2.1   数字化技术在踇外翻中研究现状   2.1.1   足踝部三维模型的建立和模型有效性验证   通过计算机软件将患者的CT、MRI等影像数据进行三维重建在临床中早已普遍应用，建立三维模型可以使术者在术前对踇外翻形成一个直观的立体的概念，准确把握畸形的严重程度和患足的全面情况，在此基础上做出准确判断。三维模型不仅可以模拟传统生物力学无法实现的工况，且所建立的模型可以反复模拟使用。应用多排螺旋CT扫描踇外翻患者足部负重薄层CT影像[12]，将扫描后获取的足部负重CT影像以DICOM数据格式导入Materialise Mimics软件中，由于放射仪器条件的限制，目前国内负重CT影像多是利用模拟负重扫描支架辅助下所获取的。在Mimics软件中，根据不同组织的灰度值进行阈值分割、编辑、生成蒙版获得各部位骨、软骨以及周围软组织的3D模型；然后分别导入SolidWorks、HyperMesh等软件中，生成模型并重建装配体、建立韧带模型，通过一系列算法对模型中不同结构进行网格划分、赋值等处理；再利用限元分析软件ABAQUS对所处理的模型进一步分析。在ABAQUS中模拟各部位间的接触面和足底作用力、设定摩擦系数、完善载荷约束条件等一系列操作，选择相应的边界条件进行加载分析[13]。构建足踝部有限元仿真模型的所需时间较长，且操作者需具备一定的软件操作能力，然而，所构建的有限元模型是否与真实足部生物力学情况相似需进一步验证。 利用计算机辅助设计软件建立的三维有限元仿真模型都需经过生物参数有效性的验证[13]。准确的有限元模型对模拟结果至关重要，在临床研究中多采用专业生物力学测量系统进行对比分析[4，13]。使用足底压力测量系统(如Footscan，RSscan，比利时)来获取同一受试者的足底压力数据，将有限元软件计算结果与受试者的实际足底压力数据进行比较，该方法被广泛应用于有限元模型的验证。WONG等[14]、金立夫等[15]通过Footscan足底压力测试系统进行同一受试者正常足与有限元模型在软件中模拟的足底压力进行对比，结果显示各跖骨头区力学趋势大致相同，由此证明三维有限元模型是有效的。通过计算机软件所构建的有限元模型与真实足踝部生物力学具有高度相似性，且模型可以反复研究使用，为足踝部生物力学研究提供了一个数字化平台。   2.1.2   有限元分析及踇外翻生物力学研究   有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，还利用简单而又相互作用的元素即单元，用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解[16]。由于能在不同实验条件下模拟生理状态，近年有限元逐渐应用于关节、足踝等领域疾病机制、治疗方式的探讨。足踝部疾病的病程进展机制复杂多样，由于尸体标本失去了正常的组织活性，其韧带和其他软组织的状况不同于活体组织，尸体解剖研究无法基于足踝部正常生理状态[17]。因此，传统解剖学及生物力学方法所研究获得的实验成果无法揭示不同工况下足踝部各组织结构的内部应力传递机制[13]，而有限元方法在足踝外科领域的应用为解决这一问题提供了有效的方法。由于有限元模型具有正常足部的生物力学性质，可行静态、准静态及动态分析[13]，且可反复模拟使用，弥补了传统生物力学及解剖学研究的不足，为足踝部不同力学情况下的基础研究提供参考及证据，也为足踝部疾病特别是踇外翻、扁平足、高弓足等足踝畸形的生物力学研究提供了新思路。 利用计算机软件建立足踝部有限元模型，在此基础上可根据不同的需要行有限元应力分析。通过软件生成不同工况下足底的力学分析云图，分析显示第一跖列的稳定性对于维持足的结构完整性至关重要[18-19]。通常第一跖列的过度活动与踇外翻的发生发展密切相关，研究第一跖列的载荷传递机制对于了解踇外翻的发展和致病机制很重要。WONG等[14]通过在计算机软件中连续的准静态步骤中施加地面反作用力和胫骨倾斜度来模拟行走步态阶段，以研究过度运动对第一跖列负荷转移的即时影响；研究发现第一跖列过度运动会增加跖楔关节和跖趾关节负荷，增加关节问题发生的风险，跖楔关节负荷在跖骨中外侧方向上的突然变化也进一步证实第一跖骨发生内翻的风险，第一跖列的过度活动对踇外翻畸形的这种作用会一定程度上影响其手术的处理[20]。有限元法能够立体直观地展示机体内在结构的应力变化，通过改变设置的生物材料参数模拟不同实验工况，能对不同载荷、材料和机构复杂的对象进行应力、应变分析，相对于传统研究方式有着绝对的优势。有限元法在踇外翻发病机制研究中通过建立与真实足部类似的踇外翻有限元模型，模拟患者不同实验条件下足部内在生物力学变化，探究踇外翻在疾病进展过程中不同时期机体内在结构的变化及发生机制，从而为研究其足部病理形态和生理功能的变化提供可靠的实验依据。 2.1.3   数字化技术在踇外翻术前规划中的应用   在常规的踇外翻诊疗过程中，手术方式的选择及手术矫形力度的参考标准主要依靠患者术前的X射线片。踇外翻角、第1-2跖骨间角及跖骨远端关节面夹角等是评判踇外翻畸形严重程度的重要参考依据，同时也是评价踇外翻治疗效果的重要指标[21-22]。因此精确地测量踇外翻相关衡量指标对于指导踇外翻的手术方式的选择和评估手术疗效至关重要。目前，针对踇外翻指标的测量多是依赖于传统X射线片的观察，而X射线片由于摄片时球管投照距离、投照角度以及主观测量的差异使所获得的相关指标误差较大[23-25]。而伴随数字化技术在足踝外科领域中的应用，利用足部负重CT影像导入Mimics软件中行足部各骨块的三维重建，重建足部负重位3D骨骼模型，在模型中提取相应骨块，利用软件自动分析计算生成第1-2跖骨和踇趾近节趾骨的轴线，在3-matic软件中保留所需骨块及轴线并进行正侧位二维平面草图投影，可精确测量踇外翻相关指标，特别是针对于传统X射线片上由于骨块间重叠造成的测量困难和数据差异，数字化技术有着明显的优势。对于这种测量方式的准确性及可靠性，张鹏等[26-27]利用计算机辅助软件测量踇外翻畸形相关指标，并与常规X射线测量法比较，证实利用软件测量方法可对踇外翻相关指标精确测量，其可靠性、重复性好。由于计算机软件中可对模型进行骨块分割、透明化及平面投影等一系列传统测量无法实现的操作，可以完全避免足部骨块多且不规则造成的影响。 准确的术前评估对踇外翻手术规划是必不可少的，评估过程中失去准确性会导致术式选择不当和手术操作出现偏差。通过术前对手术操作的三维重建和术前模拟，能够对足踝外科医师手术过程产生一定指导作用[28-30]。在行踇外翻术式时，骨性手术和软组织平衡的手术是两个重要的组成部分，术者需充分考虑两者对于踇外翻畸形的影响机制。踇外翻的截骨操作中，对于一些相对复杂的截骨术式，例如Scarf截骨术，由于其截骨线呈“Z”形，截骨线较多，且截骨方向是在三维平面上进行，截骨后对畸形的矫形力度较大；但是，也正因其截骨线空间构型复杂，截骨角度的设计调整难以量化，术者的操作难度和矫形效果的不确定性也更大[10，31]。考虑到截骨角度与方向对于第1跖骨的长度、高度及稳定性的影响，孙卫东等[32]利用足部有限元模型模拟踇外翻不同截骨角度对于跖骨颈部截骨术截骨端稳定影响的7种工况，测定不同工况下截骨端的应力及位移，研究表明在行跖骨颈部截骨术时，其矢状面上截骨的方向需从第1跖骨远端背侧到近端跖侧时截骨端才能维持稳定，并且通过有限元分析证实在第一跖骨截骨线与第一跖骨轴线夹角为60°时截骨端稳定性最佳。而由于不同踇外翻患者的畸形程度及软组织对于截骨端影响的情况不同，应当根据不同患者的具体情况进行准确地术前规划，以获得更好的稳定性及适宜的足底压力。GENG等[8]通过建立踇外翻患者足部有限元模型研究第1跖骨短缩程度与足底负重区域压力分布之间的关系，通过建模及模型验证，利用软件进行标准化的跖骨截骨短缩，消除混淆因素，以2 mm的增量确定缩短的长度，并观察足底压力分布的变化；研究发现当缩短第1跖骨时，第一跖列的足底压力随着缩短长度的增加而逐渐减小；而中央及外侧跖列的足底压力增加，术后转移性跖骨痛的风险显著增加；但如果将第一跖骨的远端进一步下压3 mm，则其足底压力分布可得到显著恢复。从生物力学的角度来看，如果在手术过程中需要较大程度地缩短第一跖骨，例如第一跖骨过长所导致的踇僵硬，其最大缩短长度为6 mm被认为是在安全范围内，此时可通过适当地下推截骨远端骨块来弥补其负重功能的丢失[8]。MATZAROGLOU等[33]利用有限元法分析法对改良90°Chevron截骨术和经典60°截骨角度进行对比研究，有限元分析表明，改良90°截骨术在压缩应力、剪切应力上较经典60°截骨术具有一定机械优势，临床结果也验证了这一优势。利用计算机软件辅助技术，不仅能够对踇外翻进行术前规划，模拟截骨手术，而且可以对所模拟的手术进行术后矫形效果的评估，为术式的选择及规划提供切实可行的帮助[34]。 同样，在行踇外翻手术时不能只侧重于截骨手术的操作，软组织的平衡对于踇外翻矫形效果的影响也至关重要[35]。通过软组织的松解与紧缩，不仅能够对踇外翻畸形进行显著矫正，也可避免术后畸形的复发。通过有限元模型模拟截骨端周围软组织(足内在肌、肌腱和关节韧带)存在时的工况，截骨端软组织能一定程度上减少截骨端移位，增加截骨端应力，有利于截骨端稳定，促进截骨端骨性愈合，这表明软组织的平衡手术作为踇外翻手术的组成部分对手术疗效和预后的重要性[36]。除此之外，截骨术中及术后不同的固定方式对于踇外翻术后骨性愈合也具有一定影响，由于在体内难以测定截骨端的生物力学效应，足部三维模型及内固定物的仿真模拟可为其进一步研究提供可行性[4，34，37]。 随着现代医学的迅速发展，数字化技术在踇外翻领域的研究不断深入，对于踇外翻的发病机制、手术治疗及预后情况的研究也日趋全面及个性化，通过数字化技术模拟矫形过程，评估矫形效果，可为踇外翻的治疗提供更加精准的生物力学依据，为手术方式的选择提供有力证据，缩短了外科医生对各种复杂术式的学习曲线，有利于实现对患者个体化、精确化的手术治疗，同时也为手术技术不断改进提供了新思路、新方法，推动手术技术日臻完善。 2.1.4   3D打印与截骨导航模板在踇外翻中的应用   3D打印技术是一种新型快速逆向成型制造技术，具有成型快、精度高、耗材少等特点，适合具有复杂精细结构物体的定制化生产[38]。随着三维重建及可视化技术的不断成熟，以及3D导航技术在临床中的应用领域日趋广泛，3D打印技术在足踝部矫形的个性化术前规划、手术模拟以及矫形效果评估等方面逐渐起到难以替代的作用。3D打印截骨导板是根据不同手术方式需要而采用计算机辅助设计、3D打印制备的一种个性化手术器械[39]，将计算机数字化软件中根据踇外翻患者术前规划设计完成的三维导板数据转换成3D打印机可识别的文件格式，根据手术需求选择合适的3D打印材料，调整参数，完成手术导板的实体制备，再通过术前消毒，用于术中指导手术操作。 在踇外翻手术过程中，利用截骨导航模板在第一跖骨上准确定位截骨线的位置，通过截骨导航槽来确定在三维平面上的截骨角度，能够避免截骨角度偏差所导致的截断后骨块推移困难，避免术者截骨操作过程中手部及锯片晃动使骨量丢失过多，造成跖骨短缩。另外，利用截骨导板精确操作，可以减少截骨部位软组织的剥离，减少创伤和出血，利用截骨导板能有效降低截骨操作的难度，规避手术操作失误及其造成的难以挽救的严重后果。作者检索国内相关文献发现，目前关于3D截骨导航模板在踇外翻手术治疗中的应用国内鲜有报道，而随着数字化技术在足踝领域的发展，对于截骨导航模板在踇外翻领域的应用未来将会愈加广泛。张元智等[40]为11例(16足)拟行改良Reverdin截骨术治疗的踇外翻患者设计截骨导板，3D打印模板实体，手术时将制备的截骨模板与第一跖骨头贴合，沿截骨导板进行截骨；术后观察患足的踇外翻角度改善明显，截骨处骨愈合良好，负重无疼痛。证实利用三维重建、3D打印技术可为Reverdin截骨术治疗踇外翻畸形的术前规划、术中辅助提供数字化手段，有效提高截骨精确度，并且其认为这种方式同样可推广应用于其他踇外翻术式中。类似地，DAVIES等[31]在一项踇外翻3D打印技术辅助截骨组与传统截骨组的临床疗效对比研究中发现，计算机辅助截骨组采用计算机软件术前仔细规划、采取最佳截骨角度的手术方案，利用3D打印技术获得3D打印截骨模型，消毒后应用于术中指导，术后第1-2跖骨间角较传统截骨组改善明显，足踝部美国足踝外科协会评分升高，证实3D打印技术制定的个体化截骨方案治疗踇外翻纠正精度更高，可有效改善术后足部负重行走功能，降低术后并发症的发生率，具有传统截骨方式不具有的精准化优势。 2.2   数字化技术研究的不足   数字化技术弥补了传统尸体解剖无法研究正常足部生理状态的不足，能模拟足部疾病发展过程中机体内在结构的变化，然而数字化技术在长期应用中也被证实存在诸多不足。足部解剖构型复杂，在重建足部三维模型时想要尽可能类似于正常生理状态，就需要考虑到肌腱、韧带、血管等软组织的分割重建，由于软件中尚不能自动分割重建不同组织，需依赖具备解剖基础的医生人为操作，其工作量大、耗时长，同时也需要具备一定的软件操作能力，这使数字化技术的应用受到一定限制。临床上为了方便研究，针对足部的有限元研究所建立的三维模型多是根据研究目的建立的精简化模型，不同模型的差异性较大，与模拟真实的足部生物力学数据存在一定误差[4]。在建立踇外翻有限元模型的过程中，足部各组织的生物材料参数赋值对于三维有限元模型的建立至关重要，而目前足部模型所使用的生物材料参数多数源于国外文献，国内目前还没有统一标准，缺乏规范的有限元数据库，国内与国外有限元材料参数差异性所带来的影响有待进一步研究验证[41]。由于中国人与西方国家的足部存在差异，会影响有限元模型的准确性；另外，行足部CT影像检查辐射较大，费用较高。足负重位角度测量能真实反映患者踇外翻的程度，在足部处于负重状态下前足散开增宽以吸收振荡，此时韧带的牵拉、足内在肌的作用及籽骨的移位进一步加重踇趾外翻及跖趾骨旋转畸形，因此负重位测量对于踇外翻诊断、手术治疗方案的选择及术后疗效观察至关重要[42]。但由于目前国内放射仪器条件的限制，负重CT影像多是利用模拟负重扫描支架辅助下所获取的，考虑到腿部肌肉(小腿三头肌)、足踝部韧带等软组织在负重状态下对足部的力学影响，获取的CT影像与真实负重数据存在一定差异。此外，由于跖骨骨块较短，截骨线较短，截骨操作空间小，给截骨导板的设计和制备带来了一定的难度。"