第一跖骨远端截骨术治疗拇外翻机制的有限元分析

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1、—1．IC．—．1．·日IJ吾拇外翻是一种较为常见的足部复合畸形，多见于女性n3，与遗传、骨性结构异常、肌力失衡及后期不适当穿鞋有关。其主要临床表现为：拇趾向外侧偏斜大于正常生理角度(严重者存在跖趾关节脱位或半脱位)，第一跖骨向内侧偏斜，第一跖骨头内侧增生形成骨赘，多数患者因穿鞋长期压迫磨擦，形成骨赘拇囊炎肿，并常伴有疼痛性胼胝、跖骨头下疼痛等。自18世纪末，人们就已开始对拇外翻的治疗方法展开研究，发展到现在，手术治疗方式已达数百种乜1，主要归类于以下几种：软组织修复手术、截骨手术、关节融合手术、关节重建手术及特殊术式，其中较为常用的有口1：McBride术、Akin术、Gibson

2、术、Chevron术、Mitchell术、Keller术等。随着医疗技术的发展，现代外科手术逐步向微创外科治疗方向过渡，微创治疗拇外翻的手术方式逐渐成为治疗拇外翻足畸形的重要方式H3。赵延勇自2003年以来采用小切口第一跖骨远端截骨术治疗拇外翻畸形患者数百余名，疗效显著哺1。拇外翻足的畸形不仅表现在足部病理结构及X线影像测量改变上，其足部生物力学尤其是前足足底的压力分布也与正常足存在明显差异。对于正常足与拇外翻足的足底压力分布规律，国内外许多学者研究比较相同的结论∞121是：①正常足的足底压力分布状态是第一、二跖骨头下压力较高，足底压力中心位于内侧；②拇外翻足的足底压力分布规律是外侧

3、跖骨头下区域压力明显增高，足底压力中心位于外侧，较正常足有足底压力中心外移的趋势。从生物力学的角度参看，拇外翻畸形是第一跖骨、拇趾及足弓等组织的三维空间结构发生了变化导致n引，以往矫形手术的疗效评估多依据临床症状的改善，忽略了力学分析。本课题建议拇外翻足矫正手术及术后疗效评估应更加全面，重视从三维力学角度综合分析，良好的治疗效果应做到既能矫正畸形，又要恢复接近正常的足底压力分布状态，防止复发等其他并发症。随着计算机技术及医学影像技术的飞速发展，有限元分析方法逐渐成为力学研究中较为重要的分析方法之一，现已广泛应用于工程设计制造领域和生物体的生物力学研究领域中。近年来有限元分析方法逐步被

4、广泛应用于足踝矫形外科领域，为足部疾病的病因、病理机制以及临床治疗、术后康复的研究提供了强有力的技术手段n41。有限元法(finiteelement，FE)工作原理是把整个结构看成是由有限个单元互相连接形成的三维几何实体，每个小单元力学特征的组装效果体现出结构的整体力学特性。临床医学上，通过建立生物体局部的有限元模型，可以使用软件进行多样化的预实验过程，提供用实体模型方法不能得到的真实的内在生物力学反应，根据有限元分析结果优化和改进生物体内固定器材的设计和实施外科手术的策划等[15]本课题关注于小切口第一跖骨远端截骨治疗拇外翻畸形手术对拇外翻足生物力学分布的影响，通过建立拇外翻足的有

5、限元模型，仿真足部站立状态并进行手术模拟，得到前足足底的压力分布趋势云图，从而熟悉了解拇外翻足的生物力学特性及手术对其造成的生物力学影响。从生物力学机制的角度重点剖析小切口第一跖骨远端截骨术中不同截骨位置、第一跖骨短缩量及截骨后跖骨远端外推位移量对前足足底压力分布及对其术后截骨断端应力大小的影响，并予以比较分析，为临床治疗中选择最佳手术方案提供理论依据。第一部分拇外翻足有限元模型的建立利用三维有限元分析方法进行应力分析是生物力学研究中的重要手段，它可以对几何形状复杂的生物体进行模型化，进而求得整体和局部的应力大小及其分布规律，还可以可根据实际需要改变负荷加载和边界条件等力学参数，在维

6、持原模型几何形状不变的状态下，直观地对其应力大小和分布趋势进行对比分析。有限元方法自从应用于人体生物力学分析的研究以来就显示有极大的优越性n6J。由于生物体在几何形状结构和材料性质上的特殊性和复杂性，准确并快速地建立生物组织结构的有限元模型是生物力学有限元研究中的关键，同样也是进行三维有限元分析的基础[17]O以前的生物力学研究由于受到有限元模型建立方法的限制，只能采取手工或者几种软件结合的方式针对于单一的组织结构建立有其共性的有限元模型。随着医学影像技术的进步、计算机软件系统的发展，已实现应用统一标准的数字化医学影像文件结合单一软件建立三维有限元模型n引，本课题研究采用薄层螺旋CT

7、扫描技术，数据应用DICOM标准格式导入至MIMICS软件进行处理，最终利用ABAQUS有限元分析软件快速有效地建成拇外翻足三维有限元模型。一、拇外翻足有限元模型的建立1．建模素材的选取选取中年女性单纯拇外翻足患者一名，体重60kg，其右足拇外翻角(HVA)为35。，第一、二跖骨间角(IMA)为14。，身体健康，无足部外伤及手术史，无足部其它畸形。2．数据的采集受试者踝关节处于中立位，非负重位，足底垫以坚硬平板，采用GE公司生产的LIGHT-SPEEDl6