拇外翻微創(chuàng)截骨手法整復(fù)術(shù)后軟組織對截骨端穩(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。故拇外翻是一種進行性發(fā)展的疾病，對于明顯畸形，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。其具有操作簡單、患者痛苦小、合并癥少、療效確定等優(yōu)點。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年獲得國家科技進步二等獎，被科技部推薦參加了德國舉行的“新思維、新發(fā)明、新技術(shù)

4、”國際博覽會，榮獲金獎。中西醫(yī)結(jié)合治療拇外翻被國家中醫(yī)藥管理局列為全國十大優(yōu)秀項目向全國推廣。目前全國已有20多個省、市的醫(yī)院開展此項技術(shù)，已治療3萬多例拇外翻患者，其優(yōu)良率達98.5％。該方法技術(shù)要點為: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導(dǎo)致拇外翻的形成及進一步發(fā)展。近年來很多研究者研究發(fā)現(xiàn)軟組織對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，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)不但對畸形予以糾正，還在手術(shù)的同時進行手法整復(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)位后必須有堅強的內(nèi)固定才能保證截骨端骨折的愈合。人體在負(fù)重時足部負(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行制動，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)字及計算機技術(shù)不斷完善并擁有越來越強大并精細(xì)的建模功能和計算能力。有限元分析可以解決以往不能直接進行力學(xué)測試或由于倫理問題等這些難以解決的問題。三維有限元可以對無論是處于動或靜狀態(tài)、具有不規(guī)則的幾何形狀、受力條件不均、材料參數(shù)不同等等的物體進行模型建造，對需要測量的部分進行計算。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)變的計算問題異常復(fù)雜。但是我們運用三維有限元分析方法，不僅可以得到整個足部三維結(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)力對骨折端的影響。以及各種治療措施對足部影響。通過有限元分析我們對拇外翻及其一系列疾病的研究定會更加精確及深入，也將對臨床的工作產(chǎn)生深遠的意義。
　　目前對拇外翻足有限元模型的研究報導(dǎo)很少，對第1跖骨截骨端穩(wěn)定性及外固定對截骨端的愈合的

10、影響沒有相關(guān)生物力學(xué)的研究。該研究結(jié)果必將提高對拇外翻的治療的認(rèn)識，對改進和完善中西結(jié)合治療拇外翻產(chǎn)生深遠的影響。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)并進行對比，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對患足進行掃描，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，對模型進行構(gòu)造曲片面、構(gòu)造柵格、擬合曲面等處理，最后生成零件實體，然后進行整足的裝配。在ABAQUS中定義材

13、料屬性。骨solid實體單元，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，處在平衡站立時中立位。另以Footscan力板測試技術(shù)，靜態(tài)下測量受試者足部受力情況，通過測試結(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，方向從遠端背側(cè)到近端跖側(cè)。模擬手法復(fù)位的要求，將遠端截骨塊向外側(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，遠端為自由端，斷端間摩擦系數(shù)根據(jù)實際測量設(shè)定。在遠端截骨面的上下、內(nèi)外邊緣四個點分別標(biāo)記作為觀察點。不考慮截骨端周圍軟組織（拇展肌、拇趾長短屈肌、拇趾長短伸肌和拇收肌）的影響。
　　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)的計算:當(dāng)模型截骨端在無周圍軟組織存在的情況下時，截骨遠端最大位移是0.336mm，發(fā)生在整個截骨面上。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、拇趾長短屈肌、拇趾長短伸肌和拇收?。┘‰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，截骨遠端最大位移是0.2647mm，發(fā)生在整個截骨面上。截骨斷端間最大Von Mises應(yīng)力為0.468Mpa，應(yīng)力主要集中在整個截骨面上，并向近端和跖側(cè)集中
　　4)

19、數(shù)據(jù)采集及對比分析: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)力變化的有限元計算數(shù)值進行對比，觀察和研究截骨端軟組織對截骨端穩(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對籽骨、脛腓骨，27條韌帶，軟骨等。骨solid實體單元，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行簡化，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)?？偣?jié)點數(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)并進行對比分析，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)機制的角度重點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)計術(shù)后用鞋等等提供依據(jù)。提高對拇外翻的治療的認(rèn)識，對改進和完善中西結(jié)合治療拇外翻產(chǎn)生深遠的影響。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，使之成為促進骨折愈合的有利因素，使“筋束骨”的作用得以發(fā)揮，從而進一步促進截骨端骨折的愈合。加深并提高了對中西醫(yī)結(jié)合治療拇