拇外翻微创截骨联合“8”字绷带外固定的生物力学分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0270

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (23): 3659-3664.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0270

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

拇外翻微创截骨联合“8”字绷带外固定的生物力学分析

李晏乐¹，常程²，岳肖华¹，白子兴¹，孙家琦¹，丛燕³，温建民¹，孙卫东¹

¹中国中医科学院望京医院骨关节二科，北京市 100102；²山西中医药大学，山西省太原市 030619；³北京社会管理职业学院，北京市 101601

出版日期:2018-08-18 发布日期:2018-08-18
通讯作者: 孙卫东，博士，主任医师，硕士生导师，中国中医科学院望京医院骨关节二科，北京市 100102 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
作者简介:李晏乐，女，1993年生，湖北省荆州市人，中国中医科学院在读硕士，主要从事中西医结合骨与关节的临床与研究。
基金资助:
国家自然科学基金项目(81373802，81273984)；北京市自然科学基金项目(7172244)

Biomechanical study of minimally invasive osteotomy with 8-shaped bandage external fixation of hallux valgus

Li Yan-le¹, Chang Cheng², Yue Xiao-hua¹, Bai Zi-xing¹, Sun Jia-qi¹, Cong Yan³, Wen Jian-min¹, Sun Wei-dong¹

¹Second Department of Bone and Joint, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China; ²Shanxi University of Traditional Chinese Medicine, Taiyuan 030619, Shanxi Province, China; ³Beijing Vocational College of Social Management, Beijing 101601, China

Online:2018-08-18 Published:2018-08-18
Contact: Sun Wei-dong, M.D., Chief physician, Master’s supervisor, Second Department of Bone and Joint, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China Wen Jian-min, Chief physician, Professor, Doctoral supervisor, Second Department of Bone and Joint, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China
About author:Li Yan-le, Master candidate, Second Department of Bone and Joint, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81373802, 81273984; the Natural Science Foundation of Beijing City, No. 7172244

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

拇外翻微创截骨：采用削磨钻于第一跖骨头颈部斜形截骨，结合中医整复骨折畸形手法治疗拇外翻的手术方法。该方法切口小，操作简便，无需内固定，治疗后行“8”字绷带外固定、配合中药内服外用及康复锻炼等，是目前治疗拇外翻较好的方法。

主、被动功能锻炼：主动功能锻炼是指患者主动进行足趾及踝关节的跖屈、背伸，活动跖趾及趾间关节，重点以第一跖趾关节为主；被动功能锻炼指患者一手紧握截骨端，维持截骨端位置不动，另一手握住第一跖趾关节远端，做关节的屈伸活动。该方法能有效防止关节粘连，恢复关节功能，预防治疗后并发症的发生，临床应引起足够重视。

摘要

背景：拇外翻是临床常见足部畸形之一，严重影响患者生活质量，传统手术治疗采取大切口，直视下矫形手术，患者痛苦大，恢复慢。随着微创技术的进步与发展，中西医结合微创治疗拇外翻在临床应用广泛，具有切口小，恢复快，能够尽早下地等优点。

目的：测量拇外翻微创截骨治疗后“8”字绷带外固定患者行走、站立及主被动功能锻炼时截骨端周围压力。

方法：对1例拇外翻微创治疗后4周的24岁女性患者，运用SPI FREE FORM 32通道单点压力测量系统测量患者在行走、站立、主动跖屈、主动背伸、被动跖屈与被动背伸6种状态下“8”字绷带外固定拇外翻截骨端周围的压力参数。

结果与结论：通过对拇外翻治疗后“8”字绷带外固定下不同区域的压力分析，趾蹼正中始终保持较大的压力；除站立状态下，跖骨头背侧压力均大于跖骨头下压力；除被动跖屈状态下，趾蹼侧方压力均大于跖骨头内侧压力。提示拇外翻微创截骨治疗后“8”字绷带外固定能维持截骨远端跖屈位及拇趾中立位，有效保持截骨端的稳定，有利于骨折愈合。

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
ORCID: 0000-0002-5511-4385(李晏乐)

关键词: 拇外翻, 微创, 截骨, “8”字绷带外固定, 压力测量, 稳定性, 足, 组织工程

Abstract:

BACKGROUND: Hallux valgus is one of the common foot deformities, and seriously affects the quality of life of patients. The traditional surgical treatment adopts large incision and direct vision orthopedic surgery. The patient suffers great pain and recovery is slow. With the progress and development of minimally invasive technology, minimally invasive treatment of hallu valgus with traditional Chinese medicine and western medicine is widely used, and it has the advantages of small incision, quick recovery and early walking.

OBJECTIVE: To measure the pressure around osteotomy of hallux valgus with 8-shaped bandage external fixation in walking, standing, active and passive functional exercise.

METHODS: SPI FREE FORM single point pressure measurement system with 32 channels was used to measure the pressure of the osteotomy of hallux valgus of the patients in walking, standing, active plantar flexion, active back extension, passive plantar flexion and passive dorsiflexion with 8-shaped bandage external fixation in a 24-year-old patient at 4 weeks after treatment.

RESULTS AND CONCLUSION: By analyzing the pressure around osteotomy of hallux valgus with 8-shaped bandage external fixation in walking, standing, active and passive functional exercise, the middle of toe web always kept great pressure; and all but in standing, the dorsal pressure of the metatarsal head was greater than that of the metatarsal head. Besides, the lateral pressure of the toe web was greater than the medial pressure of the metatarsal head except in passive plantar flexion. These results verify that after minimally invasive osteotomy in hallux valgus, 8-shaped bandage external fixation can maintain the distal osteotomy of hallux plantar flexion displacement and neutral position, and effectively maintain the stability of the osteotomy, which is beneficial to fracture healing.

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

Key words: Hallux Valgus, Osteotomy, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

李晏乐，常程，岳肖华，白子兴，孙家琦，丛燕，温建民，孙卫东. 拇外翻微创截骨联合“8”字绷带外固定的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(23): 3659-3664.

Li Yan-le, Chang Cheng, Yue Xiao-hua, Bai Zi-xing, Sun Jia-qi, Cong Yan, Wen Jian-min, Sun Wei-dong. Biomechanical study of minimally invasive osteotomy with 8-shaped bandage external fixation of hallux valgus[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(23): 3659-3664.

图/表（结果） 2

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引言

材料方法

1.1 设计 生物力学实验。

1.2 时间及地点 于2017年2月16日在中国中医科学院望京医院受试者接待室完成。

1.3 对象 选取1例拇外翻微创治疗后4周患者，女性，24岁，身高164 cm，体质量50 kg。患者双足拍摄X片证实其无骨折、肿瘤等骨质破坏。测量得患者治疗后4周右足拇外翻角14°，第1，2跖骨间角为9°，足部无扁平足、高弓足、内外翻足、锤状趾、爪形趾等畸形，无跖骨头下痛性胼胝体，无其他足部手术和外伤史，无其他系统疾病引起的足部畸形。患者进行试验前进行风险告知，并签署知情同意书。试验获中国中医科学院望京医院医学伦理委员会批准，批准号为2013-03-21。

1.4 材料

纱布绷带：规格 24 cm×600 cm，4列，经纱21，纬纱32，经纬密度105/10 cm，产品备案号：豫长械备20140037号，购自新乡市康民卫材开发有限公司。

医用橡皮膏：规格 26 cm×500 cm，批号 201402024，购自焦作联盟医用材料股份有限公司。剪成20 cm×8 cm和26 cm×1.5 cm备用。

SPI FREE FORM 32通道单点压力测量系统：由美国传感器设备公司生产(图1)。

Tactilus4.0实时压力测试分析系统：美国传感器设备公司(图2)。Tactilus薄膜压力传感器:由美国传感器设备公司生产，厚度为0.1 mm，应变片为圆形，直径4 mm。

1.5 方法

1.5.1 拇外翻微创截骨手术步骤参照文献^[1^，^3]。①入路及削磨骨赘：在拇趾近节趾骨近端内侧做弧形切口，长约 1 cm，用小骨膜剥离器分离关节囊，用削磨钻去除跖骨头内侧骨赘，骨锉锉平跖骨头内侧(图3A-C)；②截骨：在第一跖骨头、颈部内侧做0.5 cm切口，切开皮肤直达骨膜，用削磨钻做一斜形截骨。彻底冲洗，避免碎骨屑残留在关节腔内(图3D)；③手法整复：将远端跖骨头由内向外推开3-5 mm，并使截骨远端不向背侧移位(图3E)；④包扎：绷带从第一、二趾蹼间夹垫绕过踝关节做“8”字形包扎，将拇趾固定在约5°内翻位，用胶布做“8”字形缠绕，加强拇趾的内翻位固定^[4-11]。

1.5.2 划分测试区域患者治疗后康复锻炼动作主要涉及第1跖列，测试分区主要围绕第1跖列截骨端周围环形区域进行。将截骨端周围皮肤划分为5个测量区域，分别为：第1跖骨头跖侧，第1跖骨头背侧，第1跖骨头内侧，趾蹼正中，趾蹼侧方。分别将薄膜压力传感器固定于5各测量区域。

1.5.3 “8”字绷带外固定分趾垫的制作与放置：将纱布绷带卷成直径约2 cm的绷带卷，作为分趾垫备用；将分趾垫轻轻折弯，一端放置在第1、2 趾蹼间，另一端斜行放置在第1跖骨截骨远端背侧。

“8”字绷带包扎：取纱布绷带，对足行环形包扎。顺序依次为：自截骨端内侧开始从足背包扎→包扎前足3圈→经足背侧绕过踝关节→从足背侧经趾蹼间绕过拇趾→反折后绕回踝关节，如此反复行“8”字缠绕，循环包扎3圈。视足部大小剪断或续接绷带直至包扎完成。在包扎过程中注意保持对分趾垫适当的压力，可以适当按压分趾垫防止在包扎过程中出现第1跖骨截骨远端向上翘起。

橡皮膏粘贴固定：使用26 cm×1.5 cm医用橡皮膏经足背内侧向趾蹼间行半“8”字环行包扎，保持拇趾轻度内翻位固定并注意使截骨远端保持下压状态；使用20 cm×8 cm医用橡皮膏经足背外侧向内侧至足底行“U”行包扎，以防止拇趾过度内翻，注意不要行环形包扎，防止影响损伤侧下肢血液循环(图4)^[12-18]。

1.5.4 应力片的测试与调控检测各通道的灵敏度，选择信号传导良好的通道，连接数据线及应变片，注意保持通道编号和数据线编号一致。设定测量参数：压力单位N，测试频率10 Hz。将校准过的4 mm直径圆形压力应变片贴合于足各个测试区域。FREE FORM测试装置配套的专用应变片带有自黏附功能，根据应变片的贴合部位不同在数据线上粘贴医用橡皮膏以加强固定，防止应变片脱落。

1.5.5 数据采集选择3名医师对同一患者进行“8”字绷带包扎固定并测量行走、站立及主被动功能锻炼(图5)时截骨端周围压力，重复测量3次。以60 s为1个测试周期，记录数据，第1跖趾关节主动或被动运动时，尽量保持匀速动作并观察数据视窗压强-时间曲线，待曲线平稳后开始记录趾蹼正中、跖骨头内侧、趾蹼侧方、跖骨头背侧、跖骨头下五个区域的压力数据。

1.5.6 随访观察治疗后6周，3个月时对患者足部进行负重位X射线观察。

1.6 主要观察指标 ①趾蹼正中、跖骨头内侧、趾蹼侧方、跖骨头背侧、跖骨头下5个区域的压力；②足部影像学观察结果。

1.7 统计学分析 采用SPSS 13.0统计软件计算平均值及标准差，进行描述性统计分析。

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讨论

3.1 实验装置的特点及优势 SPI FREE FORM 32通道单点压力测量系统其工作原理是外部压力作用于32个单独的传感器，同时采集和同化应用表面上所需位置的数据。测试装置主机配有32个接口，可同时接通32个应变片进行自由分区并采集区域内的压力。由数据接收器整理数据，在数据采集过程中，数据可与电脑同步，可存储格式为EXCEL、ASCII、TXT，数据包括多通道单点压力值，以及压力值与时间、区域等关系波形图等。每个传感器元件都进行单独校准、序列化和质量检验，确保了重复性和精确度达到最高。信号采集频率最高可达50 Hz，并可根据解剖部位的不同配备不同尺寸及形状的应变片。

Tactilus4.0 实时压力测试分析系统是美国传感器设备公司基于实时表面压力映射技术开发的压力测试系统，具有精确的测量功能，并能适用于各种复杂工况。在测试过程中数据分析时可以进行kg/cm²、RAW、PSI、ATM、mm Hg、kPa、bar多种单位间的自由换算，数据精确至小数点后4位。数据视窗具有方便的2D和3D模式的自由切换，并能通过热力图直观反映测试区域的压力分布情况。

Tactilus薄膜压力传感器为美国传感器设备公司生产，厚度仅为0.1 mm的薄膜压力应变片，与SPI FREE FORM测试装置配套使用，装配有符合人体工程学特征的高质量博格(Berg)连接器，可保证持久互联，具有装置轻，精度高，卷曲性好，与组织贴合性能佳等特点。为了实现同拇外翻足各测力区域的紧密贴合，做到尽可能的准确测量以减小误差，选择4 mm直径圆形应变片，特别适合于第1跖骨头及趾蹼等曲面环境，保证了数据采集的可靠性及稳定性。应变片在出厂前均经过预校准并由NIST美国国家标准与技术研究院检测，保证测量的精确性。应变片最大压强承受能力可达14.1 kgf/cm²，约相当于1.41 MPa，完全能够满足测量所需。

3.2 微创截骨治疗技术要点 文章介绍的微创截骨治疗拇外翻以微创截骨、手法矫正为特点，结合“8”字绷带外固定和功能锻炼，是对拇外翻治疗的创新和发展，该方法技术要点为：①采用第一跖骨头颈部斜形截骨矫正畸形；②中医正骨手法纠正畸形及关节脱位；③依据中医骨折固定的“裹帘”理论，参照小夹板纸夹垫的固定原理，采用“8”字绷带弹性外固定。该方法临床应用已20余年，切口小、操作简单、疗效确切，美国足与关节协会评分高^[19-22]，治疗后允许下地活动，未出现截骨端不愈合现象^[3^，^23]。治疗后功能恢复时间短^[24]，是目前治疗拇趾外翻的理想方法^[24-27]。

3.3 微创截骨与截骨端稳定 微创截骨影响截骨端稳定性的主要因素包括截骨部位与方法、截骨角度与方向^[28]。

3.3.1 截骨部位与方法对截骨稳定的影响该方法在第1跖骨头颈部截骨，相对于跖骨干和跖骨基底部，截骨远端到截骨部位的距离较小，力臂较短，截骨端所受应力较小^[28]。通过对拇外翻有限元模型应力云图分析，第1跖骨应力主要集中在跖骨干部背侧，跖骨头颈部应力很小^[29-30]。Kristen等^[31]发现与第1跖骨截骨手术相关的应力、应变集中点在跖骨头近端跖侧5-10 mm处和跖楔关节远端10- 15 mm的背侧2个部位，故避开这些高应力区的截骨则比较稳定。该方法采用削磨钻截骨，截骨面摩擦系数是0.6，较之摆锯所造成截骨面的摩擦系数增加50%以上^[29]，增加了局部稳定性。

3.3.2 截骨角度与方向对截骨端稳定的影响通过有限元模型模拟拇外翻微创截骨，第一跖骨截骨线与第一跖骨轴线成60°角时总位移最小，截骨端最稳定^[28-29]。截骨线方向从远端内侧向近端外侧，通过手法整复将截骨远端向外侧推移并跖屈、跖移，使第1跖骨短缩，挛缩的拇趾屈、伸肌腱相对延长，使之易于恢复到正常位置，纠正了拇长伸、长屈肌腱、拇收肌等肌腱牵拉产生的弓弦样病理作用，将弓弦样病理改变成对截骨端纵向的挤压力(图7)，使之成为促进截骨端愈合的有利因素^[28]。

3.4 “8”字绷带外固定与截骨端稳定 “8”字绷带外固定的分趾垫与绷带作用于第一、二趾蹼间，对第一跖趾关节远端外侧提供了持续向内的推挤力，以维持第一跖趾关节半脱位的复位和畸形的纠正。试验结果显示除被动跖屈状态下，趾蹼侧方压力均大于跖骨头内侧压力，使截骨远端保持向内侧的趋势，证实了“8”字绷带外固定可维持手法整复后拇趾的中立位置，对抗因拇趾外翻引起弓弦病理作用及截骨远端再外翻的趋势，起到治疗后辅助矫正拇外翻畸形的作用。

通过对拇外翻后“8”字绷带外固定下不同区域的压力分析，趾蹼正中始终保持较大的压力，分趾垫与绷带约束力与骨轴线垂直，对截骨端有纵向的挤压力，增大截骨面之间的摩擦力，有利于截骨端稳定，从而有利于截骨端愈合。

试验结果显示，除站立状态下，跖骨头背侧压力均大于跖骨头下压力。其原因是在站立状态下，由于损伤侧足负重，地面对跖骨头的反作用力大于夹垫对跖骨头背侧的压力，而非负重状态下，无地面对跖骨头向上的反作用力，“8”字绷带外固定使用的分趾垫通过斜行放置在趾蹼间，作用于跖骨头背侧，对截骨远端保持持续向下的压力，有对抗第一跖骨截骨远端背伸的趋势。而行走状态时跖骨头背侧压力大于跖骨头下压力，考虑是由于在行走过程中，足底抬离地面时，夹垫对跖骨头背侧保持持续向下的压力，此时跖骨头背侧压力大于跖骨头下压力，足底接触地面时处于负重状态时，跖骨头下压力大于跖骨头背侧，就整体平均而言，出现了跖骨头背侧压力大于了跖骨头下压力。

3.5 主、被动功能锻炼与截骨端稳定 此项生物力学试验结果显示，患者治疗后主动功能锻炼时截骨端周围压力分布与站立、行走状态时一致，趾蹼正中、侧方压力大；被动功能锻炼时，跖骨头背侧压力最大，提供约束力，防止截骨远端背伸；被动锻炼时，因患者主观上将大拇趾于中立位锻炼，与分趾垫之间的挤压力减小，故可能出现被动跖屈是趾蹼侧方压力小于跖骨头内侧的情况。“8”字绷带弹性固定允许患者早期肢体功能锻炼及下地活动，实现截骨端的轴向微动，使截骨断端始终承受一定的压力与应力，从而促进截骨愈合。患者治疗后当天进行主动功能锻炼至4-6周，治疗后2周进行被动功能锻炼至跖趾关节活动恢复正常，治疗后3个月截骨端已临床愈合，临床证实了主动及被动功能锻炼未对截骨端稳定造成不良影响，反而促进截骨愈合。

3.6 结论 试验通过对拇外翻微创截骨“8”字绷带外固定下截骨端周围压力的测量及数据分析，为治疗后截骨端的稳定性提供生物力学依据，为进一步有限元研究提供数据，为深入研究拇外翻的生物力学变化和拇外翻治疗设计与评价打下基础。

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

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