踇外翻微創(chuàng)截骨術(shù)后繃帶和克氏針固定截骨端生物力學的三維有限元分析

謝強 郝宇 李小東 王培

踇外翻是足部常見畸形疾病之一,對于其治療常用的手術(shù)方式主要是截骨術(shù)[1]。隨著微創(chuàng)治療的發(fā)展,微創(chuàng)治療踇外翻的手術(shù)方式日漸增多。其中經(jīng)皮微創(chuàng)截骨(SERI截骨)已廣泛應(yīng)用于治療輕中度踇外翻[2],尤其以溫氏手術(shù)為代表[3]。這種手術(shù)方式主要是以繃帶分趾墊固定,對于其穩(wěn)定性一直存在質(zhì)疑,于是有些學者采用克氏針固定[2,4],但對于其兩種固定方式的生物力學分析相對較少。隨著其在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用,三維有限元技術(shù)開始應(yīng)用于踇外翻的研究中。本研究通過三維有限元技術(shù)建立足部踇外翻模型,分析踇外翻微創(chuàng)截骨術(shù)后繃帶和克氏針固定截骨端穩(wěn)定性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 于2022年2月10日在承德醫(yī)學院附屬醫(yī)院受試者接待室完成靜態(tài)生物力學實驗。選取1例踇外翻患者,女,28歲,身高167 cm;體重60 kg。患者左足踇外翻角(hallux valgus angle,HVA)為25°,第1、2跖骨間角(interrnetatarsal angle,IMA) 為12°。 近端關(guān)節(jié)固定角(proximal articulator set angle,PASA)為5°,遠端關(guān)節(jié)固定角(proximal articulator set angle,PASA)為6°。經(jīng)查體患者無錘狀趾、爪形趾等畸形,無其他足部創(chuàng)傷和手術(shù)史,無痛風、類風濕等其他慢性病史。在進行試驗前,已與患者簽署知情同意書并告知風險。此試驗已獲承德醫(yī)學院附屬醫(yī)院倫理委員會審核并批準。

1.2 設(shè)備與軟件 (1)德國SIEMENS公司64排螺旋CT(型號 SOMATOM Definition Edge);(2)Mimics 21.0(比利時Materialise公司);(3)Geomagic 2017(掃描數(shù)據(jù)處理及3D模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用工具,Geomagic公司)(4)SolidWorks 2017(三維建模處理軟件,達索公司);(5)Ansys 17.0(有限元模擬計算軟件,美國Ansys公司);(6)克氏針(廈門大博醫(yī)療器械有限公司)。

1.3 方法

1.3.1 數(shù)據(jù)采集:對志愿者的左足進行CT平掃,斷層圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出保存。

1.3.2 建立成人踇外翻三維有限元模型:將原數(shù)據(jù)導入Mimics軟件,初步建立相應(yīng)三維網(wǎng)格模型,將跟骨、距骨等骨骼分別導出STL格式模型數(shù)據(jù)文件,再將此數(shù)據(jù)文件導入Geomagic軟件中,進行表面處理,優(yōu)化模型特征建立皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨,接著導入SolidWorks進行裝配正常狀態(tài),最后導入ansys劃分網(wǎng)格建立有效的分析文件,獲得初步踇外翻模型。

1.3.2.1 成人踇外翻微創(chuàng)截骨模型的建立:于跖骨頭近端內(nèi)側(cè)約2 cm處做截骨,形成一個矢狀面上與跖骨軸線的垂線成 10°角,水平面上跖骨軸線的垂線成 15°角的平面,將此平面分割跖骨。截骨遠端由內(nèi)向外,順截骨面方向平移約3 mm[5]。獲得踇外翻微創(chuàng)截骨模型。見圖1。

圖1 踇外翻微創(chuàng)截骨模型

1.3.2.2 成人踇外翻微創(chuàng)截骨克氏針固定模型的建立:選用1.5 mm克氏針,為了便于試驗研究,將其簡化為1.5 mm圓柱垂直于截骨面行2枚平行固定[6]。見圖2。

1.3.3 單元劃分與材料參數(shù)賦值:在本研究中骨質(zhì)采用baqus/standard中修正的二階四面體單元(C3D10M),克氏針采用縮減的六面體單元C3D8R。骨性結(jié)構(gòu)模擬為各向同性的線彈性材料,骨與克氏針等的材料特性參數(shù)參照既往文獻確定[7-9]。見表1、2。

圖2 成人踇外翻微創(chuàng)截骨克氏針固定模型

表1 有限元模型統(tǒng)計信息

表2 材料屬性

1.3.4 確定接觸邊界條件及載荷:模型的上、下表面和截骨之間的接觸定義為摩擦,摩擦系數(shù)設(shè)為0.6,其他關(guān)節(jié)的接觸摩擦系數(shù)設(shè)為0[10]。克氏針與骨質(zhì)之間的接觸定義為摩擦,摩擦系數(shù)定義為0.2[11],載荷通過壓力中心處加載,距骨上表面完全約束,踝關(guān)節(jié)處在平衡站立時的中立位。第 1 跖骨截骨近端設(shè)為固定端,截骨遠端為自由端。模擬體重60 kg踇外翻患者第1跖骨頸部微創(chuàng)截骨后行繃帶分趾墊外固定和克氏針固定后極度跖屈位時,截骨端的位移和應(yīng)力情況。雙足站立時,體重一半的力(約為300 N)施加在模型上[12]。參照既往文獻[13],將影響第1跖列的肌力假設(shè)為與1跖骨縱軸平行且為參考值的50%,約為319.5 N。將繃帶和分趾墊的力量分解為與趾骨垂直和第1跖骨縱軸平行的力,繃帶模型模擬繃帶的受力分為趾骨垂直4.89 N和與第 1 跖骨平行24.35 N,在有限元模型中以載荷的形式表示[14]。

1.3.5 觀測指標:以空間一點為坐標系原點,建立3條兩兩垂直的坐標軸,即X軸、Y軸和Z軸。X軸為水平位,Y軸為垂直位,Z軸與足平面水平。計算在上述約束與加載條件下, 截骨端和克氏針的Von Mises 應(yīng)力和 X、Y、Z 軸 3 個方向的位移及總位移情況。

2 結(jié)果

2.1 截骨端 Von Mises 應(yīng)力 繃帶固定模型中截骨端最大等效應(yīng)力為7.8615 MPa,克氏針固定模型中截骨端最大等效應(yīng)力為14.253 MPa,同時X、Y、Z軸的位移和總位移比較,克瓦針明顯小于繃帶。可見克氏針固定強度要明顯優(yōu)于繃帶固定。見表3,圖3、4。

表3 截骨端Von Mises 應(yīng)力和位移

圖3 繃帶固定截骨端應(yīng)力云圖

圖4 克氏針固定截骨端應(yīng)力云圖

2.2 截骨端位移 繃帶固定模型在 X、Y、Z 軸 3 個方向的位移分別為-0.2689,-0.020297,0.015563,克氏針固定模型在 X、Y、Z 軸 3 個方向的位移分別為-0.021034,0.0091549,0.0083338,可見克氏針固定模型在各個方向的位移都明顯小于繃帶固定模型,繃帶固定模型的總位移為0.26896 mm,克氏針固定模型總位移為0.26896 mm,總體可見克氏針固模型在截骨端穩(wěn)定性上要明顯優(yōu)于繃帶固定模型。見表3,圖5、6。

圖5 繃帶固定位移圖

圖6 克氏針固定位移圖

2.3 克氏針的Von Mises 應(yīng)力 克氏針的Von Mises 應(yīng)力為154.7 MPa,最大應(yīng)力出現(xiàn)在截骨端附近,可見克氏針固定模型中克氏針在截斷端處承受最大應(yīng)力,在此位置的斷裂風險最大。見圖7。

圖7 克氏針應(yīng)力云圖

3 討論

本研究通過三維有限元技術(shù)模擬踇外翻微創(chuàng)截骨后采取繃帶固定和克氏針固定兩種固定方式,在載荷作用下監(jiān)測截骨端的最大應(yīng)力和位移情況變化。從有限元模型的應(yīng)力云圖中可見克氏針固定的強度(14.253 MPa)要優(yōu)于繃帶分趾墊固定(7.8615 MPa),但克氏針固定的應(yīng)力分布不均勻,且最大應(yīng)力出現(xiàn)于背內(nèi)側(cè),這與克氏針固定時,克氏針與骨質(zhì)之間的摩擦,彎矩等作用有關(guān),臨床隨訪中出現(xiàn)克氏針退出等現(xiàn)象,可能與此作用有關(guān)[2]。通過斷端位移圖對比可見克氏針固定的總位移(0.022779 mm)要明顯小于繃帶固定的總位移(0.26896 mm),繃帶分趾墊固定的總位移結(jié)果與既往報道相近[15],且位移主要發(fā)生在X軸(水平位),該方向上的移位是治療理念允許的,即截骨遠端向外側(cè)移位,達到糾正IMA角的作用。從截骨端固定的穩(wěn)定性上看,克氏針固定的穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于繃帶固定,但截骨端由于繃帶固定,并未出現(xiàn)較大的移動,這與既往報道[16,17]相一致。Kenwright等[18]研究證實適當?shù)奈幽軌蛎黠@促進骨折愈合,二期愈合是以適當?shù)奈訛榛A(chǔ),而2 mm的微動對骨折愈合有害。在本研究中繃帶固定的總位移為0.26896 mm明顯小于最小值,因此,對于截骨端的愈合并無不利影響。根據(jù)溫氏術(shù)后固定法的相關(guān)隨訪研究,此種繃帶固定方式的短期優(yōu)良率為98.5%,長期隨訪優(yōu)良率為96%,可見繃帶固定在治療截骨端愈合方面也有良好的效果[18]。克氏針固定雖然能提供良好的穩(wěn)定性,但考慮克氏針長期存留于皮膚外,對術(shù)后護理提出更高的要求,同時增加潛在感染的風險,克氏針固定還要涉及到二次取出手術(shù),這樣給患者增加了痛苦和經(jīng)濟負擔[19]。同時,通過監(jiān)測克氏針的最大等效應(yīng)力發(fā)現(xiàn),克氏針在截骨端的遠端附近應(yīng)力最高達154.7 MPa,出現(xiàn)應(yīng)力集中,存在潛在斷裂的風險。繃帶固定也存在弊端:如果患者不能及時隨訪更換繃帶包扎固定,會降低固定的強度,導致截骨端穩(wěn)定性降低,增加斷端不愈合的風險。

因此,通過本研究發(fā)現(xiàn)克氏針固定較繃帶固定可提高更好固定強度和穩(wěn)定性,這與既往報道[20,21]相一致。但根據(jù)骨折二期愈合的理論,繃帶固定并不會對斷端愈合產(chǎn)生不利的影響,且可控的微動有利于斷端的快速愈合。本研究通過三維有限技術(shù)模擬踇外翻微創(chuàng)截骨后兩種不同固定方式的生物力學情況,通過其分析結(jié)果為臨床踇外翻手術(shù)固定方式的選擇及改進提供理論基礎(chǔ)和參考。但本研究還存在不足之處:(1)建立模型時忽略了足部韌帶等解剖結(jié)構(gòu)對足部應(yīng)力變化的影響,(2)對繃帶和克氏針的固定存在簡化,影響模型的準確性。這也成為今后研究的重點。