本文關(guān)鍵詞：中西醫(yī)結(jié)合治療拇趾外翻生物力學(xué)機(jī)制的有限元分析

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【摘要】： 1.研究背景 拇外翻是常見(jiàn)足部畸形,發(fā)病率約為10%,占足踝門(mén)診病人數(shù)量一半以上。主要表現(xiàn)為足部紅腫疼痛、行走困難,嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。目前拇外翻治療已有200多種術(shù)式,存在損傷大、并發(fā)癥多、療效差的缺點(diǎn)。中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)治療拇趾外翻畸形具有操作簡(jiǎn)單、患者痛苦小、合并癥少、療效確定等優(yōu)點(diǎn)。十多年來(lái)經(jīng)過(guò)導(dǎo)師的不斷完善、創(chuàng)新與發(fā)展,已經(jīng)形成了規(guī)范化的診療體系。目前該方法已治療2萬(wàn)多例拇外翻患者,其優(yōu)良率達(dá)98.5%。2002年獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。該方法技術(shù)要點(diǎn)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“8”字繃帶固定截骨端。摒棄西醫(yī)傳統(tǒng)的鋼板螺釘內(nèi)固定和石膏外固定方法,術(shù)后患者即能下地負(fù)重。此方法一經(jīng)提出,就受到了部分西醫(yī)骨科學(xué)者的質(zhì)疑�，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)為截骨的愈合需要截骨端間的穩(wěn)定,截骨復(fù)位后必須保持相對(duì)穩(wěn)定才能達(dá)到最佳愈合。人體在負(fù)重時(shí)足部負(fù)荷增大,尤其是在第1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,又不制動(dòng),會(huì)影響截骨端穩(wěn)定,可能會(huì)出現(xiàn)截骨端的延遲愈合,甚至不愈合。但事實(shí)是中西醫(yī)結(jié)合治療拇趾外翻方法,通過(guò)十多年的臨床應(yīng)用,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。如何分析中西醫(yī)結(jié)合治療拇趾外翻療法的科學(xué)之處,從生物力學(xué)角度研究中西醫(yī)結(jié)合治療拇趾外翻的機(jī)理,證實(shí)小夾板紙壓墊原理、“筋束骨”理論的科學(xué)內(nèi)涵,對(duì)中醫(yī)骨傷科治療骨折理論的發(fā)揚(yáng)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(xué)?截骨后根據(jù)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(duì)前足的生物力學(xué)會(huì)產(chǎn)生什么影響?這些問(wèn)題尚需做深入的研究。因此,十分必要對(duì)中西醫(yī)結(jié)合治療拇外翻相關(guān)生物力學(xué)機(jī)制進(jìn)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(xué)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(yīng)力分布,以及各種治療措施對(duì)足部影響。目前,對(duì)拇外翻足進(jìn)行有限元分析研究的報(bào)導(dǎo)很少,對(duì)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(xué)變化情況等方面的研究未見(jiàn)報(bào)道。研究中西醫(yī)結(jié)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(xué)機(jī)制,闡述本療法作用機(jī)理,進(jìn)一步證實(shí)其科學(xué)性,已成當(dāng)務(wù)之急。 2.研究目的 本研究擬通過(guò)建立拇外翻足有限元模型,分析中西醫(yī)結(jié)合治療拇外翻不同截骨角度截骨端位移和應(yīng)力變化,明確最佳截骨角度。探討“8”字繃帶外固定方式對(duì)截骨端穩(wěn)定和愈合的影響及其作用機(jī)理。提高對(duì)中西醫(yī)結(jié)合治療拇外翻科學(xué)內(nèi)涵認(rèn)識(shí),為中西結(jié)合治療拇外翻理論和方法的不斷完善和發(fā)展提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 3.研究?jī)?nèi)容 3.1拇外翻足的有限元模型建立與驗(yàn)證 3.1.1材料與方法 3.1.1.1足部相關(guān)組織材料參數(shù)測(cè)量 45歲女性左小腿-足新鮮標(biāo)本1具,解剖出拇長(zhǎng)屈肌及其肌腱、拇短屈肌內(nèi)外側(cè)頭、拇長(zhǎng)伸肌及其肌腱、拇收肌橫頭及斜頭、拇展肌,分別做成試樣。測(cè)試前將試樣進(jìn)行預(yù)加載拉伸,消除試樣的載荷蠕變。每個(gè)試樣重復(fù)測(cè)量4次,加載速率設(shè)為0.0835cm/min。采集強(qiáng)度極限、最大載荷等數(shù)據(jù)以及載荷-位移曲線。將載荷-位移曲線轉(zhuǎn)換為力-變形曲線,用力除以橫截面積,位移除以試件長(zhǎng)度,得到應(yīng)力-應(yīng)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(shù)據(jù)的獲得和存儲(chǔ) 選取拇趾外翻志愿者,青年女性,年齡28歲,身高168cm,體質(zhì)量62 kg,其右足HAV角為24°,IM角為13°。足部無(wú)其它畸形,無(wú)跖骨頭下痛性胼胝體,無(wú)足部手術(shù)和外傷史,無(wú)其他系統(tǒng)疾病引起的足部畸形。采用螺旋CT對(duì)患足進(jìn)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(chǔ)。 3.1.1.3拇外翻有限元模型建立 利用軟件對(duì)足部CT圖像進(jìn)行分割和輪廓數(shù)據(jù)提取處理,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)。根據(jù)自由曲面實(shí)體的建模規(guī)則,進(jìn)行足部骨骼曲面重構(gòu),獲得足部骨骼的三維實(shí)體模型并進(jìn)行裝配。出于簡(jiǎn)化模型減少計(jì)算量考慮,模型中僅考慮骨骼、軟骨、肌腱、足內(nèi)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(duì)材料參數(shù)賦值,進(jìn)行網(wǎng)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(gè)體質(zhì)量62kg拇外翻患者在雙足平衡站立時(shí),足部的受力情況；以及足跟在抬起趾背伸30°和70°時(shí),第1跖骨應(yīng)力分布和變化情況。設(shè)足底壓力、跟腱力和足底摩擦力為作用載荷。支撐結(jié)構(gòu)上表面和足底表面的相互作用定義為接觸關(guān)系,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,以集中力向上通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)面施加在壓力中心處,距骨上表面完全約束,踝關(guān)節(jié)處在平衡站立時(shí)的中立位。 3.1.1.5拇外翻足的Foot scan足底壓力測(cè)試 采用比利時(shí)RSscan公司生產(chǎn)的Foot scan USB21米平板式足底壓力測(cè)試系統(tǒng),對(duì)同一患者進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試前根據(jù)受試者的體重對(duì)測(cè)力板進(jìn)行校準(zhǔn)。分別在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下測(cè)量受試者足底受力情況,觀察足底6個(gè)區(qū)域的靜態(tài)壓力(P)以及動(dòng)態(tài)最大壓力(MP)。將測(cè)量數(shù)值與有限元分析結(jié)果對(duì)比,尋找兩者之間的關(guān)系,檢驗(yàn)有限元模型的可靠性。 3.1.2結(jié)果 1)通過(guò)測(cè)量和計(jì)算共獲得了9個(gè)樣本的相關(guān)數(shù)據(jù),主要包括：長(zhǎng)度、寬度、厚度、橫截面積、最大載荷、強(qiáng)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(shù)。 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(gè),模型重建了骨骼、軟骨、肌腱、內(nèi)在肌、皮膚等組織,共有67239個(gè)節(jié)點(diǎn),69189個(gè)單元。 3)有限元模型靜態(tài)足底應(yīng)力與Foot scan力板測(cè)量對(duì)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(shù)值非常接近。有限元模擬步態(tài)周期前足足底最大應(yīng)力換算值與相應(yīng)部位力板最大壓力測(cè)量值比較,變化趨勢(shì)相似。 3.1.3結(jié)論 本研究建立了包括骨骼、肌腱、內(nèi)在肌和皮膚等組織在內(nèi)的拇外翻足有限元模型,并對(duì)部分材料參數(shù)進(jìn)行了實(shí)測(cè),獲得了相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)Foot scan力板測(cè)試對(duì)有限元模型進(jìn)行了可靠性檢驗(yàn),證實(shí)有限元模型可靠,基本反映了拇外翻足的實(shí)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(gè)截骨方向,共7種工況。 3.2.1.2測(cè)試方法 模擬體質(zhì)量為62kg拇外翻患者第1跖骨截骨后,拇趾盡量跖屈站立時(shí),不同截骨角度截骨端的應(yīng)力和位移情況。截骨近端設(shè)為固定端,遠(yuǎn)端設(shè)為自由端,斷端間設(shè)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(zhǎng)肌和屈拇短肌對(duì)截骨端的影響,肌力以載荷表示,約為319N,設(shè)肌力載荷與第1跖骨長(zhǎng)軸平行。截骨端摩擦系數(shù)設(shè)為0.6。 3.2.1.3觀測(cè)項(xiàng)目 觀察在相同條件的負(fù)荷加載下,7種工況截骨斷端邊緣節(jié)點(diǎn)的最大M應(yīng)力值(VonMises)和總位移量V值,并進(jìn)行比較。 3.2.2結(jié)果 1)截骨端總位移從30°逐漸變小,至60°達(dá)到最小值,后逐漸增大,截骨角度超過(guò)90°后,位移有明顯加大的趨勢(shì)。最大位移發(fā)生在120°時(shí),為0.6486mm；最小位移發(fā)生在60°時(shí),為0.2833mm。 2)截骨端Von Mises應(yīng)力從30°逐漸增加,至75°達(dá)到第一個(gè)峰值,后應(yīng)力走平并有逐漸減小趨勢(shì),至105°應(yīng)力迅速增大。截骨端最大應(yīng)力出現(xiàn)在120°時(shí),為0.986Mpa；最小應(yīng)力出現(xiàn)在30°時(shí),為0.212Mpa。 3.2.3結(jié)論 通過(guò)有限元模型對(duì)第1跖骨矢狀面不同角度截骨的模擬和計(jì)算,發(fā)現(xiàn)60°左右時(shí)截骨端最穩(wěn)定。保持矢狀面上從遠(yuǎn)端背側(cè)到近端跖側(cè)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(jù)患者的不同情況適當(dāng)調(diào)整,截骨不應(yīng)采取固定的截骨角度。 3.3中西醫(yī)結(jié)合治療拇外翻外固定方法對(duì)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(shí)工況。模型各部分的材料特性和材料參數(shù)詳見(jiàn)前兩部分。 3.3.1.2測(cè)試方法 模擬體質(zhì)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(shí),截骨端的應(yīng)力和位移情況。將截骨近端設(shè)為固定端,遠(yuǎn)端為自由端,斷端間設(shè)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(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(gè)力,在分析時(shí)以載荷的方式表示。其它載荷和設(shè)置與前模型相同。 3.3.1.3觀測(cè)項(xiàng)目 觀測(cè)和計(jì)算截骨端的最大M應(yīng)力值(VonMises)和總位移及X、Y、Z軸三個(gè)方向的位移情況。 3.3.2結(jié)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(gè)方向位移很小。 2)截骨端Von Mises應(yīng)力值為0.712Mpa,應(yīng)力主要分布在截骨端的外側(cè)邊緣部位。 3.3.3結(jié)論 通過(guò)有限元法對(duì)中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)治療拇外翻術(shù)后“8”字繃帶彈性固定的模擬與計(jì)算,發(fā)現(xiàn)該固定方式可有效減小截骨端位移,應(yīng)力適中,能促進(jìn)截骨端以軟骨成骨的方式愈合。 4.總結(jié) 1)本研究建立了拇外翻足有限元模型,通過(guò)Foot scan力板測(cè)試證實(shí)有限元模型可靠。 2)第1跖骨矢狀面截骨角度在60°左右時(shí)截骨端最穩(wěn)定；截骨線方向從遠(yuǎn)端背側(cè)到近端跖側(cè)截骨端才能維持穩(wěn)定;最佳截骨角度要根據(jù)患者的不同情況適當(dāng)調(diào)整。 3)中西醫(yī)結(jié)合微創(chuàng)技術(shù)治療拇外翻術(shù)后“8”字繃帶彈性固定可有效減小截骨端位移,應(yīng)力適中,截骨端以軟骨成骨的方式愈合。 該研究通過(guò)有限元法分析中西醫(yī)結(jié)合治療拇外翻截骨角度的選擇和固定方式對(duì)截骨端穩(wěn)定和愈合的影響,從生物力學(xué)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(jī)理,同時(shí)對(duì)“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(duì)中西醫(yī)結(jié)合治療拇外翻機(jī)理的認(rèn)識(shí),并證實(shí)了其科學(xué)內(nèi)涵,對(duì)中西結(jié)合治療拇趾外翻理論和方法的不斷完善和發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 5.創(chuàng)新點(diǎn) 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(shù)方法的評(píng)價(jià)及預(yù)后研究開(kāi)辟新的思路。 2)模擬中西醫(yī)結(jié)合治療拇趾外翻截骨和固定方法,對(duì)截骨端應(yīng)力、位移變化進(jìn)行有限元分析,從生物力學(xué)機(jī)制方面證明中西醫(yī)結(jié)合治療拇趾外翻的科學(xué)性。
【關(guān)鍵詞】：拇外翻 有限元法 中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)學(xué) 微創(chuàng)技術(shù) 截骨 彈性固定 步態(tài)分析
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類(lèi)號(hào)】：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(yàn)證25-69
• 1. 足部相關(guān)組織材料參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)25-30
• 1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>25-26
• 1.2 材料與方法26-29
• 1.3 結(jié)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(jié)果41-50
• 3. 拇外翻足Foot scan足底壓力測(cè)試50-54
• 3.1 材料和方法50-53
• 3.2 結(jié)果53-54
• 4. 有限元模型與Foot scan數(shù)據(jù)的比較及有限元模型的可靠性驗(yàn)證54-56
• 4.1 有限元模型與Foot scan數(shù)據(jù)的靜態(tài)測(cè)試比較54-55
• 4.2 有限元模型與Foot scan數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)測(cè)試比較55-56
• 4.3 有限元模型有效性驗(yàn)證結(jié)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(cè)項(xiàng)目72
• 2. 結(jié)果72-78
• 3. 討論78-81
• 第三部分 中西醫(yī)結(jié)合治療拇外翻固定方法對(duì)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(cè)定82-83
• 1.1 材料和方法82
• 1.2 結(jié)果82-83
• 2. "8"字繃帶與分趾墊外固定系統(tǒng)固定力測(cè)試83-85
• 2.1 材料與方法83-85
• 2.2 結(jié)果85
• 3. 拇外翻外固定方法對(duì)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(jié)果86-87
• 4. 討論87-100
• 第四部分 結(jié)論、創(chuàng)新與展望100-102
• 1. 全文總結(jié)100
• 2. 創(chuàng)新點(diǎn)100
• 3. 不足與展望100-102
• 參考文獻(xiàn)102-111
• 文獻(xiàn)綜述111-142
• 1. 三維有限元分析在足踝疾病的應(yīng)用進(jìn)展111-123
• 2. 拇趾外翻病因病機(jī)中醫(yī)認(rèn)識(shí)與研究進(jìn)展123-142
• 致謝142-143
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷143-144
• 中醫(yī)藥科研項(xiàng)目查新報(bào)告書(shū)144-149

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：621641