2.1  单纯舟楔关节融合  在Ⅱa期及Ⅱb期平足模型行单纯舟楔关节融合后模拟负重，足底应力最大值出现在第一跖骨头下方，其中Ⅱa期模型行舟楔关节融合后足底应力最大值反而从术前负重后111.5 kPa增加至126.7 kPa，见图4；Ⅱb期应力最大值也从术前77.9 kPa增加至78.8 kPa，见图5。Ⅱa期平足模型中内外侧柱各骨块行舟楔关节融合后距骨、舟骨、内侧楔骨、第一跖骨、跟骨、骰骨、第五跖骨的最大应力值由术前的5.29，4.40，2.10，3.20，4.15，2.58，3.50 MPa变化为5.68，3.97，1.92，3.40，3.97，2.19，3.50 MPa；Ⅱb期平足模型中相对应的骨块则由术前4.80，2.79，2.88，1.94，3.20，3.10，3.08 MPa变化为5.30，1.34，1.32，2.26，3.94，2.98，3.07 MPa，见表2。

Ⅱa期平足胫距前韧带、胫距后韧带、胫跟韧带、胫舟韧带、弹簧韧带、跖筋膜的最大应力值分别从术前负重后的0.93，0.36，0.74，1.66，3.48，2.00 MPa变化为0.61，0.49，0.59，1.42，4.39，1.71 MPa。Ⅱb期平足模型中相应韧带及跖筋膜最大应力值也从术前负重后的3.94，0.88，1.55，4.72，4.50，1.52 MPa变化为3.54，0.98，1.49，4.66，5.40，1.40 MPa，见表3。Ⅱa期模型上实施后距骨第一跖骨角、跟骨倾斜角、距舟覆盖角由术前负重后的8.3°，14.4°，11.7°变化为5.2°，15.6°，8.2°，足弓高度也从10 mm恢复到了15 mm；Ⅱb期模型骨第一跖骨角、跟骨倾斜角、距舟覆盖角由术前负重后的25.0°，9.0°，19.6°变化为20.5°，8.9°，15.4°，足弓高度也从4 mm恢复到了10 mm，见表4。

2.2  单纯跖楔关节融合  在Ⅱa期及Ⅱb期平足模型行单纯跖楔关节融合后模拟负重，足底应力最大值出现在第一跖骨头下方。Ⅱa期模型足底应力最大值也从术前上升至112.1 kPa，见图4；Ⅱb期模型足底压应力较术前稍降低至76.6 kPa，见图5。行跖楔关节融合后Ⅱa期模型距骨、舟骨、内侧楔骨、第一跖骨、跟骨、骰骨、第五跖骨的最大应力值由术前依次变化为5.27，4.00，3.00，4.50，4.10，2.10，3.60 MPa；Ⅱb期平足模型中相对应的骨块则由术前变化为4.90，2.87，3.25，2.40，4.00，3.10，3.07 MPa，见表2。

胫距前韧带、胫距后韧带、胫跟韧带、胫舟韧带、弹簧韧带、跖筋膜的最大应力值分别从术前变为0.92，0.35，0.72，1.64，3.50，2.00 MPa；Ⅱb期平足模型中相应韧带及跖筋膜最大应力值则分别为3.82，0.88，1.52，4.67，4.73，1.47 MPa，见表3。Ⅱa期模型上实施跖楔关节融合后距骨第一跖骨角、跟骨倾斜角、距舟覆盖角由术前负重变化为7.8°，14.5°，10.8°，足弓恢复到14 mm；Ⅱb期模型相应测量角度变化为21.9°，8.8°，17.2°，足弓恢复到    8 mm，见表4。

2.3  舟楔关节和跖楔关节均融合  在Ⅱa期及Ⅱb期平足模型行舟楔关节和跖楔关节融合后模拟负重，足底应力最大值出现在第一跖骨头下方。Ⅱa期模型足底应力最大值也从术前上升至131.0 kPa，见图4；Ⅱb期模型足底压应力较术前稍降低至77.3 kPa，见图5。距骨、舟骨、内侧楔骨、第一跖骨、跟骨、骰骨、第五跖骨最大应力值由术前变化为5.83，3.57，1.96，4.45，3.90，2.20，3.46 MPa；Ⅱb期平足模型中相对应的骨块则由术前变化为5.20，4.40，3.07，2.09，4.10，2.57，3.50 MPa，见表2。

Ⅱa期平足模型经过舟楔关节融合后胫距前韧带、胫距后韧带、胫跟韧带、胫舟韧带、弹簧韧带、跖筋膜的最大应力值分别从术前变为0.56，0.45，0.55，1.35，4.6，1.67 MPa；Ⅱb期平足模型中相应韧带及跖筋膜最大应力值则分别为3.76，0.76，1.43，4.76，4.87，1.43 MPa，见表3。行舟楔关节和跖楔关节融合后Ⅱa期距骨第一跖骨角、跟骨倾斜角、距舟覆盖角测量角度变化为6.5°，15.9°，7.8°，足弓恢复到14 mm；Ⅱb期模型相应测量角度变化为18.9°，9.1°，15.3°，足弓恢复到9 mm，见表4。

平足症是足踝外科的常见病，它最突出的特点是足的内侧纵弓塌陷，大多数患者还会出现后足外翻、前足外展，伴有足的内侧部疼痛及踝关节内侧稳定结构失衡。目前临床上认为，胫后肌腱功能不全是造成平足症的主要原因之一，有文献报道，30岁以上的成年人中，每6个人中就有1个为平足症患者^[1-3]。成人胫后肌腱功能不全性平足从畸形发展的程度可表现为柔韧性畸形、僵硬性畸形。根据MYERSON^[2]及JOHNSON、STROM等学者将其分成Ⅳ期，其中Ⅱ期成人胫后肌腱功能不全性平足是从柔韧性畸形向僵硬性畸形的过渡时期，在临床上最多见，此期的治疗最为关键。然而，在临床上对于其治疗的选择也是多种多样，存在着不少争议。

Ⅱ期平足内侧柱存在着不稳定，这也是造成足弓塌陷的重要原因^[4-6]，目前多种治疗方式都被应用于稳定内侧跖列以及治疗后足外翻畸形^[7-8]，通过融合和肌腱转位或重建等手术方式单独治疗或者结合手术来治疗Ⅱ期平足十分常见。很多平足患者后期可出现内侧柱的过度活动，此时许多学者建议行内侧柱稳定术，通过固定第一跖列恢复内侧纵弓的高度，纠正前足的旋前^[9]。虽然融合手术可以相当程度地纠正畸形，但是融合关节之间的运动却丧失了，临近的关节应力会上升，同时足部正常的生理运动机制也会发生相应改变^[10]。目前尚缺乏详细的生物力学实验来全面判断内侧柱稳定后对于全足带来的影响，单纯行骨性融合对于整个平足的生物力学影响尚不得而知，因此此次研究基于生物力学角度分析单纯内侧柱稳定手术的优劣性，为临床提出参考。

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

1.1  设计  生物力学水平，三维有限元分析实验。

1.2  时间及地点  于2017年7月至2018年9月在河池市第三人民医院脊柱关节科完成。

1.3  对象   选择Ⅱa期平足志愿者1例，男，32岁，身高175 cm，体质量60 kg；Ⅱb期平足志愿者1例，男，27岁，身高175 cm，体质量50 kg。2例志愿者为在河池市第三人民医院门诊就诊的患者，均签署知情同意书，此次研究通过医院伦理委员会审查。

1.4  仪器设备   PhiliPs/Brillianee256排螺旋CT；华硕笔记本电脑(配置：处理器：Intel(R Core(TM))i7-3630QM CPU@2.4GHz；内存：8 G；硬盘：希捷500 G；显卡：NVIDIAQuadroNVS140M，容量512 M；显示器：华硕14英寸；操作系统：Windows8 64位)；三维重建软件Mimies 17.0( Materialise公司，比利时)；逆向工程软件：Geomagic Studio 13.0(Raindrop Geomagic公司，USA)；交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)软件：Solidwork 2012(UGS公司，USA)；有限元分析软件：ABAQUS6.14(SIMULIA公司，USA)。

1.5  方法

1.5.1  数据收集  Ⅱa期平足志愿者自述有左踝关节内侧胫后肌腱止点处疼痛病史半年，患足放松时足弓存在，负重时可见内侧足弓塌陷，后足外翻畸形，Ⅱa期前足未见外展畸形，见图1。Ⅱb期平足志愿者可见左足前足外展、内侧足弓明显塌陷、后足外翻畸形，见图2。经X射线检查证实踝部无骨折、肿瘤等骨质破坏。采用Philips/Brillianee256排螺旋CT行中立位足部扫描，扫描参数：管电压100 kV，管电流100 mA，自足底至踝关节上方10 cm，层厚0.67 mm，分别获取二维CT图像454层，数据以DICOM格式保存。DICOM(Digital Imaging And Communication Medicine)标准是医学影像信息学领域的国际通用标准。

1.5.2  3D模型和输出数据  利用MIMICS软件对导入的DICOM格式进行处理，并设置适当的平滑系数可以得到相应的骨头三维模型，模型生成后以stl(Stereo lithography)格式导出。但是这样生成的模型只是一个空腔结构，需要进一步使用Geomagic软件进行处理生成实体模型，从而方便后期的三维有限元分析。

1.5.3  Geomagic软件平滑处理及生成实体单元  对于Mimics软件生成的各个骨块stl模型导入Geomagic软件，本着高度保留模型完整性的前提下，对这些细小的毛刺或者凸起进行平滑处理。软件能够在模型表面拟合出连续紧密的NURBS(Non-uniform Rational B-splines)曲面模型，最终以STEP格式输出为实体模型，见图3A。

1.5.4  骨骼及软组织模型的装配以及韧带实体模型的建立  以STEP导出的各个骨块及软组织模型都记录了各自的位置信息，它们各自在solidwork软件打开后需保存为solidwork支持的slprt零件格式，在solidwork里面装配好骨骼模型，并通过参考每条韧带的解剖起止点，建立起下胫腓前韧带、下胫腓后韧带、胫腓骨间膜、外侧韧带(距腓前韧带、距腓后韧带、跟腓韧带)、内侧三角韧带(胫距前韧带、胫距后韧带、胫跟韧带、胫舟韧带)、弹簧韧带、跟距骨间韧带、跖筋膜、跖长韧带、跖短韧带及前中足跖面和背侧的许多骨间韧带3D曲线，见图3B。

1.5.5  肌腱肌肉模型的建立  根据SPRATLEY等^[11]的研究，在Ⅱ期平足患者负重时，胫后肌腱由于功能障碍，它对于足部的反作用力基本可以忽略，而其余足部的外在肌对抗体质量所产生的反作用力与体质量大小成一定的比例。根据肌腱的具体解剖位置和走向来建立肌腱模型，方法同样是采取通过参考点建立实体曲线来代表相应的肌腱作用向量。

1.5.6  三维有限元模型的建立  在Solidwork中完成所有实体模型的建立和装配后，以Step格式导出。上述所建立的实体模型以step格式导入Abaqus有限元分析软件后，需要划分网格才能进行有限元分析。骨与软骨采用的是C3D8的8节点实体单元，韧带采用桁架Truss杆单元。

1.5.7  材料参数的设定  为了简化模型的计算，在不影响结果的同时，只保留了胫腓骨下段至整个足部的模型。三维有限元模型进行加载运算前需要对各类组织进行属性赋予，为了简化运算且不影响结果的精确性。骨和软组织材料均设置为各向同性均质性弹性材料，软骨材料设置为同向性均质性不可压缩的超弹性材料，此3种材料的具体性能参数见表1。Ⅱ期平足中，由于韧带组织有一定程度的弱化。因此在此模型中，这些韧带的参数具有特别的设置，具体见参考文献[11]。

1.5.8  边界约束及力学加载设置  在Abaqus软件里通过足底软组织的最低点建立起相应的平面来充当地面，模型与地面的关系设置为不可穿透和干涉。模拟人体单足中立位负重的情况。因此对于60 kg的Ⅱa期平足患足的胫骨上表面施加500 N并垂直于足底向下的压力(人体质量的5/6)，同样同侧腓骨上表面施加100 N向下的压力(人体质量的1/6)；同时小腿三头肌(比目鱼肌、腓肠肌)、拇长屈肌腱、腓骨长肌腱、腓骨短肌腱及趾长屈肌腱分别有50%，10.5%，10%，8.8%和6%体质量的肌腱收缩方向足部反作用力。在平足三维模型仿真计算时需要考虑到许多接触问题，如足底软组织与地面的接触、足部各关节之间的接触、足部骨块与软组织的接触。通常将足底软组织与地面定义为摩擦接触，摩擦系数0.6；足部骨块与足底软组织设置绑定接触；而关节之间定义为无摩擦接触。

1.5.9  三维有限元模型的有效性验证及内侧柱融合虚拟手术模拟  此三维有限元模型有效性已在既往发表文献中得到验证。对于内侧柱稳定模型的建立，可以使用Solidwork软件来进行处理，具体操作是首先选取舟楔关节或和跗跖关节的关节面的曲面，通过放样曲面操作生成连接2个骨块的实体，最后将三者合并为一个整体，它相当于实际操作中的关节面部分刮除后的植骨融合，见图3C。

1.6  主要观察指标  建立Ⅱa期及Ⅱb期成人获得性平足三维有限元模型，模拟内侧柱稳定手术(舟楔关节融合、跖楔关节融合、两者均融合)，术前、术后模型模拟单倍体质量负重，比较其足底、内外侧柱骨块、内侧韧带的最大应力值，并通过测量距骨第一跖骨角、跟骨倾斜角、距舟覆盖角、足弓高度等来进行综合对比。

关于Ⅱ期成人胫后肌腱功能不全性平足畸形的治疗方式众多且存在争议，但公认的观点则是首先以保守治疗为主，保守治疗无效可选择手术处理^[12-14]。手术处理包含融合手术和非融合手术。Ⅱ期平足内侧柱存在着不稳定，这也是造成足弓塌陷的重要原因^[2，15-16]。许多Ⅱ期平足尤其Ⅱb期平足患者可出现前足僵硬性的旋后外展畸形，此时就需要辅以内侧柱稳定术，通过将内侧舟楔或和跖楔关节融合后跖屈第一序列，恢复内侧纵弓的高度，纠正前足的旋前，通过内侧柱稳定后有利于前足的平衡^[16-18]。单纯的内侧柱稳定手术到底对于整个足的应力分布以及各骨块、足内侧软组织及韧带的应力影响程度目前尚未有研究从生物力学角度进行报道。此次研究为针对内侧跖列骨性稳定的研究，对软组织的稳定性重建未涉及。

目前多种治疗方式都被应用于稳定内侧跖列以及治疗后足外翻畸形^[19-20]，通过融合、截骨和肌腱转位或重建等手术方式单独治疗或者结合手术来治疗Ⅱ期平足十分常见^[21-22]。虽然融合手术可以相当程度上地纠正畸形，但是融合关节之间的运动却丧失了，临近的关节应力会上升，同时足部正常的生理运动机制也会相应地改变。在整个内侧柱中各个关节都有相应的运动，ROLING等^[23]学者研究表明舟楔关节在内侧柱中具有最大的活动度，大约占据了50%的第一跖列矢状面活动度，而跖楔关节和距舟关节分别仅占据了41%和9%的矢状面活动度。另外一项尸体研究表明，距舟关节融合也会使后足的运动降低80%-90%^[24]。许多学者均认为处理Ⅱ期平足应尽量保留三关节^[16，25-26]。内侧柱的远侧关节融合在纠正畸形的同时，保留了后足三关节。虽然内侧柱稳定手术可纠正前足内翻的畸形并稳定足弓，但此次研究表明，舟楔关节融合或和跖楔关节融合仅仅降低了融合相应关节的最大应力，它对于足底压力的减轻没有作用，有的融合手术甚至增大了Ⅱa，Ⅱb期平足的足底应力最大值，尤其在Ⅱa期平足模型中非常显著。在此次研究中，舟楔关节融合仅仅降低了舟骨和内侧楔骨的最大应力，但是增加了内侧柱中距骨和第一跖骨的最大应力。跖楔关节融合后，对于整个内侧柱的最大应力没有降低作用，可能是因为融合了跖楔关节，但对于舟楔关节应力的减轻没有作用，甚至反而升高了舟楔关节的应力。行舟楔和跖楔关节融合后，也没有降低内侧柱各骨块和足底的应力。

此次研究表明，舟楔和或跖楔关节融合后，对于内侧韧带的应力减轻没有作用，并且根据测得的结果，弹簧韧带在经舟楔关节融合及舟楔跖楔关节融合后最大应力值反而比术前增大，这可能与距舟关节依然不稳定有关，距骨头的下沉可导致弹簧韧带受力增加，因此对于平足本身软组织的影响没有益处。根据作者测量的各种角度参数，舟楔和或跖楔关节融合可以使足弓得到部分恢复，从而保证在负重时融合的关节不下沉，然而其在纠正畸形方面虽有一定的作用，但效果却不是很理想，其对于跟骨倾斜角和距舟覆盖角无明显的影响，亦说明内侧柱稳定对于后足的畸形和前足外展的畸形没有明显纠正效果。因此，作者认为依靠单纯的内侧柱稳定手术并不能从生物力学角度给Ⅱ期平足带来多大的帮助，甚至增加了足底应力、融合关节内侧跖列周围关节应力以及内侧软组织、韧带的应力，它仅可以作为联合使用的手术来稳定过度活动的关节以及纠正前足内翻的畸形。

此次研究具有一定的局限性，由于有限元研究本身作为基础性研究工作量较大，较难进行多样本的力学分析，因此该研究缺乏足够的数据进行统计分析；但有限元研究作为尸体生物力学的替代，一定程度上减少了尸体生物力学设备以及标本限制所带来的不便，并且其在同一模型上可以模拟不同处理方法，在关节内应力的检测也具有一定的优势。

结论：单纯的内侧柱稳定手术并不能降低Ⅱ期成人获得性平足内侧柱的压力，它仅可以作为联合使用的手术来稳定过度活动的关节以及纠正前足旋后畸形。

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

文题释义：

平足内侧柱稳定手术：是指通过实施融合固定手术即融合舟楔关节或者跖楔关节，或者两者均融合来稳定足的第一跖列，恢复内侧纵弓的高度，纠正前足的旋前。

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