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人体足纵弓静力性内在维持结构的生物力学研究

杨云峰  
【摘要】: 足弓是人类特有的功能结构,在人体直立行走及其他各项功能活动中有重要作用,对异常足弓的重建和矫形一直是矫形外科领域研究的热点。足弓的支持需要内在、外在因素的共同参与,其内在因素包括骨性结构和韧带结构。单纯骨性结构为足弓提供了外形骨架和基石,它需要坚强的韧带进行连接和包绕,才能形成统一整体。如果韧带松弛或损伤,可导致足弓骨性结构失去束缚而塌陷,将累及足及整个下肢的力学改变。全面了解正常和非正常足部在不同载荷下的应力分布可以为我们研究足部生理学和病理学提供有用的信息。 目的 本课题通过正常成人新鲜尸体足标本,利用数字散斑相关方法测量足弓在静载荷作用下主要骨结构的位移变化,了解在不同加载情况下足纵弓的下降程度。通过切断足底主要的足弓维持结构,分析韧带结构对足弓的维持作用,了解扁平足畸形发生发展的机理。利用电阻应变及足底压力测量系统等电学方法,测量正常人体足弓在不同加载和足底韧带损伤情况下主要骨结构结构的应力分布和足底压力分布。同时,围绕正常人体足弓主要骨韧带结构建立正常人体足弓三维有限元模型,并对模型施加边界条件和约束,分析不同足底韧带损伤情况下,骨结构的形态及应力变化规律。从尸体标本、有限元模型两个方面,探讨足弓静力性内在维持机制的生物力学响应,建立合理的足部生物力学模型,为今后的足踝生物力学提供研究平台,提供足弓结构创伤、畸形临床治疗的生物力学基础。 材料和方法 1.采用7侧正常成人新鲜尸体足标本(包括胫腓骨下1/3),去除踝关节以上软组织。解剖显露足底跖腱膜、弹簧韧带、跖长韧带、跖短韧带,标记足弓主要骨结构。采取不同的组合切断方式,通过电子万能试验机逐级加载至700N,由两个电藕合图像传感器(Charge Coupled Device,CCD)采集完整状态、足底韧带损伤状态下标本的灰度图像,利用数字散斑相关分析(DSCM)计算不同的足底韧带损伤后,足弓整体刚度变化及足弓主要骨骼结构的同步位移变化,对结果进行统计分析。 2.通过静态电阻应变测试仪和微型箔式电阻应变片,在前述各工况下,同步测量各工况下足弓骨结构(跟骨、舟骨、内侧楔骨、第1—5跖骨)及胫骨、腓骨的表面应变,对结果进行统计分析。 3.利用TekScan便携足底压力测量系统及鞋垫式传感器,在上述相同工况下,同步采集足底压力分布图,分析足跟、中足、第1—5跖骨头下峰值压力及足底接触总面积,了解韧带损伤对标本足底压力分布的影响。 4.选取一名正常男性青年的足踝部CT扫描图片,在Dell prestionTM 650工作站,利用同济大学自行开发的图像提取工具jpeg-Test final和建模前处理软件包、绘图软件AutoCADR14.0、图像处理软件Photoshop7.01、有限元分析软件ANSYS9.0,建立包括胫、腓骨下端的足部三维有限元模型。模型包括骨骼、关节、韧带、足底软组织成分。对模型施与适当的约束和边界条件,模拟足弓完整状态和不同足底软组织损伤的病理状态,分析模型在700N静载荷下足部骨骼结构的纵向位移,足弓下降程度及最大von mise应力分布。并同前述标本生物力学测试结果进行比较。 结果 1.在标本完整状态(足底韧带切断前),700N载荷下,胫骨远端下移5.55±0.74mm,足弓整体刚度为128.05N/mm;随着足底四条韧带的依次切断,足弓纵向位移增加、刚度下降;韧带结构全部破坏后,胫骨远端下沉达到11.27±1.77mm,下降106.98%,超过完整状态的两倍。而切断一条足底韧带同完整状态相比较,位移变化无显著性差异;切断三条以上足底韧带出现肉眼可辨的扁平足畸形,足弓不同骨结构矢状面纵向位移变化明显,以内侧纵弓变化最为显著,同时伴有前足明显外展;足内侧纵弓长度在韧带损伤后逐渐增加,主要表现为前足的向前移动,最大达到13.47mm。在不同工况下,第一跖骨列横截面上位移变化最为明显。 2.在标本完整状态,加载700N时,最大应变值出现在跟骨部位,其次是第三跖骨、第二跖骨,分别为:-371.35±67.61με,-143.16±24.75με和-123.54±18.07με,均为压应力。随着载荷增加,应变呈线性增大趋势,不同加载情况下各部位骨表面应变有显著性差异(P<0.05);同一载荷下不同部位的应变值有显著性差异(p<0.05)。在所有工况下,舟骨、腓骨、胫骨测点主要表现为拉应力;跟骨、内侧楔骨、第一~五跖骨测点均表现为压应力。足底任何一条主要韧带损伤均可出现足弓骨组织表面应变的明显改变。 3.分析700N载荷下的足底压力分布图,结果显示:随着载荷增加,足底不同部位的峰值压力逐渐增加,载荷700N时达到最大值。完整状态时,后足,第二、三、一跖骨头处的峰值压力最大;足底韧带损伤后,后足峰值压力减小,前足峰值压力增大,四条主要韧带损伤后达最大值,其中前足第四跖骨头下峰值压力增加显著。由于足底韧带损伤,前足峰值压力由第二、三、一跖骨头向三、四跖骨头转移。足底接触面积随载荷增加逐渐增大,以ON—400N变化较为明显(P<0.05),400N—700N时增加变缓。足底韧带损伤不引起足底接触总面积的显著变化(P>0.05)。 4.建立了正常人体左足三维有限元模型(包括胫腓骨下端)。包括21块骨骼实体模型,并生成实体单元109572个,节点167608个。考虑了关节的生理功能和解剖特点,利用杆单元模拟足部骨骼间关节。利用82个NURBS曲面模拟足底,并首次使用壳单元对其进行网格划分,生成壳单元921个,节点2818个。最终建立了170426节点的包括关节软骨、韧带、和足底软组织在内的正常人体右足部骨骼三维有限元模型,同CT三维重建对照,真实反映了足部骨结构的三维解剖特点。对模型分析显示:700N载荷下,正常足弓骨结构均有不同程度的下降,应力分布较为平均;当足底韧带结构破坏后,下降位移增大,应力集中于中足外侧和第二跖骨。当足底韧带损伤三条以上时,位移变化剧烈,足弓结构破坏明显,应力分布紊乱。同标本生物力学实验相比较,模型的位移变化幅度稍大,但同标本实验有类似趋势。 结论 1.数字散斑相关法、电阻应变法及足底压力分析系统紧密结合,用于足弓静力性内在维持结构的生物力学研究,可获得比较全面的生物力学信息,有助于足踝生物力学研究的细化和深入。 2.足底四条主要韧带对足弓的稳定性有重要作用,韧带完整时,足弓整体刚度随载荷增加线性增大,应力分布较平均,足部骨骼结构在载荷作用下均有不同程度的下沉,以足内侧纵弓最明显;足底两条以下韧带损伤对足弓整体外形改变不明显,如果韧带损伤继续增大,可出现足弓塌陷、前足外展、后足外翻及足弓延长等扁平足畸形。提示临床常见的扁平足畸形存在多个软组织的劳损或功能异常,治疗时应综合考虑。 3.当一条足底韧带损伤时,尽管位移变化不显著,但足弓骨结构的表面应力已有明显改变,应力的重新分配可能导致其他相关结构的劳损或功能异常,应力变化较形态改变更能揭示足弓异常,扁平足畸形的诊断和治疗更应该考虑应力因素。 4.离体标本的足底压力分布与正常人或患者表现不同。当足弓内在维持结构损伤后,足底压力向前足转移,并有外移倾向,峰值压力出现在第三、四跖骨头下;而足底接触总面积无明显改变,导致足外侧的应力集中,可能是出现临床症状的一个重要原因。 5.本研究建立的足部三维有限元模型同生物力学实验比较,无论足弓内在维持结构完整或损伤情况下,位移变化趋势一致,有限元模型能用于足弓生物力学的分析研究;有限元法结合数字散斑相关、电阻应变等方法有助于足踝生物力学的深入研究。


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