研究背景拇外翻是足部常见畸形,发病率约为10%,主要表现为足部拇囊炎,拇趾跖趾关节内侧红肿疼痛、行走困难,严重影响生活质量。传统拇外翻治疗术式存在对软组织损伤大,采用内固定或石膏支具外固定,费用较高,患者痛苦大,恢复慢,术后生活不能自理等缺点。中西医结合微创技术治疗拇外翻具有操作简单、患者痛苦小、合并症少、疗效确定等优点,2002年获得国家科技进步二等奖,被科技部推荐参加了德国举行的“新思维、新发明、新技术”国际博览会,荣获金奖。中西医结合微创技术治疗拇外翻被国家中医药管理局列为全国十大优秀项目向全国推广,目前全国已有20多个省、市的医院开展此项技术,经前期986足拇外翻患者随访证实,其优良率达98.5%。近30年来经过导师团队的不断完善、创新与发展,已经形成了拇外翻规范化的诊疗体系。中西医结合微创技术治疗拇外翻,是采用第1跖骨头颈斜行截骨矫正畸形,通过中医正骨手法整复外翻畸形及关节脱位,依据小夹板纸夹垫原理及“筋束骨”理论,基于“裹帘”法,采用“8”字绷带和分趾垫固定截骨端,摒弃传统的钢板螺钉内固定和石膏外固定方法。该方法技术要点为：①微创技术在中医足踝外科的应用;②采用第1跖骨头颈斜行截骨矫正畸形；③中医正骨手法纠正畸形及关节脱位；④依据小夹板纸夹垫原理及“筋束骨”理论,基于“裹帘”法采用“8”字绷带和分趾垫外固定。近年来,随着有限元分析方法在生物力学中的应用,尤其在对人体骨骼结构进行力学研究时,传统力学实验几乎无法直接进行,所以在模拟力学实验时有限元分析方法成为了一种行之有效的方法,有限元分析方法的最大优点是对生物体无损伤,且可以模拟活体组织内部的生物力学行为,不局限于模型的几何形状、受力条件等,随着技术的发展,材料参数等的不断完善,模拟生物力学环境及测试精度越来越高。足部力学结构上,包括26块骨骼、1对籽骨,复杂的韧带、跖腱膜、肌腱等软组织维持足部三维结构,在功能上,足踝起到支撑承重、吸收震荡、传递运动和杠杆平衡等作用,随着足部疾病发病率不断上升,在人体生物力学研究领域中,足部生物力学研究随着足外科的发展在近几年内广泛兴起,从技术角度来说,各种测量技术和计算机软硬件的快速发展为足部生物力学研究提供了必要条件,包括运动捕捉系统、压力平台、CT和MRI三维扫描技术、逆向工程软件以及有限元分析软件等,使足部生物力学研究中有限元模型仿真精度越来越高。中西医结合微创技术治疗拇外翻,术后基于“裹帘”法采用“8”字绷带和分趾垫外固定,术后患者即能下地行走,曾受到部分骨科学者的质疑。现代医学认为截骨的愈合需要稳定固定,截骨复位后必须保持稳定才能愈合。人体在负重时足部负荷增大,尤其是在第1跖骨处压力较大。一些骨科医生认为在此处截骨不做内固定,又不制动,会影响截骨端稳定,可能会出现截骨端的延迟愈合,甚至不愈合,但事实是中西医结合微创技术治疗拇外翻方法,通过近30年的临床应用,3万余例随访,并未出现截骨不愈合现象。微创技术治疗拇外翻,基于“裹帘”法采用“8”字绷带和分趾垫外固定是否可以维持截骨端有效固定?允许患者早期下地行走是否会影响截骨端愈合?“裹帘”法外固定是否科学?这些问题亟待我们进行系统的理论研究。目前,对拇外翻足进行有限元分析研究的报导较少,多数为静态模拟,我们有必要建立足部拇外翻有限元模型,对中西医结合治疗拇外翻相关生物力学机制进行研究,使得我们进一步了解拇外翻术后不同状态(静态和步态周期中)下的应力分布和位移,探讨“裹帘”法外固定对第1跖骨截骨端稳定和生物力学的影响。进一步阐明中西医结合微创技术治疗拇外翻的生物力学机制,为本疗法的完善和改进提供理论依据。目的1.建立和完善拇外翻足有限元模型,模拟微创截骨手法整复和“裹帘”外固定,建立“裹帘”法外固定的有限元模型。2.探讨“裹帘”法外固定在准静态和步态周期中对截骨端的位移和应力影响。3.观察拇外翻微创截骨手法整复“裹帘”法外固定后,不同时间点影像学上的截骨端成角和距离的变化。4.分析中西医结合微创截骨手法整复术后,基于“裹帘”法外固定对截骨端稳定性的影响,提高对中西医结合微创技术治疗拇外翻科学性的认识,为中西医结合治疗拇外翻理论丰富和完善提供实验依据。方法1.建立中西医结合微创截骨手法整复后拇外翻模型1.1选取青年女性拇外翻志愿者,右足HAV角24。,IM角13。,PASA角7。,DASA角7。,体质量58kg,无足部其它畸形及足部手术史,采用CT对患足进行扫描,层厚1mm,间隔1mm,扫描从足尖至足后跟,获得足的CT图像。扫描时受试者踝关节处于中立位,患足非负重。1.2利用Mimics10.01导入足部CT图像,进行图像分割填充,生成3D模型,导入到Geomagic Studio 12.0软件,通过拟合曲面,生成实体模型,然后进行骨骼、韧带等的装配,在ABAQUS中定义材料属性,都设定为单一各向同性线弹性材料,进行网格划分,生成四面体自由网格,将所有骨骼、软骨、韧带等装配起来,在ABAQUS中建立长方体模型,作为地面模型,划分六面体网格。1.3模拟拇外翻患者在双足平衡站立时双足受力情况,定义作用载荷跟腱力、足底压力、足底摩擦力。支撑结构上表面和足底表面定义为接触关系,摩擦系数为0.6,固定平板完全约束,双足处在平衡站立时中立位,胫腓骨上端加载。以Foot scan力板测试系统,静态下测量受试者足底压力,通过测试结果与有限元足底云图比较,进行模型验证。1.4利用CATIA软件在拇外翻模型上模拟截骨,削磨掉第1跖骨头内侧骨赘,在第1跖骨头颈部截骨,水平面与第1跖骨轴线的垂线成20。角,方向从远端内侧向近端外侧,矢状面与第1跖骨轴线垂线成15。角,方向从远端背侧向近端跖侧,模拟手法复位,将远端截骨块向外侧推移3mm,通过机械载荷模拟皮肤,建成中西医结合微创截骨手法整复后拇外翻有限元模型。2.研究中西医结合微创技术截骨手法整复后,基于“裹帘”法外固定在准静态条件下的对截骨端位移和应力的影响2.1采用已建立的拇外翻足三维有限元截骨模型,在ABAQUS软件中,采用机械载荷方式,模拟基于“裹帘”法“8”字绷带及第1、2趾间分趾垫、粘膏外固定系统的工况。外固定绷带的弹性模量根据实测为44.61 MPa。分趾垫和“8”字绷带的外固定力,经术后外固定包扎实际测得,在分析时以载荷的方式表示,其它设定同前工况。2.2模型的约束与加载：模型的约束和加载同前工况。2.3有限元模型数据的计算：计算和分析截骨远端截骨面四个节点(上、下、内、外)的应力分布,方向、大小及位移的大小与方向以及截骨面间总应力(Miles Stress)和总位移量。2.4数据采集及统计学处理：采集在有/无外固定的两种工况下,截骨端的位移和应力变化的有限元计算数值进行对比,观察和研究截骨端基于“裹帘”法外固定对截骨端稳定性的影响,本实验数据采用SPSS13.0统计软件进行方差分析。3.研究中西医结合微创技术截骨手法整复后,基于“裹帘”法外固定在步态周期中对截骨端位移和应力的影响3.1通过足底压力测试和同步的三维运动测试两种步态分析技术,获取足底反力-时间曲线和下肢胫骨轴线与地面垂线的角度-时间曲线,确定足底反力和胫骨角度对应关系。3.2模型的约束与加载：选取步态周期中支撑时相中两个波峰和一个波谷共三个特征点,通过对应的胫骨轴线角度、地面垂直反力和足外在肌力进行约束和加载。模型中的足外在肌,全部通过机械载荷的方式模拟,约束胫腓骨的自由度,模拟地面,对模型进行垂直加载。3.3有限元模型数据的计算：计算和分析步态周期中,不同时刻加载前后四个节点的应力和位移的变化,并进行统计学分析。4.基于“裹帘”法外固定拇外翻术后截骨端稳定性的影像学评价采用回顾性研究,选取2014年11月-2015年3月在中国中医科学院望京医院骨关节二科采用微创截骨手法整复术治疗的拇外翻患者63例(120足),基于“裹帘”法采用“8”字绷带、分趾垫外固定,术后即刻、2周、6周、3个月均行足负重位X光片检查,记录不同时间点角度位移指标(∠α、∠β),位移指标(距离M、距离N值),进行统计学分析,分析不同时间点角度位移和位移指标的差异。结果1.建立了拇外翻足三维有限元模型,模型重建了骨骼、软骨、内在肌、皮肤等组织,总节点209832,总单元数333776,以Foot scan力板测试系统,静态下测量受试者足底压力,通过测试结果与有限元足底云图比较,压力主要集中在跟骨、第2、3跖骨下,受力区域大致相同。2.利用ABAQUS软件的Load模块采用机械载荷方式,模拟了基于“裹帘”法“8”字绷带及第1、2趾间分趾垫、粘膏外固定系统的工况,远端截骨面4个节点中,无外固定工况最大应力0.067 MPa,有外固定工况最大应力1.258 MPa,应力主要分布在截骨端的外侧边缘部位。无外固定工况最大绝对位移0.363mm,有外固定工况最大绝对位移0.716mm,均在Z轴方向位移最大,经单因素方差分析,有/无外固定工况,4个节点应力和绝对位移存在显著性差异(P<0.01)。选取近端、远端截骨面4个节点相互对应,对应的2个节点的变形距离：无外固定工况最大相对位移0.101mm,有外固定工况最大相对位移0.046mm,经单因素方差分析,有/无外固定工况4个节点相对位移存在统计学差异(P<0.05)。3.第1个波峰瞬间：出现在足跟着地后,支撑期0.24s时,胫骨轴线与地面垂线成角约为-4.30,垂直加载力为621N。波谷瞬间：全足支撑阶段,支撑期0.40s时,胫骨轴线与地面垂线成角约为4.5。,垂直加载力为564N。第2个波峰瞬间：出现在加速蹬离(PushOff)阶段,支撑期0.63s时,胫骨轴线与地面垂线成角约为27.3。,垂直加载力为632N。在步态周期支撑期中有限元分析：第1波峰工况总位移0133mm, Von Mises应力1.3MPa；波谷时工况总位移0183mm, Von Mises应力3.4 MPa；第2波峰工况总位移0.115mm, Von Mises应力24.8 MPa。X轴相对位移、Z轴相对位移和总相对位移有显著性差异(P<0.01),而Y轴位移无统计学差异(P>0.05)。4.术后不同时间点比较,∠α、距离M无统计学差异(P>0.05),∠β有统计学差异(P=0.032<0.05),距离N值有统计学差异(P=0.047<0.05),而在多重分析比较中,∠β、距离N值组间多重比较无统计学差异(P>0.05)。结论1.通过CT平扫、逆向工程软件和有限元分析软件,成功建立了拇外翻三维有限元模型和中西医结合微创技术治疗拇外翻的术后模型,通过Footscan力板测试对有限元模型进行了可靠性检验,证实模型可靠。2.通过准静态有限元分析证实中西医结合微创技术治疗拇外翻,基于“裹帘”法采用“8”字绷带及第1、2趾间分趾垫、粘膏外固定系统外固定,可有效减少截骨端位移,保持截骨端微动、应力适中,不影响截骨端骨折愈合。3.通过步态分析技术,对步态周期中支撑期三个特征时相进行有限元分析,证实了在步态周期中“裹帘”法外固定可以维持截骨端相对稳定,应力适中,有利于截骨端骨折愈合,是一种安全、有效的外固定方法。4.通过对拇外翻患者120足术后不同时间点的截骨端稳定性测量和分析,从临床实践证实了“裹帘”法外固定,可以有效保持截骨端稳定,同时截骨端存在微动,骨折愈合属于间接愈合,符合“弹性固定”准则。5.通过有限元分析法对中西医结合微创技术治疗拇外翻生物力学机制的有限元分析,提高了对此方法治疗拇外翻机理和科学性的认识,为中西医结合治疗拇外翻理论丰富和完善,提供了实验依据。创新点1.建立了拇外翻足微创截骨手法整复术后的三维有限元模型和基于“裹帘”法外固定的有限元模型,为中西医结合微创技术治疗拇外翻术后评价及预后研究开辟了新的思路。2.将有限元分析软件和三维运动测试系统、Foot scan足底压力测试系统相结合,模拟了拇外翻术后患者在平衡站立和步态周期中支撑时相工况。通过对截骨端静态和动态的有限元分析,证实“裹帘”法外固定的科学性,为中西医结合治疗拇外翻理论丰富和完善,提供了实验依据。