静态有限元法分析基于“裹帘”法外固定拇外翻术后截骨端的稳定性

中国组织工程研究第20卷第22期2016–05–27出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchMay27,2016Vol.20,No.22P.O.Box10002,Shenyang110180·研究原著·毕春强，男，1981年生，山东省荣成市人，汉族，中国中医科学院在读博士，主治医师，主要从事中西医结合治疗骨与关节疾病方面的研究。通讯作者：温建民，主任医师，教授，博士生导师，中国中医科学院望京医院骨关节二科，北京市100102通讯作者：樊瑜波，教授，北京航空航天大学生物与医学工程学院，生物力学与力生物学教育部重点实验室，北京市100191中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2016)22-03294-07稿件接受：2016-03-11静态有限元法分析基于“裹帘”法外固定拇外翻术后截骨端的稳定性毕春强1，温建民1，孙卫东1，王丽珍2，毛瑞2，边蔷1，温冠楠1，常程1，张玉亮1，樊瑜波2(1中国中医科学院望京医院骨关节二科，北京市100102；2北京航空航天大学生物与医学工程学院，生物力学与力生物学教育部重点实验室，北京市100191)引用本文：毕春强，温建民，孙卫东，王丽珍，毛瑞，边蔷，温冠楠，常程，张玉亮，樊瑜波.静态有限元法分析基于“裹帘”法外固定拇外翻术后截骨端的稳定性[J].中国组织工程研究，2016，20(22):3294-3300.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.22.014ORCID:0000-0003-1177-5808(温建民)文章快速阅读：文题释义：“裹帘”法外固定：拇外翻术后，根据“裹帘”法理念，采用“8”字绷带和分趾垫外固定，绷带具有一定的弹性，可根据术后患足肿胀程度进行调节松紧，既保护了血运，又避免了筋伤，“裹帘”法外固定既维持了截骨端骨折稳定、通过分趾垫纠正“筋出槽”，又允许截骨端微动，保持弹性固定，既往在学术上对“裹帘”法外固定维持骨折端稳定和骨折愈合存在一定的争议。“裹帘”法的弹性固定：“裹帘”法根据小夹板原理，符合尚天裕教授提出的“弹性固定准则”。保持截骨端微动，主要是通过肢体肌肉收缩和负重产生的。Goodship等指出在非刚性固定的条件下，调节骨折处的机械应力环境可影响骨愈合的速度和外骨痂生长范围，骨折断端微动可以促进骨痂形成与钙化。摘要背景：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，临床应用已久，此法摒弃了植入物内固定和石膏外固定，术后患者即可下地生活自理，但因其允许断端活动可能引起骨折不愈合，曾一度引起学者质疑。近年来随着足部生物力学研究不断完善，使足部有限元模型建立和应用成为现实。目的：基于静态有限元法分析“裹帘”法“8”字绷带和分趾垫外固定系统对拇外翻截骨端稳定性的影响。方法：选择青年女性拇外翻志愿者，体质量58kg，右足拇外翻角24°，第1，2跖骨间角13°，近端关节固定角7°，远端关节固定角7°，利用CT对其右足扫描获得数据，采用ABAQUS软件建立右足拇外翻骨骼有限元模型，并模拟第1跖骨颈部微创截骨基于“裹帘”法外固定，计算截骨端的VonMises应力和位移。结果与结论：①无外固定工况最大应力0.067MPa，有外固定工况最大应力1.258MPa，应力主要分布在截骨端的外侧边缘部位；②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，差异有显著性意义(P0.01)；③无外固定工况最大相对位移值为0.101mm，有外固定工况最大相对位移值为0.046mm。无外固定时最大相对位移为-0.102mm，发生在Z轴；有外固定时最大相对位移为0.110mm，发生在Y轴；④经单因素方差分析，有/无外固定工况4个节点在X轴、Y轴上的相对位移差异无显著性意义(P0.05)；有/无外固定工况4个节点在Z轴上的相对位移差异有显著性意义(P0.01)。⑤结果提示，拇外翻术后基于“裹帘”法外固定可有效减小截骨端位移，应力适中，从而保持截骨端弹性固定，有利于骨折愈合。基于“裹帘”法外固定拇外翻有限元模型的建立扫描拇外翻患者术前CT图像建立骨骼3D几何模型Minics软件系统GeomagicStudio软件曲面重构，生成实体模型、模型组装、建立软骨，使用RapidForm模拟韧带，导入ABAQUS软件，进行材料特性和单元属性、网格划分，建立拇外翻足三维有限元模型建立拇外翻截骨整复术后基于“裹帘”外固定的有限元模型，模型约束、加载和有限元分析CATIA软件毕春强，等.静态有限元法分析基于“裹帘”法外固定拇外翻术后截骨端的稳定性ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH3295:WenJian-min,Chiefphysician,Professor,Doctoralsupervisor,SecondDepartmentofOrthopedics,WangjingHospitalofChinaAcademyofChineseMedicalSciences,Beijing100102,ChinaCorrespondingauthor:FanYu-bo,Professor,KeyLaboratoryforBiomechanicsandMechanobiologyofMinistryofEducation,SchoolofBiologicalScienceandMedicalEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China关键词：骨科植入物；数字化骨科；“裹帘”法；微创技术；截骨端稳定性；有限元分析；骨折愈合；国家自然科学基金主题词：有限元分析；骨折愈合；截骨术；组织工程基金资助：国家自然科学基金资助项目(81273984，81373802)StaticfiniteelementanalysisofthestabilityofosteotomyafterhalluxvalgussurgerybasedonwrappedcurtainmethodwithexternalfixationBiChun-qiang1,WenJian-min1,SunWei-dong1,WangLi-zhen2,MaoRui2,BianQiang1,WenGuan-nan1,ChangCheng1,ZhangYu-liang1,FanYu-bo2(1SecondDepartmentofOrthopedics,WangjingHospitalofChinaAcademyofChineseMedicalSciences,Beijing100102,China;2KeyLaboratoryforBiomechanicsandMechanobiologyofMinistryofEducation,SchoolofBiologicalScienceandMedicalEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China)AbstractBACKGROUND:IntegratedTraditionalChineseandWesternMedicineminimallyinvasivetreatmentforhalluxvalgusbasedonwrappedcurtainmethodwith“8”-shapedbandageandsubtoepadexternalfixationhasbeenusedforalongtimeintheclinic.Thismethodabandonstheinternalimplantfixationandexternalplasterfixation.Aftersurgery,patientscouldtakecareofthemselves.However,theactivityofthebrokenendmaycausefracturenonunion,whichoncearousedscholars’question.Recently,withthecontinuousimprovementoffootbiomechanicsresearch,footfiniteelementmodelandapplicationsbecomeareality.OBJECTIVE:Toevaluatethestabilityofosteotomyaftertheoperationofwrappedcurtainmethodwith“8”-shapedbandageandsubtoepadexternalfixationonthebasisofstaticfiniteelementmethod.METHODS:Ayoungfemalevolunteerwithhalluxvalguswasselected,whosebodyweightwas58kg,andrightfoothalluxabductorvalgusanglewas24°;intermetatarsalanglewas13°;proximalarticulatorsetanglewas7°;distalarticulatorsetanglewas7°.CTwasusedtoscantherightfoot.ABAQUSsoftwarewasappliedtoestablishafiniteelementmodelofrightfoothalluxvalgusbone,andmodelofthefirstmetatarsalneckminimallyinvasiveosteotomywassimulatedbasedonwrappedcurtainmethodwithexternalfixation.VonMisesstressanddisplacementattheosteotomyendwerecalculated.RESULTSANDCONCLUSION:(1)Themaximumstresswas0.067MPawithoutexternalfixation,andthemaximumstresswas1.258MPawiththeexternalfixation.Stresswasmainlydistributedintheouteredgeoftheosteotomy.(2)Themaximumabsolutedisplacementwas0.363mmwithoutexternalfixation,andthemaximumabsolutedisplacementwas0.716mmwithexternalfixation.ThetwolargestdisplacementswerebothintheZ-axisdirection.Statisticalanalysisconfirmedthatthefournodesabsolutedisplacementandstressweresignificantlydifferent(P0.01).(3)Themaximumrelativedisplacementwas0.101mm.Themaximumrelativedisplacementwas0.046mmwithexternalfixation