踝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立及三角韌帶損傷和重建的踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)有限元分析.pdf

1、踝關(guān)節(jié)韌帶損傷是最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)性損傷，其數(shù)量約占整個(gè)運(yùn)動(dòng)損傷的25％，其中內(nèi)翻扭傷導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)外側(cè)副韌帶(Lateral CollateralAnkle Ligament)的損傷又約占踝關(guān)節(jié)韌帶損傷的85％。踝關(guān)節(jié)外側(cè)副韌帶是維持踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的重要結(jié)構(gòu)，尤以距腓前韌帶(AnteriorTalofibular Ligament，ATFL)及跟腓韌帶(Calcaneofibular Ligament，CFL)起主要穩(wěn)定作用，其損傷可導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)外側(cè)

2、不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響踝關(guān)節(jié)功能。同時(shí)CFL對(duì)距下關(guān)節(jié)也起到穩(wěn)定作用，其損傷也會(huì)影響距下關(guān)節(jié)的功能。距下關(guān)節(jié)參與了踝關(guān)節(jié)多種運(yùn)動(dòng)的組成，如果距下關(guān)節(jié)受到損傷或不穩(wěn)，也會(huì)影響踝關(guān)節(jié)的功能。
　　 相對(duì)容易損傷的外側(cè)韌帶，單獨(dú)的踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)韌帶損傷是不常見(jiàn)的，大部分三角韌帶損傷或者合并了外踝骨折，或者合并了韌帶聯(lián)合損傷。國(guó)外學(xué)者Brostrom收集了281例急性踝關(guān)節(jié)扭傷的病例，內(nèi)側(cè)韌帶扭傷僅僅只有3％。幾乎所有的內(nèi)側(cè)韌帶損傷病例都是部分韌

3、帶撕脫。國(guó)外學(xué)者Harper回顧了42例三角韌帶完全斷裂傷患者，都無(wú)一例外地合并了其他損傷。然而，強(qiáng)烈的外翻暴力仍然可以導(dǎo)致單獨(dú)的三角韌帶損傷。三角韌帶損傷的3個(gè)主要機(jī)制分別是足的旋前-外展、旋前-外旋和旋后-外旋。
　　 盡管內(nèi)側(cè)三角韌帶有著極低的損傷發(fā)生率，并且大部分都不需要修復(fù)，但三角韌帶損傷常常帶來(lái)明顯的疼痛和功能障礙。學(xué)者Clanton認(rèn)為，三角韌帶損傷的病人會(huì)感到內(nèi)踝不適，同時(shí)踝關(guān)節(jié)會(huì)呈現(xiàn)外翻和外展。
　　

4、病人往往會(huì)要求施行能夠糾正旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定、距骨傾斜及在冠狀面外翻成角的重建手術(shù)。
　　 脛后肌腱損傷導(dǎo)致的成人獲得性平足癥，女性發(fā)病率高于男性，尤其好發(fā)于60歲以上的老年人。疾病的臨床特征是脛后肌腱和足內(nèi)側(cè)縱弓的功能不全，從而引起足后跟的外旋、中足的外展和前足的旋后。X線影像學(xué)特征是，隨著畸形的發(fā)展，外側(cè)第一跖骨-跗骨角不斷增大，以及前后觀上距舟關(guān)節(jié)接觸面積的不斷減小，其他關(guān)節(jié)也會(huì)發(fā)生類(lèi)似畸形。
　　 Myerson改進(jìn)了J

5、ohnson和Strom提出的脛后肌腱損傷的分類(lèi)系統(tǒng)。他在原分類(lèi)系統(tǒng)中加入了StageⅣ，即伴有三角韌帶損傷，該損傷導(dǎo)致了距骨在踝穴的外翻傾斜。StageⅣ的平足癥可以再細(xì)分為兩個(gè)亞期，分別為柔軟性平足癥(StageⅣa)和僵硬性平足癥(StageⅣb)。僵硬性平足癥，常常伴有內(nèi)側(cè)足跟的滑動(dòng)，需要行關(guān)節(jié)融合術(shù)治療。當(dāng)StageⅣ平足癥合并有踝關(guān)節(jié)炎時(shí)，不管是關(guān)節(jié)融合還是關(guān)節(jié)置換，都需要額外對(duì)足的畸形進(jìn)行糾正。然而，柔軟性平足癥可通過(guò)三角

6、韌帶重建技術(shù)來(lái)治療。
　　 基于此，許多學(xué)者將精力投入到三角韌帶重建術(shù)式的研究中。目前，文獻(xiàn)中已經(jīng)有幾種三角韌帶重建技術(shù)的報(bào)道。
　　 Wiltberger和Mallory描述了一種重建三角韌帶的技術(shù)。他們?cè)诿劰沁h(yuǎn)端橫斷一半脛后肌腱，再縱向切開(kāi)，肌腱遠(yuǎn)端仍然附著于生理附著點(diǎn)，近端則通過(guò)早已在鑿?fù)ǖ膬?nèi)踝隧道，穿出的肌腱在隧道外自身縫合。
　　 Deland等則描述了用腓長(zhǎng)肌腱移植的重建方法。他們?cè)陔栝L(zhǎng)肌腱止點(diǎn)上方切

7、斷腓長(zhǎng)肌腱，將腓長(zhǎng)肌腱通過(guò)距骨的骨隧道來(lái)到內(nèi)踝，再通過(guò)內(nèi)踝的骨隧道來(lái)到脛骨外側(cè)，并固定肌腱于脛骨外側(cè)。
　　 Kitaoka等進(jìn)行了一項(xiàng)生物力學(xué)研究，研究三角韌帶重建術(shù)在平足癥畸形的作用。同側(cè)的踇長(zhǎng)伸肌腱被用來(lái)移植重建三角韌帶，肌腱通過(guò)內(nèi)踝和內(nèi)側(cè)楔骨的隧道，穿出后再自身縫合。
　　 Hintermann等評(píng)估了19例實(shí)施了平底足手術(shù)的患者，其中3例為三角韌帶重建術(shù)。在這些重建術(shù)中，內(nèi)踝和舟骨粗隆鉆出骨隧道，把同側(cè)游離的跖

8、肌腱通過(guò)這些骨隧道，然后自身縫合。
　　 關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究方法多種多樣，包括動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、尸體實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)等。踝關(guān)節(jié)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x材困難，而人體標(biāo)本獲取更是極為不易。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析(Finite elementanalysis，F(xiàn)EA)已經(jīng)迅速發(fā)展成為一種現(xiàn)代計(jì)算方法。在仿真實(shí)驗(yàn)中，可以對(duì)模型材料參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件仿真，模擬拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等各種力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以求解獲得在不同實(shí)驗(yàn)條件下模型任意部位變形、應(yīng)力/應(yīng)變分

9、布、內(nèi)部能量變化、極限破壞分析等變化情況，由于有限元分析相較于傳統(tǒng)研究方法擁有諸多優(yōu)勢(shì)，因此被迅速引入生物力學(xué)研究領(lǐng)域，成為傳統(tǒng)經(jīng)典生物力學(xué)研究的有力補(bǔ)充。
　　 本文將根據(jù)踝關(guān)節(jié)的影像學(xué)圖像資料，建立踝關(guān)節(jié)的三維有限元模型，并以有限元分析方法為手段，研究踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)三角韌帶對(duì)踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定作用，分析踝關(guān)節(jié)實(shí)施了上述四種重建方法后的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和肌腱韌帶的生物力學(xué)參數(shù)?；诖四康?，本課題組把工作分成以下三部分:
　　 第一章:

10、人踝關(guān)節(jié)三維有限元模型建立及其有效性驗(yàn)證
　　 第二章:人踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)三角韌帶完整和損傷的有限元分析
　　 第三章:人踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)三角韌帶四種重建方法的有限元分析
　　 第一章人踝關(guān)節(jié)三維有限元模型建立及其有效性驗(yàn)證
　　 目的:建立一個(gè)包含脛腓骨下段、距骨、跟骨、足舟骨、內(nèi)側(cè)楔骨、踝關(guān)節(jié)軟骨、距下關(guān)節(jié)軟骨、踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶、內(nèi)側(cè)三角韌帶、距下關(guān)節(jié)韌帶的較完整的踝關(guān)節(jié)三維有限元數(shù)學(xué)模型，為進(jìn)一步研究踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)三

11、角韌帶提供基礎(chǔ)通用工具，并驗(yàn)證其有效性。
　　 方法:采用計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)和核磁共振成像(MRI)掃描同一青年男性的中立位右踝關(guān)節(jié)，將影像學(xué)圖像保存為DICOM數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入到逆向工程學(xué)軟件MIMICS10.0.1，由CT數(shù)據(jù)逆向構(gòu)建踝關(guān)節(jié)各組成骨的三維仿真幾何模型，由MRI數(shù)據(jù)逆向建立踝關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)軟骨三維仿真幾何模型。使用MIMICS10.01自帶的有限元前處理軟件MAGICS9.9將所有三維仿真幾何模型進(jìn)行表面平滑處

12、理和表面網(wǎng)格重新優(yōu)化后保存，導(dǎo)入有限元分析處理軟件Ansys12.0，建立一個(gè)封閉的由shell93殼單元和solid92實(shí)體單元組成的較完整的踝關(guān)節(jié)三維有限元模型。利用Ansys里僅受壓的link10桿單元模擬構(gòu)建踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶、內(nèi)側(cè)三角韌帶、距下關(guān)節(jié)韌帶，并對(duì)模型各部分賦予材料屬性，即建成較完整的正常成人的踝關(guān)節(jié)三維有限元模型。使用有限元分析法模擬運(yùn)算踝關(guān)節(jié)的前抽屜實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果與文獻(xiàn)中相同實(shí)驗(yàn)工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，驗(yàn)證踝關(guān)節(jié)有限

13、元模型的有效性。
　　 結(jié)果:利用逆向工程學(xué)軟件MIMICS10.01和有限元分析軟件Ansys12.0順利地建立了包含脛腓骨下段、距骨、跟骨、足舟骨、內(nèi)側(cè)楔骨和踝關(guān)節(jié)、距下關(guān)節(jié)軟骨、踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)韌帶、距下關(guān)節(jié)韌帶在內(nèi)的人體踝關(guān)節(jié)的三維有限元模型。通過(guò)模擬計(jì)算踝關(guān)節(jié)的前抽屜實(shí)驗(yàn)，與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，驗(yàn)證了該模型的有效性。
　　 結(jié)論:本研究基于CT和MRI所建立的踝關(guān)節(jié)三維有限元模型的幾何重建精確、逼真，可以順利實(shí)

14、施網(wǎng)格化，可有效的計(jì)算踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)。
　　 第二章人踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)三角韌帶完整和損傷的有限元分析
　　 目的:運(yùn)用有限元分析方法研究人踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)三角韌帶淺層和深層結(jié)構(gòu)與踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的關(guān)系。
　　 方法:以建立的踝關(guān)節(jié)三維有限元模型為基礎(chǔ)，模擬內(nèi)側(cè)三角韌帶完整、淺層斷裂、完全斷裂3組模型，分別予以外旋或外翻力矩，運(yùn)用有限元分析方法模擬運(yùn)算3種模型在背屈-20°、-10°、0°、10°、20°五個(gè)不同角度時(shí)

15、踝關(guān)節(jié)外旋和外翻的角度。將3組模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，探討內(nèi)側(cè)三角韌帶淺層損傷和完全損傷對(duì)踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的影響。
　　 結(jié)果:踝關(guān)節(jié)在背屈-20°～20°范圍內(nèi)，三角韌帶淺層斷裂組的距骨外旋角相比正常組顯著增大，而外翻角輕度增加(P＜0.05)。三角韌帶完全斷裂組的距骨外翻角相比淺層斷裂組顯著增大，而外旋角僅輕度增加(P＜0.05)。
　　 結(jié)論:三角韌帶淺層結(jié)構(gòu)可能主要維持踝關(guān)節(jié)的外旋穩(wěn)定性。三角韌帶深層結(jié)構(gòu)可能主要

16、維持踝關(guān)節(jié)的外翻穩(wěn)定性。
　　 第三章人踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)三角韌帶不同重建方法的有限元分析
　　 目的:運(yùn)用有限元分析方法研究Wiltberger、Deland、Kitaoka、Hintermann四種人踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)三角韌帶重建方法的生物力學(xué)特性并進(jìn)行比較，著重探討四種重建術(shù)恢復(fù)踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的能力。
　　 方法:運(yùn)用所建立的人踝關(guān)節(jié)三維有限元模型，模擬Wiltberger、Deland、Kitaoka、Hintermann

17、四種三角韌帶重建模型，均分別予以外旋或外翻力矩，運(yùn)用有限元分析方法模擬運(yùn)算四種重建模型在背屈-20°、-10°、0°、10°、20°五個(gè)不同角度時(shí)踝關(guān)節(jié)外旋和外翻的角度。最后與韌帶完整組在五個(gè)背屈角度下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，初步探討在計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境下哪種重建方法能更好的恢復(fù)踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。
　　 結(jié)果:踝關(guān)節(jié)在背屈-20°～20°范圍內(nèi)，kitaoka組的外旋角度相比其他三組模型最接近韌帶完整組(P＜0.05)，比完整組的外旋角度略大