研究背景距骨为人体最大的跗骨之一,是身体重力传至足部的枢纽,约60%-70%被关节软骨覆盖。了解距骨正常力学分布特点,将有助于进一步认识正常和异常情况下距骨的生理病理学行为。距骨各关节面的载荷分布异常是踝关节关节疾病发生的重要因素,是发生骨关节炎的主要病因之一。距骨及周围结构的损伤必然导致距骨生理结构的紊乱,影响距骨的应力分布。踝关节周围韧带损伤对距骨在踝穴中的稳定有重要影响。当踝关节周围韧带损伤后,将导致行走时距骨在踝穴中解剖位置的改变,影响关节接触面积及应力分布,异常的应力分布导致关节软骨发生退行性病变,最终导致骨性关节炎,故韧带损伤后应仔细对韧带原来的位置及纤维走向进行重建。由于距骨解剖结构复杂,在活体对韧带损伤后距骨的生物力学特征变化研究较为困难。传统的骨科生物力学实验主要是以动物模型或尸体模型为基础,但存在许多弊端和局限性。动物模型的结构和功能与人类差别较大,因此生物力学结果不可能解决有关人类特性的问题；在体实验研究结果虽然最为可靠,但由于实验手段的缺陷,想在不改变其生理状态的情况下得到生物体尤其是内部组织的实验数据往往是十分困难的。尸体模型虽然在几何相似性有很大的优势,却又会改变生物体作为活组织的特性,难以获得各异的力学性能,同时一个标本不能反复利用,使对照研究的可比性下降,且实验费用较高,取材较困难,想得到实验对象内部任意部位的生物力学响应也十分困难。随着数字仿真建模技术及有限元法的发展,数字虚拟逐渐应用到临床诊断、治疗及实验研究。与以往的生物力学实验相比,有限元方法是一种非常有用的数值计算工具,可以用几何及数字非线性进行复杂结构内部应力、应变分析。可以完成其他研究方法所不能实现的加载方式及约束条件,标本也可以进行修正以模拟任何病理状态。有限元模型也可以提供实验不能得到的正常生理信息,得到客观实体实验所难以得到的研究结果。可以通过改变载荷加载方式、改变材料特性等方法进行个体化受力分析。由于距骨结构的复杂性、运动的多样性、个体的差异性,迄今为止,距骨生物力学研究中尚无一个可以完全模拟生理状态的有限元模型。生理状况下,距骨的结构和功能在很大程度上依赖于其所处的力学环境。本研究利用CT数据,建立合理的距骨数字仿真及三维有限元模型,研究距骨及周围结构的生物力学特性,分析正常步态下距骨应力应变情况,距骨颈骨折不同内固定方式的生物力学稳定性,距骨周围韧带损伤后距骨力学环境的改变情况,以期为足踝外科领域生物力学研究提供新的手段。目的1.利用数字化技术,建立距骨及周围结构的数字虚拟仿真模型,探讨数字仿真医学建模的方法及意义；2.建立正常步态下距骨及周围结构的三维有限元模型,分析正常步态下距骨生物力学变化；3.研究正常步态下距骨各关节面软骨的应力分布特点,分析不同步态相距骨各关节面接触特征；4.通过三维有限元法对距骨颈骨折不同螺钉内固定方式进行对比评价,比较不同内固定方式生物力学稳定性,为临床应用提供理论依据；5.建立踝关节韧带损伤三维有限元模型,分析不同韧带损伤后,在内旋、外旋作用力下距骨的生物力学变化。方法1.距骨及周围结构三维数字模型的建立：选择一例正常志愿者进行64排螺旋CT扫描。扫描平面：足底至踝关节上10cm,扫描层厚：0.45mm；存贮图像格式：DICOM格式。获得DICOM格式的二维图像数据,二维断层CT图像共663层,将其导入到三维重建软件Mimics10.01中,生成3D模型,再以STL格式导入逆向工程软件Geomagic Studio10.0中拟合曲面,最后在UG软件中缝合,建立距骨及周围结构的三维实体模型。2.正常步态下距骨及周围结构三维有限元模型的建立：将UG中生成的实体模型导入HyperMesh10.0中,根据关节软骨边界,生成软骨实体结构,然后利用其强大的前处理功能模块划分网格,添加距骨周围韧带等附属结构,构建距骨及周围结构的三维有限元模型,之后导入ABAQUS6.9软件进行后处理。结果与以前研究进行对比来验证模型的有效性。分析距骨在不同步态相应力位移云图,探讨距骨的生物力学特性。3.正常步态下距骨各关节面软骨接触特征的有限元分析：在上述所建有限元模型上,观察落地相、中立相、离地相时各关节面接触区域,接触面积及压强,关节软骨及软骨骨床von Mise应力分布等,了解距骨各关节面的生物力学特征。4.距骨颈骨折螺钉固定稳定性的有限元分析：对成人正常踝关节进行CT扫描(使用64排西门子螺旋CT,层厚0.45mm),数据以DICOM格式储存。然后导入Mimics 10.0软件,根据不同组织灰度值的差异,通过阈值化及相应的擦除操作,构建得到距骨三维模型,将模型输出为STL文件,再导入逆向工程软件Geomagic Studio10.0进行光滑处理,模拟距骨颈骨折进行截骨,拟合曲面,输出为Iges文件,导入UG软件缝合生成实体模型。螺钉模型由UG软件建立,根据临床上AO/ASIF全螺纹松质骨螺钉的尺寸确定螺钉外径为4.0 mm,内径2.9mm,长度根据需要的不同而调整。由于本研究的重点与螺纹关系不大,因此为简化模型,忽略螺纹的细节,以直径4.0mm的圆柱体代替螺纹部分,输出为Iges文件。再将距骨及螺钉的几何模型导入有限元分析前处理软件Hyper Works10.0中,进行装配、网格化及赋值等前处理。根据距骨颈骨折不同固定方式,生成单螺钉、双螺钉由前向后固定及单螺钉、双螺钉由后向前固定四种不同固定的有限元模型,最后导入有限元分析软件ANSYS11.0后处理分析。通过比较不同固定方式之间螺钉的von Mises应力、骨折面接触面积及压力和骨折间隙,评价不同内固定方式的稳定性。5.踝关节周围韧带损伤后距骨生物力学变化：建立距骨周围韧带损伤模型,分别模拟距腓前韧带、跟腓韧带、距腓后韧带、胫距前韧带、胫跟韧带、胫距后韧带及胫舟韧带断裂,施加载荷,观察距骨应变位移云图,分析不同部位韧带损伤后在内旋、外旋外力下距骨的生物力学变化,为临床上韧带损伤修复提供理论指导。结果1.进行足踝部CT扫描,得到DICOM数据,利用Mimics、Geomagic Studio、UG软件建立距骨及周围结构的三维模型,模型几何结构精确、逼真。2.将实体模型导入Hypermesh进行网格划分,赋值,建立三维有限元模型,共生成21865个节点、73440个单元,导入ABAQUS软件进行后处理。通过加载载荷及施加边界条件,模型进行有限元分析,与其他生物力学实验比较,结果相似,证明模型有效。正常步态中从落地相到离地相中等效应力峰值在距骨滑车分别为3.0 MPa、4.3 MPa、4.8 MPa;在距骨颈分别为1.3 MPa、1.9 MPa、2.8 MPa;在距舟关节分别为2.8 MPa、3.0 MPa、3.4 MPa;在距下关节分别为2.2 MPa、1.8 MPa、1.5MPa。不同位相距骨Von Mises应力值及分布范围不同,等效应力在距骨滑车、距骨颈及距舟关节从落地相到离地相逐渐增大,在距下关节逐渐减小。3.距骨滑车面软骨接触应力从落地相到离地相逐渐增加,在三个位相分别是5.6、8.3和11.8MPa。在落地相关节软骨接触应力主要分布于中后侧,中立相分布在前、外侧,离地相分布在外侧和前内侧。距舟关节面软骨接触应力主要分布在跖内侧,三个位相应力最大值分别为7.8、8.6和8.1 MPa,中立相时关节软骨所受接触应力较大。距下后关节关节软骨接触应力三个位相时接触应力最大值分别为4.5、4.7和4.0 MPa,中立相时较大,离地相关节面软骨所受接触应力较小。距骨各关节面软骨von Mises应力分布趋势同接触应力分布,从落地相至离地相,距骨滑车关节面软骨和距舟关节面软骨的von Mises应力逐渐增加,而距下后关节面软骨的von Mises应力逐渐减小。4.模拟距骨颈骨折有限元模型,对距骨颈骨折螺钉固定方式进行生物力学分析,从应力应变云图可以看出：不同内固定方式螺钉应力分布不均匀,螺钉应力主要集中于骨折断端处。在两种载荷边界条件下,采用双螺钉由前向后固定,螺钉von Mises应力最小,在中立位和背伸时分别为14.062MPa、32.012MPa。相同内固定情况下,踝关节背伸螺钉von Mises应力值高于中立位站立时。中立位时,骨折面压力主要集中于距骨颈背外侧,双螺钉由前向后固定压力最大,为7.041MPa；踝关节背伸时,压力主要集中在内侧,双螺钉由前向后固定压力大于其他三种固定方式,为9.165 MPa。两种载荷下,四种固定方式骨折面接触面积变化不大。采用单螺钉由前向后固定在两种载荷边界条件下骨折间隙最大,双螺钉由前向后固定骨折间隙最小。5.在内旋载荷下,胫腓后韧带、距腓前韧带和胫距后韧带不受应力作用,跟腓韧带所受应力较大,为18.91MPa。在外旋应力下,距腓后韧带、跟腓韧带、胫距前韧带、胫舟韧带不受应力作用,距腓前韧带所受应力最大,为13.75 MPa。内旋作用下,距腓前韧带损伤后,等效应力峰值在胫距关节为8.56MPa,距下后关节6.43MPa,距下前关节为1.87MPa,距舟关节为7.31 MPa。距骨的最大位移位于距骨后部,为1.21mm。跟腓韧带损伤后,等效应力峰值在胫距关节为9.29MPa,距下后关节7.19MPa,距下前关节为3.49MPa,距舟关节为6.69MPa,最大位移位于距骨后部,为1.72mm。距腓后带损伤后,等效应力峰值在胫距关节为8.86MPa,距下后关节6.88MPa,距下前关节为1.85MPa,距舟关节为7.39MPa。距骨的最大位移位于距骨后部,为1.09mm。外旋作用下,胫距前韧带、胫跟韧带、胫舟韧带损伤后,等效应力及位移变化情况相同,在胫距关节为5.79MPa,距下后关节4.91MPa,距下前关节为1.71MPa,距舟关节为6.88MPa。距骨的最大位移位于距骨体外侧及头部外侧,为0.64mm。胫距后韧带损伤后,距骨等效应力在胫距关节面前侧、距下后关节中部、距舟关节下内侧等效应力较大,在胫距关节为6.24MPa,距下后关节5.23MPa,距下前关节为1.41MPa,距舟关节为6.67 MPa。距骨的最大位移位于距骨体外侧及头部外侧,为0.72mm。结论1.基于CT扫描数据,利用Mimics、Geomagic Studio、UG软件,建立距骨及周围骨骼的三维数字仿真模型,这种方法可行、有效,建模速度较快,且对人体无损害。所建模型包含大量信息量,具有和实体相似的几何形状,能够较真实模拟原模型。2.三维有限元法是生物力学研究的一种理论方法,可以模拟各种结构的几何模型,赋予各种组织的生物材料属性,能很好的反映其生物力学特性的总体趋势,因而可以作为标本实验生物力学研究方法很好的补充。本研究利用人体足踝部CT数据,借助Mimics、Geomagic Studio、Hypermesh、ABAQUS等软件,建立了距骨及周围结构的有限元模型与正常人体具有良好的几何相似性。本模型与目前文献报道的同类研究模型相比,网格划分均匀,单元质量较高,因此,分析结果更加精确。同时,由于数字模型可拆分的特点,应用具有极大的灵活性,在研究对象的选择上,可对足踝部诸骨独立研究,进一步扩大了本模型的应用范围。除此之外,作为整体,通过与解剖结构、病理生理、临床研究等多方面生物力学实验研究相关文献对比,证明本模型具有良好的物理相似性,更能够准确和完整地模拟距骨的解剖结构及其受力特点,有利于对距骨进行生物力学分析。3.距骨各关节面接触应力及面积的分布对临床研究有重要意义,距骨各关节面软骨的异常力学机制是踝关节骨关节炎的主要病因之一,认识正常步态下距骨各关节面软骨力学分布特点,将有助于了解正常距骨关节软骨的力学机制和异常载荷下关节软骨的病理学行为。4.有限元分析方法开始越来越多的被用于骨折内外固定方法的生物力学评价中,为临床选择有效的固定方法提供了实验依据。内固定物本身应力分布情况及骨折断面的位移是衡量内固定方式优劣的一个标准。理想的内固定物应该使应力尽可能均匀的分布在内固定物上,而不应过度集中在某一部位。高应力必然导致骨折端的高应变,从骨折愈合角度来讲,这种高应变不利于骨折局部骨痂的生长。骨折面的情况对骨折的愈合非常重要,其中的两个因素是骨折断端接触面积及接触面的压力。较大的接触面积及适量的压力能增加断端间静摩擦力,减小骨折断端间隙,加大骨折的固定刚度。距骨颈骨折采用双螺钉由前向后固定可获得可靠的生物力学稳定。5.踝关节周围韧带损伤,对距骨的稳定性有重要影响,当距骨周围韧带损伤后,必然导致距骨在踩穴中的位置发生改变,从而影响关节接触应力及面积发生改变,导致关节软骨发生退行性变化,最终导致骨性关节炎的发生。在外旋作用力下,胫距后韧带损伤后,距骨的等效应力及位移较大,胫距关节的接触压力较大,提示胫距后韧带在外旋情况下对踝关节的稳定性具有重要作用。在内旋作用下,跟腓韧带损伤后,距骨的等效应力及位移较大,提示跟腓韧带在内旋情况下对踝关节的稳定性具有重要作用。6.本研究的不足之处。本实验所涉及的生物材料的材料力学特性均假定为均质、连续和各向同性,骨、软骨、韧带材料本身并不是均质、连续的,也不是各向同性,而是呈各向异性的特征,也没有考虑踝关节周围软组织对模型的影响。