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

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.22.014

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (22): 3294-3300.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.22.014

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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

修回日期:2016-03-11 出版日期:2016-05-27 发布日期:2016-05-27
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 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
作者简介: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。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(81273984，81373802)

Static finite element analysis of the stability of osteotomy after hallux valgus surgery based on wrapped curtain method with external fixation

Bi Chun-qiang¹, Wen Jian-min¹, Sun Wei-dong¹, Wang Li-zhen², Mao Rui², Bian Qiang¹, Wen Guan-nan¹, Chang Cheng¹, Zhang Yu-liang¹, Fan Yu-bo²

¹Second Department of Orthopedics, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China; ²Key Laboratory for Biomechanics and Mechanobiology of Ministry of Education, School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China

Revised:2016-03-11 Online:2016-05-27 Published:2016-05-27
Contact: Wen Jian-min, Chief physician, Professor, Doctoral supervisor, Second Department of Orthopedics, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China Fan Yu-bo, Professor, Key Laboratory for Biomechanics and Mechanobiology of Ministry of Education, School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China
About author:Bi Chun-qiang, Studying for doctorate, Attending physician, Second Department of Orthopedics, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81273984, 81373802

摘要/Abstract

摘要：

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58 kg，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Von Mises 应力和位移。

结果与结论：①无外固定工况最大应力0.067 MPa，有外固定工况最大应力1.258 MPa，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(P<0.01)；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0.046 mm。无外固定时最大相对位移为-0.102 mm，发生在Z轴；有外固定时最大相对位移为0.110 mm，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(P>0.05)；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(P < 0.01)。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。

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: 0000-0003-1177-5808(温建民)

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

Abstract:

BACKGROUND: Integrated Traditional Chinese and Western Medicine minimally invasive treatment for hallux valgus based on wrapped curtain method with “8”-shaped bandage and sub toe pad external fixation has been used for a long time in the clinic. This method abandons the internal implant fixation and external plaster fixation. After surgery, patients could take care of themselves. However, the activity of the broken end may cause fracture nonunion, which once aroused scholars’ question. Recently, with the continuous improvement of foot biomechanics research, foot finite element model and applications become a reality.

OBJECTIVE: To evaluate the stability of osteotomy after the operation of wrapped curtain method with “8”-shaped bandage and sub toe pad external fixation on the basis of static finite element method.

METHODS: A young female volunteer with hallux valgus was selected, whose body weight was 58 kg, and right foot hallux abductor valgus angle was 24°; intermetatarsal angle was 13°; proximal articulator set angle was 7°; distal articulator set angle was 7°. CT was used to scan the right foot. ABAQUS software was applied to establish a finite element model of right foot hallux valgus bone, and model of the first metatarsal neck minimally invasive osteotomy was simulated based on wrapped curtain method with external fixation. Von Mises stress and displacement at the osteotomy end were calculated.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum stress was 0.067 MPa without external fixation, and the maximum stress was 1.258 MPa with the external fixation. Stress was mainly distributed in the outer edge of the osteotomy. (2) The maximum absolute displacement was 0.363 mm without external fixation, and the maximum absolute displacement was 0.716 mm with external fixation. The two largest displacements were both in the Z-axis direction. Statistical analysis confirmed that the four nodes absolute displacement and stress were significantly different (P < 0.01). (3) The maximum relative displacement was 0.101 mm. The maximum relative displacement was 0.046 mm with external fixation. The maximum relative displacement without external fixation was -0.102 mm and occurred in the Z-axis. The maximum relative displacement with external fixation was 0.110 mm and occurred in the Y-axis. (4) One-way analysis of variance confirmed that the four nodes relative displacements were not statistically significant in X-axis and Y-axis (P > 0.05). The four nodes relative displacements were statistically significant in Z-axis (P < 0.05). (5) These findings suggest that the external fixation based on wrapped curtain method after hallux valgus surgery could effectively reduce osteotomy displacement. The moderate stress and elastic fixation are conducive 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: Finite Element Analysis, Fracture Healing, Osteotomy, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

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.

Bi Chun-qiang, Wen Jian-min, Sun Wei-dong, Wang Li-zhen, Mao Rui, Bian Qiang, Wen Guan-nan, Chang Cheng, Zhang Yu-liang, Fan Yu-bo. Static finite element analysis of the stability of osteotomy after hallux valgus surgery based on wrapped curtain method with external fixation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(22): 3294-3300.

图/表（结果） 2

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引言

材料方法

1.1 设计 静态三维有限元分析试验。

1.2 时间及地点 于2015年6至12月在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完成。

1.3 材料

实验设备和软件：德国SIEMENS公司64排螺旋CT(型号SOMATOM Definition Edge，由望京医院提供)；Mimics 10.01、Geomagic Studio 12.0、RapidForm软件、CATIA V5软件、RapidForm软件、有限元软件ABAQUS 6.13(模型建立及运算在北京航空航天大学生物与医学工程学院完成)。

1.4 对象 选取1例拇外翻志愿者，女性，24岁，身高168 cm，体质量58 kg，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°，无足部其他畸形及足部手术史，采用德国SIEMENS公司64排螺旋CT(型号SOMATOM Definition Edge)对其右足进行扫描，扫描层厚1 mm，层距1 mm，扫描从足底至踝关节，共获得512×512象素CT图像542张，以DICOM 格式输出并存储。扫描时受试者踝关节处于中立位，患足不负重，检查前患者签订知情同意书，研究方案得到中国中医科学院望京医院伦理委员会批准，检查过程中严格注意辐射防护。

1.5 方法

1.5.1 模型建立将CT获得的DICOM格式数据导入Mimics 10.01软件，利用阈值分割，区域增长和蒙板编辑工具去除软组织，对图像进行修补、空腔填充，生成3D模型，然后导入Geomagic Studio 12.0，进行足部曲面重构，生成三维实体模型，通过布尔运算生成软骨，填充关节缝隙，采用CATIA软件模拟微创截骨手法整复术模型，在建好的拇外翻模型上模拟第1跖骨头颈部截骨，水平面与第1跖骨轴线的垂线成20°角，方向从远端内侧向近端外侧，矢状面与第1跖骨轴线垂线成15°角，方向从远端背侧向近端跖侧(见图1A，B)，Rapid Form软件建立足部韧带(见图1C，D)，将带有软骨的实体模型导入到ABAQUS 6.13软件中进行网格划分(见图1E)，生成四面体自由网格，该模型包括足部26块骨、2块籽骨及胫腓骨远端。然后将截骨远端沿截骨方向向后外侧移3 mm，建立微创截骨手法整复术后有限元模型，通过机械载荷模拟皮肤，利用ABAQUS软件的Load模块采用机械载荷方式，模拟“裹帘”法“8”字绷带和分趾垫外固定(见图1F，G)。总节点209 832，总单元数333 776，建立长方体模型，作为地面模型，划分六面体网格。

1.5.2 单元属性和材料参数定义骨定义为solid实体单元，足部主要韧带和足底筋膜定义为truss单元，为了简化计算，将骨组织、韧带和关节软骨统一设为均匀、各向同性线弹性材料。截骨端周围软组织肌腱定义为单一各向同性弹性材料和缆索材料，采用Connector模拟肌肉。肌肉定义为被动张力非线性超弹性材料^[3]，韧带和足底腱膜是通过连接骨骼上的附着点形成线单元来模拟的^[4-6]。“8”字绷带和分趾垫外固定模型，采用load模块机械载荷。皮肤和足底筋膜在足部功能活动时发挥极大的作用，建模时也充分考虑。模型的各部分连接及材料参数特性根据参考文献获得^[4-27]，见表1，绷带包扎力根据患者术后包扎实际测得，绷带弹性模量采用离体生物力学实验测得^[4^，^28-30]。

1.5.3 模型约束与加载模拟体质量58 kg患者平衡站立，根据文献研究，平衡站立时肌电图显示小腿其他肌群及足内在肌群无明显活动，即这些肌肉不产生主动收缩力^[31]，处于简化模型考虑，足内在肌仅考虑拇展肌、拇趾长短屈肌、拇趾长短伸肌和拇收肌，其他软组织均不予考虑。支撑结构上表面和足底表面的相互作用定义为接触关系，摩擦系数为0.6^[32]，约束地面自由度，在胫、腓骨端以290 N的力垂直向下加载。根据文献报道，平衡站立时因小腿三头肌收缩产生对跟腱的拉力，约为单足负荷的50%^[33]，故跟腱附着点上施加垂直向上的145 N的Achilles肌腱力^[34]，忽略了其他足内、外在肌的肌力。在远、近端截骨面的上、下、内、外边缘4个点分别标记对应的观察点。“裹帘”外固定由术后患者包扎实际测得，绷带总的作用面积是107 cm²，分别模拟有、无“裹帘”外固定两种工况，对模型进行加载。

1.5.4 坐标轴确定及指标分析以空间一点为坐标系原点，建立3条两两垂直的坐标轴，即X轴、Y轴和Z轴。X轴平行于足水平面，指向左侧；Y轴平行于足水平面，指向后侧；Z轴为纵轴，垂直于水平面，指向上方。模拟有、无“裹帘”外固定两种工况加载后截骨端的位移和Von Mises应力变化，位移与数轴方向一致时为正值，相反时为负值。绝对位移指节点在坐标系中发生的位移；相对位移指远端截骨面节点与对应的近端截骨面节点间的变形距离。远端截骨面4个节点(上A₁、内B₁、下C₁、外D₁)，近端截骨面对应的4个节点(A₂、B₂、C₂、D₂)。

1.6 主要观察指标 观察截骨端Von Mises应力、截骨远端节点绝对位移及截骨远端对近端节点的相对位移情况。

1.7 统计学分析 统计学处理由第一作者完成，采用SPSS 13.0统计软件进行统计分析，统计方法采用单因素方差分析进行，检验水准α=0.05。

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

讨论

3.1 “裹帘”法的源流 “裹帘”法作为外伤固定方法之一，始见于《医宗金鉴•正骨心法要旨》，“裹帘，以白布为之。因患处不宜他器，只宜布缠，始为得法……”，但没有裹帘插图，日本医家二宫彦可到中国学习整骨术，回国后编著的《正骨范》中记录的“裹帘”法，取白布绷带为固定材料。中医骨伤治疗历史悠久，中国古代医学家几千年前就提出复位、固定、药物治疗和功能锻炼的原则，经过40多年的实践、思索，创造性地总结提出了骨折治疗的中国接骨学系统理论，是国内、外公认的中国在世界医学上处于领先地位自主创新的伟大成就^[35]，“裹帘”法与中国接骨学系统理论十分吻合，因其为布做，质地质软，尤适用于既要制动又要早动的骨折、筋伤、脱位类疾病，“裹帘”法与“筋骨并重”、“动静结合”的理论十分契合，具有极高的科学价值。拇外翻术后“裹帘”外固定详见图3。

3.2 “裹帘”法外固定的作用机制与有限元分析 本文中，无外固定工况最大应力0.067 MPa，有外固定工况最大应力1.258 MPa，无外固定时应力主要来自肌肉收缩的生理应力和负重产生的应力，“裹帘”法外固定在此基础上为截骨端提供了直接的外力来源。微创技术治疗拇外翻“裹帘”外固定截骨端的稳定性，主要与分趾垫、绷带的约束和固定力、软组织的“合页”作用及断端的啮合力有关。“裹帘”法环行包扎的绷带，为截骨端提供弹性固定力，当保持足趾跖屈、双足负重平衡站立时，肌肉收缩横截面积增加，使“裹帘”外固定发生弹性形变、蓄积弹性势能，环行包扎的绷带弹力增加，因此导致截骨面节点Von Mises应力增加，从而增加了骨折断端的摩擦力，根据术中截骨线的方向，还可以限制截骨远端向背侧移位或向跖侧成角的趋势，有效地保持了截骨端的相对稳定。

两种工况下，远端截骨面节点在Z轴方向绝对位移最大，这可能与双足平衡站立时足弓会生理性下移有关。有无外固定截骨远端绝对位移差异有显著性意义，与“裹帘”外固定中截骨远端背侧分趾垫压力有关，说明分趾垫在维持截骨远端跖屈状态起到了关键的作用。本有限元计算中，截骨近端和远端并未约束，因此加载后，在坐标系中二者均产生位移。根据对应节点绝对位移分析发现，两种工况加载后远端节点与相对近端节点比较，均向X轴负向、Y轴正向和Z轴负向产生位移，这除了与“裹帘”外固定有关，也与该方法治疗的二维截骨方向有直接关系，在加载和模拟肌肉生理收缩作用下而产生的截骨端顺纵轴方向的位移。

无外固定工况最大相对位移值为0.101 mm，有外固定工况最大相对位移值为0.046 mm。无外固定时最大相对位移为-0.102 mm，发生在Z轴，有外固定时最大相对位移为0.110 mm，发生在Y轴。两种工况节点相对位移在X轴、Y轴上差异无显著性意义，在Z轴上相对位移差异有显著性意义，可以认为“裹帘”外固定可有效维持截骨端的稳定性，对截骨端有良好的固定作用。在Y轴上相对位移差异无显著性意义，说明“裹帘”外固定存在对截骨端轴向位移没有直接影响，由此可推出“裹帘”外固定对截骨端轴向并不产生明显的应力。在Z轴上相对位移差异有显著性意义，可见“裹帘”外固定存在时Z轴位移明显减少，说明“裹帘”外固定可有效减少截骨远端向背侧位移，分析可能与“裹帘”外固定背侧分趾垫的存在有关，由于背侧分趾垫的存在，有效对抗了负重后截骨远端的剪应力，维持了截骨端的相对稳定，截骨断端对应点有相对位移，说明截骨端存在微动。无外固定时最大相对位移发生在Z轴，有外固定时最大相对位移发生在Y轴，可见无外固定时最大相对位移表现为截骨端侧方位移，有外固定时最大相对位移主要表现为截骨端轴向位移。

“裹帘”外固定根据纸压垫原理，将分趾垫放在截骨远端背侧及拇趾外侧，提供固定力纠正拇趾外翻，又提供约束力防治截骨远端背伸，通过有限元分析可见，在固定过程中，可保持截骨端微动，又能有效维持截骨端的相对稳定，对断端轴向不产生明显的应力和位移，分趾垫可有效减少截骨端的剪应力，“裹帘”外固定是弹性固定，有利于截骨端的骨折愈合。

3.3 “裹帘”法的优势与展望 “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”^[36]，即“固定稳定，非功能替代，断端生理应力”。经“8”字绷带和分趾垫外固定的约束力与肌肉、肌腱等软组织的“夹板”作用及截骨断端的摩擦力，共同构成了维持截骨端稳定系统，形成一个新的几何不变体系。“裹帘”法外固定系统中“8”字绷带提供了直接的外力来源，对骨折端产生的应力，随着位移的增加而增加，在功能活动时，肌肉收缩肢体横截面周径增大^[36-37]，使绷带弹性固定张力随之增大，蓄积弹性势能，当肌肉放松时，绷带的弹性势能释放，与软组织的“夹板”作用、截骨断端的摩擦力共同对抗骨折端的剪应力，保持截骨端的稳定固定。在整个临床过程中，约束力和效应力始终总是与骨轴线垂直，无应力遮挡及功能替代，骨折愈合和塑形同步完成。

“裹帘”法的弹性固定，保持截骨端微动，主要通过肢体肌肉收缩和负重产生的，Goodship等^[38]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，骨折端骨折断端微动可以促进骨痂形成与钙化。本研究外固定工况最大相对位移为0.046 mm，且主要为轴向微动，对骨折愈合有利。

中西医结合微创技术治疗拇外翻术后基于“裹帘”法外固定，经静态有限元研究证实，“裹帘”法外固定可有效减少截骨端相对位移，应力适中，断端保持弹性固定，有利于骨折愈合，该方法维持了截骨端拇外翻复位，又对抗了引起“骨错缝、筋出槽”的动力因素，兼顾了筋、骨两个方面，因而可获得满意的疗效^[39-40]。与前期术后负重位X射线测量结果一致^[41]，关于“裹帘”法外固定在步态周期的动态有限元分析，有待于在以后的科研工作中进一步开展。

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

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

Static finite element analysis of the stability of osteotomy after hallux valgus surgery based on wrapped curtain method with external fixation

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