利用有限元分析技术探讨后踝骨折的治疗方案

目的通过踝关节三维有限元模型,研究静止站立位后踝骨折后胫距关节面的应力变化及位移趋势,为后踝骨折的治疗提供理论依据。方法以一套正常人体站立位踝关节CT图像为原始数据,应用有限元建模技术,建立带有关节软骨的踝关节三维有限元模型,对模型的有效性进行验证。通过对后踝关节面进行分区、切割,模拟计算后踝不同骨折范围条件下施加正常应力时的关节软骨接触面积、最大接触应力、平均接触应力、最大位移等参数。结果随着骨折范围的增加,胫骨软骨接触面积呈逐渐减小趋势,胫骨软骨的平均接触应力值逐渐增大,胫骨相对位移增加。胫距关节的应力区主要集中在踝穴的外侧及前外侧,当后踝骨折面积超过1／3时,关节负重区面积明显缩小,关节位移趋势增加。结论后踝骨折面积超过1／3时,关节接触面积明显减小,应力变化明显增加,关节位移趋势增加,预后不佳,具有手术复位固定的指征。     

基于三维有限元模型分析成年人后踝骨折对踝关节的生物力学影响

目的 利用三维有限元模型分析探讨成年人后踝骨折对踝关节的生物力学影响。方法 采用1例健康成年男性的踝关节CT扫描数据构建踝骨实体模型并导入Ansys 10.0有限元分析软件,建立踝关节三维有限元模型,并对模型的有效性进行验证。设定站立状态下踝关节载荷和条件,模拟后踝1/5、1/4、1/3、1/2范围骨折对比不同程度后踝骨折状态胫距关节软骨接触面积、最大米塞斯应力、最大接触应力和平均接触应力等参数。模拟腓骨外移、短缩、内旋和外旋状态,对比不同状态胫距关节接触应力峰值。结果 骨折范围增加后,胫骨软骨接触面积不断缩小,最大米塞斯应力及胫骨软骨最大接触应力和平均接触应力均不断增加。骨折范围> 1/3时,胫距关节接触面积显著缩小,关节位移显著增加。腓骨外旋、内旋、外移、短缩产生的胫距关节最大接触应力峰值变化差异分别为17.6%、17.7%、45.3%和10.3%。结论 三维有限元技术建立踝关节模型仿真度较高,当后踝骨折范围超过1/3时,会影响胫距关节的接触状态。骨折范围增加关节接触面积减小,接触应力增加,关节相对位移趋势增加,容易引起胫距关节软骨的退行性变,而不同腓骨移位状态会影响胫距关节...     

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。     

人体踝关节跖屈时光弹性应力实验分析

该实验是采用光弹性应力分析法，分析踝关节在不同跖屈位置时，胫骨－距骨负重区的位置，大小以及胫距关节接触应力的分布状况。实验结果表明，踝关节在跖屈7°时，接触应力分布面积最大，压应力最小，且分布均匀；在跖屈大于19°时，接触应力分布面积开始减少，压应力增大；在跖屈大于43°时，接触应力分布面积明显减少，压应力明显增大、从中揭示，从应力观点看，踝关节在跖屈0°～19°时，为最佳负重角度范围；跖屈大于43°时，踝关节应力集中，易发生疲劳性损伤。     

空心螺钉不同固定方式治疗后踝骨折的生物力学研究

目的 基于有限元方法研究空心螺钉不同角度固定对后踝骨折的生物力学影响,确定空心螺钉的最佳固定方式。方法 采用CT图像重建包含胫骨、腓骨、距骨以及相应软骨和韧带的踝关节有限元模型,在验证其有效性基础上建立1/2后踝骨折模型,分析空心螺钉不同固定方式对后踝骨折固定模型的生物力学影响。结果 与螺钉0°、5°、10°、20°固定相比,螺钉15°固定时模型位移最小。螺钉15°固定时,螺钉应力比螺钉5°、10°、20°固定模型小,比螺钉0°固定模型大。但螺钉0°固定时,踝关节接触应力峰值比正常踝关节接触应力峰值大得多,易造成创伤性骨关节炎。结论 空心螺钉治疗累及关节面不超过1/2的后踝骨折安全有效;螺钉以不同角度固定时,模型的位移和应力不同。螺钉固定角度为15°时生物力学稳定性最好,可用于指导临床手术。     

基于三维有限元仿真模拟的踝骨损伤生物力学分析

采用核磁共振扫描仪和Autodesk三维建模软件构建的踝骨实体模型,导入美国ANSYS生产的大型通用有限元分析软件中,获取踝骨三维仿真有限元数字模型,分析不同载荷下踝骨损伤生物力学的三维有限元模型,通过踝骨位移云图、踝骨应力分布云图以及踝骨应变分布云图,分析踝骨整体的位移变化,判断踝骨的受损位置和踝关节的形变量,得到踝骨在不同荷载下的等效应力、等效弹性应变和总形变情况。实验结果表明,静止中立位踝骨各组成骨发生位移会随着踝骨受到载荷力的增加而增加;内翻位踝骨受到大于1 600 N荷载容易发生骨折;不同踝骨屈服角度下,踝骨中立位随牵引力增加,距骨前移距离最大,且踝骨发生背屈屈服时的距骨位移略大于跖屈屈服。     

肌力对足关节接触特征影响的生物力学研究

目的 探究足踝体外生物力学实验中肌力对足关节接触力、峰值压强以及接触面积的影响,为选择合适的加载方式提供依据。 方法 踝关节中立位状态下,对新鲜小腿和足离体标本分别进行有无肌力两种方式加载,测量加载状态下第 1 跖趾关节、第 2 跖趾关节、第 1 跖楔关节、第 2 跖楔关节、内侧楔舟关节、中间楔舟关节、距舟关节、 跟骰关节、距下关节(后关节面)以及胫距关节的接触力、峰值压强和接触面积,并对结果进行对比分析。 结果 与无肌力加载状态相比,进行肌力加载时足第 1 跖趾关节、第 2 跖趾关节、第 1 跖楔关节、第 2 跖楔关节、内侧楔舟关节、中间楔舟关节、距舟关节和胫距关节的关节接触力均显著增大( P < 0. 05),变化百分比分别为 719. 28%、311. 37%、128. 67%、50. 82%、54. 89%、57. 63%、79. 98% 和 50. 34% ;足第 1 跖趾关节、第 1 跖楔关节和距舟关节的关节峰值压强显著增大(P<0. 05),变化百分比分别为 176. 14%、62. 91% 和 40. 07% ;足第 1 跖趾关节、第 1 跖楔关节、中间楔舟关节以及距下关节(后关节面) 的关节接触面积均显著增大( P < 0. 05),变化百分比分别为 132. 20%、55. 41%、30. 97% 和 26. 87% 。 结论 足踝标本生物力学实验中,进行肌力加载对足各关节的关节接触力、峰值压强或接触面积均产生显著影响,前足表现尤甚。 在进行相关体外标本研究时,需要考虑肌力加载对足踝受力情况的影响,为足踝生物力学实验提供参考。     

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.     

踝关节融合术后后足关节生物力学分析

目的 探讨踝关节融合术后后足关节的生物力学特性。方法 利用健康成年男性志愿者右踝关节CT图像，构建踝关节融合前的三维有限元模型，在此基础上模拟踝关节融合术后骨性融合状态，采用中立、外旋、内旋、背伸和跖屈的5种载荷工况分别对融合前、后模型组进行有限元分析，评估踝关节融合前后的整体刚度变化、距下关节和距舟关节的接触力学特性变化。结果 踝关节发生骨性融合后，整体结构刚度较融合前模型显著增高；除中立位工况以外，融合后的距下关节的接触面积均有所减少，距舟关节接触面积则有所增加；而融合后的距下和距舟关节的接触应力在各工况下总体呈降低趋势。结论 踝关节骨性融合术后相邻关节的接触特性改变可能是足部整体结构刚度提高后承载模式发生变化的结果，其与相邻后足关节退行性改变之间的关联尚有待进一步研究证实。     

足踝有限元模型的建立与初步临床应用

建立足踝部有限元模型，研究胫后肌腱功能不全（DPTT）、躅外翻与第一跖列不稳的静态生物力学变化。以螺旋CT扫描正常足部图像为资源，Matlab、Surfacer、ANSYS软件为工具，建立足部有限元模型，模拟静态直立时加载，分别分析跟骨应力应变、胫后肌腱功能不全与第一跖列失稳时的内侧纵弓关节应力应变、骨骼空间位置的的变化。静态直立负重时，跟骨与第一跖骨跖侧应力最大，其中跟骨内侧最大；胫后肌腱功能不全时，可以导致第一跖列的稳定性丧失，进而发生内侧纵弓各个关节之间应力分布、大小发生变化，第一跖骨内收、跖屈，躅趾相对于第一跖骨外展趋势增大。足踝有限元模型是分析足踝生物力学的有力工具；跟痛症的发生与应力反复作用有关；DPPT可以导致第一跖列失稳，进而引起第一跖骨内收、趾外展，与反复应力作用下的躅外翻发生发展有一定关系。     

外踝韧带张力测定与踝关节不稳定性实验

本实验应用改良扣带式张力传感器测定了32侧完整成人下肢踝关节骨—韧带标本,并模拟腓骨部分切除和外踝韧带断裂后,进行了踝关节不稳定性试验,发现这些结构的损伤可造成相应的踝关节不稳定,腓骨切除后胫腓前后韧带张力增加,而距腓前后韧带与跟腓韧带张力减小(P<0.05),并出现踝关节不稳,内旋、内收和前抽屉运动分别增加4.3°,4.6°和2.3mm(P<0.05)。     

Total ankle replacement

29 patients underwent 30 Scandinavian Total Ankle Replacements (STAR) by a single surgeon, over a four year period (1997 to 2001). There were 12 primary osteo arthritic patients with 6 post traumatic. The mean age of these 18 patients was 73. Eleven patients had rheumatoid arthritis and these had a mean age of 58 years at the time of surgery. One patient had bilateral replacements giving a total of 30 prostheses inserted. On review dorsiflexion had increased from a mean of 7 to 11 degrees while plantar flexion from 15 to 24 degrees. The American Orthopaedic Foot and Ankle hindfoot score was 95 (maximum 100) and the Kofoed ankle score revealed 17 excellent, 5 good and 4 fair. No patients had radiological evidence of loosening. Our intermediate term result for the STAR (W. Link GmbH & Co., Hamburg, Germany) ankle replacement has yielded 90% excellent and good functional outcomes in a mixed osteo arthritic and rheumatoid population which mirrors the results of those published from Scandinavia.     

国人外踝韧带的应用解剖学观测

目的:探讨国人踝关节外踝韧带的解剖学特征,为临床踝关节扭伤相关疾病的诊治提供解剖学依据。方法:对43侧成年国人尸体踝关节标本外踝韧带进行应用解剖观察,其中男34侧、女9侧,左踝20侧、右踝23侧。观察距腓前韧带(ATFL)、跟腓韧带(CFL)、外侧距跟韧带(LTCL)的形态学特征,以及各韧带止点的相互关系,并在中立位上...     

踝关节内翻防护型半刚性踝护具的力学特征

目的为探究踝关节易内翻扭伤的机制,设计一款适用于人体踝关节非对称生理结构、可有效防护内翻的踝护具。方法分析导致踝关节内翻的解剖学因素,基于踝关节解剖的非对称结构,构思一种非对称结构踝护具。运用Kinect系统及Geomagic Studio软件,对成年男子踝关节进行三维扫描并数字建模,通过3D打印技术建立踝关节模型。以EVA膜、硅胶膜和裹边紫铜网为原材料,采用立体裁剪及复合材料加工技术,制备两种非对称结构的踝护具。对踝护具的塑形性能、拉伸性能、疲劳性能、外衬面料透气性和摩擦性等进行表征。结果非对称结构踝护具的外侧具有良好的塑形性能,拉伸弹性回复率低。在小应力长时间作用下,EVA复合材料和硅胶膜复合材料均能保持较好的弹性回复,可有效承受内翻外力。外衬面料的透气性和摩擦性试验结果表明,针织涤纶面料较适合作为外衬材料。结论所设计制备的非对称结构踝护具的力学性能可满足踝关节内翻防护要求。外覆面料可提高踝护具的吸湿透气性能,摩擦性能较好。     

Lumbar extensor fatigue and circumferential ankle pressure impair ankle joint motion sense

Fatigue of the lumbar extensor muscles has been associated with a degradation of balance, but the mechanism is not well understood. The ankle plays a major role in upright standing, and loss of proprioceptive acuity at the ankle could contribute to a degradation of balance. Therefore, the first objective of this study was to investigate the effect of lumbar extensor fatigue on ankle proprioceptive acuity. The second objective was to investigate the effect of circumferential ankle pressure (CAP) on ankle proprioceptive acuity to evaluate CAP as a potential intervention to mitigate any loss of proprioceptive acuity at the ankle with lumbar extensor fatigue. To address these objectives, ankle joint motion sense was evaluated with and without CAP, both before and after the lumbar extensors were fatigued. Results showed an impairment in joint motion sense with both fatigue and CAP. These results indicate that lumbar extensor fatigue impairs ankle proprioceptive acuity, which may help explain observed increases in postural sway subsequent to lumbar extensor fatigue.     

Segmental reflexes and ankle joint stiffness during co-contraction of antagonistic ankle muscles in man

The size of soleus H-reflexes and short-latency stretch reflexes was measured at different levels of plantar flexion or co-contraction (simultaneous activation of dorsi- and plantar flexors) in seven healthy subjects. In four of seven subjects the short-latency stretc reflex was smaller during weak co-contraction than during isolated plantar flexion at matched background electromyogram (EMG) levels in the soleus muscle. In three of these four subjects the stretch reflex was larger during strong co-contraction than during plantar flexion, whereas it had the same size during the two tasks in the last subject. In the remaining subjects the stretch reflex either had the same size or was larger at all levels of co-contraction than at similar levels of plantar flexion. In contrast, the H-reflex was found to decrease with co-contraction at all contraction levels in all subjects. The decrease in the reflexes during weak co-contraction might be caused by presynaptic inhibition of Ia afferents. It is unclear why only the H-reflex decreased during strong co-contraction. The stiffness of the ankle joint was measured from the torque increment following the stretch of the plantar flexors divided by the stretch amplitude. In all subjects the total stiffness of the ankle joint was larger during strong co-contraction than during plantar flexion of similar strength. The stiffness was smaller during weak co-contraction than during weak plantar flexion in three out of seven subjects. The medial gastrocnemius muscle was more active at a given level of soleus activity during the co-contraction task than during the isolated plantar flexion task. It is suggested that the increase in the stiffness during co-contraction as compared to isolated plantar flexion was mainly due to the mechanical contribution of the activity in the tibialis anterior and medial gastrocnemius muscles. The decrease in stiffness during weak co-contraction was, in contrast, most likely mainly caused by modulation of reflex stiffness.     

比较踝关节骨折后踝螺钉不同进钉方向固定疗效

目的 比较踝关节骨折后侧入路后踝螺钉不同进钉方向的固定疗效。 方法 选取漂浮体位下后外侧入路对后踝骨折分别采用不同进钉方向螺钉固定患者48例,男性20例,女性28例,年龄（51.88 ± 7.90）岁,左踝20例,右踝28例,依据Lauge-Hansen踝关节骨折分型：旋后外旋型Ⅳ度36例,旋前外旋型Ⅳ度12例。后踝均采用螺钉固定,前向后固定组22例,后向前固定组26例,对比两组手术时间、骨折愈合时间及并发症情况,末次随访采用AOFAS评分进行临床疗效评价。 结果 两组病例均获随访,随访时间10~20个月,平均（13.0±3.5）个月,均Ⅰ期愈合,无切口感染、血管神经损伤等并发症,手术时间、骨折愈合时间、AOFAS评分均未见统计学差异,P>0.05。 结论 后外侧入路固定后踝骨折疗效较好,螺钉不同进钉方向具有相似的临床固定结果,手术医生可凭经验选择合适的方法。