跟骨三維形態(tài)學(xué)參數(shù)與踝后足功能的關(guān)系

1、www.CRTER.org許燦，等. 跟骨三維形態(tài)學(xué)參數(shù)與踝后足功能的關(guān)系跟骨三維形態(tài)學(xué)參數(shù)與踝后足功能的關(guān)系許 燦，李明清，李康華，劉 華(中南大學(xué)湘雅醫(yī)院骨科，湖南省長沙市 410008)引用本文：許燦，李明清，李康華，劉華. 跟骨三維形態(tài)學(xué)參數(shù)與踝后足功能的關(guān)系J.中國組織工程研究，2016，20(46): 6899-6906.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.46.008 ORCID: 0000-0003-3878-3963(許燦)文章快速閱讀：跟骨三維形態(tài)學(xué)參數(shù)與踝后足功能的關(guān)系許燦，男，1985年生，湖南省岳陽市人，漢族，中南大學(xué)湘雅醫(yī)院畢業(yè)，博

2、士，主治醫(yī)師，主要從事足踝畸形與創(chuàng)傷研究。通訊作者：劉華，博士，副主任醫(yī)師，中南大學(xué)湘雅醫(yī)院骨科，湖南省長沙市 410008中圖分類號:R318文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:2095-4344(2016)46-06899-08稿件接受：2016-09-07明確跟骨形態(tài)學(xué)參數(shù)與踝后足功能的相關(guān)性生物力學(xué)加載ANSYS有限元分析截骨構(gòu)建跟骨骨折模型MIMICS構(gòu)建足踝有限元模型人體標(biāo)本收集與實驗準(zhǔn)備跟骨骨折預(yù)后因素分析與實驗設(shè)計CT掃描健康人體足踝部文題釋義：跟骨形態(tài)：跟骨外形復(fù)雜，是足部最大的不規(guī)則骨。跟骨三維形態(tài)學(xué)參數(shù)包括跟骨高度、寬度、長度以及Gissane角、Bohler角等。跟骨骨折往往伴隨著

3、各形態(tài)學(xué)參數(shù)的復(fù)雜改變，各形態(tài)學(xué)參數(shù)改變后對踝-后足的功能會產(chǎn)生不同程度的影響。數(shù)值實驗：傳統(tǒng)生物力學(xué)實驗通常以人體或動物標(biāo)本作為實驗對象，而數(shù)值實驗(以三維有限元法為代表)也是骨科生物力學(xué)研究的有效手段，可以對許多生物力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行定量分析，在踝足生物力學(xué)分析方面有很多成功的先例。三維有限元分析的優(yōu)勢在于可以對載荷，邊界條件等參數(shù)進(jìn)行變更，從而模擬各種實驗條件。三維有限元法很早就被應(yīng)用于術(shù)前計劃和手術(shù)療效的預(yù)判，其輸出的參數(shù)例如肌腱和韌帶的應(yīng)力，接觸面積和壓力等都極具價值。摘要背景：跟骨整體形態(tài)與后距下關(guān)節(jié)面解剖對位都是跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折手術(shù)治療的重要預(yù)后因素，但當(dāng)前仍缺少系統(tǒng)的生物力學(xué)實驗證實跟

4、骨三維形態(tài)學(xué)參數(shù)對于踝-后足功能的重要性。目的：綜合利用實體實驗與數(shù)值分析方法，明確跟骨三維形態(tài)學(xué)參數(shù)與踝后足功能的相關(guān)性。方法：首先使用人體踝足尸體標(biāo)本構(gòu)建跟骨高度、寬度和長度異常模型，通過生物力學(xué)加載支架對各組模型進(jìn)行加載，分析跟骨高度丟失、寬度增加和長度短縮模型的動力學(xué)數(shù)據(jù)。進(jìn)而構(gòu)建正常人體踝后足有限元模型，在其基礎(chǔ)上建立跟骨高度丟失、寬度增加和長度短縮數(shù)值模型，計算后距下關(guān)節(jié)面的接觸特征。結(jié)果與結(jié)論：跟骨寬度增加和長度短縮會部分限制踝后足的活動度，跟骨高度丟失則會引起距下關(guān)節(jié)活動度增加；跟骨寬度增加會增加距下關(guān)節(jié)的接觸面積，高度丟失會減少距下關(guān)節(jié)的接觸面積，并使關(guān)節(jié)應(yīng)力中心向關(guān)節(jié)面前下

5、方移動；跟骨三維形態(tài)學(xué)參數(shù)的改變會導(dǎo)致踝后足生物力學(xué)異常，因此跟骨骨折修復(fù)治療中應(yīng)當(dāng)細(xì)致恢復(fù)跟骨的整體形態(tài)。關(guān)鍵詞：組織構(gòu)建；骨組織工程；跟骨骨折；形態(tài)學(xué)；生物力學(xué)；有限元分析；踝后足；國家自然科學(xué)基金主題詞：跟骨；骨折；生物力學(xué)；有限元分析；組織工程基金資助：國家自然科學(xué)基金青年基金項目(81301543)6875 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 kf23385083Relationship between ankle-hind foot function and calcaneal three-dimensional morphological parameter

6、sXu Can, Li Ming-qing, Li Kang-hua, Liu Hua (Department of Orthopaedics, Xiangya Hospital of Central South University, Changsha 410008, Hunan Province, China)AbstractBACKGROUND: Both the overall appearance of the calcaneus and anatomical reduction of posterior subtalar joint are important prognostic

7、 factors of calcaneal intra-articular fracture repair. However, there is a lack of biomechanical data supporting the clinical importance of calcaneus height, length and heel width for the ankle-hind foot function. OBJECTIVE: To determine the correlation of the three-dimensional morphological paramet

8、ers with the ankle-hind foot biomechanics as determined by the entity experiment and numerical analysis.METHODS: Models of abnormal calcaneus height, length and width were constructed in the human cadaveric feet and underwent a biomechanical load. The kinematics of the ankle-hind foot were compared

9、between normal and simulated calcaneal fractures with reductions in calcaneal height and length as well as increases in calcaneal width. In finite element analysis, static loading was simulated at an axial load with the subtalar joint in a neutral position, and the effects of the injured calcaneus o

10、n the contact characteristics of the subtalar joints were evaluated in terms of contact areas, peak contact pressures and pressure distributions. RESULTS AND CONCLUSION: The increase in calcaneal width somewhat limited the subtalar motion, and the reduction in length mainly limited the external rota

11、tion and plantar flexion of the subtalar joint. However, the reduction in height mainly resulted in the subtalar rotatory instability. The increase in width broadened the contact area but more notably increased the high pressure contact zone. With height loss, the overall contact area decreased, and

12、 the contact pressure center shifted to the anteroinferior portion of articulation. In conclusion, the normal biomechanics of the ankle-hind foot are severely disrupted by the abnormal calcaneus morphology. Therefore, the three-dimensional calcaneus morphology must be carefully restored in the treat

13、ment of calcaneus fractures.Subject headings: Calcaneus; Fractures, Bone; Biomechanics; Finite Element Analysis; Tissue EngineeringFunding: the National Natural Science Foundation for the Youth of China, No. 81301543Cite this article: Xu C, Li MQ, Li KH, Liu H. Relationship between ankle-hind foot f

14、unction and calcaneal three-dimensional morphological parameters. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(46):6899-6906.Xu Can, M.D., Attending physician, Department of Orthopaedics, Xiangya Hospital of Central South University, Changsha 410008, Hunan Province, ChinaCorresponding author: Liu Hua, M

15、.D., Associate chief physician, Department of Orthopaedics, Xiangya Hospital of Central South University, Changsha 410008, Hunan Province, China6903ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction跟骨外形復(fù)雜，是足部最大的不規(guī)則骨。跟骨與上方的距骨相關(guān)節(jié)，構(gòu)成距下關(guān)節(jié)。而距下關(guān)節(jié)是踝后足結(jié)構(gòu)的重要組成部分，跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折常常導(dǎo)致距下關(guān)節(jié)功能的嚴(yán)重破壞。臨床上，跟骨骨折的治療原則包括

16、：距下關(guān)節(jié)面的解剖復(fù)位以及跟骨整體三維形態(tài)的恢復(fù)。對于跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，術(shù)中必須對跟骨的后距下關(guān)節(jié)面進(jìn)行解剖復(fù)位，這一觀點的重要性已經(jīng)被生物力學(xué)實驗研究證實。已有研究表明，1.0-2.0 mm的關(guān)節(jié)面臺階就會導(dǎo)致后距下關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布的改變1-2，并且直接導(dǎo)致術(shù)后距下關(guān)節(jié)功能的障礙3-4。因此，當(dāng)跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折的后距下關(guān)節(jié)面移位達(dá)到2 mm及以上時，實施手術(shù)并進(jìn)行術(shù)中復(fù)位是有明確共識的。然而對于跟骨三維形態(tài)的整體修復(fù)，當(dāng)前仍然缺少有力的生物力學(xué)實驗證實其對于踝-后足功能的重要性。跟骨高度、寬度和長度的改變是否會嚴(yán)重破壞踝-后足的功能仍需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳锪W(xué)實驗對其進(jìn)行研究。課題利用尸體標(biāo)本實驗與數(shù)值模

17、擬分析相結(jié)合的方法，對跟骨三維形態(tài)學(xué)參數(shù)的改變進(jìn)行了定量模擬，并對跟骨高度、寬度和長度的改變所導(dǎo)致的距下關(guān)節(jié)生物力學(xué)功能的影響進(jìn)行定量分析，以明確跟骨三維形態(tài)學(xué)參數(shù)與踝后足功能的相關(guān)性。1 材料和方法 Materials and methods 1.1 設(shè)計 基礎(chǔ)性生物力學(xué)實驗。1.2 時間及地點 于2014年10月至2016年2月在中南大學(xué)附屬湘雅醫(yī)院骨科研究所及中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室完成。1.3 材料 尸體實體實驗過程中共使用了16具踝足尸體標(biāo)本，所有尸體標(biāo)本來源于中南大學(xué)湘雅醫(yī)院，患者死因包括車禍外傷以及心血管意外等。實驗過程經(jīng)過了中南大學(xué)湘雅醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，所用于研究的尸體

18、標(biāo)本均由患者家屬簽署了知情同意書。死亡患者的平均年齡為(38.7±1.5)歲，其中20-50歲患者13例，50歲以上患者3例。數(shù)值分析實驗中使用了1名在中南大學(xué)湘雅醫(yī)院進(jìn)行健康體檢的健康志愿者的右踝關(guān)節(jié)CT掃描數(shù)據(jù)，男性，25歲，對實驗方案知情同意。1.4 方法 尸體實驗部分：在尸體標(biāo)本上對跟骨進(jìn)行了模擬截骨，制做了跟骨高度降低、寬度增加以及長度短縮的尸體標(biāo)本模型。進(jìn)而對形態(tài)參數(shù)改變前后的距下關(guān)節(jié)動力學(xué)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析；數(shù)值模擬分析部分：首先構(gòu)建了一個正常的人體踝-后足有限元模型，而后利用尸體標(biāo)本的實驗數(shù)據(jù)驗證數(shù)值模型的有效性。接著在正常模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建形態(tài)參數(shù)改變的數(shù)值模型，

19、最后在踝-后足中立位下，計算跟骨后距下關(guān)節(jié)面的應(yīng)力分布。1.4.1 尸體標(biāo)本實驗 所獲得的踝足尸體標(biāo)本在踝關(guān)節(jié)以上30 cm處進(jìn)行脛腓骨截骨，皮膚、皮下組織以及肌肉均做銳性剝離，但保留脛腓骨骨間膜以及踝足部韌帶。為保持標(biāo)本組織的生物力學(xué)特性，所有標(biāo)本在-20 條件下進(jìn)行儲存。實驗開始前在室溫下解凍6 h，實驗過程中，間斷對標(biāo)本表面噴灑生理鹽水以保持軟組織濕潤。實驗使用了自行設(shè)計的生物力學(xué)標(biāo)本固定架與生物力學(xué)加載支架(圖1)。首先將標(biāo)本固定于支架上，使用固定架上的2個不銹鋼圓環(huán)以及10枚螺釘進(jìn)行固定，以保證脛腓骨在實驗中始終垂直于水平面，同時將前足置于加載支架上的1對滑輪與繩索構(gòu)成的滑輪組上，使

20、踝后足結(jié)構(gòu)在靜息狀態(tài)下處于中立位。標(biāo)本固定后，使用加載支架上的滑輪通過牽引砝碼起到加載外力的作用(圖1)。 圖1 使用自行設(shè)計的標(biāo)本固定支架和生物力學(xué)加載支架固定并對標(biāo)本進(jìn)行生物力學(xué)加載Figure 1 Biomechanical load was carried out on the specimen using self-designed specimens fixed and load bracket圖注：脛腓骨近端使用鋼環(huán)與螺釘固定，前足放置于由2個滑輪構(gòu)成的滑輪組上，并使前足處于水平位置，使踝后足處于中立位。建模時使用擺鋸對跟骨后丘部進(jìn)行截骨以制作跟骨高度降低模型(共5具標(biāo)本)，對跟

21、骨前突部進(jìn)行冠狀面截骨以制作跟骨長度短縮模型(共5具標(biāo)本)，對跟骨矢狀面進(jìn)行截骨以制作跟骨寬度增加模型(共5具標(biāo)本)。截骨塊之間使用3.5 mm螺釘進(jìn)行固定(圖2)。截骨時仔細(xì)操作，以避免損傷踝后足關(guān)節(jié)周圍韌帶。實驗中1具標(biāo)本因為截骨時發(fā)生腓骨遠(yuǎn)端骨折而作廢，故最終使用了15具標(biāo)本進(jìn)行實驗。 圖2 使用擺鋸對跟骨進(jìn)行截骨以制作跟骨高度丟失、寬度增加和長度短縮模型Figure 2 The pendulum saw was used on the calcaneus to prepare a model with the height loss, width increase and length

22、 shortening實驗中為測量活動度，在距下關(guān)節(jié)周圍安裝了4對螺釘作為標(biāo)志物，其中1對位于脛骨，3對位于跟骨(圖3)。加載過程中，用2 kg砝碼通過加載支架上的滑輪牽引攻入跟骨各部位的螺釘，加載螺釘?shù)奈恢帽M量置于跟骨在各個平面的旋轉(zhuǎn)中心。砝碼加載穩(wěn)定后使用數(shù)碼相機(jī)拍照記錄(圖4)。拍照時，相機(jī)置于距離標(biāo)本30 cm處并垂直于觀測平面。為保證加載前后的照片有可比性，在加載前，使用相同大小的坐標(biāo)紙置于觀測平面，將相機(jī)鏡頭的焦點調(diào)整到跟骨標(biāo)志物上，并使坐標(biāo)紙總是占用1 280×720象素的范圍。正式拍照前，對標(biāo)本進(jìn)行3次循環(huán)加載，以消除軟組織黏彈性對關(guān)節(jié)活動度測量造成的誤差。拍照完成后

23、，利用軟件在獲得圖像上對相應(yīng)平面內(nèi)的標(biāo)志物進(jìn)行劃線，并測量相應(yīng)角度，最終獲得關(guān)節(jié)活動度數(shù)據(jù)。 圖3 為測量踝后足關(guān)節(jié)活動度，在踝后足安裝了4對螺釘作為標(biāo)志物Figure 3 Four pairs of screws were installed as markers on the calcaneus to measure the range of motion圖4 使用數(shù)碼相機(jī)記錄相應(yīng)平面的活動度Figure 4 The range of motion as recorded by digital camera全部實驗包括以下幾組模型：截骨前完整跟骨；跟骨后丘高度降低3，6 mm(H3，H6)

24、；跟骨寬度增加3，6 mm(W3，W6)；跟骨前突短縮3，6 mm(L3，L6)。1.4.2 數(shù)值模擬分析 數(shù)值模擬分析部分主要進(jìn)行靜力學(xué)分析實驗，以比較踝后足中立位負(fù)重狀態(tài)下后距下關(guān)節(jié)面的應(yīng)力分布。首先使用CT掃描1名健康志愿者的右踝關(guān)節(jié)。掃描時踝關(guān)節(jié)固定于中立位。將獲取的CT圖像導(dǎo)入醫(yī)學(xué)仿真建模軟件MIMICS 15.0(Materialise software，Leuven，Belgium)中，在MIMICS中選擇相應(yīng)的灰度閾值進(jìn)行劃分，從而將脛腓骨遠(yuǎn)端、完整的距骨和跟骨、舟骨的邊緣形態(tài)提取出來。為各骨建立相應(yīng)的3D模型后，再將各模型導(dǎo)入MIMICS附帶的3-Matic軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)

25、格劃分，并將一些不規(guī)則的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)和平滑處理。最后將各骨有限元模型逐次導(dǎo)入到ANSYS15.0 (Swanson Inc.，Houston，PA)進(jìn)行有限元分析。關(guān)節(jié)面應(yīng)力分析的關(guān)鍵在于關(guān)節(jié)面軟骨的構(gòu)建。為模擬脛距關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)之間的軟骨，可使用建模軟件在各關(guān)節(jié)的軟骨下骨上垂直“延伸構(gòu)建”一定厚度的“軟骨”(圖5)。這一方法可以保證關(guān)節(jié)面軟骨形態(tài)的精確性，并直接決定有限元分析計算的最后結(jié)果5。已有的解剖學(xué)數(shù)據(jù)顯示，距骨的關(guān)節(jié)面軟骨的平均厚度是(1.35±0.22) mm(男性)以及(1.11±0.28) mm(女性)6。本文為簡化實驗，將距骨的軟骨厚度設(shè)定為1.2 m

26、m。劃分網(wǎng)格時，骨性結(jié)構(gòu)的平均網(wǎng)格體積為1.5 mm3，軟骨的平均網(wǎng)格體積為0.2 mm3；有限元模型收斂性分析顯示這樣的網(wǎng)格密度可以兼顧分析的精度和效率。圖5 踝后足模型的跟骨后距下關(guān)節(jié)軟骨放大圖Figure 5 Enlarged view of the subtalar joint of the ankle-hind foot model 韌帶結(jié)構(gòu)使用僅受拉力的桿單元來模擬。韌帶起止點根據(jù)解剖學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)7，不同的韌帶根據(jù)其長寬比用不同數(shù)量的桿單元來模擬8。踝關(guān)節(jié)周圍韌帶的生物力學(xué)性能可利用公式F=A(eB×-1)和參數(shù)A、B來定義，公式中F指韌帶應(yīng)力，指韌帶應(yīng)變9。距跟骨間韌

27、帶的材料參數(shù)以往文獻(xiàn)未見報道，但它與脛距后韌帶有相似的截面積和表面形態(tài)10，故本文采用了脛距后韌帶的材料數(shù)據(jù)替代距跟骨間韌帶。關(guān)節(jié)面軟骨設(shè)定為各向同性線彈性材料(E=10 MPa，=0.45)11。由于骨的彈性模量遠(yuǎn)大于軟組織，所以骨性結(jié)構(gòu)可以使用剛性單元進(jìn)行劃分。關(guān)節(jié)軟骨使用可變形的3D四面體單元進(jìn)行劃分。關(guān)節(jié)面軟骨與軟骨下骨之間使用綁定接觸，軟骨接觸面之間則設(shè)置為滑動接觸。全部模型包含78 940的單元以及28 517個節(jié)點(圖6)。模型構(gòu)建完成后，使用與尸體標(biāo)本實驗相同的邊界條件進(jìn)行模擬分析，其邊界條件的加載點參考實體實驗位置進(jìn)行取點。 圖6 踝后足有限元模型Figure 6 The f

28、inite element model of the ankle-hind foot圖注：從左至右依次為內(nèi)側(cè)觀、前面觀、外側(cè)觀。為模擬跟骨高度、寬度和長度的改變，首先根據(jù)跟骨的形態(tài)特點，利用MIMICS軟件對跟骨進(jìn)行5部分截骨，分別包括跟骨前突部、體部、結(jié)節(jié)部、載距突部以及后丘部(圖7)。由于建模軟件模擬截骨比尸體標(biāo)本實驗中的擺鋸截骨更加精確可控，故而在模擬截骨時，細(xì)化了實驗的分組。最終形成以下數(shù)值模型：高度實驗組H1-H4，H6和H8：正常跟骨高度-1/2/3/4/6/8 mm(圖8A)；寬度實驗組W1-W4，W6和W8：正常跟骨寬度+1/2/3/4/6/8 mm (圖8B)；長度實驗組L1

29、、L2、L4、L6：正常前突部長度-1/2/4/6 mm(圖8C)。在建模軟件中完成模擬后，將所有模型再次回輸至有限元分析軟件中進(jìn)行數(shù)值分析。分析時在踝關(guān)節(jié)上方加載700 N垂直作用力，并使踝后足處于中立位，計算出后距下關(guān)節(jié)的接觸面積、應(yīng)力峰值和應(yīng)力分布后與正常關(guān)節(jié)面的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以尋找其中的規(guī)律。1.5 主要觀察指標(biāo) 各組模型(包括實體與數(shù)值模型)的跟骨活動度，包括內(nèi)外旋、內(nèi)外翻以及內(nèi)收外展；數(shù)值實驗中觀察指標(biāo)還包括距下關(guān)節(jié)面的應(yīng)力分布。1.6 統(tǒng)計學(xué)分析 獲得的實驗數(shù)據(jù)使用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。首先使用Shapiro-Wlik檢驗檢查實驗數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布，進(jìn)而采用配對t

30、檢驗比較截骨前后的關(guān)節(jié)活動度。P < 0.05認(rèn)為差異有顯著性意義。CBA圖8 構(gòu)建跟骨高度、寬度和長度異常模型Figure 8 Construction of the calcaneus models with abnormal height, width and length圖注：圖A為高度丟失模型，H1，2，3，4，6，8分別表示正常高度丟失1，2，3，4，6，8 mm；B為寬度增加模型，W1，2，3，4，6，8分別表示正常寬度增加1，2，3，4，6，8 mm；C為長度短縮模型，L1，2，4，6分別表示正常長度短縮1，2，4，6 mm。圖7 MIMICS軟件中對跟骨進(jìn)行5部分截骨F

31、igure 7 Five osteotomies were simulated on a normal calcaneus using MIMICS software圖注：a為前突部，b為體部，c為結(jié)節(jié)部，d為后丘部，e為載距突部。圖9 正常跟骨后距下關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力分布云圖Figure 9 Contact stress distribution of the posterior facet of the subtalar joint for the normal case圖10 寬度增加模型的后距下關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力分布云圖Figure 10 Representative pressure dis

32、tribution of the posterior facet of the subtalar joint in injured models with width increases圖注：圖A-F分別代表W1，2，3，4，6，8，表示正常寬度增加1，2，3，4，6，8 mm。1.001.00.2接觸面占后距下關(guān)節(jié)面的比例0 2 4 6 8 高度丟失寬度增加BAFECACBDEDF圖11 高度丟失模型的后距下關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力分布云圖Figure 11 Representative pressure distribution

33、 of the posterior facet of the subtalar joint in injured models with height loss圖注：圖A-F分別代表H1，2，3，4，6，8，表示正常高度丟失1，2，3，4，6，8 mm。圖12 接觸面占后距下關(guān)節(jié)面的比例Figure 12 The occupied ratio of total contact area in the posterior facet of subtalar joint高應(yīng)力區(qū)域(> 6 MPa)占接觸面積的比例高度丟失寬度增加(mm)(mm)0 2 4 6 8 圖13 高應(yīng)力區(qū)域(>

34、 6 MPa)占接觸面積的比例Figure 13 Ratio of high-pressure-contact area (> 6 MPa) to the contact area2 結(jié)果 Results 2.1 尸體標(biāo)本實驗結(jié)果 表1顯示的是高度實驗組在截骨前后(完整跟骨、H3和H6)踝后足在20 N作用力下的活動度。平均內(nèi)翻角度從截骨前的(7.25±0.35)°減少到H3組的(5.85±0.49)°以及H6組的(4.85±0.63)°，其差異有顯著性意義。外翻角度則從完整組的(6.05±1.06)°增加到

35、H3組表4 尸體標(biāo)本實驗與踝足有限元模型的活動度比較 (°)Table 4 Comparison of the range of motion of the ankle-hind foot in the finite element model and cadaver specimen實驗內(nèi)翻外翻內(nèi)旋外旋跖曲背屈實體實驗(±s)6.45±1.085.96±0.768.60±2.249.76±2.8941.10±4.0613.0±4.95數(shù)值實驗 7.505.208.507.8037.7015.40表2 跟骨寬度增加

36、組尸體標(biāo)本實驗的踝后足活動度變化(°)Table 2 The range of motion of the ankle-hind foot in the width increase model表1 跟骨高度丟失組尸體標(biāo)本實驗的踝后足活動度變化(°)Table 1 The range of motion of the ankle-hind foot in the height loss model項目截骨前(±s)W3(±s)W6(±s)內(nèi)翻6.40±0.405.80±0.403.15±0.15a外翻5.90

37、77;0.405.05±0.254.25±0.15a內(nèi)旋11.15±0.757.45±1.753.85±0.75a外旋11.95±1.756.90±0.604.95±0.45跖曲39.65±1.3535.50±3.0032.35±1.65背屈18.68±2.0514.45±0.9512.80±1.30a項目截骨前(±s)H3(±s)H6(±s)內(nèi)翻7.25±0.355.85±0.49a4.85±0

38、.63a外翻6.05±1.068.85±0.91a10.35±1.06a內(nèi)旋6.60±0.8011.35±1.15a14.40±0.70a外旋6.95±1.7510.00±2.5013.90±2.20a跖曲11.90±1.9014.00±1.5016.35±1.35a背屈40.65±5.0542.50±5.0047.25±6.05a表注：與截骨前比較，aP < 0.05。W3，6分別表示正常寬度增加3，6 mm。表注：與截骨前比較，aP &

39、lt; 0.05。H3，6分別表示正常高度丟失3，6 mm。表3 跟骨長度短縮組尸體標(biāo)本實驗的踝后足活動度變化(°)Table 3 The range of motion of the ankle-hind foot in the length reduction model項目截骨前(±s)L3(±s)L6(±s)內(nèi)翻5.70±1.207.05±0.357.80±0.50外翻5.95±0.855.90±0.306.20±0.20內(nèi)旋8.05±0.757.45±0.456.9

40、0±0.10外旋10.40±1.306.45±0.75a4.15±0.95a跖曲43.25±2.6533.85±1.55a30.15±1.35a背屈8.55±0.8514.50±0.8016.85±1.35表注：與截骨前比較，aP < 0.05。L3，6分別表示正常長度短縮3，6 mm。的(10.35±8.85)°和H6組的(10.35±1.06)°，其差異有顯著性意義。但是H3組與完整組的外旋、跖曲和背伸角度之間差異無顯著性意義。只有當(dāng)高度丟失達(dá)到

41、6 mm時，距下關(guān)節(jié)的外旋、跖曲和背伸角度才出現(xiàn)顯著性增加。表2顯示的是寬度實驗組在截骨前后(完整跟骨、W3和W6)踝后足在20 N作用力下的活動度。寬度增加 3 mm時，踝后足的活動度與完整組差異無顯著性意義，當(dāng)寬度增加到6 mm時，距下關(guān)節(jié)的內(nèi)、外翻以及內(nèi)旋、背曲角度顯著降低。表3顯示的是長度實驗組在截骨前后(完整跟骨、L3和L6)踝后足在20 N作用力下的活動度。距下關(guān)節(jié)的外旋角度從截骨前的(10.4±1.3)°降低到L3組的(6.45±0.75)°以及L6組的(4.15±0.95)°，其差異有顯著性意義。跖曲角度從截骨前的(4

42、3.25±2.65)°減少到L3組的(33.85±1.55)°以及L6組的(30.15±1.35)°，其差異有顯著性意義。但L3和L6組的內(nèi)外翻、內(nèi)旋以及背曲角度與完整跟骨組差異無顯著性意義。2.2 數(shù)值模擬分析結(jié)果 有限元模型構(gòu)建完成后，為保證模型的有效性，必須將相同邊界條件下尸體標(biāo)本模型的實驗數(shù)據(jù)與有限元分析的結(jié)果進(jìn)行對比。只有當(dāng)有限元分析的結(jié)果落入尸體標(biāo)本實驗數(shù)據(jù)的可信區(qū)間范圍內(nèi)時，才可以認(rèn)為模型是有效的。本文首先計算了15具尸體標(biāo)本在截骨前的距下關(guān)節(jié)活動度均數(shù)，進(jìn)而與完整有限元模型的距下關(guān)節(jié)活動度進(jìn)行對比。表4顯示的有限元分析

43、結(jié)果和實體實驗的均數(shù)對比，所有數(shù)值實驗的活動度均落入實體模型活動度的可信區(qū)間，可見有限元模型是有效的。跟骨完整組的距下關(guān)節(jié)后關(guān)節(jié)面應(yīng)力分析計算結(jié)果如圖9所示。跟骨寬度增加組和高度丟失組的分析結(jié)果如圖10，11所示。由于長度短縮組的分析結(jié)果與跟骨完整組的分析結(jié)果相同，故未列出。跟骨完整條件下，關(guān)節(jié)的接觸面積占到整個后距下關(guān)節(jié)面積的73%，其中壓力大于6 MPa的高應(yīng)力區(qū)域面積占接觸面積的6.1%(圖12，13)。分析結(jié)果顯示正常情況下，身體重力主要通過后距下關(guān)節(jié)面的前下部分向前足傳遞，部位接近跗骨竇下方的Gissane角，距下關(guān)節(jié)的接觸面主要位于后距下關(guān)節(jié)面的后外側(cè)部與前部。跟骨寬度增加一定程度

44、上增加了關(guān)節(jié)面的接觸面積，但高應(yīng)力區(qū)域的面積增加更加明顯，并且使得接觸面的應(yīng)力中心向內(nèi)側(cè)移動(圖10)。高度丟失后，總的接觸面積減小了，同時接觸面的應(yīng)力中心向前移動(圖11)，但是峰值應(yīng)力仍基本保持不變，提示通過后距下關(guān)節(jié)面?zhèn)鬟f的重力減少，這必然導(dǎo)致一部分重力將通過其他路徑向前足傳遞，而這一路徑很可能是跟骰關(guān)節(jié)。圖12，13顯示的是后距下關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布的定量分析結(jié)果。當(dāng)跟骨寬度從1 mm增加到8 mm后，接觸面占關(guān)節(jié)總面積的比例從0.73增加到0.935；而當(dāng)跟骨高度丟失從1 mm下降到8 mm后，這一比例從0.73降低到0.238(圖12)。當(dāng)寬度增加或者高度丟失后，高應(yīng)力區(qū)域(> 6

45、 MPa)的面積占總接觸面積的比例也隨之增高(圖13)。例如正常模型的比值為0.061，當(dāng)寬度增加到4 mm時比值為0.977，增加到8 mm時則比值增加到0.997。3 討論 Discussion距下關(guān)節(jié)后關(guān)節(jié)面臺階是影響跟骨骨折預(yù)后的重要因素12，其臨床意義已被生物力學(xué)實驗研究結(jié)果所證實。尸體標(biāo)本實驗研究顯示，后距下關(guān)節(jié)面1.0-2.0 mm的臺階就會導(dǎo)致關(guān)節(jié)面應(yīng)力的明顯改變1-2，這將導(dǎo)致關(guān)節(jié)面軟骨的過早退變，并最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)融合。因此，對跟骨后距下關(guān)節(jié)面移位達(dá)到2 mm以上的跟骨骨折進(jìn)行手術(shù)復(fù)位是證據(jù)明確的。但是，即便術(shù)中對跟骨的后距下關(guān)節(jié)面進(jìn)行了解剖復(fù)位，跟骨骨折患者仍然常常出現(xiàn)距下關(guān)

46、節(jié)僵硬13。有研究者認(rèn)為，距下關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸和關(guān)節(jié)面斜向走行，其功能的正常運(yùn)作與跟骨結(jié)節(jié)的位置以及跟骨內(nèi)外側(cè)壁形態(tài)都有關(guān)聯(lián)14-15。對這一特點認(rèn)識不夠可能是距下關(guān)節(jié)面解剖復(fù)位后仍然出現(xiàn)距下關(guān)節(jié)僵硬的重要原因16。過去許多年來，跟骨骨折臨床治療中所認(rèn)識到的一個重要概念就是跟骨的整體三維形態(tài)必須仔細(xì)復(fù)位，而不能單純強(qiáng)調(diào)后距下關(guān)節(jié)面的復(fù)位或者單純追求跟骨某一個形態(tài)參數(shù)(長度、高度或?qū)挾?的恢復(fù)16。實際上，跟骨的整體三維形態(tài)與跟骨后距下關(guān)節(jié)都是影響跟骨骨折預(yù)后的重要因素。研究發(fā)現(xiàn)，距下關(guān)節(jié)面臺階、足跟增寬以及跟腓撞擊都與跟骨骨折開放復(fù)位內(nèi)固定術(shù)后患者的不良預(yù)后有關(guān)聯(lián)16。跟骨高度降低會明顯影響跟骨骨

47、折患者的臨床療效17。跟骨骨折保守治療患者中出現(xiàn)嚴(yán)重癥狀者多數(shù)有足跟增寬、外側(cè)柱短縮以及距下關(guān)節(jié)僵硬18?，F(xiàn)有研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，跟骨寬度增加會引起跟腓撞擊、肌腱炎并導(dǎo)致穿鞋困難16。跟骨高度降低將導(dǎo)致距骨傾斜和踝關(guān)節(jié)撞擊癥16，而恢復(fù)跟骨高度可以改善脛距關(guān)節(jié)中的距骨位置13。跟骨長度短縮將影響跟骰和跖骰關(guān)節(jié)的應(yīng)力傳導(dǎo)并使得腓腸肌-跖筋膜復(fù)合體力臂減小19。然而，當(dāng)前仍然缺少有力的生物力學(xué)研究數(shù)據(jù)證實跟骨高度、長度和寬度對踝后足功能的臨床意義。就作者所查閱的文獻(xiàn)來看，本文可能是第一個系統(tǒng)的綜合使用有限元分析和尸體標(biāo)本實驗方法研究跟骨三維形態(tài)學(xué)參數(shù)與踝后足功能相關(guān)性的研究。根據(jù)本研究結(jié)果，跟骨寬度增加

48、(6 mm以上)會一定程度限制距下關(guān)節(jié)的活動度(內(nèi)外翻、內(nèi)旋和背伸)，而跟骨長度短縮(前突部短縮超過3 mm)主要會限制后足的外旋以及跖曲。跟骨的高度丟失(3 mm以上)則主要導(dǎo)致距下關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定(外翻、內(nèi)外旋以及跖曲背伸)。理論上分析，這可能是因為高度丟失后距骨和跟骨之間的接觸面變小，降低了距下關(guān)節(jié)之間的吻合度，而距骨和跟骨之間的失吻合最終可能導(dǎo)致距下關(guān)節(jié)失穩(wěn)。有限元分析正式開始前，必須對模型進(jìn)行有效性分析。本研究所建立的踝后足有限元模型在驗證實驗中所獲得的數(shù)據(jù)與尸體標(biāo)本實驗結(jié)果十分接近，證實該模型真實有效。有限元分析數(shù)據(jù)與實際測量結(jié)果之間的差異則可能來自于建模過程中對骨與軟骨結(jié)構(gòu)的簡化和材

49、料特性的理想化。根據(jù)有限元分析的結(jié)果，跟骨寬度增加后，后距下關(guān)節(jié)的接觸面積和應(yīng)力峰值都比正常模型明顯增加(圖10)。接觸面積的增加應(yīng)當(dāng)是源于跟骨寬度的增加。跟骨高度丟失后，盡管跟骨后距下關(guān)節(jié)面的峰值應(yīng)力基本不變，但接觸面的分布出現(xiàn)了明顯分離(圖11)，后足重力向前足傳導(dǎo)的中心區(qū)域向前發(fā)生了移動。而應(yīng)力中心區(qū)域的異常改變可能將導(dǎo)致骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。綜合分析尸體標(biāo)本實驗和有限元分析實驗的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，跟骨三維形態(tài)的改變會嚴(yán)重影響踝后足的功能。異常的距下關(guān)節(jié)對位將導(dǎo)致關(guān)節(jié)接觸面的應(yīng)力分布出現(xiàn)異常，長期的高應(yīng)力集中可能會最終引起關(guān)節(jié)面軟骨的退化和后足的僵硬。而后足的僵硬將最終影響步態(tài)，使得后足緩沖地面

50、沖擊的重要功能受到破壞20。盡管本實驗得到了很好的定量分析結(jié)果，但仍存在一些不足。首先，距下關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)以及中足和前足功能密切相關(guān)。距下關(guān)節(jié)、距舟關(guān)節(jié)和跟骰關(guān)節(jié)共同形成了功能復(fù)合體。跟骨骨折改變了踝關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)的相對關(guān)系，也改變了距下關(guān)節(jié)和中足、前足的相對關(guān)系。但本文并未分析跟骨形態(tài)改變對中足、前足的影響。其次，模擬跟骨骨折時使用的是擺鋸截骨，這與真實的跟骨骨折也有一定的區(qū)別。再次，有限元建模的過程中，采取了一些簡化的策略，模型中的韌帶、骨性結(jié)構(gòu)和軟骨的材料屬性都來源于文獻(xiàn)，韌帶的材料特性被定義為非線性超彈性而其黏彈性特征未予考慮。綜上所述，跟骨三維形態(tài)學(xué)參數(shù)的改變會嚴(yán)重破壞踝-后足的生物力

51、學(xué)功能。手術(shù)恢復(fù)跟骨的整體形態(tài)能夠改善距下關(guān)節(jié)的相對位置，減少距下關(guān)節(jié)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎和僵硬發(fā)生的可能性。所以，跟骨骨折手術(shù)治療過程中跟骨的整體三維形態(tài)應(yīng)當(dāng)?shù)玫郊?xì)致的恢復(fù)。致謝：感謝通訊作者劉華教授對課題撰寫的關(guān)心和指導(dǎo)；感謝李明清醫(yī)師在資料收集和論文寫作中給予的幫助；感謝李康華教授為文章審稿與修改提供的寶貴建議。作者貢獻(xiàn)：許燦進(jìn)行構(gòu)思設(shè)計、資料收集及文章撰寫，劉華給予指導(dǎo)與建議。利益沖突：所有作者共同認(rèn)可文章內(nèi)容不涉及相關(guān)利益沖突。倫理問題：沒有與相關(guān)倫理道德沖突的內(nèi)容。文章查重：文章出版前已經(jīng)過CNKI反剽竊文獻(xiàn)檢測系統(tǒng)進(jìn)行3次查重。文章外審：文章經(jīng)國內(nèi)小同行外審專家雙盲外審，符合本刊發(fā)稿宗旨

52、。作者聲明：通訊作者對研究和撰寫的論文中出現(xiàn)的不端行為承擔(dān)責(zé)任。論文中涉及的原始圖片、數(shù)據(jù)(包括計算機(jī)數(shù)據(jù)庫)記錄及樣本已按照有關(guān)規(guī)定保存、分享和銷毀，可接受核查。文章版權(quán)：文章出版前雜志已與全體作者授權(quán)人簽署了版權(quán)相關(guān)協(xié)議。4 參考文獻(xiàn) References1 Mulcahy DM, Mccormack DM, Stephens MM. Intra-articular calcaneal fractures: effect of open reduction and internal fixation on the contact characteristics of the subtala

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