本文關鍵詞：中西醫(yī)結合治療拇趾外翻生物力學機制的有限元分析

  更多相關文章： 拇外翻 有限元法 中西醫(yī)結合醫(yī)學 微創(chuàng)技術 截骨 彈性固定 步態(tài)分析

【摘要】： 1.研究背景 拇外翻是常見足部畸形,發(fā)病率約為10%,占足踝門診病人數量一半以上。主要表現為足部紅腫疼痛、行走困難,嚴重影響生活質量。目前拇外翻治療已有200多種術式,存在損傷大、并發(fā)癥多、療效差的缺點。中西醫(yī)結合微創(chuàng)技術治療拇趾外翻畸形具有操作簡單、患者痛苦小、合并癥少、療效確定等優(yōu)點。十多年來經過導師的不斷完善、創(chuàng)新與發(fā)展,已經形成了規(guī)范化的診療體系。目前該方法已治療2萬多例拇外翻患者,其優(yōu)良率達98.5%。2002年獲得國家科技進步二等獎。該方法技術要點為：①微創(chuàng)技術在中醫(yī)足踝外科的應用；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節(jié)脫位；④依據小夾板紙夾墊原理及“筋束骨”理論,采用“8”字繃帶固定截骨端。摒棄西醫(yī)傳統(tǒng)的鋼板螺釘內固定和石膏外固定方法,術后患者即能下地負重。此方法一經提出,就受到了部分西醫(yī)骨科學者的質疑。現代醫(yī)學認為截骨的愈合需要截骨端間的穩(wěn)定,截骨復位后必須保持相對穩(wěn)定才能達到最佳愈合。人體在負重時足部負荷增大,尤其是在第1跖骨處壓力較大。一些骨科醫(yī)生認為在此處截骨不做內固定,又不制動,會影響截骨端穩(wěn)定,可能會出現截骨端的延遲愈合,甚至不愈合。但事實是中西醫(yī)結合治療拇趾外翻方法,通過十多年的臨床應用,并未出現截骨不愈合現象,而且術后發(fā)生轉移性跖骨痛的患者也少。如何分析中西醫(yī)結合治療拇趾外翻療法的科學之處,從生物力學角度研究中西醫(yī)結合治療拇趾外翻的機理,證實小夾板紙壓墊原理、“筋束骨”理論的科學內涵,對中醫(yī)骨傷科治療骨折理論的發(fā)揚光大具有重大意義。 拇外翻第1跖骨在何部位以何角度截骨最科學?截骨后根據小夾板紙壓墊原理和“筋束骨”理論而采用“8”字繃帶外固定是否穩(wěn)定?第1跖骨截骨對前足的生物力學會產生什么影響?這些問題尚需做深入的研究。因此,十分必要對中西醫(yī)結合治療拇外翻相關生物力學機制進行研究。有限元分析為我們研究足部正常和病理狀態(tài)下的生物力學情況提供十分有用的工具,它使我們能夠全面了解足在不同狀態(tài)下的應力分布,以及各種治療措施對足部影響。目前,對拇外翻足進行有限元分析研究的報導很少,對第1跖骨截骨部位、截骨端穩(wěn)定性及截骨愈合后足部生物力學變化情況等方面的研究未見報道。研究中西醫(yī)結合治療拇趾外翻截骨部位、截骨角度、“8”字繃帶外固定的生物力學機制,闡述本療法作用機理,進一步證實其科學性,已成當務之急。 2.研究目的 本研究擬通過建立拇外翻足有限元模型,分析中西醫(yī)結合治療拇外翻不同截骨角度截骨端位移和應力變化,明確最佳截骨角度。探討“8”字繃帶外固定方式對截骨端穩(wěn)定和愈合的影響及其作用機理。提高對中西醫(yī)結合治療拇外翻科學內涵認識,為中西結合治療拇外翻理論和方法的不斷完善和發(fā)展提供實驗依據。 3.研究內容 3.1拇外翻足的有限元模型建立與驗證 3.1.1材料與方法 3.1.1.1足部相關組織材料參數測量 45歲女性左小腿-足新鮮標本1具,解剖出拇長屈肌及其肌腱、拇短屈肌內外側頭、拇長伸肌及其肌腱、拇收肌橫頭及斜頭、拇展肌,分別做成試樣。測試前將試樣進行預加載拉伸,消除試樣的載荷蠕變。每個試樣重復測量4次,加載速率設為0.0835cm/min。采集強度極限、最大載荷等數據以及載荷-位移曲線。將載荷-位移曲線轉換為力-變形曲線,用力除以橫截面積,位移除以試件長度,得到應力-應變曲線,擬合曲線中間直線段,得到其彈性模量(E)。 3.1.1.2有限元圖像數據的獲得和存儲 選取拇趾外翻志愿者,青年女性,年齡28歲,身高168cm,體質量62 kg,其右足HAV角為24°,IM角為13°。足部無其它畸形,無跖骨頭下痛性胼胝體,無足部手術和外傷史,無其他系統(tǒng)疾病引起的足部畸形。采用螺旋CT對患足進行掃描,層厚1mm,間隔1mm,掃描從足尖至足后跟,共獲得512×512像素CT圖像542張,圖片以DCIOM格式輸出并存儲。 3.1.1.3拇外翻有限元模型建立 利用軟件對足部CT圖像進行分割和輪廓數據提取處理,辨別軟組織、骨皮質、髓腔的界限,獲得骨骼邊緣輪廓曲線的矢量數據。根據自由曲面實體的建模規(guī)則,進行足部骨骼曲面重構,獲得足部骨骼的三維實體模型并進行裝配。出于簡化模型減少計算量考慮,模型中僅考慮骨骼、軟骨、肌腱、足內在肌四種組織材料。把足部三維模型輸入有限元軟件ANSYS12.0,定義材料特性并對材料參數賦值,進行網格劃分,獲得有限元模型。 3.1.1.4模型載荷的加載和邊界約束 模擬一個體質量62kg拇外翻患者在雙足平衡站立時,足部的受力情況；以及足跟在抬起趾背伸30°和70°時,第1跖骨應力分布和變化情況。設足底壓力、跟腱力和足底摩擦力為作用載荷。支撐結構上表面和足底表面的相互作用定義為接觸關系,摩擦系數為0.6。根據載荷和地面反作用力等效互換原理,以集中力向上通過支撐結構面施加在壓力中心處,距骨上表面完全約束,踝關節(jié)處在平衡站立時的中立位。 3.1.1.5拇外翻足的Foot scan足底壓力測試 采用比利時RSscan公司生產的Foot scan USB21米平板式足底壓力測試系統(tǒng),對同一患者進行測試。測試前根據受試者的體重對測力板進行校準。分別在靜態(tài)和動態(tài)下測量受試者足底受力情況,觀察足底6個區(qū)域的靜態(tài)壓力(P)以及動態(tài)最大壓力(MP)。將測量數值與有限元分析結果對比,尋找兩者之間的關系,檢驗有限元模型的可靠性。 3.1.2結果 1)通過測量和計算共獲得了9個樣本的相關數據,主要包括：長度、寬度、厚度、橫截面積、最大載荷、強度極限和彈性模量。為足部有限元建模,提供較為確切的材料參數。 2)建立了拇外翻足站立和步態(tài)周期站立相不同位置(0°、30°、45°和70°)三維有限元模型7個,模型重建了骨骼、軟骨、肌腱、內在肌、皮膚等組織,共有67239個節(jié)點,69189個單元。 3)有限元模型靜態(tài)足底應力與Foot scan力板測量對比,兩者壓力集中部位大體一致,壓力在第2、3、5跖骨頭部位的數值非常接近。有限元模擬步態(tài)周期前足足底最大應力換算值與相應部位力板最大壓力測量值比較,變化趨勢相似。 3.1.3結論 本研究建立了包括骨骼、肌腱、內在肌和皮膚等組織在內的拇外翻足有限元模型,并對部分材料參數進行了實測,獲得了相關數據。通過Foot scan力板測試對有限元模型進行了可靠性檢驗,證實有限元模型可靠,基本反映了拇外翻足的實際情況。 3.2第1跖骨頭頸部不同方向截骨截骨端穩(wěn)定性的有限元分析 3.2.1材料與方法 3.2.1.1研究材料 建立拇外翻有限元截骨模型,分別模擬截骨線與第1跖骨軸線在矢狀面上成300、450、60°、75°、90°、105°、120°角7個截骨方向,共7種工況。 3.2.1.2測試方法 模擬體質量為62kg拇外翻患者第1跖骨截骨后,拇趾盡量跖屈站立時,不同截骨角度截骨端的應力和位移情況。截骨近端設為固定端,遠端設為自由端,斷端間設為肉芽組織填充。其它部位的約束同前。單足約承受310N的體重載荷,僅考慮屈拇長肌和屈拇短肌對截骨端的影響,肌力以載荷表示,約為319N,設肌力載荷與第1跖骨長軸平行。截骨端摩擦系數設為0.6。 3.2.1.3觀測項目 觀察在相同條件的負荷加載下,7種工況截骨斷端邊緣節(jié)點的最大M應力值(VonMises)和總位移量V值,并進行比較。 3.2.2結果 1)截骨端總位移從30°逐漸變小,至60°達到最小值,后逐漸增大,截骨角度超過90°后,位移有明顯加大的趨勢。最大位移發(fā)生在120°時,為0.6486mm；最小位移發(fā)生在60°時,為0.2833mm。 2)截骨端Von Mises應力從30°逐漸增加,至75°達到第一個峰值,后應力走平并有逐漸減小趨勢,至105°應力迅速增大。截骨端最大應力出現在120°時,為0.986Mpa；最小應力出現在30°時,為0.212Mpa。 3.2.3結論 通過有限元模型對第1跖骨矢狀面不同角度截骨的模擬和計算,發(fā)現60°左右時截骨端最穩(wěn)定。保持矢狀面上從遠端背側到近端跖側截骨線方向,截骨端才能維持穩(wěn)定。矢狀面上的最佳截骨角度要根據患者的不同情況適當調整,截骨不應采取固定的截骨角度。 3.3中西醫(yī)結合治療拇外翻外固定方法對第1跖骨截骨端固定作用有限元分析 3.3.1材料與方法 3.3.1.1研究材料 建立拇外翻足第1跖骨頸部截骨三維有限元模型,截骨線在矢狀面與跖骨軸線的垂線成10°,水平面與跖骨軸線的垂線成15°,模擬第1、2趾蹼間放置分趾墊“8”字繃帶包扎外固定站立時工況。模型各部分的材料特性和材料參數詳見前兩部分。 3.3.1.2測試方法 模擬體質量62kg拇外翻患者按要求截骨和固定后,拇趾盡量跖屈站立時,截骨端的應力和位移情況。將截骨近端設為固定端,遠端為自由端,斷端間設為肉芽組織填充。其它部位的約束同前。分趾墊和“8”字繃帶的外固定力,經實驗測量為24.84N,將其分解為與趾骨垂直和與第1跖骨平行的兩個力,在分析時以載荷的方式表示。其它載荷和設置與前模型相同。 3.3.1.3觀測項目 觀測和計算截骨端的最大M應力值(VonMises)和總位移及X、Y、Z軸三個方向的位移情況。 3.3.2結果 1)截骨端位移情況：X軸上位移為0.261mm；Y軸位移為0.078mm；Z軸位移為-0.167mm；截骨端總位移為0.293mm。截骨端位移主要發(fā)生在X軸方向上,其它兩個方向位移很小。 2)截骨端Von Mises應力值為0.712Mpa,應力主要分布在截骨端的外側邊緣部位。 3.3.3結論 通過有限元法對中西醫(yī)結合微創(chuàng)技術治療拇外翻術后“8”字繃帶彈性固定的模擬與計算,發(fā)現該固定方式可有效減小截骨端位移,應力適中,能促進截骨端以軟骨成骨的方式愈合。 4.總結 1)本研究建立了拇外翻足有限元模型,通過Foot scan力板測試證實有限元模型可靠。 2)第1跖骨矢狀面截骨角度在60°左右時截骨端最穩(wěn)定；截骨線方向從遠端背側到近端跖側截骨端才能維持穩(wěn)定;最佳截骨角度要根據患者的不同情況適當調整。 3)中西醫(yī)結合微創(chuàng)技術治療拇外翻術后“8”字繃帶彈性固定可有效減小截骨端位移,應力適中,截骨端以軟骨成骨的方式愈合。 該研究通過有限元法分析中西醫(yī)結合治療拇外翻截骨角度的選擇和固定方式對截骨端穩(wěn)定和愈合的影響,從生物力學角度闡釋了截骨角度的確定方法,分析了分趾墊“8”字繃帶外固定的作用機理,同時對“筋束骨”理論在拇外翻治療中的作用作了深入的探討。加深和提高了對中西醫(yī)結合治療拇外翻機理的認識,并證實了其科學內涵,對中西結合治療拇趾外翻理論和方法的不斷完善和發(fā)展產生深遠的影響。 5.創(chuàng)新點 1)建立拇趾外翻足不同方向截骨及“8”字繃帶外固定三維有限元模型,為拇外翻手術方法的評價及預后研究開辟新的思路。 2)模擬中西醫(yī)結合治療拇趾外翻截骨和固定方法,對截骨端應力、位移變化進行有限元分析,從生物力學機制方面證明中西醫(yī)結合治療拇趾外翻的科學性。
【關鍵詞】：拇外翻 有限元法 中西醫(yī)結合醫(yī)學 微創(chuàng)技術 截骨 彈性固定 步態(tài)分析
【學位授予單位】：中國中醫(yī)科學院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：R682
【目錄】：

• 摘要4-10
• Abstract10-21
• 前言21-25
• 第一部分 拇外翻足的有模型建立與驗證25-69
• 1. 足部相關組織材料參數測量實驗25-30
• 1.1 實驗目的25-26
• 1.2 材料與方法26-29
• 1.3 結果29-30
• 2. 拇外翻足有限元模型的建立30-50
• 2.1 材料與方法30-41
• 2.2 結果41-50
• 3. 拇外翻足Foot scan足底壓力測試50-54
• 3.1 材料和方法50-53
• 3.2 結果53-54
• 4. 有限元模型與Foot scan數據的比較及有限元模型的可靠性驗證54-56
• 4.1 有限元模型與Foot scan數據的靜態(tài)測試比較54-55
• 4.2 有限元模型與Foot scan數據的動態(tài)測試比較55-56
• 4.3 有限元模型有效性驗證結論56
• 5. 討論56-69
• 第二部分 第1跖骨頭頸部不同截骨方向截骨端穩(wěn)定性的有限元分析69-81
• 1. 材料與方法70-72
• 1.1 研究材料70-71
• 1.2 研究方法71-72
• 1.3 觀測項目72
• 2. 結果72-78
• 3. 討論78-81
• 第三部分 中西醫(yī)結合治療拇外翻固定方法對截骨端固定作用的有限元分析81-100
• 1. 外固定繃帶彈性模量的測定82-83
• 1.1 材料和方法82
• 1.2 結果82-83
• 2. "8"字繃帶與分趾墊外固定系統(tǒng)固定力測試83-85
• 2.1 材料與方法83-85
• 2.2 結果85
• 3. 拇外翻外固定方法對第1跖骨截骨端固定作用有限元分析85-87
• 3.1 材料與方法85-86
• 3.2 結果86-87
• 4. 討論87-100
• 第四部分 結論、創(chuàng)新與展望100-102
• 1. 全文總結100
• 2. 創(chuàng)新點100
• 3. 不足與展望100-102
• 參考文獻102-111
• 文獻綜述111-142
• 1. 三維有限元分析在足踝疾病的應用進展111-123
• 2. 拇趾外翻病因病機中醫(yī)認識與研究進展123-142
• 致謝142-143
• 個人簡歷143-144
• 中醫(yī)藥科研項目查新報告書144-149

【參考文獻】

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本文編號：621641