基于有限元模型的外側踝關節(jié)扭傷“骨錯縫、筋出槽”研究

李建國 高春雨△ 高景華△ 王寶劍 李路廣 馮敏山，2 孫武 葉宜穎

外側踝關節(jié)扭傷(Lateral Ankle Sprain，LAS)是人體在運動過程中最常見的下肢肌肉骨骼損傷類型[1]，急性期主要表現為踝關節(jié)外側疼痛、腫脹、關節(jié)活動受限，嚴重時可出現無法負重行走[2]。若就診不及時或治療方法不當，后期容易發(fā)生習慣性踝關節(jié)扭傷、慢性踝關節(jié)不穩(wěn)等后遺癥[3-4]?，F代醫(yī)學認為LAS的損傷機制多與解剖因素、受傷姿勢等有關[5-6]，中醫(yī)骨傷科則認為LAS的發(fā)病機制可用“骨錯縫、筋出槽”來解釋[7]。然而“骨錯縫、筋出槽”的病理狀態(tài)如何被客觀地體現出來是需要解決的問題。目前，關于“骨錯縫、筋出槽”的病理狀態(tài)研究大多局限于X線、CT等影像學技術，且研究以脊柱領域為主[8-9]。三維有限元法作為一項廣泛應用于生物醫(yī)學領域的技術，在骨科生物力學分析方面具有費用低、可重復性好、適應性強等優(yōu)勢[10]。本研究通過建立踝關節(jié)有限元模型，從踝關節(jié)面受力及韌帶的應力分布角度分析LAS后“骨錯縫、筋出槽”的病理狀態(tài)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

2018年10月于本院骨科急診收集急性右側外踝關節(jié)扭傷男性受試者1名，年齡26歲，身高170 cm，體質量63 kg。向患者告知試驗方案并簽署知情同意書，且通過望京醫(yī)院倫理道德委員會批準。

1.2 診斷標準

根據中華人民共和國中醫(yī)藥行業(yè)標準《中醫(yī)病證診斷療效標準》(1994年)制定：1)有明確的踝部外傷史；2)扭傷后踝關節(jié)外側即出現疼痛，局部腫脹，皮下瘀斑，伴跛行；3)局部壓痛明顯，將足作內翻動作時，外踝前下方劇痛；4)關節(jié)活動受限；5)X線攝片檢查未見骨折、脫位。

1.3 方法

1.3.1數據采集 采用本院放射科64排螺旋CT機(德國西門子公司)，掃描層厚1.25 mm，層間距0.75 mm，對患者的右下肢自脛骨中下1/3遠端部分進行掃描。掃描后的圖像以DICOM格式儲存并導出至Mimics 10.0軟件。

1.3.2踝關節(jié)有限元模型的建立 基于Mimics 10.0軟件對CT掃描圖片進行矢量化處理，形成各斷層圖像的邊界輪廓。對定位后圖像進行骨質閾值界定，以分離骨性結構及周圍軟組織。對處理好的骨性區(qū)域手動進行三維(3D)表面光滑處理，從而使骨骼表面質量最優(yōu)化。利用三維建模軟件Solidworks 2016將Mimics中所生成的點云數據進行逆向處理，得到骨骼結構整體外表面，借助網格劃分軟件Hypermesh 12.0，通過手動調整邊界網格質量，先后進行二維分網、節(jié)點合并，從而生成完整的三維網格模型。

由于CT顯示韌帶、軟骨等軟組織圖像模糊的局限性，無法利用Mimics軟件進行分割提取，本研究采用人工模擬添加韌帶、軟骨的方法。采用只受拉不受壓的桿單元模擬踝關節(jié)的韌帶，根據各韌帶的起止點、解剖走形[11]，在Abaqus 6.13中手動添加韌帶(見圖1)，包括踝周內外側共9組。結合踝關節(jié)關節(jié)面的解剖特點，采用主-從接觸算法模擬接觸關系、構建關節(jié)軟骨(見圖2)。

圖1 踝關節(jié)三維網格模型及桿單元模擬的踝關節(jié)韌帶(粉色部分)

圖2 主-從接觸算法模擬接觸關系和構建關節(jié)軟骨

生物力學研究中將骨骼、軟骨視為各向同性材料，且將彈性模量分成不同的等級來模擬骨骼的皮質骨、松質骨和軟骨。骨骼及韌帶單元的材料參數通過查閱既往文獻[12-13]進行設定，具體見表1-表2。

表1 足踝部骨與軟骨材料參數

表2 足踝部韌帶的材料參數

1.3.3模型驗證 有限元模型的可靠性和有效性是進一步生物力學分析的前提。本研究采用在體試驗測量結果與施加相同載荷后有限元模型計算結果對比的方法完成模型的驗證。

1)在體試驗數據獲取

利用自行研制的力學數據手套及運動捕捉系統(tǒng)，分別在受試者踝關節(jié)扭傷后第1天、1周及2周采集患踝被動背伸、跖屈、內翻、外翻施加的載荷大小及踝關節(jié)運動角度，作為模型加載的數據基礎。以扭傷后2周采集的載荷數據作為驗證有限元模型有效性的加載值。

2)載荷參數及邊界條件

載荷參數：根據在體試驗中被動活動踝關節(jié)的操作情況，確定三維有限元模型載荷加載的位置、大小及方向(見圖3)。由于內外翻運動為復合運動，因此結合在體試驗中得到的載荷數值，在有限元模型中計算內外翻施力時的力臂，轉換為扭矩來代表踝關節(jié)內外翻時的動力。

圖3 模型中載荷施加位置(粉色部分)

邊界條件：對模型中的小腿上端進行全約束，同時將模型中除踝關節(jié)外的其余關節(jié)進行剛性約束。

3)模型運動角度的提取

患者扭傷后2周右踝關節(jié)癥狀已明顯緩解，故以扭傷后2周采集的數據作為驗證有限元模型有效性的加載值，在Abaqus后處理程序中提取加載載荷后有限元模型運動前后的節(jié)點坐標值，然后根據相同節(jié)點運動前后的坐標變化計算出踝關節(jié)模型運動角度。

1.3.4踝扭傷后關節(jié)、韌帶的應力分析 在踝關節(jié)有限元模型準確、有效的基礎上，將扭傷后1 d及1周在體試驗所施加載荷及運動角度加載于有限元模型中進行計算，模擬得出踝關節(jié)各關節(jié)面接觸應力峰值及韌帶的應力分布情況。

2 結果

2.1 在體試驗數據

在采集踝關節(jié)被動運動施加載荷及運動角度時，為保證不同時間點踝關節(jié)運動角度及關節(jié)面、韌帶應力值之間具有可比性，通過力學數據手套控制不同時間點施加載荷的一致性。在體試驗中受試者踝關節(jié)載荷由操作者雙手拇指施加，載荷的大小及不同時間點踝關節(jié)運動角度見表3-表4。

表3 雙手拇指施加載荷的大小 (N)

表4 踝關節(jié)運動角度 (°)

2.2 模型的有效性驗證

通過編寫MATLAB程序，對加載載荷的踝關節(jié)模型運動角度進行計算，得出踝關節(jié)扭傷后2周模型的有限元計算角度，并與在體試驗的實際運動角度對比，驗證模型的有效性，見表5。

表5 在體試驗及有限元模型計算角度 (°)

從表5可以看出：在相同的載荷條件下，踝關節(jié)在體運動角度與有限元模型運動角度數值一致，故認為本研究所建立的踝關節(jié)有限元模型準確、真實，利用該模型可以準確模擬踝關節(jié)不同條件下各關節(jié)面及韌帶的應力分布情況。

2.3 踝關節(jié)各關節(jié)面接觸應力峰值

通過對踝關節(jié)模型跖屈、背伸、內翻、外翻四種工況的計算，踝關節(jié)扭傷后1 d及1周脛距關節(jié)及距腓關節(jié)面的接觸應力值見表6。

表6 四種工況下踝扭傷后1 d及1周脛距及距腓關節(jié)面接觸應力峰值 (MPa)

由表6可以看出：在相同的施加載荷下，四種工況中踝關節(jié)面(脛距、距腓關節(jié))接觸應力峰值在踝關節(jié)扭傷后隨著時間的推移而變化，均有增高的趨勢。

2.4 踝關節(jié)韌帶的應力分布

如圖4所示，通過對有限元模型的分析，四種工況中踝關節(jié)的內外側韌帶應力分布在踝扭傷后1 d及1周存在主次變化。如表7所示，在跖屈工況中，踝扭傷后1 d及1周的最大受力韌帶分別為距腓前韌帶和脛距前韌帶，在背伸、內翻及外翻工況中，踝關節(jié)扭傷后1 d及1周時各自最大受力者為同一韌帶，分別為跟脛韌帶、跟腓韌帶、跟脛韌帶，但相應韌帶的應力值隨著時間推移增加。

圖4 四種工況下踝扭傷后1 d及1周踝周9組韌帶應力分布情況

表7 四種工況下踝扭傷后1 d及1周最大受力韌帶及應力值(MPa)

3 討論

LAS屬于中醫(yī)骨傷科“筋傷”的范疇，其發(fā)病機制可用“骨錯縫、筋出槽”來解釋，然而，目前對于LAS“骨錯縫、筋出槽”的認識尚處于理論假說層面，鮮有對其客觀化機制的本質性研究。本研究基于有限元分析技術平臺，通過對比踝關節(jié)扭傷后不同時間點關節(jié)被動活動時踝關節(jié)面及踝周韌帶的應力變化情況，間接證明“骨錯縫、筋出槽”的病理狀態(tài)。

首先，在踝關節(jié)有限元模型跖屈、背伸、內翻、外翻四種工況中加載踝關節(jié)扭傷后1 d及1周的在體動力學數據，有限元計算的結果顯示：在相同的載荷下，四種工況中踝關節(jié)接觸面(脛距、距腓關節(jié)面)應力峰值在踝關節(jié)扭傷后隨著時間的變化有增高的趨勢，這一結果預示著隨著踝關節(jié)扭傷的恢復，其關節(jié)面承受負重的能力逐漸增加，同時也暗示了踝關節(jié)接觸面存在潛在的病理環(huán)境。而關節(jié)軟骨是關節(jié)負重的主要承擔者，從生物力學角度分析關節(jié)軟骨的主要功能是通過擴散載荷以降低關節(jié)面的磨損，軟骨面分布欠均勻使得踝關節(jié)存在低負重區(qū)及高負重區(qū)[14]。因此，筆者認為關節(jié)軟骨的損傷及接觸面的應力分布不均勻可以作為“骨錯縫”的反映指標。本研究雖沒有直接觀察到踝關節(jié)扭傷后關節(jié)軟骨的損傷，但是筆者發(fā)現扭傷后1 d及1周踝關節(jié)活動時接觸面的應力值存在動態(tài)變化，這一結果可以作為“骨錯縫”病理狀態(tài)存在的證明。傳統(tǒng)意義上的“骨錯縫”多指的是骨骼之間非生理性的、不正常的吻合狀態(tài)[7]，但是程度較輕的“骨錯縫”憑借常規(guī)的影像學手段不易看出[15]，本研究為輕度“骨錯縫”病理狀態(tài)的研究提供了新思路、新手段。

其次，在踝關節(jié)有限元模型跖屈、背伸、內翻、外翻四種工況中加載動力學數據后，有限元計算結果也顯示在相同的載荷下，LAS后不同時間點跖屈工況中踝關節(jié)周圍最大受力韌帶存在變化，其余三種工況中踝關節(jié)周圍最大受力韌帶雖然未改變，但隨著病程的推移相應韌帶的應力值逐漸增加。踝關節(jié)周圍韌帶復合體具有約束、維系及維持踝關節(jié)穩(wěn)定性的作用[16]，LAS發(fā)生后其周圍的肌腱、韌帶等部分撕裂腫脹，彈性性能及維系能力減弱或脫離正常的解剖位置，即“筋出槽”，具體可表現為筋弛、筋縱、筋攣或筋驟等病理狀態(tài)。因此，本研究根據踝扭傷后關節(jié)活動時韌帶應力值大小來體現踝周韌帶彈性性能、維系能力及客觀反映“筋出槽”病理狀態(tài)具有合理性。由于正常踝關節(jié)在不同運動狀態(tài)下各韌帶的應力值大小缺乏可靠的標準，筆者對比了LAS后不同時間點關節(jié)活動時最大受力韌帶及其應力值。最大受力韌帶及韌帶應力值的動態(tài)變化預示了“筋出槽”的存在，而隨著病程推移韌帶應力值的增加也提示其彈性性能及維系能力的增強。

此外，有限元模型的驗證結果提示在體試驗與模型計算的踝關節(jié)運動角度具有一致性，可以認為本研究所建立的踝關節(jié)有限元模型準確、有效。與既往研究不同，本研究直接采用踝關節(jié)扭傷患者的CT影像學資料作為有限元模型構建的載體，從而保證模型與真實踝關節(jié)具有更加可靠的擬合度。而且既往研究大多將尸體標本或文獻報道的數據作為踝關節(jié)有限元模型有效性驗證的參考依據[17-18]，有一定的誤差。本研究利用同一受試者的在體動力學試驗數據作為有限元模型有效性驗證的基礎，具有更好的真實性。

總之，通過有限元分析技術能夠充分反映整體內外部應力、應變、位移等力學參數的變化情況[19]。本研究基于有限元模型嘗試探索LAS后“骨錯縫、筋出槽”的病理狀態(tài)，雖具有模型準確、有效等優(yōu)勢，但仍存在不足之處。為了計算方便，在建模過程中忽略了肌肉、肌腱等軟組織，可能影響試驗結果。此外，本研究通過對扭傷后的踝關節(jié)活動時關節(jié)面、韌帶應力的分布變化間接證明了“骨錯縫、筋出槽”狀態(tài)，如何選取能夠直接反映“骨錯縫、筋出槽”病理狀態(tài)的參數及如何通過模型直接構建模擬踝關節(jié)扭傷的動態(tài)過程，是今后應該關注的研究方向。