型，模擬模型截骨端周圍軟組織存在的情況下的工況。截骨端周圍軟組織（拇展肌、拇趾長(zhǎng)短屈肌、拇趾長(zhǎng)短伸肌和拇收?。┘‰觳牧咸匦远x為各向同性彈性材料和纜索材料，采用2節(jié)點(diǎn)線性單元COMBIN14彈簧阻

18、尼復(fù)合單元(spring-damper14)模擬肌腱，阻尼系數(shù)設(shè)為0。肌肉定義為被動(dòng)張力非線性超彈性材料。其它設(shè)定同前工況。
　　2)模型的約束與加載:模型的約束和加載同前工況。
　　3)有限元模型數(shù)據(jù)的計(jì)算:模擬模型截骨端周圍軟組織存在的情況下的工況，截骨遠(yuǎn)端最大位移是0.2647mm，發(fā)生在整個(gè)截骨面上。截骨斷端間最大Von Mises應(yīng)力為0.468Mpa，應(yīng)力主要集中在整個(gè)截骨面上，并向近端和跖側(cè)集中
　　4)

19、數(shù)據(jù)采集及對(duì)比分析:采集有/無軟組織存在的情況下兩種工況截骨端的位移和應(yīng)力變化的有限元計(jì)算數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，觀察和研究截骨端軟組織對(duì)截骨端穩(wěn)定性的影響。
　　結(jié)果：
　　1、建立拇外翻足有限元模型，該模型包含了足部26塊骨骼、1對(duì)籽骨、脛腓骨，27條韌帶，軟骨等。骨solid實(shí)體單元，韌帶為truss單元。關(guān)節(jié)面接觸定義為無摩擦彈性接觸。韌帶視為不可壓縮材料。根據(jù)課題的需要將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將除第一跖骨的其他跖骨趾骨融合，第一趾骨

20、之間的關(guān)節(jié)也進(jìn)行融合。脛骨腓骨融合。保留舟骨、跟骨、距骨、骰骨、第一跖骨關(guān)節(jié)。總節(jié)點(diǎn)數(shù)175711，總單元數(shù)412557。
　　2、在建好的拇外翻模型上模擬中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)治療拇外翻截骨手法整復(fù)術(shù)。建成中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)截骨手法整復(fù)后拇外翻截骨模型。
　　3、通過有限元截骨模型在有/無軟組織存在的情況下截骨端的位移和應(yīng)力的可靠數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)截骨端在軟組織存在的情況下位移和應(yīng)力變化更利于截骨端的穩(wěn)定。
　　結(jié)論：

21、
　　1、本研究通過建立拇外翻截骨手法整復(fù)后的有限元模型，為拇外翻術(shù)后截骨端的穩(wěn)定性的研究提供基礎(chǔ)。從分析生物力學(xué)機(jī)制的角度重點(diǎn)分析第一跖骨近端截骨端的應(yīng)力環(huán)境包括應(yīng)力大小、方向、位移等因素。拇外翻截骨模型可以作為研究手術(shù)方案、指導(dǎo)術(shù)后康復(fù)、設(shè)計(jì)術(shù)后用鞋等等提供依據(jù)。提高對(duì)拇外翻的治療的認(rèn)識(shí)，對(duì)改進(jìn)和完善中西結(jié)合治療拇外翻產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本研究方法也為中醫(yī)骨傷科現(xiàn)代化的研究開辟新的思路。
　　2、通過加載截骨后拇外翻有限元模

22、型有無軟組織工況，有限元計(jì)算后發(fā)現(xiàn)有軟組織情況下截骨端更穩(wěn)定，從生物力學(xué)角度充分說明了“筋束骨”理論指導(dǎo)中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)治療拇外翻的科學(xué)性。拇外翻微創(chuàng)截骨手法治療拇外翻利用中醫(yī)骨傷學(xué)中“筋束骨，筋骨并重”的傳統(tǒng)理論，結(jié)合結(jié)合足部生理解剖及復(fù)雜的生物力學(xué)特性，通過中醫(yī)傳統(tǒng)的理筋手法，盡量少的破壞第一跖骨周圍的軟組織，使之成為促進(jìn)骨折愈合的有利因素，使“筋束骨”的作用得以發(fā)揮，從而進(jìn)一步促進(jìn)截骨端骨折的愈合。加深并提高了對(duì)中西醫(yī)結(jié)合治療拇