有限元法分析腓骨瓣重建完全缺失跟骨的生物力学

doi:10.12307/2024.019

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (12): 1805-1809.doi: 10.12307/2024.019

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 下一篇

有限元法分析腓骨瓣重建完全缺失跟骨的生物力学

陈默迪1，孙琪博1，徐天宇1，邰国梁1，赵玉祥2，潘朝晖2

1潍坊医学院外科学教研室，山东省潍坊市 261053；2陆军第八十集团军医院骨科研究所，山东省潍坊市 261053

收稿日期:2022-12-19 接受日期:2023-03-02 出版日期:2024-04-28 发布日期:2023-08-22
通讯作者: 潘朝晖，博士，主任医师，硕士生导师，陆军第八十集团军医院骨科研究所，山东省潍坊市 261053
作者简介:陈默迪，男，1993年生，山东省泰安市人，汉族，潍坊医学院在读硕士，主要从事显微重建外科及数字骨科研究。
基金资助:

Biomechanics of reconstruction of total calcaneus defect using fibular flap based on finite element method

Chen Modi1, Sun Qibo1, Xu Tianyu1, Tai Guoliang1, Zhao Yuxiang2, Pan Zhaohui2

1Department of Surgery, Weifang Medical University, Weifang 261053, Shandong Province, China; 2Institute of Orthopedics and Traumatology of CPLA, Hospital of CPLA 80th Group Army, Weifang 261053, Shandong Province, China

Received:2022-12-19 Accepted:2023-03-02 Online:2024-04-28 Published:2023-08-22
Contact: Pan Zhaohui, MD, Chief physician, Master’s supervisor, Institute of Orthopedics and Traumatology of CPLA, Hospital of CPLA 80th Group Army, Weifang 261053, Shandong Province, China
About author:Chen Modi, Master candidate, Department of Surgery, Weifang Medical University, Weifang 261053, Shandong Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

有限元法：利用简单而又相互作用的单元和数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，用有限数量的未知量去逼近真实系统无限未知量的方法。
腓骨瓣：取自腓骨带有血液循环的骨组织块，血供主要来自血管蒂，可以用来作为供体移植填补其他部位缺损骨质。

背景：跟骨缺损在临床中屡见不鲜，因足跟复杂的解剖结构与运动功能使外科医生评估跟骨重建效果较为困难，而有限元分析已成为生物力学行为模拟和数值分析的有效方法之一。

目的：比较Ⅱ字、V字排列腓骨瓣重建缺失跟骨的临床效果及生物力学特征。
方法：采集1名50岁健康男性左足CT图像，用Mimics软件获取初步三维模型，导入Geomagic软件对模型进行修整和曲面化从而优化模型。再将模型通过Solidworks软件模拟跟骨重建并完成有限元计算前处理，最后进入Ansys软件求解。将仿真结果与既往文献结果进行对比，验证模型的有效性，再根据仿真得到的应力结果对手术效果和不同姿态下生物力学特性进行分析。

结果与结论：①模型直观展现出腓骨瓣Ⅱ字、V字排列，均可以用来重建完全缺失的跟骨，能够一定程度恢复正常跟骨的长、宽、高，填补跟骨缺失的骨量；②两种重建跟骨相较正常跟骨在施加载荷后都表现出应力过于集中的趋势，正常跟骨应力多集中于跟骨结节、载距突及跟骨沟周围，而两种腓骨瓣应力多集中于骨瓣与距骨和骰骨衔接处；③两种重建跟骨与正常跟骨在不同模拟状态下最大应力值均不相同，差异有显著性意义(P < 0.05)；Ⅱ字相较V字腓骨瓣在不同状态下应力变化较小，更接近在相同状态时的正常跟骨；V字腓骨瓣在推离期出现局部应力过大，骨材料可能在此模拟状态下屈服，提示存在骨折的风险。

https://orcid.org/0000-0002-8682-7679 (陈默迪)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 跟骨, 腓骨, 移植, 生物力学, 有限元分析, 步态分析, 复合组织瓣, 显微外科

Abstract: BACKGROUND: Calcaneal defects are common in clinical practice. It is difficult for surgeons to evaluate the effect of calcaneal reconstruction due to the complex anatomical structure and motor function of the heel. Finite element analysis has become an effective method for biomechanical behavior simulation and numerical analysis.
OBJECTIVE: To compare the clinical effect and biomechanical characteristics of total calcaneal reconstruction with the II-shaped and V-shaped fibular flap.
METHODS: CT images of one left foot of a healthy 50-year-old male were acquired. Mimics software was used to obtain the preliminary three-dimensional model. Geomagic software was used to trim and curve the model. The model was imported into Solidworks software to simulate calcaneal reconstruction and complete the pre-processing of finite element calculation. Finally, Ansys software was used to solve the problem. The simulation results were compared with previous literature results to verify the effectiveness of the model. The surgical effect and biomechanical characteristics of the foot in different gait phases based on the simulated stress results were analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Both II-shaped and V-shaped fibular flaps could be used to reconstruct completely missing calcaneus, which could restore the length, width and height of normal calcaneus, and fill up the missing calcaneus bone. (2) Compared with the normal calcaneus, both configurations of fibular flaps showed a tendency for over-concentration of stress after loading. The normal calcaneus stress was mostly concentrated around the calcaneus nodule, the subtalar process and the calcaneus groove, while the stress of the two fibular flaps was mostly concentrated at the junction between the bone flap with the talus and cuboid bones. (3) The maximum stress of calcaneus was different between the two models and normal calcaneus under different simulation conditions, with statistically significant differences (P < 0.05). Compared with the V-shaped fibular flaps, II-shaped fibular flaps had less force change in different gaits and were closer to the normal calcaneus. The V-shaped fibular flap bore excessive stress during the period of push-off, and the grafted bone material may yield under this condition and have the risk of fractures.

Key words: calcaneus, fibula, transplantation, biomechanics, finite element analysis, gait analysis, composite flap, microsurgery

中图分类号:

陈默迪, 孙琪博, 徐天宇, 邰国梁, 赵玉祥, 潘朝晖. 有限元法分析腓骨瓣重建完全缺失跟骨的生物力学[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(12): 1805-1809.

Chen Modi, Sun Qibo, Xu Tianyu, Tai Guoliang, Zhao Yuxiang, Pan Zhaohui. Biomechanics of reconstruction of total calcaneus defect using fibular flap based on finite element method[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(12): 1805-1809.

图/表（结果） 3

2.1 模型验证参照张雷蕾等[25]的研究模型与此次模型平衡站立时跟骨所受应力情况进行对照，验证模型有效性。如图5所示，通过对比2次实验跟骨应力分布云图可以看出两者应力分布多集中于载距突、跟骨沟及跟骨结节处，最大应力分别为60.39 MPa和62.86 MPa，无论是跟骨应力分布趋势还是应力峰值大小都基本吻合，验证了模型的有效性。

2.2 不同步态相及载荷的仿真分析为从足部内解剖结构的生物力学特性探讨不同跟骨重建手术方法的优缺点，对患足术后3个步态相、单足站立和负重状态下腓骨瓣应力分布与大小进行分析，通过Ansys Workbench软件分别得到3种仿真模型在4个不同状态下的跟骨应力最大值，如表2所示。对各个状态下跟骨最大应力值变化绘制折线图，如图6所示。

2.2.1 统计学差异汇总数据分析3组模型结果是否有统计学差异性，总体计量资料不满足来自正态总体且方差相等，因此采用Friedman M检验方法进行计算，结果差异有显著性意义(P=0.015)，可以认为3种模型在5种不同状态下跟骨最大应力不全相等。下面对组间成对比较，经过Bonferroni法校正后，正常跟骨与Ⅱ字腓骨瓣仿真组比较，差异有显著性意义(P=0.013)。正常跟骨与V字腓骨瓣仿真组比较，Ⅱ字腓骨瓣仿真组与V字腓骨瓣仿真组比较，差异均无显著性意义(P=0.173，P=1.000)。
2.2.2 生物力学特征差异在对不同步态时相下跟骨和供体骨瓣的应力变化进行力学分析中，3种姿态下的应力云图如图7所示。可以看出两种腓骨瓣较正常跟骨在施加载荷后都表现出应力集中的趋势，不同步态时相下最大应力均大于正常跟骨，正常跟骨的应力多集中于跟骨结节、载距突及距跟关节处，而两种腓骨瓣应力多集中于骨瓣与骨衔接处。一个步态周期中，从足跟着地期到站立中期再到推离期是一个连续的过程，随着姿势的改变跟骨的应力相应的发生连续性变化。在正常跟骨仿真组，足跟着地期应力多集中于跟骨结节后侧；站立中期应力集中于跟骨结节内侧突和载距突部，最大应力较足跟着地期增大了19.82%；在推离期，随着小腿三头肌收缩牵拉跟腱带动足跟抬起，应力集中在了跟腱在跟骨上的止点周围，此时应力最大值较站立中期减小了74.72%。在Ⅱ字腓骨瓣仿真组，足跟着地时最大应力出现在外侧腓骨瓣远端与足底软组织接合处，最大应力约为同时相正常跟骨最大应力的3.93倍；站立中期最大应力较前一时相减小62.41%，主要分布在外侧腓骨瓣后方与距骨连接处，最大应力是正常跟骨的1.24倍；推离期最大应力较前一时相增大了66.70%，应力主要分布在内侧腓骨瓣与距骨连接处后方，是正常跟骨的8.13倍。在V字腓骨瓣仿真组，足跟着地时最大应力出现在腓骨瓣近端与距骨接合处后方，约为正常跟骨足跟着地期最大应力的2.65倍；站立中期最大应力减小48.21%，主要分布在腓骨瓣后方与距骨连接处后方，是正常跟骨的1.12倍；推离期最大应力较前一时相增大了1 702.69%，应力主要分布在底边腓骨瓣与骰骨连接处周围，是正常跟骨最大应力的80.25倍。V字腓骨瓣在推离期应力峰值变化较大，骨性材料在此模拟状态下会出现屈服，提示应力集中处易发生骨折。在模拟单足站立与双足负重20 kg站立时，各组跟骨应力与站立中期分布趋势相似，最大应力随着载荷增加而相应增加。

参考文献

[1] 章浩伟,吕琳,倪明.跟骨骨折髓内固定治疗的研究进展[J]. 中华创伤骨科杂志,2021,23(5):458-460.
[2] 蔡锦方,刘晓平.带骨复合皮瓣修复足跟与足底缺损[J].中华显微外科杂志, 1989,12(2):70-71.
[3] 周仁鹏,梅劲,潘庆祥,等.Ⅱ型与Ⅴ型腓骨瓣修复跟骨缺失初期再造跟骨稳定性的比较[J]. 解剖学报,2011,42(3):410-414.
[4] 唐茂林,吴石头.逆行岛状Ⅴ型腓骨肌皮瓣修复后足缺损的应用解剖[J].中国临床解剖学杂志,2000,18(2):110-112.
[5] 郭德亮,潘朝晖,张伟旭. 吻合血管腓骨移植重建全跟骨缺损一例[J]. 中华创伤骨科杂志,2002,4(1):64.
[6] MEI J, WU S, YANG Z, et al. Functional total heel reconstruction with a fibular osteomyocutaneous flap. J Reconstr Microsurg. 2010;26(6):367-373.
[7] LI J, WANG Z. Surgical treatment of malignant tumors of the calcaneus. J Am Podiatr Med Assoc. 2014;104(1):71-76.
[8] 李朝旭,王锐英,唐际存.并联腓骨组织瓣修复足跟骨及软组织缺损[J].中华显微外科杂志,2014,37(6):528-530.
[9] 袁炜庆,杨渊.游离腓骨复合组织瓣修复足部骨与软组织缺损九例[J].中华显微外科杂志,2021,44(6):659-662.
[10] 李振,魏小龙,王本亮,等.腓骨复合组织瓣逆行转移再造足跟1例[J].实用手外科杂志,2021,35(1):130-131.
[11] 潘朝晖,王剑利,蒋萍萍,等.三种不同骨瓣重建跟骨缺损的有限元及临床分析[J].中华创伤骨科杂志,2005,7(6):529-532.
[12] 潘朝晖,王剑利,蒋萍萍,等.游离髂骨重建跖骨缺损的三维有限元及临床分析[J].中国修复重建外科杂志,2005,19(5):358-360.
[13] WANG CW, MUHEREMU A, BAI JP. Use of three-dimensional finite element models of the lateral ankle ligaments to evaluate three surgical techniques. J Int Med Res. 2018;46(2):699-709.
[14] 白啸天,霍洪峰.足踝功能的生物力学测评:构建足静态和动态评价指标[J].中国组织工程研究,2021,25(17):2747-2754.
[15] WANG Y, Li Z, WONG DW, et al. Finite element analysis of biomechanical effects of total ankle arthroplasty on the foot. J Orthop Translat. 2017; (12):55-65.
[16] THOMPSON JC.邱贵兴,高鹏,主译.奈特简明骨科学彩色图谱[M].北京:人民卫生出版社,2007.
[17] Akrami M, QIAN Z, ZOU Z, et al. Subject-specific finite element modelling of the human foot complex during walking: sensitivity analysis of material properties, boundary and loading conditions. Biomech Model Mechanobiol. 2018;17(2):559-576.
[18] 何晓宇, 王朝强, 周之平,等.三维有限元方法构建足部健康骨骼与常见疾病模型及生物力学分析[J].中国组织工程研究,2020,24(9):1410-1415.
[19] LI J, WEI Y, WEI M. Finite Element Analysis of the Effect of Talar Osteochondral Defects of Different Depths on Ankle Joint Stability. Med Sci Monit. 2020;26: e921823.
[20] HSU CY, GUNG WY, SHIH LS, et al. Using an optimization approach to design an insole for lowering plantar fascia stress-A finite element study. Ann Biomech Eng. 2008;(36):1345-1352.
[21] 张峻霞,高昆,谢兵.步态分析研究综述[J].包装工程,2022,43(10):41-53.
[22] CHEN TL, WONG DW, WANG Y, et al. Foot arch deformation and plantar fascia loading during running with rearfoot strike and forefoot strike: A dynamic finite element analysis. J Biomech. 2019;(83):260-272.
[23] 冯洋,王冬梅,刘安民,等.足踝步态模拟机动力学特性仿真及实验验证[J].医用生物力学,2014,29(5):393-398.
[24] 章浩伟,陈亮,杨俊彦,等.基于有限元法对足跟痛在推离期的生物力学研究[J].中国生物医学工程学报,2020,39(2):190-196.
[25] 张雷蕾,王盟圣,徐大伟,等.足部三维有限元建模及其多姿态生物力学分析[J].中国组织工程研究,2021,25(30):4799-4804.
[26] 华祥,陈辉,刘华渝.跟骨创伤性骨髓炎的手术及非手术治疗进展[J].创伤外科杂志,2021,23(9):710-713.
[27] 窦义臣,宣昭鹏,傅东升,等.游离腓骨皮瓣移植重建小腿长段骨及软组织缺损[J].实用手外科杂志,2021,35(4):447-450.
[28] OZOLS D, BLUMS K, KRUMINS M, et al. Entire calcaneus reconstruction with pedicled composite fibular growth plate flap in a pediatric patient.Microsurgery. 2021;41(3):280-285.
[29] 徐光华. 跆拳道运动对跟骨形态及其骨皮质与骨小梁结构影响[D]. 太原:中北大学,2021.
[30] WOLFF J. The Classic: On the Inner Architecture of Bones and its Importance for Bone Growth: (Ueber die innere Architectur der Knochen und ihre Bedeutung für die Frage vom Knochenwachsthum). Clin Orthop Relat Res. 2010;468(4):1056-1065.
[31] 张来福,卢承印,王孝辉,等. 3D打印辅助Masquelet膜诱导技术治疗跟骨骨缺损的疗效研究[J].创伤外科杂志,2021,23(7):507-511.
[32] 孙琪博,陈默迪,邰国梁,等. 带神经股前外穿支削薄皮瓣修复足踝大面积创面[J]. 中国矫形外科杂志,2022,30(14):1307-1310.

引言

跟骨是人体最大的跗骨，是人体站立行走最重要的支撑结构之一[1]。跟骨缺损使得足部稳定及足弓弹性功能受到严重影响，因此重建跟骨以恢复后足功能尤为重要。对于跟骨缺损的治疗，临床多数情况下采用游离植骨的方法对其修复重建。移植骨安放的位置可能影响重建后的骨骼支撑强度、关节受力点变化、足弓恢复情况及足底压力分配。以往外科医生仅凭临床经验确定手术方案，而后通过长期随访评价治疗效果，存在一定的主观性。有限元技术通过建立可视化的三维人体模型，实现了术前模拟手术方案并能够分析获取患足内部的生物力学信息，为统计学分析提供了数据支持。
蔡锦方等[2]于1989年首次介绍了用游离并排腓骨复合组织瓣修复足跟缺损，在切取复合组织瓣后，将腓骨中段咬除，折叠并排两段腓骨后用克氏针固定于距骨下端以代替跟骨。因并排腓骨形似罗马数字“Ⅱ”，后被学者命名为“Ⅱ字腓骨瓣”[3]。唐茂林等[4]为适应跟骨承担重力和形成足弓的双重生物学特征，将腓骨瓣制成V字，一支插入距骨内以负重，另一支接骰骨或者第五跖骨以形成足外侧纵弓。因腓骨瓣形似英文字母“V”，将此骨瓣命名为“V字腓骨瓣”。郭德亮等[5]在以上基础上同时对跟腱止点进行了重建，保留了跟腱的提踵功能。目前，两种方案已经被广泛应用于临床治疗，长期随访结果显示，腓骨瓣修复跟骨缺损能够有效恢复足跟部外观和重建负重区功能，取得了较满意的治疗效果[6-10]。
国内外至今对结合有限元技术分析足部缺损重建的研究少有报道。潘朝晖等[11-12]采用髂骨、腓骨、肩胛骨先后模拟重建缺损的跟骨和跖骨，以有限元法计算得到的应力应变数据作为评价骨缺损重建后足功能指标。国外有学者建立了足外侧副韧带损伤有限元模型，采用自体肌腱和同种异体肌腱作为供体重建足外侧副韧带，通过模拟应力实验和前方抽屉实验，比较不同手术方案疗效[13]。在足功能评价上，静态和动态指标相结合是较为科学的方法[14]。比如在探究全踝关节置换后足应力变化的文章中，研究者对站立和行走时的足底压力进行了比较[15]。

参照以上文献方法，此次研究首次尝试通过构建跟骨完全缺损模型，比较Ⅱ字、V字排列两种腓骨瓣重建方式与正常跟骨应力分布的差异，模拟不同步态和载荷下腓骨瓣受力变化，以评价重建手术的治疗效果。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计通过计算机基于有限元法模拟跟骨缺失模型并分析。
1.2 时间及地点实验于2021年10月至2022年10 月在潍坊陆军第八十集团军医院骨科研究所完成。
1.3 对象获取1名健康男性志愿者左足完整的CT图像，受试者年龄 50 岁，身高 170 cm，体质量 60 kg。临床试验研究的实施符合《赫尔辛基宣言》和医院对人体研究的相关伦理要求，批准号：2022039。参与试验个体及其家属为自愿参加，并签署“知情同意书”。
1.4 材料
1.4.1 仪器设备螺旋CT成像设备 (西门子SOMATOM sensation 64排)；惠普计算机 (CPU：Intel Core i5-11400h，内存32 GB，显卡：NVIDIA RTX3050 4 GB，操作系统：Windows 10 64位专业版，硬盘容量 1 TB)。
1.4.2 有限元建模及分析软件 Mimics 21.0 (Materialise公司，比利时)；Geomagic 2021 (Geomagic 公司，美国 )；SolidWorks 2017 (Dassault Systemes 公司，美国 )； Ansys Workbench 17.2 (Ansys公司，美国)。
1.5 方法
1.5.1 CT图像资料获取受试者呈平卧位，自制扫描固定器使左足保持中立位。扫描范围从胫骨中段至足底，包含左足所有的解剖结构。扫描参数如下：层厚 0.6 mm，螺距0.9 mm，分辨率为 512×512 像素，共得到 604 张扫描图像，图像以 DICOM 格式拷贝。

1.5.2 正常足三维模型构建将 DICOM 格式的 CT 数据导入Mimics软件，基于CT图像序列的灰度值创建新蒙版，通过Region Grow命令分割出单独足骨与足底软组织，最后calculate 3D 命令生成骨和软组织的三维点云模型，导出 STL 格式文件。用 Geomagic 软件对三维点云模型进行光顺、创建轮廓线、构造曲面片、构造格栅、拟合曲面等操作，得到清晰的实体模型，分别以step格式导出。将模型导入 SolidWorks 软件进行整体装配，利用拉伸凸台命令和布尔运算构建关节间软骨实体模型，同时参照解剖图谱[16]，利用3D草图绘制功能在骨与骨之间创建线体以模拟韧带，最后建立一块长 20 cm、宽9 cm、高1 cm的底板模拟地面，以 x_t 格式导出完整的足装配体模型。将装配体模型导入Ansys Workbench软件，以Link180杆单元定义韧带，只产生轴向拉力。为了提高计算效率，在不影响足跟部应力基础上对模型做了优化，保留了跟骨、距骨、舟骨、楔骨、骰骨、跖骨共 12 块骨，删减了趾骨；构建了56条韧带、15块关节软骨以及足底软组织，最终得到正常足有限元模型，如图1所示。

1.5.3 缺失跟骨重建方案模拟根据之前所介绍的跟骨重建手术方法，在SolidWorks软件中，将正常的跟骨及其附属韧带和软骨通过删除实体命令构建出跟骨完全缺损的模型，由于截断的腓骨瓣近似于圆柱体，以直径为1 cm圆柱体凸台来模拟。在距跟关节距骨关节面中心点所在基准面与正常跟骨结节最低点所在基准面之间平行拉伸出2条圆柱体凸台，模拟构建Ⅱ字腓骨瓣，以同样方法在跟骰关节骰骨关节面和距跟关节距骨关节面中心点所在基准面分别与正常跟骨结节最低点所在基准面之间各拉伸一条圆柱体凸台，构建V字腓骨瓣。为了避免底边过于锋利引起的足底软组织局部应力过大，对圆柱体底面与侧面相接处执行圆角命令。最后通过组合删减实体命令合并重叠部分，模拟骨瓣愈合和状态，如图2所示，由于跟骨的缺失，对其附着韧带如足底长韧带、跖腱膜、距跟韧带等一并进行了删减。

1.5.4 材料赋值及网格划分为了减少复杂模型非线性运算不收敛的问题，在Ansys Workbench软件中，将模型实体均设为各向同性的线弹性材料，韧带定义为只在轴向传递拉力的杆单元，材料参数来源于文献[17-19]。骨、软骨和软组织是不规则曲面实体，采用四面体单元网格划分，网格大小分别为 2.0，0.5，5.0 mm；底板形状规则，采用六面体单元划分，网格大小为5 mm。对研究模型共生成414 700个单元和649 702个节点，材料属性参数见表1。

1.5.5 约束与载荷站立中期模拟，即模拟体质量为60 kg的受试者平衡站立。在Ansys Workbench软件中将模型的骨与软组织、关节软骨与骨、骨与韧带和软组织与地面之间的接触关系设为绑定。固定约束踝关节距骨上关节面；在底板中间位置施加体质量一半300 N 垂直向上的力作为平衡站立时单足承受的地面反作用力。跟腱维持站立平衡时承担载荷约为足部所受载荷的50%[20]，在跟骨结节上施加 150 N 垂直向上的力，以模拟平衡站立时跟腱的拉力；总计算时间为1 s，如图3所示。一个步态周期指的是一侧的足跟着地到该侧的足跟再次着地的过程，包括支撑相和摆动相[21]，又对其中两个受力特点显著的足跟着地期与推离期进行模拟，将模型沿冠状轴顺时针和逆时针旋转10°，使前脚掌或足跟分别单独与地面接触，足底平面与底板表面保持±10°夹角[22]，跟腱拉力在足跟着地其大小为 0 [23]，在推离期是站立中期的 2倍，大小300 N[24]，如图4所示。在足站立中期基础上改变载荷以模拟单足站立与双足站立时负重20 kg状态，单足站立时压力为600 N，跟腱拉力增大为300 N；双足站立负重20 kg时，压力为400 N，跟腱拉力为200 N。以相同方法对两组重建跟骨模型进行不同状态的仿真模拟。

1.6 主要观察指标采用Ⅱ字、V字两种腓骨瓣重建后的跟骨与正常跟骨在不同步态相和载荷下的应力分布差异。
1.7 统计学分析采用SPSS 26.0软件进行统计分析，利用多组相关样本Friedman M检验方法进行研究，P < 0.05为差异有显著性意义。文章统计学方法已通过潍坊陆军第八十集团军医院统计学专家审核。

讨论

跟骨为一形状不规则骨，并且内部含有大量的松质骨[26]。跟骨的损伤一般发生在后距跟关节面远端，包括跟骨结节在内的部分，鉴于其特有的解剖结构和损伤特性，目前尚无理想的自体骨来代替跟骨。但对于跟骨缺失自体骨重建案例已有较多介绍，腓骨瓣移植具有创伤较小、并发症少的优点[27]。腓骨位于小腿外侧，形状长而细，成人的腓骨用作骨移植的长度可达25 cm[28]，可满足填充跟骨缺失的骨量。同时，跟骨缺损往往伴有严重的足跟软组织损伤，大多需行皮瓣移植术覆盖创面，腓骨复合组织瓣可同时解决填补骨和软组织缺失问题[26]。
Ⅱ字腓骨瓣与V字腓骨瓣模拟重建完全缺失的跟骨，能够恢复跟骨骨量以及大部分跟骨的功能，但两种重建方式与正常跟骨之间存在区别。从统计学角度比较两种重建方法异同来说，通过Friedman M检验方法比较不同状态下正常与重建跟骨应力最大值，结果证实3组模型在最大应力值表现上不全相同，在各组两两比较中仅提示正常跟骨与Ⅱ字腓骨瓣仿真组存在统计学差异，这可能与样本量过小有关，但结合图6不同状态下最大应力值对比，折线图能清晰反映出3组模型特性各不相同。作者以正常跟骨应力变化为基准，在站立中期、单足站立和负重状态下，3种模型最大应力值相近。在足跟着地期和推离期两种腓骨瓣重建后的跟骨均较正常跟骨最大应力值增大，其中V字腓骨瓣较Ⅱ字腓骨瓣在推离期应力值增长幅度大，Ⅱ字腓骨瓣在各状态下应力最大值变化幅度较小，相较V字腓骨瓣表现出更为稳定的变化趋势。从生物力学方面比较来看，两种方法各有其特点：Ⅱ字腓骨瓣在结构上存在内外两支传递轴向力的结构，足跟处呈两点受力，两支骨瓣受力较为均匀，并未出现局部应力过大现象，步态变化时应力变化范围波动较V字腓骨瓣小，但腓骨瓣只受到沿骨瓣长轴方向上的力，相对V字腓骨瓣，缺少水平方向上的腓骨瓣的限制，并没有重建足纵弓功能，而足稳定的弹性力学结构由纵弓和横弓构成，因此与正常的生理状态下跟骨的结构还存在差异；V字腓骨瓣在保证负重功能的同时修复了外侧纵弓的结构。跟骨骨小梁的分布呈明显的三角形，跟骨体部和前部骨小梁较少，跟骨结节部和丘部骨小梁较密集[29]，V字腓骨瓣的两支骨瓣代替了骨小梁“三角形”的两边，重建了张力作用的结节部骨小梁和压力作用的丘部骨小梁。外侧纵弓重建会引起骨瓣底边在推离期应力峰值过大，这是由于跟腱给予水平于小腿长轴向上的拉力与前足蹬离地面时地面反作用力的共同结果。此次模型模拟的是腓骨瓣愈合初期的受力情况，但根据Wolff定律[30]，骨组织在受到力学环境变化后，骨骼形状、骨密度和骨组织内部结构进行不断调整，以适应当前所处的力学环境。因此，患者后期随着生活中行走时足跟应力的变化，跟骨会进行重塑，重塑后骨质增粗，腓骨瓣形态改变接近正常跟骨，后期与其他跗骨形成骨性关系，扩大形成足内外侧纵弓，更加接近于正常的跟骨结构。
此次研究是基于 CT 数据的有限元分析研究，比较了Ⅱ字、V字腓骨瓣重建缺失跟骨的临床效果及生物力学特征。但实验存在不足，有限元技术只能将仿真模型无限接近于真实研究对象但不能完全代替研究对象，并且受限于时间与技术原因，对足底软组织的参数选择并没有采用更接近于人体的超弹性材料，同时没有对足跟部皮瓣深入讨论，跟骨缺损常由创伤和感染因素导致，常伴皮肤和软组织缺损[31]，足跟部软组织缺损如不积极进行皮瓣移植治疗会严重影响患足正常运动和负重功能[32]，单纯重建跟骨的意义就显得不重要了。作者所在课题组下一步将继续利用有限元技术深入足各部分的一体化研究，使得分析数据更加完善，更好地指导临床治疗。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

有限元法分析腓骨瓣重建完全缺失跟骨的生物力学

Biomechanics of reconstruction of total calcaneus defect using fibular flap based on finite element method

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 3

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	白晨, 杨文骞, 孟志超, 王宇泽. 损伤前交叉韧带修复及促进移植物愈合的策略[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1457-1463.
[2]	李智斐, 杨尹, 陈华龙, 梁钦秋, 钟远鸣, 张翼升. 颈椎前路椎体次全切除减压融合钛笼倾斜角度与术后钛笼下沉的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1313-1319.
[3]	陈萌萌, 包利, 陈浩, 贾璞, 冯飞, 侍管, 唐海. 新型棘突间撑开融合装置BacFuse修复腰椎退行性病的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1325-1329.
[4]	梁成, 张麟麒, 王冠, 李文, 段可, 李忠, 鲁晓波, 卓乃强. 不同内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的有限元及生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1336-1341.
[5]	杨骏良, 路坦, 徐彪, 姜亚琼, 王富成. 前交叉韧带部分断裂对膝关节应力影响的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1347-1353.
[6]	翁汭, 林东鑫, 郭海威, 张文胜, 宋雨珂, 林宏衡, 李文超, 叶林强. 椎间盘结构异常类型及相关机械载荷与生物力学因素[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1436-1442.
[7]	霞黑达·依拉尔江, 尼加提·吐尔逊, 热依拉·库尔班, 白布加甫·叶力思, 陈欣. 三维有限元分析不同特征骨组织中应力的分布规律[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(8): 1277-1282.
[8]	冯睿钦, 韩娜, 张蒙, 谷馨怡, 张丰识. 1%富血小板血浆联合骨髓间充质干细胞促进周围神经损伤的修复[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(7): 985-992.
[9]	曾凡卓, 李雨欣, 孙嘉晨, 谷欣阳, 文山, 田鹤, 梅晰凡. 脊髓损伤模型小胶质细胞的高效移植替换策略[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(7): 1007-1014.
[10]	王强, 李世芸, 熊鹰, 李甜甜. 不同颈椎前路椎间融合系统内固定颈椎的生物力学变化[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 821-826.
[11]	魏源标, 林展, 陈燕梅, 杨腾辉, 赵晓, 陈扬声, 周燕辉, 杨敏超, 黄飞麒. 颈椎矢状位端提手法对椎间盘及小关节影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 827-832.
[12]	张瑞, 王琨, 沈子聪, 毛路, 吴小涛. 内镜下椎间孔成形和椎板间成形对椎间盘、椎体峡部生物力学特性的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 833-839.
[13]	康志杰, 曹振华, 许阳阳, 张云凤, 金凤, 苏宝科, 王利东, 仝铃, 刘清华, 方源, 沙丽蓉, 亮亮, 李濛濛, 杜奕霏, 林琳, 王海燕, 李筱贺, 李志军. 强直性脊柱炎腰椎-骶骨椎间盘有限元模型建立及应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 840-846.
[14]	张敏, 彭婧, 张强, 陈德旺. 有限元法分析老年骨质疏松患者L3/4椎板减压椎间融合的力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 847-851.
[15]	薛晓峰, 魏永康, 乔晓红, 杜玉勇, 牛建军, 任立新, 杨慧峰, 张治民, 郭媛, 陈维毅. 股骨颈骨折空心钉内固定后股骨近端骨质疏松的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 862-867.