舞蹈演員跖趾關節(jié)炎發(fā)生機制的有限元分析*

徐志慶，劉云鵬，華國軍，李坤，王星亮

（中國人民解放軍第一〇一醫(yī)院 骨科，江蘇 無錫 214000）

跖趾關節(jié)炎在臨床上很常見，是引起前足疼痛和腫脹的主要原因之一，多見于50歲以上的婦女。跖趾關節(jié)炎常由跖趾關節(jié)處的韌帶、軟骨等組織反復勞損引起，癥狀主要表現(xiàn)為行走及運動時前足的腫脹、疼痛，嚴重者常伴有骨贅增生、關節(jié)面破壞等表現(xiàn)，嚴重影響患者的日常生活[1]。在舞蹈演員中關于跖趾關節(jié)炎的報道很多，而且患者年齡明顯年輕化，跖趾關節(jié)炎的發(fā)生大大縮短舞蹈演員的職業(yè)壽命[2]。傳統(tǒng)的骨科力學實驗由于人體的多樣性及倫理學的限制，加上足踝關節(jié)幾何結(jié)構和運動方式的多樣性，大大限制足踝關節(jié)生物力學方面的研究。隨著有限元理論和計算機技術的不斷發(fā)展，人們開始大量使用有限元模型來分析復雜的受力情況。有限元分析方法通過采集CT、MRI等影像資料，建立和實體高度相似的模型，簡便而快捷；計算機模型分析可以準確控制實驗條件，模擬人體內(nèi)部復雜的生物力學環(huán)境，完成其他研究方法所不能實現(xiàn)的約束條件和加載方式，得到活體實驗所難以獲得的研究結(jié)果。因此本實驗通過建立精確、完整的全足有限元模型，模擬舞蹈演員踮腳站立的工況并進行應力分析，采用有限元分析的方法對舞蹈演員多發(fā)跖趾關節(jié)炎的生物力學機制進行研究。

1 資料與方法

1.1 一般研究

研究對象為1例健康女性志愿者。年齡26歲，身高160 cm，體重50 kg，實驗前使用3個定制石膏托將研究對象的右足固定在中立位，跖屈20°，跖屈40°，然后分別拍全足的CT圖像，得到3組原始數(shù)據(jù)。該健康志愿者既往無踝關節(jié)損傷、無腫瘤、畸形等情況，CT掃描參數(shù)為層厚1 mm，間隔1 mm。掃描過程中，研究對象的全足始終保持無負重中立位。

1.2 模型構建

將CT圖像數(shù)據(jù)導入Mimcis 15.0軟件中，采用軟件自帶的3D Live Wire功能，分別重建出中立位，跖屈20°，跖屈40°狀態(tài)下的全足骨性模型，全足骨性模型包括下段脛腓骨、距骨、跟骨、舟狀骨、楔骨、骰骨、跖骨及各節(jié)趾骨。然后將全足骨性模型導入Hyperwork 13.0中，對模型進行細化，網(wǎng)格優(yōu)化等處理，最后形成三維實體模型。

1.3 材料參數(shù)

通常生物組織在載荷的作用下會發(fā)生非線性形變，該類組織材料的基礎研究難度大，力學實驗不易獲得精確參數(shù)。為方便研究，目前生物力學有限元仿真分析大多建立在各向同性、均質(zhì)連續(xù)的線彈性體的假設前提下。故本文除軟組織等部分外，其他組織材料均近似為線彈性材料，相關材料的參數(shù)參考相關文獻[3-5]，見表 1。

表1 材料屬性

1.4 載荷參數(shù)及邊界條件

載荷參數(shù)：人體站立時，足部骨骼-軟組織系統(tǒng)之間的相互作用非常復雜，依據(jù)載荷和地面反作用力等效互換原理，單足站立平衡時受力約500 N，本研究采用以集中應力向上施加在支撐地面，脛腓骨上表面完全約束的方法來進行試驗。將中立位，跖屈20°，跖屈40°狀態(tài)下的全足模型分別進行靜止站立試驗分析，得到舞蹈演員在3個角度下單足站立時全足的應力分布情況。關節(jié)面之間建立接觸對，摩擦系數(shù)為0.01[6]。見圖 1。

圖1 3個不同角度的有限元計算模型

2 結(jié)果

分別建立中立位，跖屈20°，跖屈40°，3個不同角度的全足三維有限元模型，其形態(tài)還原性好，重建效果理想，可獲得全足詳細，滿意的三維信息。隨著踮腳角度的增加，第2和第3跖趾關節(jié)處的應力值迅速增大，尤其是第2、3近節(jié)趾骨的最大應力值增加最快。見圖2、3和表2。

圖2 全足在不同角度靜止站立時Von Mises應力分布情況

圖3 不同模型中應力值變化趨勢圖

表2 后足踩地過程中足底與地面各個角度下跖趾關節(jié)的受力情況 MPa

3 討論

跖趾關節(jié)作為足部第2大關節(jié)，一直以來都被人們在研究中所忽略，但下肢運動的最終發(fā)生必定是在跖趾關節(jié)，跖趾關節(jié)對足部運動的作用不容忽視[7]?，F(xiàn)階段，人們已經(jīng)開始重新審視跖趾關節(jié)在人體運動中所起的作用，包括如何有效地訓練跖趾關節(jié)，改善關節(jié)能量學特征和肌肉活化模式，并最終提高足部的運動能力[8]。依據(jù)舞蹈演員踮腳站立時的力傳導方式，本研究模擬中立位，跖屈20°及跖屈40°時刻舞蹈演員靜止站立時全足的受力情況，通過相關分析比較，得到跖趾關節(jié)在不同狀態(tài)下的生物力學數(shù)據(jù)，更直觀詳盡地了解舞蹈演員多發(fā)跖趾關節(jié)炎的原因。研究顯示站立平衡時隨著踮腳角度的增加，前足應力向跖趾關節(jié)集中，其中第2，3足趾的應力變化最大，第2跖骨的最大應力值從4.77 MPa增加到34.61 MPa，第2近節(jié)趾骨的最大應力值從2.38MP a增加到166.40 MPa，第3跖骨的最大應力值從4.53 MPa增加到30.21 MPa，第3近節(jié)趾骨的最大應力值從2.19 MPa增加到157.80 MPa，這與以往文獻中舞蹈演員常見第2，3跖趾關節(jié)炎的報道相符[9-11]。

從生物力學的角度來看，關節(jié)軟骨的功能主要是承受力學負荷，分散載荷以減少接觸應力，從而起到潤滑關節(jié)的作用。關節(jié)軟骨承受持續(xù)性較重負荷時，可引起大量的水分從組織中丟失，產(chǎn)生較大的壓力性變形。這種長時間的超負荷，會造成關節(jié)軟骨發(fā)生蛻變和軟骨細胞的壞死。同時，長時間承受大負荷會使軟骨的表面層變軟，滲透壓增加，從而造成軟骨液膜中液體的大量流失，增加軟骨面緊密接觸的面積，進一步加劇了軟骨研磨的過程[12]。舞蹈演員的跖趾關節(jié)長期進行著超負荷的工作，其應力集中區(qū)域的關節(jié)軟骨磨損大大加快，從而造成跖趾關節(jié)的不穩(wěn)，引起臨床癥狀。在踮腳站立的過程中，舞蹈演員隨著踮腳度數(shù)的增加，跖趾關節(jié)處的應力值急劇增大，因此充分的熱身對于預防跖趾關節(jié)的損傷顯得尤其必要。此外，鑒于舞蹈演員踮腳時跖趾關節(jié)的應力變化特點，平時在訓練時可以采用斜角杠鈴器、臥蹬訓練器等專門跖趾關節(jié)訓練器來強化鍛煉第2，3跖趾關節(jié)處的肌肉，從而分散集中的應力。為了延長舞蹈演員的職業(yè)壽命，根據(jù)踮腳站立時的應力分布結(jié)果，筆者在設計舞鞋時不僅要考慮舒適性，更要著重考慮研發(fā)對第2、3跖趾關節(jié)進行適度應力分散的保護措施。一雙真正適合舞蹈演員的舞鞋既不會改變前足的易屈伸性，又能輔助分散集中的應力，從而在損傷防護和運動表現(xiàn)兩方面發(fā)揮出最大功效。

目前對跖趾關節(jié)的研究雖然較以往取得很大的進展，但仍然存在不足。本研究建立的全足三維有限元模型，能較為真實的模擬足踝復雜的解剖結(jié)構，為進一步的足踝生物力學研究提供了基礎平臺。