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中西医结合治疗拇趾外翻生物力学机制的有限元分析

作　者: 孙卫东
导　师: 温建民
学　校: 中国中医科学院
专　业: 中西医结合临床
关键词: 拇外翻有限元法中西医结合医学微创技术截骨弹性固定步态分析
分类号: R682
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

1.研究背景拇外翻是常见足部畸形,发病率约为10%,占足踝门诊病人数量一半以上。主要表现为足部红肿疼痛、行走困难,严重影响生活质量。目前拇外翻治疗已有200多种术式,存在损伤大、并发症多、疗效差的缺点。中西医结合微创技术治疗拇趾外翻畸形具有操作简单、患者痛苦小、合并症少、疗效确定等优点。十多年来经过导师的不断完善、创新与发展,已经形成了规范化的诊疗体系。目前该方法已治疗2万多例拇外翻患者,其优良率达98.5%。2002年获得国家科技进步二等奖。该方法技术要点为：①微创技术在中医足踝外科的应用；②采用第1跖骨头颈斜行截骨矫正畸形；③中医正骨手法纠正畸形及关节脱位；④依据小夹板纸夹垫原理及“筋束骨”理论,采用“8”字绷带固定截骨端。摒弃西医传统的钢板螺钉内固定和石膏外固定方法,术后患者即能下地负重。此方法一经提出,就受到了部分西医骨科学者的质疑。现代医学认为截骨的愈合需要截骨端间的稳定,截骨复位后必须保持相对稳定才能达到最佳愈合。人体在负重时足部负荷增大,尤其是在第1跖骨处压力较大。一些骨科医生认为在此处截骨不做内固定,又不制动,会影响截骨端稳定,可能会出现截骨端的延迟愈合,甚至不愈合。但事实是中西医结合治疗拇趾外翻方法,通过十多年的临床应用,并未出现截骨不愈合现象,而且术后发生转移性跖骨痛的患者也少。如何分析中西医结合治疗拇趾外翻疗法的科学之处,从生物力学角度研究中西医结合治疗拇趾外翻的机理,证实小夹板纸压垫原理、“筋束骨”理论的科学内涵,对中医骨伤科治疗骨折理论的发扬光大具有重大意义。拇外翻第1跖骨在何部位以何角度截骨最科学?截骨后根据小夹板纸压垫原理和“筋束骨”理论而采用“8”字绷带外固定是否稳定?第1跖骨截骨对前足的生物力学会产生什么影响?这些问题尚需做深入的研究。因此,十分必要对中西医结合治疗拇外翻相关生物力学机制进行研究。有限元分析为我们研究足部正常和病理状态下的生物力学情况提供十分有用的工具,它使我们能够全面了解足在不同状态下的应力分布,以及各种治疗措施对足部影响。目前,对拇外翻足进行有限元分析研究的报导很少,对第1跖骨截骨部位、截骨端稳定性及截骨愈合后足部生物力学变化情况等方面的研究未见报道。研究中西医结合治疗拇趾外翻截骨部位、截骨角度、“8”字绷带外固定的生物力学机制,阐述本疗法作用机理,进一步证实其科学性,已成当务之急。2.研究目的本研究拟通过建立拇外翻足有限元模型,分析中西医结合治疗拇外翻不同截骨角度截骨端位移和应力变化,明确最佳截骨角度。探讨“8”字绷带外固定方式对截骨端稳定和愈合的影响及其作用机理。提高对中西医结合治疗拇外翻科学内涵认识,为中西结合治疗拇外翻理论和方法的不断完善和发展提供实验依据。3.研究内容3.1拇外翻足的有限元模型建立与验证3.1.1材料与方法3.1.1.1足部相关组织材料参数测量45岁女性左小腿-足新鲜标本1具,解剖出拇长屈肌及其肌腱、拇短屈肌内外侧头、拇长伸肌及其肌腱、拇收肌横头及斜头、拇展肌,分别做成试样。测试前将试样进行预加载拉伸,消除试样的载荷蠕变。每个试样重复测量4次,加载速率设为0.0835cm/min。采集强度极限、最大载荷等数据以及载荷-位移曲线。将载荷-位移曲线转换为力-变形曲线,用力除以横截面积,位移除以试件长度,得到应力-应变曲线,拟合曲线中间直线段,得到其弹性模量(E)。3.1.1.2有限元图像数据的获得和存储选取拇趾外翻志愿者,青年女性,年龄28岁,身高168cm,体质量62 kg,其右足HAV角为24°,IM角为13°。足部无其它畸形,无跖骨头下痛性胼胝体,无足部手术和外伤史,无其他系统疾病引起的足部畸形。采用螺旋CT对患足进行扫描,层厚1mm,间隔1mm,扫描从足尖至足后跟,共获得512×512像素CT图像542张,图片以DCIOM格式输出并存储。3.1.1.3拇外翻有限元模型建立利用软件对足部CT图像进行分割和轮廓数据提取处理,辨别软组织、骨皮质、髓腔的界限,获得骨骼边缘轮廓曲线的矢量数据。根据自由曲面实体的建模规则,进行足部骨骼曲面重构,获得足部骨骼的三维实体模型并进行装配。出于简化模型减少计算量考虑,模型中仅考虑骨骼、软骨、肌腱、足内在肌四种组织材料。把足部三维模型输入有限元软件ANSYS12.0,定义材料特性并对材料参数赋值,进行网格划分,获得有限元模型。3.1.1.4模型载荷的加载和边界约束模拟一个体质量62kg拇外翻患者在双足平衡站立时,足部的受力情况；以及足跟在抬起趾背伸30°和70°时,第1跖骨应力分布和变化情况。设足底压力、跟腱力和足底摩擦力为作用载荷。支撑结构上表面和足底表面的相互作用定义为接触关系,摩擦系数为0.6。根据载荷和地面反作用力等效互换原理,以集中力向上通过支撑结构面施加在压力中心处,距骨上表面完全约束,踝关节处在平衡站立时的中立位。3.1.1.5拇外翻足的Foot scan足底压力测试采用比利时RSscan公司生产的Foot scan USB21米平板式足底压力测试系统,对同一患者进行测试。测试前根据受试者的体重对测力板进行校准。分别在静态和动态下测量受试者足底受力情况,观察足底6个区域的静态压力(P)以及动态最大压力(MP)。将测量数值与有限元分析结果对比,寻找两者之间的关系,检验有限元模型的可靠性。3.1.2结果1)通过测量和计算共获得了9个样本的相关数据,主要包括：长度、宽度、厚度、横截面积、最大载荷、强度极限和弹性模量。为足部有限元建模,提供较为确切的材料参数。2)建立了拇外翻足站立和步态周期站立相不同位置(0°、30°、45°和70°)三维有限元模型7个,模型重建了骨骼、软骨、肌腱、内在肌、皮肤等组织,共有67239个节点,69189个单元。3)有限元模型静态足底应力与Foot scan力板测量对比,两者压力集中部位大体一致,压力在第2、3、5跖骨头部位的数值非常接近。有限元模拟步态周期前足足底最大应力换算值与相应部位力板最大压力测量值比较,变化趋势相似。3.1.3结论本研究建立了包括骨骼、肌腱、内在肌和皮肤等组织在内的拇外翻足有限元模型,并对部分材料参数进行了实测,获得了相关数据。通过Foot scan力板测试对有限元模型进行了可靠性检验,证实有限元模型可靠,基本反映了拇外翻足的实际情况。3.2第1跖骨头颈部不同方向截骨截骨端稳定性的有限元分析3.2.1材料与方法3.2.1.1研究材料建立拇外翻有限元截骨模型,分别模拟截骨线与第1跖骨轴线在矢状面上成300、450、60°、75°、90°、105°、120°角7个截骨方向,共7种工况。3.2.1.2测试方法模拟体质量为62kg拇外翻患者第1跖骨截骨后,拇趾尽量跖屈站立时,不同截骨角度截骨端的应力和位移情况。截骨近端设为固定端,远端设为自由端,断端间设为肉芽组织填充。其它部位的约束同前。单足约承受310N的体重载荷,仅考虑屈拇长肌和屈拇短肌对截骨端的影响,肌力以载荷表示,约为319N,设肌力载荷与第1跖骨长轴平行。截骨端摩擦系数设为0.6。3.2.1.3观测项目观察在相同条件的负荷加载下,7种工况截骨断端边缘节点的最大M应力值(VonMises)和总位移量V值,并进行比较。3.2.2结果1)截骨端总位移从30°逐渐变小,至60°达到最小值,后逐渐增大,截骨角度超过90°后,位移有明显加大的趋势。最大位移发生在120°时,为0.6486mm；最小位移发生在60°时,为0.2833mm。2)截骨端Von Mises应力从30°逐渐增加,至75°达到第一个峰值,后应力走平并有逐渐减小趋势,至105°应力迅速增大。截骨端最大应力出现在120°时,为0.986Mpa；最小应力出现在30°时,为0.212Mpa。3.2.3结论通过有限元模型对第1跖骨矢状面不同角度截骨的模拟和计算,发现60°左右时截骨端最稳定。保持矢状面上从远端背侧到近端跖侧截骨线方向,截骨端才能维持稳定。矢状面上的最佳截骨角度要根据患者的不同情况适当调整,截骨不应采取固定的截骨角度。3.3中西医结合治疗拇外翻外固定方法对第1跖骨截骨端固定作用有限元分析3.3.1材料与方法3.3.1.1研究材料建立拇外翻足第1跖骨颈部截骨三维有限元模型,截骨线在矢状面与跖骨轴线的垂线成10°,水平面与跖骨轴线的垂线成15°,模拟第1、2趾蹼间放置分趾垫“8”字绷带包扎外固定站立时工况。模型各部分的材料特性和材料参数详见前两部分。3.3.1.2测试方法模拟体质量62kg拇外翻患者按要求截骨和固定后,拇趾尽量跖屈站立时,截骨端的应力和位移情况。将截骨近端设为固定端,远端为自由端,断端间设为肉芽组织填充。其它部位的约束同前。分趾垫和“8”字绷带的外固定力,经实验测量为24.84N,将其分解为与趾骨垂直和与第1跖骨平行的两个力,在分析时以载荷的方式表示。其它载荷和设置与前模型相同。3.3.1.3观测项目观测和计算截骨端的最大M应力值(VonMises)和总位移及X、Y、Z轴三个方向的位移情况。3.3.2结果1)截骨端位移情况：X轴上位移为0.261mm；Y轴位移为0.078mm；Z轴位移为-0.167mm；截骨端总位移为0.293mm。截骨端位移主要发生在X轴方向上,其它两个方向位移很小。2)截骨端Von Mises应力值为0.712Mpa,应力主要分布在截骨端的外侧边缘部位。3.3.3结论通过有限元法对中西医结合微创技术治疗拇外翻术后“8”字绷带弹性固定的模拟与计算,发现该固定方式可有效减小截骨端位移,应力适中,能促进截骨端以软骨成骨的方式愈合。4.总结1)本研究建立了拇外翻足有限元模型,通过Foot scan力板测试证实有限元模型可靠。2)第1跖骨矢状面截骨角度在60°左右时截骨端最稳定；截骨线方向从远端背侧到近端跖侧截骨端才能维持稳定;最佳截骨角度要根据患者的不同情况适当调整。3)中西医结合微创技术治疗拇外翻术后“8”字绷带弹性固定可有效减小截骨端位移,应力适中,截骨端以软骨成骨的方式愈合。该研究通过有限元法分析中西医结合治疗拇外翻截骨角度的选择和固定方式对截骨端稳定和愈合的影响,从生物力学角度阐释了截骨角度的确定方法,分析了分趾垫“8”字绷带外固定的作用机理,同时对“筋束骨”理论在拇外翻治疗中的作用作了深入的探讨。加深和提高了对中西医结合治疗拇外翻机理的认识,并证实了其科学内涵,对中西结合治疗拇趾外翻理论和方法的不断完善和发展产生深远的影响。5.创新点1)建立拇趾外翻足不同方向截骨及“8”字绷带外固定三维有限元模型,为拇外翻手术方法的评价及预后研究开辟新的思路。2)模拟中西医结合治疗拇趾外翻截骨和固定方法,对截骨端应力、位移变化进行有限元分析,从生物力学机制方面证明中西医结合治疗拇趾外翻的科学性。

全文目录

摘要  4-10
Abstract  10-21
前言  21-25
第一部分拇外翻足的有模型建立与验证  25-69
  1. 足部相关组织材料参数测量实验  25-30
    1.1 实验目的  25-26
    1.2 材料与方法  26-29
    1.3 结果  29-30
  2. 拇外翻足有限元模型的建立  30-50
    2.1 材料与方法  30-41
    2.2 结果  41-50
  3. 拇外翻足Foot scan足底压力测试  50-54
    3.1 材料和方法  50-53
    3.2 结果  53-54
  4. 有限元模型与Foot scan数据的比较及有限元模型的可靠性验证  54-56
    4.1 有限元模型与Foot scan数据的静态测试比较  54-55
    4.2 有限元模型与Foot scan数据的动态测试比较  55-56
    4.3 有限元模型有效性验证结论  56
  5. 讨论  56-69
第二部分第1跖骨头颈部不同截骨方向截骨端稳定性的有限元分析  69-81
  1. 材料与方法  70-72
    1.1 研究材料  70-71
    1.2 研究方法  71-72
    1.3 观测项目  72
  2. 结果  72-78
  3. 讨论  78-81
第三部分中西医结合治疗拇外翻固定方法对截骨端固定作用的有限元分析  81-100
  1. 外固定绷带弹性模量的测定  82-83
    1.1 材料和方法  82
    1.2 结果  82-83
  2. "8"字绷带与分趾垫外固定系统固定力测试  83-85
    2.1 材料与方法  83-85
    2.2 结果  85
  3. 拇外翻外固定方法对第1跖骨截骨端固定作用有限元分析  85-87
    3.1 材料与方法  85-86
    3.2 结果  86-87
  4. 讨论  87-100
第四部分结论、创新与展望  100-102
  1. 全文总结  100
  2. 创新点  100
  3. 不足与展望  100-102
参考文献  102-111
文献综述  111-142
  1. 三维有限元分析在足踝疾病的应用进展  111-123
  2. 拇趾外翻病因病机中医认识与研究进展  123-142
致谢  142-143
个人简历  143-144
中医药科研项目查新报告书  144-149

中西医结合治疗拇趾外翻生物力学机制的有限元分析

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