基于有限元模型的踝关节生物力学分析*

背景：有限元力学分析在生物力学领域广泛应用。 目的：采用大型有限元软件ANSYS对踝关节三维有限元数字模型进行生物力学分析,探讨踝关节各组成骨的应力分布规律及其发生形变、位移情况。 方法：把经MIMICS、Geomagic和ANSYS处理后生成的踝关节三维数字模型导入软件ANSYS中,经过约束条件、施加载荷、求解试算等阶段,对其各组成骨进行有限元分析。 结果与结论：①静止直立位时,踝关节各组成骨最大应力区集中在内踝与距骨相关节处、胫骨远端关节面髁间线前部、胫骨中下段前缘皮质区及距骨滑车外侧部;最小应力区集中在外踝、胫骨远端内侧皮质区、距骨头、距骨颈;最大位移发生在距骨头,位移自下而上逐步减小;最小位移发生在胫骨、腓骨中下段1/3处。②高空坠落时,最大应力区集中在胫骨中下段前缘皮质区、距骨滑车前外侧、内踝内侧皮质区以及胫骨远端关节面髁间线前部。其中胫骨中下段应力集中区随着压力的增加,稍向内侧移位。距骨滑车外侧部最大应力集中区位置无明显变化,范围逐渐加大。最小应力区集中在外踝、胫骨远端关节面外侧部、距骨头、内踝的外侧皮质;随着压力不断加大,内踝外侧皮质的小应力蓝色区域范围逐渐减小;外踝逐渐出现应力稍大的淡蓝色区域,提示所受应力加大。最大位移发生的部位自距骨头向上,经距骨颈、胫距关节面到胫腓骨中下段逐渐减小,到胫腓骨中下段时减到最小。     

有限元建模分析牵开成形治疗踝关节骨性关节炎的生物力学响应

背景：目前踝关节骨性关节炎的手术方式包括关节置换和关节融合,但2种方式均存在一定问题,因此保踝治疗成为踝关节骨性关节炎初期治疗的首选方式。牵开成形是一种重要的保踝治疗术式,有利于缓解踝关节疼痛和改善功能,有助于关节软骨的自我修复,但现在仍缺乏确切的生物力学证据。目的：通过有限元建模探究踝关节牵开成形治疗早中期无明显力线改变的踝关节骨性关节炎的力学因素,为临床治疗提供力学证据。方法：将1名27岁志愿者足踝CT扫描数据DICOM文件导入有限元软件中,进行三维重建及曲面拟合,再进行网格划分,建立含有骨骼、韧带、肌腱和软骨的精细足踝有限元模型,对比踝骨关节炎组、外固定架组分别在中立0°、跖屈20°、背屈20°3种不同工况下的胫距关节面应力、距骨应力及距骨应变的生物力学响应。结果与结论：（1）经过有限元仿真计算发现,从踝关节整体受力来说,两组模型在中立位0°时最小,从中立位逐渐跖屈或背屈时,随着踝关节活动发生变化,应力值也逐渐增加,且在同等屈曲的条件下,背屈要比跖屈的整体应力增幅明显;（2）从胫距关节的应力峰值来说,踝骨关节炎组的胫距关节面应力峰值较正常组增幅明显,外固定架组的胫距关节面应力峰值...     

旋后外旋型踝关节损伤有限元模型的建立与力学分析

目的模拟旋后外旋型踝关节损伤,建立踝关节三维有限元模型。方法基于正常人体踝关节CT图像,建立包含韧带的踝关节三维数值模型;采用有限元方法对Lauge-Hanson分型4种不同程度的旋后外旋型踝关节损伤进行分析,得到踝关节应力及胫距关节面的压力分布。结果施加旋后外旋载荷时,应力最大值位于胫腓前韧带胫骨附着点;断裂胫腓前韧带后,则位于骨间膜;继续断裂骨间膜后,应力较大值位于踝关节后韧带;再断裂胫腓后韧带后,应力较大值位于三角韧带。压力较大值则位于腓骨远端、胫距下关节面后部。结论建立的踝足部三维数值模型可用于旋后外旋型踝关节损伤的的力学机理分析,计算出的踝关节应力及胫距关节面的压力分布符合临床中Lauge-Hanson分型的描述。     

液电式体外冲击波治疗创伤性距骨缺血性坏死

背景:创伤性距骨坏死至今为止尚无理想的治疗方法,体外冲击波是目前一种微创、简单、疗效显著的骨肌系统疾病治疗新方法,其是否能够治疗距骨坏死尚无相关研究。目的:应用液电式体外冲击波治疗创伤性距骨缺血性坏死并分析其治疗效果,探索创伤性距骨坏死新的治疗方法。方法:纳入2004-09/2009-06武装警察部队医学院附属医院收治的创伤性距骨缺血性坏死患者34例,均为单侧发病,按随机数字表达分为体外冲击波疗法组和对照组,每组17例。采用体表痛点定位结合X射线定位,工作电压8～10kV,能流密度0.12～0.16mJ/mm2,冲击频率40～50次/min,冲击次数800～1000次。1次/周,共治疗3～5次。治疗前后采用目测类比评分评估疼痛情况;参照美国足踝关节外科协会踝关节功能评分进行功能评价;治疗后18个月时复查踝关节MRI,比较治疗前后坏死面积的变化。结果与结论:两组病例治疗后18个月,体外冲击波疗法组的疼痛、踝关节功能、踝关节MRI坏死面积的改善情况均优于对照组(P0.01)。对照组有1例因创伤性关节炎剧烈疼痛致踝关节活动受限,于治疗后第15周行踝关节融合术。提示液电式体外冲击波治疗创伤性距骨缺血性坏死是一种值得提倡的非侵入性、方法简单、疗效显著、并发症少的微创治疗方法。     

距下关节镜下切除距骨前外侧副关节面治疗距骨前外侧副关节面撞击综合征的效果观察

目的 探讨距下关节镜下切除距骨前外侧副关节面治疗距骨前外侧副关节面撞击综合征的临床效果。方法 回顾性描述性研究。纳入2016年6月—2019年8月徐州市中心医院足踝外科距下关节镜下治疗的12例13足距骨前外侧副关节面撞击综合征患者的临床资料,其中男4例、女8例,年龄13～51(38±11)岁,左侧6足、右侧7足,5例伴有腓骨肌痉挛。12例患者均在距下关节镜下行关节清理加距骨前外侧副关节面切除术,术后门诊定期随访,末次随访采用美国足踝外科协会 (AOFAS)踝-后足功能评分及疼痛视觉模拟评分法(VAS)评价临床疗效。结果 12例患者13足镜下均可见较大的距骨前外侧副关节面,其中8足有距骨前外侧副关节面软骨损伤,12足有距跟前韧带损伤,5足有距跟骨间韧带损伤,4足有明显的关节滑膜炎表现。患者术后恢复良好,手术切口均一期愈合。12例患者均获得随访,随访时间10～31(17.46±6.28)个月。5例腓骨肌痉挛患者术后情况:3例腓骨肌痉挛消失;1例明显缓解,但长距离行走时仍可诱发,休息即可缓解,行腓骨短肌腱延长术后解除痉挛;1例未缓解,患者拒绝行肌腱延长术,针刺加药物治疗后疼痛较前减轻。术后随访期间复查影像学检查均显示距骨前外侧副关节面撞击解除。末次随访时AOFAS评分和VAS评分分别为(82.77±4.99)分和(1.62±1.33)分,与术前AOFAS评分(47.69±13.42)分、VAS评分(7.62±1.04)分比较,差异均有统计学意义(t=10.180、14.162, P值均＜0.01)。结论 距下关节镜下关节清理加距骨前外侧副关节面切除是治疗距骨前外侧副关节面撞击综合征的一种简单而有效的方法。     

踝关节内翻的有限元力学分析

背景：近年来,骨科生物力学领域的研究不断成熟和发展,研究方法多采用有限元分析软件。作者检索文献发现国内外学者对于踝关节的研究也日益增多,但是所见研究均为静态状态,而且对于非中立位相踝关节损伤的研究鲜有报道。 目的：对已建立的踝关节数字模型进行有限元力学分析,观察踝关节在不同内翻角度时,其组成骨在不同空间维度上的位移、剪切力变化及应力变化规律,探讨内翻时踝关节的损伤机制。 方法：经Mimics、Geomagic和Ansys处理后,生成的踝关节三维数字模型导入软件Ansys中,经过约束条件、施加载荷、求解试算等阶段,对不同内翻角度时的踝关节各组成骨进行有限元分析。 结果与结论：实验模拟了踝关节内翻角度在10°,15°,20°,25°,30°,45°,60°,70°,80°,85°的10种不同工况,分别对踝关节进行有限元力学分析,得到其各组成骨在不同空间维度上发生的位移、剪切力和应力分布情况。分析数据,发现其所发生位移、所受应力及剪切力均随着内翻角度的增加不断增加,最大应力分布区即外踝、距骨滑车髁间线外侧部,为临床上最常见发生骨折的部位。随着内翻角度的增加,距骨x轴上发生的位移增加,从而影响整个踝关节的应力分布。     

跟骨内翻畸形对踝关节应力变化三维有限元分析

目的通过踝关节三维有限元模型的建立,模拟正常负重应力状态下随着跟骨内翻角度的增大,对踝关节的损伤模式的变化。方法取一名28岁男性志愿者,基于踝关节CT的数据建立包括骨骼、软组织和关节囊,考虑材料的非线性和关节接触的踝关节的三维有限元模型。采用统一的模型和方法,志愿者人体重量为60 kg,单腿站立,总加力600 N,垂直朝下,跟踪跟骨内翻角度从4~°、8~°、11~°、14~°的变化共四种情况力学表征形式,关注对踝关节应力分布的影响进行对比分析。应用有限元分析软件(Abaqus6 v6.14,DS System公司,法国)。结果踝关节应力集中区域在内踝与对应距骨关节面的凹陷区域,其次是外侧。距骨应力集中区域在距骨顶与内踝接触位置的区域,其次是外侧。我们发现4种情况下分析结果显示趋势一致,符合线性力学分析基本规律。结论跟骨内翻畸形负重应力集中固定在内踝、距骨接触位置,随着跟骨内翻畸形角度的增大,局部所承载的应力负荷增大,成正相关。跟骨手术治疗时跟骨内翻角变异应控制在患者跟骨生理内翻角+2°内。     

全踝关节镜下骨折复位空心螺钉固定术治疗伴距骨脱位距骨颈骨折的疗效观察

目的 探讨全踝关节镜下骨折复位空心螺钉固定术治疗伴距骨脱位距骨颈骨折的临床效果。方法 回顾性研究。纳入2019年1月—2020年12月徐州市中心医院手足显微外科伴距骨脱位的距骨颈骨折患者23例23足,其中男15例、女8例,年龄18~56（29.4±10.2）岁;改良Hawkins分型Ⅱ型17例、Ⅲ型6例,左侧10例、右侧13例;受伤到手术时间2~9（4.1±2.6）d。所有患者在全踝关节镜下行骨折复位、经皮空心螺钉内固定术治疗。术后定期复查X线片,观察患者骨折复位、内固定情况,骨折愈合情况,距骨骨不连、畸形愈合、缺血性坏死以及创伤性关节炎等并发症。随访期间观察患者踝关节活动度、足部外观满意度、行走步态;对比术前与末次随访时患者踝关节疼痛视觉模拟评分法（VAS）评分及美国足踝外科协会（AOFAS）踝与后足评分系统评分,并采用末次随访时AOFAS评分评价患者踝关节功能。结果 本组23例患者手术均获成功,手术时间50~100（73.21±18.32）min、术中出血量5~10（7.10±1.31）mL、住院时间6~14（8.41±2.03）d,所有患者手术切口一期愈合,未出现血管、神经及肌腱损伤等并发症。本组23例患者均获得随访,随访时间12~20（15.71±4.63）个月。术后X线显示所有患者距骨得到解剖复位,未发现距骨骨不连、畸形愈合、缺血性坏死以及创伤性关节炎等并发症,骨折均于术后10~14（11.63±2.10）周愈合。末次随访时,除1例患者踝关节活动范围减小（背伸约5°、跖屈约30°）,其余患者踝关节活动良好、外观满意、行走步态无异常、切口局部皮肤无感觉过敏及瘢痕触痛。末次随访时,患者踝关节疼痛VAS评分为0~2（0.65±0.71）分、低于术前的3~9（6.08±1.47）分,AOFAS评分为88~99（94.34±2.53）分、高于术前的59~81（71.30±6.73）分,差异均有统计学意义（t=15.32、-16.72,P值均<0.05）。依据AOFAS评分,本组患者术后踝关节功能优20例、良3例,优良率100%。结论 全踝关节镜下骨折复位空心螺钉固定术治疗伴距骨脱位的距骨颈骨折效果较好,具有直视下精准复位、创伤小、对血供破坏小等优点,且避免了传统手术切口并发症的发生。     

跟骨关节内骨折手术治疗体会

跟骨骨折是临床比较常见的一种骨折,但其骨折往往累及跟距关节面或跟骰关节面,如复位不良,则会导致创伤性关节炎,严重影响足踝关节功能,甚至部分肢体残废,所以对跟骨骨折累及关节面的骨折处理要求恢复关节面的平整及坚强可靠的固定。     

外踝长度短缩时踝关节应力改变的研究

目的：分析外踝长度短缩与踝关节稳定性的关系,探讨创伤性踝关节炎发生的生物力学机制.方法：选取8例新鲜冷冻尸体下肢,分别在外踝正常长度、短缩1/3、短缩2/3和短缩3/3的情况下,测量和分析胫距关节的接触面积和应力变化.结果：正常的胫距关节接触区呈三角形,外踝短缩后胫距关节接触区向外侧移位,胫距关节接触面积明显减小.胫距关节面平均应力明显增加,以向前、内、外侧压力增高最为显著,且应力随外踝短缩程度的加重而增加.结论：外踝正常长度是维持踝关节稳定性的重要指标.因此,在处理踝关节损伤时应尽可能恢复外踝的解剖长度.     

胫骨远端关节面缺损有限元模型的生物力学分析

背景：采用有限元分析法进行骨与关节的生物力学研究得到了广泛应用,但是关于胫骨远端关节面缺损有限元分析,国内外少见关于此类的报道。 目的：建立踝关节的三维有限元模型,制作胫骨远端关节面不同面积的缺损,并模拟在不同位相下胫骨远端关节面发生形变、位移情况,预测胫骨远端关节面缺损的最大允许程度和探讨踝关节创伤性关节炎的力学发病机制。 方法：通过对1名正常成年男性踝关节的多排螺旋 CT扫描,获得连续断层图片,导入Mimics 医学建模软件生成实体模型后,应用大型通用有限元分析软件ANSYS13.0进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型。约束边界条件,模拟踝关节远端轴向受力,得出在不同位相下胫骨远端关节面有限元模型上的应力分布与位移结果。 结果与结论：建立人体踝关节有限元模型总单元数为157 990,总节点数为193 801。3个位相,都是随着胫骨远端缺损面积的增大,接触面积逐渐减小,尤其是跖屈位在缺损直径13 mm的面积时,变化最为明显;3个位相的接触面积,在中立位接触面积最大;在中立位和背屈位都是随着胫骨远端关节面缺损面积的增大,应力峰值逐渐增大,都是在11-13 mm以后应力峰值明显增大;在中立位和背屈10°位,主要集中在后内和后外象限;在跖屈10°位,变化比较复杂,在11-13 mm,随着缺损面积的增大应力峰值变化明显增大,到13 mm应力峰值达到最大值。所以,胫骨远端关节面的最大缺损直径可认为是11-13 mm。胫骨远端关节软骨及骨床缺损直径超过11-13 mm的圆面积,关节功能将受到影响。     

股骨头缺血性坏死塌陷预测的生物力学研究

目的：探索不同部位囊性变对股骨头缺血性坏死的生物力学影响，为预测股骨头的塌陷和指导临床治疗方法的选择提供基础。方法：取新鲜股骨上段标本，行螺旋CT断层扫描，所得图像用Efilm软件系统处理，利用Ansys-5．7大型计算机软件建立股骨上段三维有限元异物同构模型，模拟股骨头内囊性变。施加3种不同载荷，分析股骨头内应力分布情况。结果：股骨头受压后，中央区域表现为压应力，而前方和后方区域则表现为张力，符合球体受压后的膨胀趋势。股骨头负重区下方及其内侧和外侧的囊性变应力集中最明显，易引起股骨头塌陷。当囊性变位于股骨头的前方、后方、中心和下方时，其上下缘的应力集中不是很明显，股骨头塌陷断裂风险不大。结论：股骨头内不同部位的囊性变对股骨头缺血性坏死的生物力学影响是不同的，三维有限元应力分析法可以预测坏死股骨头的塌陷，并指导临床选用适当的显微外科治疗方法。     

Computer tomographic evaluation of talar edge configuration for osteochondral graft transplantation

To successfully surgically reconstruct osteochondral lesions of the talus, the exact three-dimensional (3D) configuration of the upper articular surface of the talus has to be respected. We assessed the talar geometry by measuring the coronal and sagittal talar edge radius and the frontal talar profile in multiplanar reconstructions of computer tomographic (CT) studies of 79 patients (83 feet) with a healthy ankle joint. An image visualization software designated for coordinate measurement was used to perform the measurement. In the coronal plane, the mean lateral talar edge radius was 4.0 mm and the medial 4.5 mm. In the sagittal planes the mean lateral talar edge radius was 20.3 mm, the radius of the sulcus 20.7 mm and the medial talar edge radius 20.4 mm. The talus showed a concave shape in coronal cuts. These results show a significant difference between medial and lateral talar edge configuration in coronal planes. The measurements of the lateral and medial sagittal radius and the mid-sagittal radius in the sulcus tali show no statistically significant difference. The depth of the talar sulcus shows no correlation to age or sex. Different sizes of custom-made tissue-engineered grafts according to the location of the osteochondral lesion at the talus are needed for exact surgical reconstruction of the anatomy. Osteochondral lesions are three dimensional; therefore, a 3D preoperative planning tool by CT scan or MRI is mandatory.     

Three‐dimensional analysis of talar trochlea morphology: Implications for subject‐specific kinematics of the talocrural joint

Three‐dimensional (3D) behavior of the talocrural joint is primarily determined by the articular surface morphology of the talar trochlea and tibiofibular mortise. However, morphological features of the anterior and posterior regions of the talar trochlea remain unclear. The objectives of this study were to evaluate anterior and posterior radii of the medial and lateral talar trochlea and to estimate subject‐specific kinematics of the talocrural joint. Fifty dry tali were scanned using computed tomography to create 3D bone models. Radii of curvature of the anterior and posterior region at both the medial and lateral trochlea were calculated. Orientations of the dorsiflexion and plantarflexion axis passing through the centers of the circles fitted to the anterior region of the medial and lateral trochlea and through the centers of the circles fitted to the posterior region of the medial and lateral trochlea were evaluated, respectively. The anterior radius of the medial trochlea was significantly smaller than that of the lateral trochlea by a mean of 7.8 mm (P < 0.001). The posterior radius of the medial trochlea was larger than that of lateral trochlea in 30 samples (60%) and vice versa in 20 samples (40%). Unilateral asymmetric shape of anterior trochlea would induce external rotation of the talus during ankle dorsiflexion, whereas bilateral asymmetric shape of posterior trochlea would induce opposite axial rotations among subjects during ankle plantarflexion, which would help the physical therapists to restore talocrural joint motions to ideal state for patients with ankle injuries. Clin. Anat. 29:1066–1074, 2016. © 2016 Wiley Periodicals, Inc.     

内踝双平面三维截骨联合自体骨软骨移植治疗HeppleⅤ型距骨骨软骨损伤的临床疗效分析

目的 探讨内踝双平面三维截骨联合自体骨软骨移植治疗HeppleⅤ型距骨骨软骨损伤的临床疗效。方法 病例系列报告。纳入2019年1月—2020年1月徐州市中心医院骨科24例（24足）HeppleⅤ型距骨骨软骨损伤患者的临床资料,其中男9例、女15例,年龄21~62（29.5±10.3）岁,右侧11例、左侧13例。患者均采用内踝双平面三维截骨联合自体骨软骨移植治疗距骨骨软骨损伤。术后定期随访,观察术后供区疼痛、截骨处不愈合等并发症的发生情况。比较术前与术后随访时的疼痛视觉模拟评分法（VAS）评分、美国骨科足踝外科协会（AOFAS）踝-后足评分及踝关节Kofoed评分,对手术治疗效果进行评价。结果 术后患者切口均一期愈合。24例患者随访18~30（23.8±4.6）个月,所有患者截骨处一期愈合,无供区疼痛等并发症。末次随访时VAS评分由术前的（6.29±1.30）分改善到（0.88±0.61）分,AOFAS评分由术前的（60.92±13.06）分提高到（95.08±5.78）分,Kofoed评分由术前的（23.08±13.51）分提高到（95.96±5.09）分,与术前比较差异均有统计学意义（t=23.30、15.87、27.07,P值均<0.001）。依据AOFAS评分,踝关节功能优19例、良5例,优良率100％（24/24）;依据Kofoed踝关节评分,踝关节功能优20例、良4例,优良率100％（24/24）。结论 内踝双平面三维截骨联合自体骨软骨移植治疗HeppleⅤ型距骨骨软骨损伤,术后踝关节功能恢复好,疼痛减轻明显。     

踝关节胫骨远端关节面缺损生物力学特征的三维有限元分析

BACKGROUND: Studies found that three-dimensional finite element analysis can be used in the study of ankle biomechanics, but research on distal tibial articular surface defect was few.     

Radiographic evaluation of frontal talar edge configuration for osteochondral plug transplantation

For successful reconstruction of osteochondral lesions of the talus, the anatomic configuration of the talar edge must be respected. This study evaluated the radiographic configuration of the talar edge in the anterior‐posterior (AP) view by analyzing medial and lateral talar edge angles and radii in 81 patients with a true AP view and without ankle pathology. The mean lateral talar edge angle was 91.8°, and the mean medial talar edge angle was 110.0°. The medial frontal talar edge radius was 4.8 mm and the lateral 3.5 mm, respectively. No correlation between angle and radius was found. These results revealed a significant difference between the medial and the lateral talar edge configuration. This may be due to the three‐dimensional function of the human ankle joint. No study so far has addressed these differences radiologically. These differences should be addressed in the reconstruction of osteochondral lesions and be included in the preoperative planning. Clin. Anat. 22:261–266, 2009. © 2008 Wiley‐Liss, Inc.