2.1  模型验证结果  通过对比力板实际所测得的足部压力数据与足部有限元模拟获得的足底压力/压强数据，发现两者的静态测试应力图中压力集中部位大体一致，同时发现两者在跖骨头部位的压力数值较为接近，见表2。

2.2  第一跖骨截骨端应力  平衡站立工况，足底骨骼的应力主要集中在足跟区和第1、2、4跖骨头区域较为集中，第5跖骨头下压强最小，其次是第3跖骨头下，见图6。截骨端应力最大区域位于截骨面的背外侧(B₂)，为0.632 MPa；最小应力位于跖内侧(D₁)，为0.04 MPa，见表3。

截骨面的主应力在Z轴上，数值为负值，方向与Z轴相反，提示为压应力，总应力与主应力相同，X轴和Y轴方向的应力较小；剪切力在坐标系的YZ平面和XZ平面上均较小，XY平面较大，最大应力在近端截骨面的背内侧(A₂)，为0.058 MPa，见图7。

2.3  第一跖骨截骨端位移  平衡站立工况下，截骨端位移主要位于X轴上，数值为负值，方向与X轴相反；Y和Z轴位移均较小，表明截骨端向外侧发生位移，见表4。

截骨远端总位移发生在截骨面跖内侧(D₁)，为   1.007 mm；截骨近端总位移发生在截骨面背内侧(A₂)，为0.767 mm，见图8。

微创治疗拇外翻使用特制削磨钻在第一跖骨远端截骨，无需内固定，仅采用“8”字绷带外固定，患者术后可下地行走，单纯依靠绷带固定截骨端是否稳定、是否影响截骨愈合一直存在争议^[1-2]。为进一步研究微创治疗拇外翻术后“8”字绷带外固定对截骨端稳定性的影响，实验通过建立有限元模型模拟微创治疗拇外翻术后“8”绷带外固定平衡站立工况，对截骨端的应力和位移进行计算分析，为微创治疗拇外翻截骨端维持稳定愈合提供科学的解释。

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  生物力学实验。

1.2  时间及地点  实验于2018-08-15在中国中医科学院望京医院受试者接待室完成。

1.3  材料 

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20190037号，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 201902024，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橡皮膏条备用。

设备及软件：德国SIEMENS公司64排螺旋CT(型号SOMATOM Definition Edge)；Footscan平板足底压力测试系统(RSscan公司，比利时)；通用可视化数据库Visualization Toolkit6.0(VTK6.0，Kitware公司，美国)自动化逆向工程软件Geomagic Studio 12.0(Raindrop Geomagic 公司，美国)；ANSYS14.0(ANSYS软件公司，美国)。

1.4  方法

1.4.1  微创治疗拇外翻术式及外固定方法  微创治疗拇外翻术式主要包括以下5个步骤：关节囊松解、骨赘磨除、骨赘处理、跖骨截骨、手法矫正，见图1。

绷带外固定主要包括以下3个步骤：①分趾垫的制作与放置：将4列绷带卷成直径约2 cm的绷带卷，将其折弯，一端放在第1、2趾蹼间，另一端斜行放在第1跖骨截骨远端背侧；②“8”字绷带包扎：绷带从第一跖趾关节内侧开始，环绕前足包扎3圈，经足背侧绕过踝关节外侧，经内踝、足背至第1、2趾蹼间绕过拇趾，自足底经足背至踝关节外侧形成“8”字缠绕，循环包扎3圈；③医用橡皮膏固定：使用26 cm×1.5 cm医用橡皮膏经足背内侧向趾蹼间行半“8”字环形包扎，保持拇趾轻度内翻位固定；使用20 cm× 8 cm医用橡皮膏经足背外侧向内侧至足底行“U”形包扎，见图1。

1.4.2  微创治疗拇外翻术后“8”字绷带外固定有限元模型的建立  招募一位35岁女性拇外翻志愿者，身高165 cm，体质量50 kg，患者右足拇外翻角为22°，第1、2跖骨间角为12°，近端关节固定角为5°，远端关节固定角为6°。志愿者足部无其他畸形，无手术和外伤史。研究方案得到中国中医科学院望京医院伦理委员会审核批准，批准号2013-03-21。

数据采集：采用LightSpeed64排螺旋CT机对对志愿者右足进行无间隙扫描，从足尖至足跟，层厚0.625 mm，获得足部CT图像。扫描时志愿者踝关节处于中立位，要求非负重，双足与水平面呈90°角，足底垫以坚硬平板。注意做好志愿者辐射防护。扫描图像以医学数字成像通信标准(Digital Imaging and Communications in Medicine DICOM)格式输出并存储。

三维重建：基于可视化数据库VTK6.0，读取DICOM文件的程序，设置色度值，通过图像自动分割和人工修改，获得足部骨骼的3D渲染模型。把得到的骨骼及软组织点云文件分别导入Geomagic Studio12.0软件中，进行曲面重构，拟合四边面，还原软组织和骨骼三维模型，通过布尔运算生成软骨并连接各关节，初步构建拇外翻有限元模型。

材料属性定义：足部骨骼三维模型导入有限元软件Ansys14.0，然后对三维实体模型进行网格划分，韧带和跖腱膜定义为只受拉不受压的弹簧单元^[4-5]，矢向微动关节(跗骨间关节、跗跖关节)用弹性软骨融合^[6]，矢向跖趾关节和趾骨间关节用非线性超弹性软骨连接^[7]，皮质骨、松质骨、跟骨骨髓窦区、跖骨骨髓腔区、脂肪垫等设为各向同性弹性材料，骨组织、外部软组织囊、关节软骨组织及韧带的单元和材料特性通过查阅文献得到^[8-14]，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^[15]，见表1。

手术模拟：采用CATIA V5软件在建立的拇外翻有限元模型上模拟微创截骨手法整复术，对其相应骨骼进行旋转、移动及截骨，实现行走时足骨各骨骼的姿态和手术截骨模拟，最终得到微创治疗拇外翻术后“8”字绷带外固定有限元模型，见图2。

1.4.3  模型的可靠性验证  通过比利时RSscan公司生产的Footscan平板式足底压力测试系统，让志愿者自然站立于测力板上，两脚分开与肩同宽，抬头挺胸，目视前方，身体保持与地面垂直，伺其站稳无重心摇摆时，记录足底压力数据，连续做3次。将力板实际所测得的足部压力数据与足部有限元模拟获得的足底压力/压强数据进行对比分析，对建立的有限元模型进行可靠性验证。

1.4.4  模拟“8”字绷带外固定分区  在已建好的微创治疗拇外翻术后“8”字绷带外固定有限元模型上对截骨远端周围皮肤进行区域划分，分别为：①第1跖骨头跖侧；②第1跖骨头背侧；③第1跖骨头内侧；④趾蹼正中；⑤趾蹼侧方，见图3。

1.4.5  模型约束与加载  模拟体质量为50 kg的受试者平衡站立。定义足底与地面之间、支撑结构上表面和足底表面为接触关系，摩擦系数为0.6^[16]，约束地面6个方向的自由度，在距骨上端面以250 N的力垂直向下加载。平衡站立时跟腱作用在跟骨上的力大约为单足承受载荷的50% ^[14，17-18]，故跟腱附着点上施加垂直向上的125 N的拉力，忽略其它内外肌肉的肌力。

利用ANSYS14.0的Load模块，采用机械载荷方式对各区域施加压力载荷。各加载区域压力载荷实测压力值：①第1跖骨头跖侧0.063 8 MPa；②第1跖骨头背侧   0.055 8 MPa；③第1跖骨头内侧0.032 2 MPa；④趾蹼正中0.072 MPa；⑤趾蹼侧方0.046 2 MPa。分趾垫直径8 mm，弹性模量2 MPa，将第一跖骨截骨近端设为固定端，截骨远端为自由端，截骨断端间设为肉芽组织填充，断端摩擦系数设为0.66^[11]，见图4。

1.4.6  坐标轴确定及相关指标定义  以第一跖骨截骨面的中心点建立坐标系，即X轴、Y轴和Z轴，3条坐标轴两两垂直。X轴平行于足水平面，指向足内侧；Y轴垂直于足水平面，指向上方；Z轴平行于足水平面，指向前方。远端截骨面4个节点内上为A₁，外上为B₁，外下为C₁，内下为D₁，近端截骨面对应4个节点分别为A₂、B₂、C₂、D₂，见图5。位移与数轴方向一致时为正值，相反时为负值。

1.5  主要观察指标  观察微创治疗拇外翻术后“8”字绷带外固定有限元模型平衡站立工况加载后截骨面各个节点的应力和X、Y、Z轴的位移。

1.6  统计学分析  使用ANSYS14.0软件进行求解，并对结果进行后处理，输出截骨端的应力、位移云图及应力、位移最大值，分析截骨端在不同的方向、节点的应力位移与截骨端稳定性的关系。

3.1  有限元模型构建的可靠性  有限元模型作为一种数字模型，依靠计算机进行量化研究，运算结果的准确性受多方面因素的影响，因此有限元模型的验证成为整个建模和分析过程中最为重要的环节。生物力学的验证方式主要分为尸体实验和活体实验2类，而通过模型加载结果同准静态加载后的足底压力测试进行比较是目前应用较为广泛的一种验证方式^[19-20]。实验通过对比力板实际所测得的足部压力与有限元模拟获得的足底压力/压强数据对比，发现两者在足底压力数值接近，证明了有限元模型的可靠性。

3.2  微创治疗拇外翻术后“8”字绷带外固定与截骨端应力关系  有限元分析显示截骨端最大应力在截骨面的背外侧(B₂)，为0.632 MPa；最小应力在跖内侧(D₁)，为0.04 MPa。微创治疗拇外翻截骨线位于第一跖骨头颈部，相对于跖骨干和基底部，截骨远端到截骨线距离较小，力臂短，截骨面较粗糙，更有利于增加其稳定性。截骨端无需内固定，术后仅用“8”字绷带外固定，目的在于维持截骨端稳定，保持术后手法整复后状态。微创治疗拇外翻术后截骨端应力主要与“8”字绷带弹性固定、软组织的牵拉及断端的摩擦力有关。

“8”字绷带外固定通过环行包扎的绷带为截骨端提供持续稳定的弹性固定力。平衡站立工况，肌肉收缩横截面积增加，绷带外固定发生弹性形变、蓄积弹性势能，截骨面应力增加，对截骨远端外侧提供了持续向内、向下的推挤力^[14]，增加了截骨端背外侧的应力，说明微创治疗拇外翻在没有内固定的情况下，依靠弹性固定任然可以保证截骨端稳定，预防站立状态下截骨端发生背侧位移，促进断端愈合，与国内外学者的研究相符^[21-22]。

线性斜面截骨增加了截骨端应力面积，摩擦力增大，充分保证截骨端在负重状态的。在矢状面上截骨线从远端背侧向近端跖侧倾斜5°-15°，手法整复使截骨远端截骨面向跖侧位移，增加了截骨端背外侧应力，避免截骨远端向背侧移位；冠状面上截骨线是从远端内侧向近端外侧适当倾斜，使截骨端内侧应力减小，避免截骨远端向内侧倾斜，恢复第1跖骨头下应力，减轻外侧跖骨头下应力，预防术后出现转移性跖痛症。

临床学者发现微创术式在单纯依靠绷带外固定维持截骨状态的情况下，其术后截骨端愈合情况及并发症发生率与依靠内固定术式相符^[23-24]，能够保证骨折愈合所需要的环境。有限元研究发现平衡站立工况下，截骨端背外侧应力大，跖侧应力小，恢复了第1跖骨头下应力，保持截骨端保持术后手法整复后状态；证明“8”字绷带外固定可以为截骨端提供稳定的应力，保证截骨端背外侧最大受力，给截骨端外侧提供了一个持续的向内推挤力，能够有效对抗内收肌的阻力，维持截骨端术后整复状态，预防拇外翻的复发，促进截骨断端愈合。

平衡站立工况下足弓会发生生理性下移，同时分趾垫能够约束截骨远端保持跖屈状态，增加了截骨面在纵轴截骨面应力。有限元分析显示主应力在Z轴上，方向与Z轴相反，属于压应力。微创治疗拇外翻术后拇屈、伸肌腱恢复到正常位置，将拇伸、屈肌腱的弓弦病理作用变为对第1跖骨的水平向后的挤压，肌肉收缩为截骨端提供轴向挤压力；“8”字绷带外固定从足背内侧通过第1、2趾蹼，绕过足跖内侧作“8”字形，给与截骨远端平行足水平向后的力，与第1跖骨轴向平行，即第1跖骨主要承受压应力；因此，“8”字绷带外固定能够维持截骨端的稳定性，使截骨端达到相对稳定状态，有利于截骨断端愈合^[18] 。

平衡站立工况下，截骨端YZ和XZ平面上的剪切力均小于XY平面。微创治疗拇外翻术后采用“8”字绷带外固定，在矢状面上截骨线从远端背侧到近端跖侧，剪切力在XY平面上背内侧(A₂)点最大，为0.058 MPa，远远小于作用于截骨面的背外侧(B₂)压应力，为0.632 MPa，证明“8”字绷带外固定能够有效维持截骨端的稳定，防止截骨端发生成角移位，限制截骨远端向背侧移位或向内侧成角的趋势，绷带固定属于弹性固定，截骨端存在微动，有效诱导骨折断端的修复，促进患者术后功能恢复^[25]。

3.3  微创治疗拇外翻术后“8”字绷带外固定与截骨端位移关系  微创治疗拇外翻术后手法整复使截骨远端截骨面向内侧位移，纠正拇外翻畸形。平衡站立工况下，第1跖骨截骨端主要位移在X轴上，方向与X轴相反，截骨端向外侧发生位移，有效防止术后截骨远端向内侧发生位移，影响矫正效果。双足负重状态下，前足横弓承重增加，同时拇收肌的力量大于拇展肌，出现截骨端向外侧轻微位移倾向，弹性固定允许骨折端端存在微动，目前认为骨折断端微动在0.5-2 mm之间，骨折部位强度增加速度和骨化速度明显高，反之容易引起骨折延迟愈合^[26-27]。“8”字绷带外固定分趾垫起到杠杆作用，使踇趾保持向内侧的趋势，维持手法整复后拇趾的中立位置，防止截骨端过度向外侧位移，预防拇内翻的发生。

微创治疗拇外翻术后手法整复使截骨远端截骨面向跖侧位移，代偿因跖骨短缩引起的内侧纵弓前臂高度的损失，防止跖骨头向背侧位移，恢复前足力学平衡，预防术后转移性跖痛症的发生。截骨端位移Y轴最小，垂直位移明显减少，与“8”字绷带外固定背侧分趾垫及绷带包扎方法有关，有效对抗了负重后截骨远端的垂直应力，维持截骨端的相对稳定，防止由于负重引起截骨近端向背侧位移而导致第1跖骨头下压力减小，外侧跖骨头下压力增加，最终增加转移性跖痛症的发生风险^[28]。因此，拇外翻术后“8”字绷带外固定能够有效维持截骨端稳定，促进骨折愈合。

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

文题释义：

微创治疗拇外翻：根据小夹板纸压垫固定原理，采用1、2趾蹼间夹垫，“8”字绷带和宽胶布作外固定的方法，术后允许患者适当下地活动，进行拇趾关节、踝关节锻炼，避免了患者长期卧床及“石膏病”的发生。经临床应用获得了患者的肯定，总优良率为98.5%。

有限元分析法：有即化整为零、集零为整，通过将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个单元，且按一定方式相互联结在一起的单元组合体，由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可有不同形状，因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域，然后对单元进行力学分析，最后再整体分析。

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实验构建微创治疗拇外翻术后有限元模型，并完成了模型的有效性验证。以第一跖骨截骨面为中心，建立3条两两垂直的坐标轴(X轴、Y轴、Z轴)。X、Z轴平行于足水平面，分别指向足内侧、前方；Y轴垂直于足水平面，指向上方，模拟平衡站立工况截骨端的应力与位移，证明了微创治疗拇外翻术后“8”字绷带外固定能够充分保持截骨端的稳定性，为微创治疗拇外翻提供了充分的科学依据与数据支持。

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