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《四川大学》 2007年
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腕部的三维有限元模拟及腕管综合征的生物力学研究

郭欣  
【摘要】: 腕是将手维持于正常功能位置的重要关节,腕部畸形或病变会影响手部功能的正常发挥。腕管综合征是腕部神经卡压综合征中最常见的一种,最早由James Paget爵士在1865年提出。它是腕部正中神经在腕管受到卡压而引起的一种神经病症。当正中神经穿过腕管时,往往会因为受到卡压而导致一定程度上的感觉神经和运动神经功能的障碍。其症状包括腕部及手掌出现疼痛、麻木或者刺痛感等。在临床上,当保守治疗不能取得满意的疗效时,手外科的医生一般采用腕管松解手术将腕横韧带部分或全部切开以释放正中神经所受的压力。但已有临床病例和研究表明这种手术治疗方法不可避免地会带来一些术后并发症,如腕管释放不完全、正中神经或尺神经失用症以及对指神经或尺动脉的损害等等。据相关数据估算,每年腕管综合征给美国工业造成超过20亿美元的经济负担。为了降低如此高昂的社会和经济花费,腕管综合征的研究应运而生,并且在过去的十年里得到突飞猛进的发展。 目前与腕管及腕管松解术相关的生物力学研究主要集中在实验研究方面,如探究腕横韧带与腕骨间韧带对腕管结构稳定性的影响、腕横韧带松解术对腕管内屈肌肌腱运动的影响、腕横韧带与腕管内容物之间的相互运动等。针对腕管松解术带来的术后并发症现象,研究者们也开始考虑采用延长腕横韧带的方法扩大腕管的容积,从而降低腕管内正中神经所受的压力。这类研究为寻求区别于常规的腕管综合征手术提供了新的思路,但目前还停留在实验测试阶段。 经过将近四十年的发展,有限元方法已经成为目前国际肌骨系统计算力学分析的主要手段。但是由于腕部关节复杂,组织众多,到目前为止考虑腕管软组织尤其是腕横韧带真实的几何构型和材料力学特性的腕部整体三维有限元模型还很缺乏,同时针对腕管综合征和腕管松解术的生物力学有限元模拟与分析也鲜见报道。基于以上原因,本文建立了一个包括腕横韧带空间结构的腕部整体三维有限元模型,运用该模型分析了腕横韧带和腕管结构在力荷载作用下的力学响应,并研究了腕管松解术对腕部力学行为的影响,旨在为腕管综合征的临床诊断和治疗提供相关的理论依据。具体内容包括以下几个方面: (1)基于一位男性志愿者的腕部CT图像,利用三维医学图像建模软件对腕部骨骼进行了三维表面模型重建,并利用逆向工程软件生成相应的几何实体。再将其导入有限元前处理软件分别对腕部各骨骼的骨组织和软骨组织进行单元划分和三维重建;参考解剖学数据对腕横韧带和其他韧带分别进行三维重建和单元模拟;并对各类型组织进行单元属性和材料性质的定义;整合得到腕部整体三维有限元模型。通过与实验研究相对照,验证了该模型的合理性; (2)利用腕部三维有限元模型中的腕管模型计算并分析了掌向拉伸力作用下腕横韧带的延展性能以及腕管特征截面面积的变化情况,发现随着载荷的增大,腕横韧带的桡度、应力与应变值以及腕管截面面积都呈非线性增长趋势,但是腕横韧带本身的延展性能较差。由于目前尚缺乏对于腕横韧带材料性质较为准确的描述,本文还讨论了腕横韧带材料属性的不同参数对其变形能力以及对腕管特征截面面积变化的影响,发现腕横韧带和腕管截面面积的变形能力随着弹性模量和泊松比的增加分别出现不同趋势的降低。这些数据对相关的腕管拉伸荷载实验提供了可靠的理论依据; (3)利用腕部整体三维有限元模型计算并分析了掌骨受轴向压力作用下腕部载荷传递与关节接触应力的分布情况,并通过计算分析了腕横韧带的切除对腕骨以及腕管结构位移和应力分布的影响,发现腕管松解术不仅使舟骨发生向桡侧和掌侧的偏移,以及相对于桡腕关节产生屈曲和向桡侧的转动,还使得整个腕管结构近似于以头状骨—月骨为轴产生桡侧偏移。腕横韧带的切除对腕中关节的应力分布产生了与腕管结构位移变化相一致的影响。由于月骨和头状骨的轴向位移在切除腕横韧带前后变化很小,因此月骨—头状骨关节的接触应力相应也几乎没有变化。由于舟骨向桡侧移动、侧偏并同时产生屈曲,使得舟骨—大多角骨—小多角骨关节的接触应力相应减少,同时舟骨向腕背侧的运动也使得舟骨—头状骨关节的最大应力点向背侧迁移。由于钩骨轴向位移减少的趋势大于三角骨轴向位移减少的趋势,从而加剧钩骨和三角骨之间的挤压,使三角骨—钩骨关节的最大接触应力值明显增大。 综上所述,本文在对腕部结构进行模拟时将腕横韧带纳入三维实体组成部分的构建,从而首次建立了包括腕管三维管状结构和远端桡尺关节以及近端腕掌关节在内的腕部整体三维有限元模型。通过与实验数据相印证,证实了该模型的合理性与可行性,并通过分析拉伸载荷作用对腕横韧带和腕管变形能力的影响,以及腕管松解术对腕部运动和生物力学行为的影响,为个体化人腕关节的三维建模和在体生物力学研究提供了可操作的平台和方法学的参考,也为进一步深入了解腕部各组织结构在力荷载作用下的生物力学行为和功能效应,以及对腕管综合征的临床诊断和治疗提供了一定的理论依据。
【学位授予单位】:四川大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:R318.01;R688

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