距腓前韧带损伤前后距骨骨软骨的有限元分析

doi:10.12307/2024.050

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (18): 2795-2799.doi: 10.12307/2024.050

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

距腓前韧带损伤前后距骨骨软骨的有限元分析

涂浒第1，居来提·买提肉孜1，郑辉2，李超杰1

1新疆大学智能制造现代产业学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830017；2新疆医科大学第六附属医院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002

收稿日期:2023-03-13 接受日期:2023-04-27 出版日期:2024-06-28 发布日期:2023-08-24
通讯作者: 郑辉，主任医师，新疆医科大学第六附属医院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002
作者简介:涂浒第，男，1998年生，四川省射洪县人，汉族，新疆大学在读硕士，主要从事机械设计及理论研究。
基金资助:
新疆维吾尔自治区自然科学基金(2019D01C245)，项目负责人：郑辉

Finite element analysis of talus cartilage before and after anterior talofibular ligament injury

Tu Hudi1, Jurat·Matrozi1, Zheng Hui2, Li Chaojie1

1College of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China; 2The Sixth Affiliated Hospital, Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Received:2023-03-13 Accepted:2023-04-27 Online:2024-06-28 Published:2023-08-24
Contact: Zheng Hui, Chief physician, The Sixth Affiliated Hospital, Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Tu Hudi, Master candidate, College of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
Natural Science Foundation of Xinjiang Uygur Autonomous Region, China, No. 2019D01C245 (to ZH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

正常步态周期：正常人走路足部着地时分为3个阶段：后跟着地(落地相)、全足着地(中立相)、后跟离地(离地相)。行走时，从一侧足跟着地起到该侧足跟再次着地为止的时间称为一个步态周期。
有限元分析：是一种以计算机为基本工具的数值分析方法。基本思想是将连续的物理问题离散化成有限数量的子问题，然后对这些子问题进行求解，最后将它们的解合并起来得到整个问题的解，利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。

背景：距腓前韧带的损伤在关节韧带损伤中最常见。运用有限元手段对踝关节运动进行仿真模拟，具有实验时间短、可模拟的复杂边界条件和力学性能等优点。

目的：分析距腓前韧带对距骨滑车应力分布及踝关节稳定性的影响。
方法：采集患者距腓前韧带断裂和Broström手术后2个月随访的CT和MRI数据，建立足踝有限元模型，模拟距腓前韧带损伤患者术前和术后在正常步态周期(落地相、中立相、离地相)中的踝关节受力情况，测量两者的距骨骨软骨的应力分布情况、最大应力值并分析其差异。

结果与结论：正常步态下无论在哪种位相中距腓前韧带对距骨滑车都具有一定的保护作用，减少踝关节在运动过程中对距骨滑车的磨损。在3种相位中距骨滑车表面靠近踝关节内侧处均有应力集中情况。离地相时的距腓前韧带对距骨滑车的影响远大于其在落地相和中立相时的影响，在一定情况下踝关节受到的扭矩越大距腓前韧带对距骨滑车的稳定性影响作用就越明显。

https://orcid.org/0009-0004-6366-9059 (涂浒第)

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: 距腓前韧带, 距骨软骨, 生物力学, 有限元分析, 踝关节

Abstract: BACKGROUND: The injury of the anterior talofibular ligament is most common in joint ligament injuries. The use of the finite element method to simulate ankle joint motion has the advantages of short experimental time, complex boundary conditions that can be simulated, and mechanical properties.
OBJECTIVE: To analyze the effect of the anterior talofibular ligament on the stress distribution of the talus trochlea and the stability of the ankle joint.
METHODS: A finite element model of the ankle was established based on CT and MRI images of patients with anterior talofibular ligament injury who were followed up for two months after Broström surgery to simulate ankle joint stress in patients with anterior talofibular ligament injury before and after surgery during normal gait cycles (ground phase, neutral phase, and off-ground phase). The stress distribution and maximum stress value of the talus bone cartilage were measured before and after surgery, and their differences were analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: Under normal gait, the anterior talofibular ligament has a certain protective effect on the talus trochlea in any position, reducing the wear of the ankle joint on the talus trochlea during movement. In all three phases, stress concentration was observed on the surface of the talus trochlea near the inner side of the ankle joint. The influence of the anterior talofibular ligament on the stability of the talus trochlear is much greater in the off-ground phase than in the ground phase and neutral phase. Under certain circumstances, the greater the torque on the ankle joint, the more significant the effect of the anterior talofibular ligament on the stability of the talus trochlea.

Key words: anterior talofibular ligament, talus cartilage, biomechanics, finite element analysis, ankle joint

中图分类号:

涂浒第, 居来提·买提肉孜, 郑辉, 李超杰. 距腓前韧带损伤前后距骨骨软骨的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(18): 2795-2799.

Tu Hudi, Jurat·Matrozi, Zheng Hui, Li Chaojie. Finite element analysis of talus cartilage before and after anterior talofibular ligament injury[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(18): 2795-2799.

图/表（结果） 5

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引言

急性踝关节扭伤属于最常见的运动性损伤类型，占所有运动损伤的16%-40%[1]。踝关节外侧韧带损伤较为常见，距腓前韧带是踝关节外侧韧带中最薄弱的部分，是踝关节内翻最先损伤的韧带，也是最容易损伤的韧带[2]。距腓前韧带位于人体踝关节的前外侧，对整个踝关节的稳定性有重要作用，特别是在踝关节做跖屈运动时，在跖屈30°时距腓前韧带有最大张力[3]，能够有效限制距骨前移及胫腓骨后移，同时能限制距骨的内旋和腓骨的外旋[4]。距腓前韧带发生轻度损伤时，如患者未接受良好的治疗，可导致踝关节疼痛和肿胀等症状反复发作，造成慢性踝关节外侧不稳[5]。距腓前韧带发生重度损伤或者发生断裂时如果不进行手术，只依靠自行恢复或仅进行保守治疗可能会导致患者的距骨向前过度移位，距骨表面上的关节骨软骨可能受到垂直方向上的压力或水平方向上的剪切应力导致瘀伤、软化和裂隙，其下方的骨软骨下骨也有可能受损[6-7]。距骨表面约57%被关节软骨覆盖[8]，其中面积最大的关节软骨距骨滑车内部无血管分布，当它受到损伤时缺乏自愈能力，在临床上通常表现为持续性的脚踝疼痛[9]，随着损伤的逐渐加重会累及距骨上表面，对整个踝关节造成更大且不可逆的伤害[10]，其中高达20%的踝关节扭伤患者需要手术干预[11]。此次作者利用有限元生物力学的研究方法，在足踝的三维重建模型上模拟距腓前韧带断裂患者术前和术后在正常步态周期中踝关节的受力情况，观察对比患者术前和术后距骨滑车的应力分布情况、最大应力值并分析其差异，充分了解距腓前韧带对距骨滑车应力分布的影响及其对踝关节稳定性的影响等临床特点，从而达到预防和早期合理诊治。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 设计建立距腓前韧带断裂患者术前和术后的足踝有限元模型，并进行有限元分析。
1.2 时间及地点于2022年1-9月在新疆大学博达校区完成。
1.3 对象选择新疆医科大学第六附属医院收治的1例距腓前韧带断裂的女性患者，年龄26岁，身高1.65 m，体质量60 kg。
该研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和新疆医科大学第六附属医院对研究的相关伦理要求(医院伦理批件号LFYLLSC20190104-02，审批时间2019年1月4日)。受试者对资料的采集和用途完全知情同意，并签署了“知情同意书”。
1.4 方法
1.4.1 前期准备利用CT(SOMATION Definition Flash双源CT，西门子公司)和核磁共振(MAGNETOM Verio3.0T，西门子公司)对患者全足进行薄层扫描，受检者保持仰卧位，踝关节保持中立位，得到患者距腓前韧带断裂和Broström手术后2个月随访的CT和MRI数据。CT扫描参数：电压120 kV，电流强度240 mA，扫描的层厚为0.625 mm、平面分辨率512×512。MRI扫描参数：扫描层厚为3.5 mm，扫描层距0.3 mm，矩阵大小为256×256。将得到的CT和MRI图像数据以DICOM格式保存。
选用仿真平台：Mimics、Geomagic Wrap、SolidWorks、Hyper-mesh及Ansys-Workbench。
1.4.2 足踝几何模型的构建将通过扫描得到的DICOM文件导入Mimics 21医学三维重建软件中，调整图像灰度值，通过阈值分割和填补命令完成胫骨、腓骨、距骨、跟骨、足舟骨、中间楔骨、内侧楔骨、外侧楔骨、骰骨、拓骨、趾骨、关节软骨等各个部分几何表面模型的建立，生成足踝的粗糙三维仿真模型，再依据医学文献对足踝的各个部位进行三角面片缩减及平滑处理操作，从而提高足踝三维模型的质量，得到实用仿真模型。最后，将建立的各个部位的三维模型以STL格式导出。
将得到的足踝各个部位的STL文件导入Geomagic Wrap中，首先对模型进行重划网格操作，将模型表面去除特征处理，对模型进行松弛、删除钉状物、降噪、删除边界处理，然后进入曲面实体化模块中，通过曲率定义曲面的边界、构造曲面片(尽量使每个曲面片大小相近)、构造格栅、拟合曲面等操作之后，得到了足踝各部分的几何实体模型，将所有模型以STEP格式导出。
将得到的STEP文件导入到SolidWorks装配模块中使用原点重合对齐的装配方式进行装配，并对装配体进行干涉检查，通过复制、组合、删减等命令消除装配体中的干涉，从而完成对足踝实体模型的建立。并将装配体导出为IGES格式。

1.4.3 网格划分和材料参数的设置将IGES格式的装配体导入Hyper-mesh中，选择单位为MMKS(mm kg N S)。将足踝的各骨骼、软骨关节及韧带假设为连续的、均质的、线弹性的、各相同性的。根据文献[12-13]确定足踝各骨骼及软骨关节的材料参数(表1)，完成足踝各部分的材料参数的设置。

模型选择四面体网格单元对足踝各个部分分别进行2D，3D网格划分操作，选择网格划分尺寸跟骨为3 mm，胫骨、腓骨、距骨为2 mm，足舟骨、骰骨、楔骨、拓骨、趾骨为1.5 mm，关节软骨为0.5 mm，其中3D网格单元类型选择Solid185单元，完成网格划分并检查网格质量，对质量较差的网格进行修复处理，见图1。

1.4.4 韧带几何模型的建立踝关节的韧带数量众多且错综复杂，为关节提供静态限制，在关节的稳定性方面起着非常重要的作用，防止关节过度屈伸[14]。在此次建模中主要建立以下韧带模型：距腓前韧带、距腓后韧带、胫距前韧带、胫距后韧带、胫腓前韧带、胫腓后韧带、胫跟韧带、跟腓韧带。由于MRI中踝关节各个部位韧带的起止点及轮廓显示不清晰，踝关节韧带在Mimics软件中难以提取。国外的学者通过各种尸体和活体实验测量方法得到了踝关节主要韧带的结构参数和力学特性包括弹性模量、泊松比以及截面积[15](表2)，确定踝关节韧带的材料参数，利用Hyper-mesh 添加Link180线性单元模拟踝关节韧带的生物性能。Link180单元具有塑性、蠕变、旋转、大变形、大应变等功能[16]，能够很好地模拟踝关节在运动状态下韧带只受拉力不受压力的力学特点。完成上述操作后将文件另存为CBD格式，导入Ansys中。

1.4.5 边界条件及载荷的设置将足踝的跟骨和趾骨相应部位刚性约束，使其自由度为零。正常步态周期中位相的划分方式很多，通常将其分为落地相(β=104°，θ=0°)、中立相(β=97°，θ=7°)、离地相(β=92°，θ=14°)3种位相。根据之前学者的研究，在正常行走过程中，踝关节屈伸运动的瞬时旋转中心位于距骨滑车胫侧圆心和腓侧穹弧圆心两圆心连线的中点，两圆心的连线即为旋转轴[17-18]，足部示意图见图2。在对踝关节设置接触时，将骨骼和对应的软骨之间设置为“绑定”接触，关节软骨之间设置为“接触摩擦”，摩擦系数为0.01[19]，不同位相的受力情况参考文献数据[20]，见表3。足踝的受力情况采用相对静止的方法均匀地加载在踝关节的胫腓骨截面上，分别得到患者术前和术后3个位相的距骨滑车应力云图。随后对患者术前和术后足踝模型在中立位时的载荷分别进行重新添加，保持水平和竖直方向上的力大小和方向不变，对模型分别施加5，10，15，20 N·m的扭矩，扭矩方向与离地相扭矩方向一致。

1.5 主要观察指标 ①有限元模型验证的结果；②患者手术前后足踝距骨滑车的Von-Mises应力分布。

讨论

3.1 正常步态下距腓前韧带对距骨滑车应力分布的影响自从距骨滑车解剖学名词在2014年公布后，越来越多的学者把研究重点放到了距骨软骨上。在踝关节扭伤后距骨滑车病变的发生率高达6.5%[25]。通过对比图3，4中B图中立相应力分布云图，距腓前韧带断裂患者在术前和术后的距骨滑车表面有大致相同的应力分布情况，其较高应力主要分布在距骨滑车前端，应力最大值出现在靠近胫骨的一端即踝关节的内侧端；同时在距骨滑车的后端靠近腓骨处也有较大应力分布；而距骨滑车的中部应力集中相比前后端较小。在中立相时距腓前韧带对距骨滑车的应力分布及大小有一定的影响，但是影响相对较小，部分研究者也得出了在站立状态下单纯的距腓前韧带断裂不会对距骨滑车产生显著的影响[26]。在落地相应力分布云图中，应力集中区域在距骨滑车的左右端即脚踝的内外侧，应力最大值在靠近踝关节内侧端。患者术后在距腓前韧带的作用下使得落地相距骨滑车上的应力平均值和最大值都有所减少，且距腓前韧带对距骨滑车的影响较中立相的影响大。在离地相应力分布云图中，患者术前距骨滑车应力最大值为6.33 MPa，而术后为5.68 MPa，相差0.65 MPa。表5中患者术前距骨滑车应力平均值为1.804 MPa，术后的平均值为1.633 MPa，相差了0.171 MPa。表明距腓前韧带在离地相时较之前两种相位对距骨滑车的稳定性有了明显的影响，极大地减小了距骨滑车应力的最大值和平均值即减小了踝关节在运动过程中对距骨滑车的损伤程度，由此可见距腓前韧带对距骨滑车的保护乃至对整个踝关节的稳定性发挥着不可或缺的作用。由于在3种位相下距骨滑车的最大应力集中点都在靠踝关节内侧部位，因此在发生距腓前韧带损伤时，若无需进行手术的情况下可以尝试通过医疗手段减少踝关节内侧端对距骨滑车的磨损。
3.2 中立相时在不同大小扭矩下距腓前韧带对距骨滑车的影响作用在离地相和中立相时踝关节所受到的竖直方向和水平方向上的合力大小相差不大、方向几乎相同，但在离地相时踝关节受到了较大的扭矩影响，因此推测在一定情况下踝关节受到的扭矩越大距腓前韧带对距骨滑车的稳定性影响作用就越明显。
根据以上推测对患者术前和术后踝关节模型在中立位时的载荷属性分别进行重新添加，保持水平和竖直方向上的力大小和方向不变对模型分别施加5，10，15，20 N·m的扭矩，通过比较表6术前和术后距骨滑车Von-Mises应力最大值差值，发现踝关节在受到20 N·m的扭矩时差值最大，说明距腓前韧带对距骨滑车的稳定性影响作用最大，并且随着施加扭矩从5 N·m到20 N·m不断增大，距腓前韧带对距骨滑车的稳定性影响作用越来越明显，验证了推测的正确性，但踝关节受到扭矩的大小是在一定范围内的，当踝关节受到的扭矩过大导致韧带或者踝关节上的某个部位造成不可恢复的变形时，距骨滑车上的应力分布可能会发生突变，不会出现上述规律。因此当距腓前韧带发生损伤时患者应该立刻静养，尽量避免做抬脚等产生较大扭矩的动作，在医生的指导下逐步增加运动量，帮助恢复腿部的力量和灵活性。若距腓前韧带损伤严重在进行距腓前韧带修复时，患者没有接受过手术治疗，且软组织质量良好的情况下，传统的或改进的Broström手术一直是解决该问题的金标准[27]。LI等[28]在关节镜下采用内支架和套索环技术重新连接撕裂的韧带也取得了令人满意的临床结果。
综上所述，此次有限元仿真模拟分析中发现无论在哪种位相下距腓前韧带对距骨滑车都具有一定的保护作用，在距腓前韧带作用下距骨滑车的受力情况都有了一定的改善，对踝关节的稳定性起到了不可或缺的作用，且应力最大值都出现在距骨滑车表面靠近踝关节内侧处，其中距腓前韧带在离地相时对距骨滑车的影响远大于其在落地相和中立相时的影响，说明在一定情况下踝关节受到的扭矩越大距腓前韧带对距骨滑车的稳定性影响作用就越明显。
此次研究运用有限元手段对踝关节运动进行了仿真模拟，由于踝关节的解剖结构和运动生物力学复杂，而距骨软骨又为人体独有的结构[29]，传统的骨科生物力学实验主要以动物的模型或者尸体模型为基础，与人体的实际运动情况及损伤机制和顺序存在着很大的差异，导致测量结果不精确。但是人体标本又难以寻得，且同一标本具有时效性，不能反复使用，使得对照研究的可比性下降。相比之下用有限元手段进行模拟仿真计算具有实验时间短、可模拟的复杂边界条件和力学性能且具有重复进行实验等优点[30]。
此研究存在的局限性与不足之处：将足踝各骨骼的弹性模量都设置为7 300 MPa、泊松比为0.3来分析踝关节的力学特性，并未对足踝的皮质骨和皮质骨分开进行创建，与真实的足踝结构功能还是会存在很大的差异，在建模过程中也忽略了肌肉组织、跟腱和众多韧带对踝关节带来的影响；在对比分析患者术前和术后距腓前韧带对距骨滑车的应力分布影响时，没有考虑患者在手术2个月后是否痊愈等问题。关于踝关节的研究应该采用动力学和静力学相结合的方式来进行研究，此次研究只采用了静力学有限元分析的方法，使得研究内容不够充分，内容不够饱满。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

距腓前韧带损伤前后距骨骨软骨的有限元分析

Finite element analysis of talus cartilage before and after anterior talofibular ligament injury

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