不同类型距下关节制动器治疗Ⅱa期成人获得性平足的生物力学比较

许 鉴，彭亮权，陆 伟，邓桢翰，李 皓，钟名金，欧阳侃，陈 康，李 瑛，王大平

扁平足是常见的足部畸形，主要表现为足内侧纵弓塌陷或消失[1-2]。Ⅱ期成人获得性平足（adult acquired flatfoot，AAF）指的是成人柔韧性畸形到僵硬性畸形的过渡时期，其中Ⅱa期主要表现为可复性的后足外翻，Ⅱb期在此基础上合并前足外展畸形[2]。对于Ⅱ期AAF的治疗，目前以保守方法为主，保守治疗无效可选择手术处理[3]。

距下关节制动手术的作用机制是在距下关节之间的跗骨管内放置距下关节制动器，改变距下关节的对位，从而达到纠正畸形的目的。现有的距下关节制动系统主要分为2类，Ⅰ型为单一形状稳定器，Ⅱ型为复合形状稳定器[4]；其中Ⅰ型又可细分为柱状（Ⅰa型）和锥状（Ⅰb型）。目前鲜有报道不同类型距下关节制动器生物力学效果的对比研究。本文旨在从生物力学角度比较Ⅰ型、Ⅱ型距下关节制动器在Ⅱa期AAF三维有限元模型的应用效果，为平足畸形的手术选择提供生物力学依据。

1 材料和方法

1.1 数据收集

数据采自1例Ⅱa期双侧AAF志愿者，男，32岁，身高175 cm，体重60 kg。X线检查证实踝部无骨折、肿瘤等骨质破坏，测量左侧负重位足弓高度、侧位第一跖骨距骨角、跟骨倾斜角、距舟覆盖角等参数。采用Philip/Brilhance 256排螺旋CT（飞利浦公司，荷兰）行中立位非负重足部扫描。扫描范围：足底至踝关节上方10 cm；扫描参数：管电压100 kV，管电流100 mA，层厚0.67 mm。获取二维CT图像454层，数据以DICOM格式保存。

1.2 骨骼及软组织三维模型的建立

利用Mimics软件（Materialise公司，比利时）对导入数据进行处理，设置适当的平滑系数，获得相应的骨三维模型及软组织模型（图1），并以STL格式导出。运用Geomagic Studio 13.0软件（Raindrop Geomagic公司，美国）进行平滑处理及曲面拟合（图2），然后进行骨骼和软组织的装配。

图1 Ⅱa期平足三维骨骼模型及软组织模型

图2 在Geomagic软件中进行骨骼和软组织的三维模型曲面拟合

1.3 韧带实体模型和肌腱肌肉模型的建立

参考每条韧带的解剖起止点，在Solidwork 2012软件（UGS公司，美国）中绘出通过韧带起止点的三维曲线，然后建立下胫腓前韧带、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骨间韧带的三维曲线模型（图3），每条韧带用1至5条线段表示，具体韧带属性参考前人的文献数据[5]。

基于Spratley等[5]的研究，Ⅱ期AAF患者负重时胫后肌腱对于足部的反作用力基本可以忽略，其余足部外在肌腱对抗体重所产生的反作用力与体重成一定比例（表1）。结合肌腱的具体解剖位置和走向，运用Solidwork软件，通过参考点建立实体曲线来代表相应的肌腱作用向量。具体方法是，在跟腱止点处沿小腿三头肌走向向上画出4条向量，用以模拟小腿三头肌的反作用力方向；在外在肌内侧间隙同样分别用4条和1条向量，模拟趾长屈肌腱和拇长屈肌腱的受力方向；而外侧间隙则分别用3条和4条向量模拟腓骨短肌腱和腓骨长肌腱的受力方向。

图3 在Solidwork软件中建立韧带实体模型

1.4 三维有限元模型的建立

在完成所有实体模型的建立和装配后，数据以STEP格式导入Abaqus有限元分析软件（SIMULIA公司，美国）进行网格划分，其中骨与软骨采用C3D8的8节点实体单元，韧带采用桁架Truss杆单元。为简化模型计算，我们仅保留胫腓骨下段至整个足部的模型。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，材料具体性能参数见表2[6]。由于韧带组织在Ⅱ期平足中有一定程度的弱化，因此模型中的韧带参数参考文献[5] 中的数据。

表1 足部外在肌对抗体重反作用力的百分比[5]

边界约束及力学加载设置：通过足底软组织的最低点建立相应平面以充当地面，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：在左侧患足胫骨表面施加500 N垂直于足底向下的压力（约为人体重量的5/6），同侧腓骨上表面施加100 N向下的压力（约为人体重量的1/6）；同时在小腿三头肌（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施加50%、10.5%、8.8%、10%和6%体重的肌腱收缩方向足部反作用力。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为绑定接触；而关节之间定义为无摩擦接触。

模型有效性验证：对比分析患者单足负重后足部正侧位X线片和三维模型同等体重力学加载后的相关参数（距骨第一跖骨角、跟骨倾斜角及距舟覆盖角），验证模型的有效性。

表2 骨和软组织软骨材料参数设置[6]

1.5 距下关节制动模型的建立

将植入螺钉的形状全部保留，仅去除相关螺纹以简化运算。在Solidwork软件中首先建立装配体模型，将距骨与跟骨按其相应坐标配合后生成距下关节，根据跗骨窦的大小选用合适型号，将Ⅰb型、Ⅱ型制动器植入物分别拖曳并旋转至跗骨窦放置（图4），通过Abaqus软件将制动器下表面和与其接触的骨质上表面设置为接触形式，然后模拟弹开，纠正跟骨外翻畸形，令制动器与距下关节各骨质恰好接触，模型无干涉，最后模拟负重加载，测量相关参数并进行力学分析。

2 结果

2.1 三维有限元模型的有效性

建立的Ⅱa期AAF三维有限元模型包含56条韧带、足部软组织及14个骨块。对模型进行单倍体重加载后观察足底的等效应力，应力最大值为111.5 kPa，出现于第一跖骨头下，与文献报道结果相似[5（]图5）；单足负重正侧位X线片和有限元模型测量的距骨第一跖骨角分别为8.2°、8.3°，跟骨倾斜角15.0°、14.4°，距舟覆盖角10.2°、11.7°，测量差值均在2°以内。提示本研究建立的三维有限元AAF模型准确有效。

图4 距下关节制动器植入跗骨窦示意图 4A，4BⅠb型制动器 4C，4D Ⅱ型制动器

2.2 Ⅰ、Ⅱ型距下关节制动器应用效果生物力学比较

2.2.1 足底应力分析 与单纯AAF负重模型比较，Ⅰb型、Ⅱ型距下关节制动器植入后AAF负重模型足底应力最大值均出现在第一跖骨头下方，分别为109.6和108.7 kPa（图6）。

图5 Ⅱa期平足三维有限元模型的有效性验证 5A单倍体重加载后应力分析图 5B文献[5] 应力分析图

2.2.2 足内外侧柱各骨块、足内侧韧带及软组织应力分析如表3所示，Ⅰ型制动器植入后足内侧柱骨块（距骨、舟骨、内侧楔骨、第一跖骨、跟骨）最大应力值均有所降低，Ⅱ型降低更明显；两类制动器植入后第五跖骨应力增加明显，而内侧支撑韧带及软组织最大应力值均有所下降。

2.2.3 测量角度及足弓高度变化 不同类型制动器植入后距骨第一跖骨角及距舟覆盖角均有所降低，跟骨倾斜角和足弓高度均有所恢复，但Ⅱ型效果更好，见表3。

图6 距下关节制动手术后Ⅱa期平足负重模型足底应力 6AⅠb型制动器植入后 6BⅡ型制动器植入后

3 讨论

3.1 AAF的病因、分期及治疗

AAF畸形在成人群体中十分常见，主要临床特点包括足内侧疼痛和内侧足弓塌陷，常伴有后足外翻和前足外展畸形。胫后肌腱功能不全是AAF发生和进展的主要原因，其他原因还包括中足松弛、后足外旋，跖跗关节复合体、距舟关节或跟骨损伤，以及神经肌肉疾病所导致的足部不平衡等。

有学者将AAF的演变过程分为4期[2]，最为常见的是Ⅱ期，主要表现为后足外翻畸形、内侧足弓塌陷和距骨内倾，甚至有前足外展和距舟关节脱位。按照畸形程度，Ⅱ期AAF可分为早期畸形和晚期畸形，其中Ⅱa期为早期畸形，主要表现为后足外翻以及轻到中度的足弓下陷；Ⅱb期则表现为足弓完全下陷，且中足在距舟关节处出现外翻。

Ⅱ期AAF患者的保守治疗目前以佩戴足部的矫形护具为主，其中足弓垫最为常用，不仅能够缓解疼痛，还可起到支撑足弓的作用，但对柔韧性平足畸形治疗效果欠佳[7]。距下关节制动手术是一种新型的外科治疗手段，借助制动器在跗骨窦内的阻挡，不仅可防止距骨外侧突与距跟后关节面接触，还可抬起距骨头，限制跟骨外翻，矫正距下关节半脱位和前足外旋，在纠正解剖力线的同时进一步降低软组织的压力，将内侧应力转移到外侧，从而实现患者足部压力的平衡[8-10]。诸多临床报道表明，该术式治疗AAF患者具有创伤小、未侵入骨质、畸形矫正效果好、术后恢复负重时间短、患者满意度高等特点[11-12]。

表3 Ⅱa期成人获得性平足三维有限元负重模型距下关节制动器植入前后生物力学比较

3.2 AAF三维有限元模型的建立

为更好地进行AAF的生物力学研究，近年来许多学者运用实验模型和计算机模型[5,13]。由于平足尸体标本的匮乏，人们通常采用松解或切断正常尸体足相应韧带和肌腱的方法来建立足模型，但这些实验模型无法精确反映活体平足实际的韧带功能及其弱化程度。为解决这一问题，Blackman等[14]将17 500次循坏加载载荷至正常尸体足，以此建立尸体平足模型，但与平足患者足部的受压过程仍有很大差别。其他缺陷还包括正常与平足尸体足之间在骨模型和构造上的差异，以及无法同时在一个实验模型上进行多种手术对比等。

近年来计算机三维有限元平足模型逐渐受到学者们的关注。Wong等[15]建立包含30个骨块、韧带肌腱及足底筋膜的三维有限元平足模型，但缺乏足背的软组织模型，以及对相关特殊韧带的设置，且未对平足进行分期。Wang等[13]建立的Ⅱ期平足三维有限元模型包含了趾骨和足背软组织；Spratley等[5]也建立了Ⅱ期平足的刚体模型，用以测量平足骨块的运动学参数。

本研究参照Spratley等[5]研究中对肌肉肌腱和韧带模型的设置，最终建立包含14个骨块、56条韧带、足部软组织（包含足背和足底）的Ⅱa期AAF模型，同时按照负重过程中外在肌肉的作用，提供了相应的反作用力。尤为重要的是，对弹簧韧带、三角韧带、跖筋膜、跖长韧带及跖短韧带等影响足弓的因素进行了属性弱化，从而使有限元模型更接近真实的平足模型。对该模型单倍体重加载后足底的等效应力进行分析，发现其应力峰值出现于第一跖骨头下，最大值为111.5 KPa，与文献报道结果相类似；进一步与X线片测量结果比较，距骨第一跖骨角、跟骨倾斜角及距舟覆盖角的差异均在2°以内，证实该有限元模型准确有效。

3.3 不同类型距下关节制动器在AAF模型中的生物力学比较

根据植入物形态、放置位置及作用机制，距下关节制动器可分为Ⅰa型、Ⅰb型和Ⅱ型。Ⅰ型制动器的作用机理主要是阻挡距骨的过度活动，Ⅱ型既有阻挡作用，又能抬高距下关节运动轴，保证距骨沿距骨中心运动。无论是何种类型，制动器植入后都能防止距下关节的过度跖屈内收，并可限制负重时的跟骨外翻畸形。但制动手术不适用于严重的前足外展畸形，以及分期高于Ⅱb期的AAF[4]。因此我们仅在Ⅱa期平足模型上实施距下关节制动手术。

目前关于距下关节制动对机体生物力学影响的研究相对缺乏。Arangio等[16]在尸体标本平足模型上模拟植入6 mm×20 mm大小的圆柱形距下关节制动器，发现制动器植入后可有效降低柔韧性平足畸形足弓内侧的压力。随后有学者针对距下关节制动器开展了一系列尸体生物力学实验，证实Hyprocure距下关节制动器植入后可有效降低足弓内侧压力、足底应力峰值[17]，以及足底筋膜[18]、胫后肌腱[19]和胫神经[20]的压力。本研究对比分析不同类型距下关节制动器对Ⅱa期AAF三维有限元模型的作用效果，结果表明，不论是Ⅰb型还是Ⅱ型植入物，均能降低足底及内侧柱各骨块应力，将内侧应力转移至外侧并稳定足弓；其中Ⅱ型制动器矫正效果更为理想。

该实验尚存在以下不足，仅对1例患者进行三维有限元建模分析，未对实验数据进行统计对比；计算机仿真亦不能完全模拟尸体以及活体的生物力学研究，这些不足将在今后的工作中予以弥补和完善。