人踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶損傷和慢性不穩(wěn)定重建生物力學(xué)的三維有限元分析.pdf

1、研究背景：
　　 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（Anterior Talofibular Ligament，ATFL）及跟腓韌帶（Calcaneo-fibularLigament，CFL）起主要穩(wěn)定作用，其損傷可導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)外側(cè)不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響踝關(guān)節(jié)功能。有文獻(xiàn)報(bào)道: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)副韌帶的損傷又約占踝關(guān)節(jié)韌帶損傷的85％;

2、10％～20％的急性外側(cè)副韌帶損傷會(huì)發(fā)展為慢性踝關(guān)節(jié)外側(cè)不穩(wěn)定(Chronic Lateral AnkleInstability，CAI)。
　　 傳統(tǒng)骨科生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是以動(dòng)物模型及尸體標(biāo)本作為研究對(duì)象，但存在諸多弊端和局限性。動(dòng)物模型的結(jié)構(gòu)和功能與人類(lèi)差別較大，而踝關(guān)節(jié)的動(dòng)物模型目前尚未成功建立;尸體標(biāo)本雖然在物理相似性上優(yōu)勢(shì)較大，但由于失活的組織其生物力學(xué)性能是漸變的，不同的尸體標(biāo)本力學(xué)性能各異，并且一個(gè)標(biāo)本不能反復(fù)利用

3、，故而使對(duì)照研究的可比性下降。
　　 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。在有限元仿真實(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)變分布、內(nèi)部能量變化、極限破壞分析等變化情況。與傳統(tǒng)的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，有限元方法能夠建立具有高度物理相似性的數(shù)值模型，既可以

4、進(jìn)行精確的數(shù)字分析，也可以進(jìn)行形象的、直觀的定性研究，還可以完成傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的加載方式及約束條件，得到客觀實(shí)體實(shí)驗(yàn)所難以獲得的研究數(shù)據(jù)，甚至可以通過(guò)改變材料特性等途徑進(jìn)行個(gè)體化的差異性受力分析。由于有限元法相較于傳統(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，成為經(jīng)典生物力學(xué)研究方法的有力補(bǔ)充。
　　 本研究首先采用MRI技術(shù)掃描一健康志愿者的踝關(guān)節(jié)，利用三維仿真建模軟件Mimics建立一個(gè)正常踝關(guān)節(jié)三維仿真模型，

5、模型包括脛腓骨遠(yuǎn)端、距骨和跟骨以及相應(yīng)關(guān)節(jié)面，并在有限元分析軟件ANSYS中建立踝關(guān)節(jié)的內(nèi)、外側(cè)副韌帶、距下關(guān)節(jié)距跟骨間韌帶和距跟內(nèi)外側(cè)韌帶。然后利用已有文獻(xiàn)資料中的數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)建的有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證，以保證所構(gòu)建模型的有效性。接著分別模擬急性ATFL撕裂、ATFL及CFL同時(shí)斷裂，對(duì)損傷后的踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性進(jìn)行研究。最后對(duì)ATFL及CFL斷裂后的踝關(guān)節(jié)模型進(jìn)行韌帶重建，模擬Watson-Jones、Chrisman-Snook及Eva

6、ns三種非解剖肌腱重建術(shù)式，比較不同重建術(shù)后的踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性，以期為臨床工作中CAI治療術(shù)式的選擇提供可靠的理論依據(jù)。
　　 第一章人踝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立及有效性分析
　　 目的:
　　 建立正常人踝關(guān)節(jié)三維有限元模型，并驗(yàn)證模型的有效性，測(cè)試其敏感性，為下一步研究提供數(shù)字化平臺(tái)。
　　 方法:
　　 選取一名健康志愿者，采用MRI對(duì)其踝關(guān)節(jié)進(jìn)行連續(xù)掃描，層厚為1mm，以Dicom格式文

7、件存儲(chǔ)所得的掃描圖像。將掃描圖像導(dǎo)入三維仿真建模軟件Mimics，利用Mimics軟件生成健康人踝關(guān)節(jié)的三維仿真模型，模型包括骨性結(jié)構(gòu)和軟骨，將原始模型導(dǎo)入Mimics自帶的Magics9.9軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和模型優(yōu)化，將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入大型通用有限元分析軟件ANSYS12.0中，在ANSYS中對(duì)模型網(wǎng)格賦予特定的材料屬性。最后利用解剖學(xué)資料，在ANSYS中構(gòu)建踝關(guān)節(jié)周?chē)闹饕g帶。人踝關(guān)節(jié)三維有限元模型建立后，對(duì)模型進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試

8、，將獲取數(shù)據(jù)與既往已有研究文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析模型的有效性，并測(cè)試模型敏感性。
　　 結(jié)果:
　　 1.在踝關(guān)節(jié)三維有限元模型中模擬前抽屜試驗(yàn)（anterior drawertest，ADT），對(duì)跟骨施加不同大小前向牽引力，所獲得距骨前移距離(anterior talus translation，ATT)與以往文獻(xiàn)數(shù)據(jù)基本一致。
　　 2.ADT中ATT隨著踩關(guān)節(jié)屈曲角度增大而減小，處于中立位時(shí)，踝關(guān)節(jié)最為

9、“松弛”。只有ATFL的斷裂會(huì)導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)出現(xiàn)明顯的前向不穩(wěn)定。
　　 結(jié)論:
　　 1.基于MRI掃描的Dicom格式文件，采用Mimics與ANSYS軟件，成功構(gòu)建了正常人踝關(guān)節(jié)的三維有限元模型，模型中包括了距骨、跟骨、遠(yuǎn)端脛腓骨、踝關(guān)節(jié)及距下關(guān)面軟骨、踝關(guān)節(jié)周?chē)饕g帶。
　　 2.有限元模型模擬計(jì)算得到的ATT與以往文獻(xiàn)尸體標(biāo)本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)基本一致，證實(shí)了模型具有良好的有效性。參數(shù)敏感性分析的結(jié)果證實(shí)了該模型

10、具有良好的敏感性，為進(jìn)一步研究提供了可靠的數(shù)字化平臺(tái)。
　　 第二章踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶維持踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的的生物力學(xué)有限元分析
　　 目的:
　　 采用第二章所建立的正常人踝關(guān)節(jié)有限元模型，建立踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶損傷模型，探討踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶對(duì)維持踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的生物力學(xué)影響。
　　 方法:
　　 1.逐個(gè)移除各條韌帶所對(duì)應(yīng)的韌帶單元并建立踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶損傷模型。
　　 2.模擬ADT實(shí)驗(yàn)，在模型中對(duì)跟

11、骨施加由50N遞增至150N的前向牽引力，同時(shí)對(duì)踝關(guān)節(jié)施加由50N遞增至1500N的垂直軸向壓力，計(jì)算ATT和各條韌帶的應(yīng)力。
　　 3.模擬內(nèi)翻應(yīng)力試驗(yàn)，約束脛腓骨遠(yuǎn)端的活動(dòng)，屈曲并固定踝關(guān)節(jié)于不同角度，對(duì)跟骨施加1.7N·m內(nèi)翻扭矩，計(jì)算距骨傾斜角度(Talus Tilt，TT)和各條韌帶的應(yīng)力。
　　 4.模擬內(nèi)旋應(yīng)力試驗(yàn)，約束脛腓骨遠(yuǎn)端的活動(dòng)，調(diào)整固定踝關(guān)節(jié)屈曲于不同角度，對(duì)跟骨施加3.4N·m的內(nèi)旋扭矩，計(jì)算距

12、骨內(nèi)旋角度(Talus Rotation，TR)及各條韌帶的應(yīng)力。
　　 結(jié)果:
　　 1.ATFL損傷后，ATT明顯增加;ATFL和CFL聯(lián)合損傷與ATFL單獨(dú)損傷的ATT值差異不明顯;當(dāng)垂直壓力大于300N后，ATT明顯減小;ATFL是ADT中承受應(yīng)力最高的韌帶。
　　 2.內(nèi)翻應(yīng)力試驗(yàn)中，當(dāng)ATFL單獨(dú)損傷時(shí)TT增加不明顯;當(dāng)ATFL與CFL同時(shí)損傷后，TT明顯增加;ATFL與CFL共同承受了對(duì)抗內(nèi)翻運(yùn)動(dòng)的

13、應(yīng)力。
　　 3.內(nèi)旋應(yīng)力試驗(yàn)中，當(dāng)ATFL損傷后，踝關(guān)節(jié)TR就會(huì)明顯增加;ATFL是對(duì)抗內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)中承受應(yīng)力最高的韌帶。
　　 結(jié)論:
　　 1.ATFL能夠限制距骨從榫眼處向前移位即所謂前抽屜運(yùn)動(dòng)，而CFL和PTFL在維持踝關(guān)節(jié)前向穩(wěn)定性當(dāng)中作用不明顯。本實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)提示:中立位下，前向牽引力100N，當(dāng)ATT≥6mm，△ATT≥2mm時(shí)，ADT試驗(yàn)可判定為陽(yáng)性，提示ATFL損傷。
　　 2.ADT在踝

14、關(guān)節(jié)中立位下操作時(shí)，距骨前抽屜運(yùn)動(dòng)最明顯。當(dāng)脛骨垂直軸向壓力大于300N后，關(guān)節(jié)面的吻合已成為維持踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的最主要因素。
　　 3.內(nèi)翻應(yīng)力試驗(yàn)對(duì)檢查ATFL損傷不敏感，CFL是阻止距骨內(nèi)翻的主要韌帶;CFL斷裂同時(shí)合并有ATFL損傷時(shí)則會(huì)出現(xiàn)明顯的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻不穩(wěn)。正常踝關(guān)節(jié)TT≤4°，當(dāng)TT≥12°時(shí)，提示ATFL與CFL同時(shí)撕裂。
　　 4.內(nèi)旋應(yīng)力試驗(yàn)提示:ATFL是維持踝關(guān)節(jié)內(nèi)旋穩(wěn)定性的主要韌帶。正常TR≤4°

15、，當(dāng)TR≥8°時(shí)，提示ATFL斷裂，CFL和PTFL在維持踝關(guān)節(jié)內(nèi)旋穩(wěn)定性中作用不明顯。
　　 第三章:Evans、Chrisman-Snook和Watson-Jones術(shù)式治療踝關(guān)節(jié)外側(cè)不穩(wěn)的生物力學(xué)有限元分析
　　 目的:
　　 在ATFL及CFL損傷模型上模擬Watson-Jones、Chrisman-Snook及Evans三種非解剖肌腱移植重建法，對(duì)重建外側(cè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后的踝關(guān)節(jié)模型進(jìn)行生物力學(xué)分析，比較三種

16、重建方法的優(yōu)劣。
　　 方法:
　　 1.在移除ATFL與CFL的踝關(guān)節(jié)有限元模型上，根據(jù)三種重建手術(shù)方法，分別建立Evans法、Chrisman-Snook法和Watson-Jones法三個(gè)移植肌腱重建模型。
　　 2.模擬ADT，在三個(gè)重建模型上分別對(duì)跟骨施加由50N遞增至150N的前向牽引力，計(jì)算踝關(guān)節(jié)不同屈曲角度下，不同重建模型的ATT與韌帶及肌腱應(yīng)力。
　　 3.模擬內(nèi)翻應(yīng)力試驗(yàn)，在三個(gè)重建模型

17、上對(duì)分別對(duì)跟骨施加1.7N·m的內(nèi)翻力矩，計(jì)算踝關(guān)節(jié)不同屈曲角度下，不同重建模型的TT與韌帶及肌腱應(yīng)力。
　　 4.模擬內(nèi)旋應(yīng)力試驗(yàn)，在三個(gè)重建模型上分別對(duì)跟骨施加3.4N·m內(nèi)旋力矩，計(jì)算踝關(guān)節(jié)不同屈曲角度下，不同重建模型的TR與韌帶及肌腱應(yīng)力。
　　 結(jié)果:
　　 三種重建方法均能提高踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，但效果與施力方向及踝關(guān)節(jié)屈曲角度有關(guān)系。其中Watson-Jones法能夠最有效的恢復(fù)踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。
　

18、　 結(jié)論:
　　 1.在外側(cè)韌帶損傷踝關(guān)節(jié)有限元模型基礎(chǔ)上，成功模擬建立了Evans法、Chrisman-Snook法和Watson-Jones法三種非解剖肌腱重建模型。
　　 2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:三種非解剖肌腱重建術(shù)式中，Watson-Jones法能夠最有效的恢復(fù)踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。Watson-Jones法重建后的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻、內(nèi)旋和前向穩(wěn)定性以及韌帶應(yīng)力都要優(yōu)于Evans法和Chrisman-Snook法。