李建國 高春雨△ 高景華△ 王寶劍 李路廣 馮敏山，2 孫武 葉宜穎

外側(cè)踝關(guān)節(jié)扭傷(Lateral Ankle Sprain，LAS)是人體在運動過程中最常見的下肢肌肉骨骼損傷類型[1]，急性期主要表現(xiàn)為踝關(guān)節(jié)外側(cè)疼痛、腫脹、關(guān)節(jié)活動受限，嚴(yán)重時可出現(xiàn)無法負(fù)重行走[2]。若就診不及時或治療方法不當(dāng)，后期容易發(fā)生習(xí)慣性踝關(guān)節(jié)扭傷、慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)等后遺癥[3-4]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)為LAS的損傷機(jī)制多與解剖因素、受傷姿勢等有關(guān)[5-6]，中醫(yī)骨傷科則認(rèn)為LAS的發(fā)病機(jī)制可用“骨錯縫、筋出槽”來解釋[7]。然而“骨錯縫、筋出槽”的病理狀態(tài)如何被客觀地體現(xiàn)出來是需要解決的問題。目前，關(guān)于“骨錯縫、筋出槽”的病理狀態(tài)研究大多局限于X線、CT等影像學(xué)技術(shù)，且研究以脊柱領(lǐng)域為主[8-9]。三維有限元法作為一項廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)，在骨科生物力學(xué)分析方面具有費用低、可重復(fù)性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢[10]。本研究通過建立踝關(guān)節(jié)有限元模型，從踝關(guān)節(jié)面受力及韌帶的應(yīng)力分布角度分析LAS后“骨錯縫、筋出槽”的病理狀態(tài)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

2018年10月于本院骨科急診收集急性右側(cè)外踝關(guān)節(jié)扭傷男性受試者1名，年齡26歲，身高170 cm，體質(zhì)量63 kg。向患者告知試驗方案并簽署知情同意書，且通過望京醫(yī)院倫理道德委員會批準(zhǔn)。

1.2 診斷標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)中華人民共和國中醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中醫(yī)病證診斷療效標(biāo)準(zhǔn)》(1994年)制定：1)有明確的踝部外傷史；2)扭傷后踝關(guān)節(jié)外側(cè)即出現(xiàn)疼痛，局部腫脹，皮下瘀斑，伴跛行；3)局部壓痛明顯，將足作內(nèi)翻動作時，外踝前下方劇痛；4)關(guān)節(jié)活動受限；5)X線攝片檢查未見骨折、脫位。

1.3 方法

1.3.1數(shù)據(jù)采集 采用本院放射科64排螺旋CT機(jī)(德國西門子公司)，掃描層厚1.25 mm，層間距0.75 mm，對患者的右下肢自脛骨中下1/3遠(yuǎn)端部分進(jìn)行掃描。掃描后的圖像以DICOM格式儲存并導(dǎo)出至Mimics 10.0軟件。

1.3.2踝關(guān)節(jié)有限元模型的建立 基于Mimics 10.0軟件對CT掃描圖片進(jìn)行矢量化處理，形成各斷層圖像的邊界輪廓。對定位后圖像進(jìn)行骨質(zhì)閾值界定，以分離骨性結(jié)構(gòu)及周圍軟組織。對處理好的骨性區(qū)域手動進(jìn)行三維(3D)表面光滑處理，從而使骨骼表面質(zhì)量最優(yōu)化。利用三維建模軟件Solidworks 2016將Mimics中所生成的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向處理，得到骨骼結(jié)構(gòu)整體外表面，借助網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh 12.0，通過手動調(diào)整邊界網(wǎng)格質(zhì)量，先后進(jìn)行二維分網(wǎng)、節(jié)點合并，從而生成完整的三維網(wǎng)格模型。

由于CT顯示韌帶、軟骨等軟組織圖像模糊的局限性，無法利用Mimics軟件進(jìn)行分割提取，本研究采用人工模擬添加韌帶、軟骨的方法。采用只受拉不受壓的桿單元模擬踝關(guān)節(jié)的韌帶，根據(jù)各韌帶的起止點、解剖走形[11]，在Abaqus 6.13中手動添加韌帶(見圖1)，包括踝周內(nèi)外側(cè)共9組。結(jié)合踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面的解剖特點，采用主-從接觸算法模擬接觸關(guān)系、構(gòu)建關(guān)節(jié)軟骨(見圖2)。

圖1 踝關(guān)節(jié)三維網(wǎng)格模型及桿單元模擬的踝關(guān)節(jié)韌帶(粉色部分)

圖2 主-從接觸算法模擬接觸關(guān)系和構(gòu)建關(guān)節(jié)軟骨

生物力學(xué)研究中將骨骼、軟骨視為各向同性材料，且將彈性模量分成不同的等級來模擬骨骼的皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和軟骨。骨骼及韌帶單元的材料參數(shù)通過查閱既往文獻(xiàn)[12-13]進(jìn)行設(shè)定，具體見表1-表2。

表1 足踝部骨與軟骨材料參數(shù)

表2 足踝部韌帶的材料參數(shù)

1.3.3模型驗證 有限元模型的可靠性和有效性是進(jìn)一步生物力學(xué)分析的前提。本研究采用在體試驗測量結(jié)果與施加相同載荷后有限元模型計算結(jié)果對比的方法完成模型的驗證。

1)在體試驗數(shù)據(jù)獲取

利用自行研制的力學(xué)數(shù)據(jù)手套及運動捕捉系統(tǒng)，分別在受試者踝關(guān)節(jié)扭傷后第1天、1周及2周采集患踝被動背伸、跖屈、內(nèi)翻、外翻施加的載荷大小及踝關(guān)節(jié)運動角度，作為模型加載的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。以扭傷后2周采集的載荷數(shù)據(jù)作為驗證有限元模型有效性的加載值。

2)載荷參數(shù)及邊界條件

載荷參數(shù)：根據(jù)在體試驗中被動活動踝關(guān)節(jié)的操作情況，確定三維有限元模型載荷加載的位置、大小及方向(見圖3)。由于內(nèi)外翻運動為復(fù)合運動，因此結(jié)合在體試驗中得到的載荷數(shù)值，在有限元模型中計算內(nèi)外翻施力時的力臂，轉(zhuǎn)換為扭矩來代表踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻時的動力。

圖3 模型中載荷施加位置(粉色部分)

邊界條件：對模型中的小腿上端進(jìn)行全約束，同時將模型中除踝關(guān)節(jié)外的其余關(guān)節(jié)進(jìn)行剛性約束。

3)模型運動角度的提取

患者扭傷后2周右踝關(guān)節(jié)癥狀已明顯緩解，故以扭傷后2周采集的數(shù)據(jù)作為驗證有限元模型有效性的加載值，在Abaqus后處理程序中提取加載載荷后有限元模型運動前后的節(jié)點坐標(biāo)值，然后根據(jù)相同節(jié)點運動前后的坐標(biāo)變化計算出踝關(guān)節(jié)模型運動角度。

1.3.4踝扭傷后關(guān)節(jié)、韌帶的應(yīng)力分析 在踝關(guān)節(jié)有限元模型準(zhǔn)確、有效的基礎(chǔ)上，將扭傷后1 d及1周在體試驗所施加載荷及運動角度加載于有限元模型中進(jìn)行計算，模擬得出踝關(guān)節(jié)各關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力峰值及韌帶的應(yīng)力分布情況。

2 結(jié)果

2.1 在體試驗數(shù)據(jù)

在采集踝關(guān)節(jié)被動運動施加載荷及運動角度時，為保證不同時間點踝關(guān)節(jié)運動角度及關(guān)節(jié)面、韌帶應(yīng)力值之間具有可比性，通過力學(xué)數(shù)據(jù)手套控制不同時間點施加載荷的一致性。在體試驗中受試者踝關(guān)節(jié)載荷由操作者雙手拇指施加，載荷的大小及不同時間點踝關(guān)節(jié)運動角度見表3-表4。

表3 雙手拇指施加載荷的大小 (N)

表4 踝關(guān)節(jié)運動角度 (°)

2.2 模型的有效性驗證

通過編寫MATLAB程序，對加載載荷的踝關(guān)節(jié)模型運動角度進(jìn)行計算，得出踝關(guān)節(jié)扭傷后2周模型的有限元計算角度，并與在體試驗的實際運動角度對比，驗證模型的有效性，見表5。

表5 在體試驗及有限元模型計算角度 (°)

從表5可以看出：在相同的載荷條件下，踝關(guān)節(jié)在體運動角度與有限元模型運動角度數(shù)值一致，故認(rèn)為本研究所建立的踝關(guān)節(jié)有限元模型準(zhǔn)確、真實，利用該模型可以準(zhǔn)確模擬踝關(guān)節(jié)不同條件下各關(guān)節(jié)面及韌帶的應(yīng)力分布情況。

2.3 踝關(guān)節(jié)各關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力峰值

通過對踝關(guān)節(jié)模型跖屈、背伸、內(nèi)翻、外翻四種工況的計算，踝關(guān)節(jié)扭傷后1 d及1周脛距關(guān)節(jié)及距腓關(guān)節(jié)面的接觸應(yīng)力值見表6。

表6 四種工況下踝扭傷后1 d及1周脛距及距腓關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力峰值 (MPa)

由表6可以看出：在相同的施加載荷下，四種工況中踝關(guān)節(jié)面(脛距、距腓關(guān)節(jié))接觸應(yīng)力峰值在踝關(guān)節(jié)扭傷后隨著時間的推移而變化，均有增高的趨勢。

2.4 踝關(guān)節(jié)韌帶的應(yīng)力分布

如圖4所示，通過對有限元模型的分析，四種工況中踝關(guān)節(jié)的內(nèi)外側(cè)韌帶應(yīng)力分布在踝扭傷后1 d及1周存在主次變化。如表7所示，在跖屈工況中，踝扭傷后1 d及1周的最大受力韌帶分別為距腓前韌帶和脛距前韌帶，在背伸、內(nèi)翻及外翻工況中，踝關(guān)節(jié)扭傷后1 d及1周時各自最大受力者為同一韌帶，分別為跟脛韌帶、跟腓韌帶、跟脛韌帶，但相應(yīng)韌帶的應(yīng)力值隨著時間推移增加。

圖4 四種工況下踝扭傷后1 d及1周踝周9組韌帶應(yīng)力分布情況

表7 四種工況下踝扭傷后1 d及1周最大受力韌帶及應(yīng)力值(MPa)

3 討論

LAS屬于中醫(yī)骨傷科“筋傷”的范疇，其發(fā)病機(jī)制可用“骨錯縫、筋出槽”來解釋，然而，目前對于LAS“骨錯縫、筋出槽”的認(rèn)識尚處于理論假說層面，鮮有對其客觀化機(jī)制的本質(zhì)性研究。本研究基于有限元分析技術(shù)平臺，通過對比踝關(guān)節(jié)扭傷后不同時間點關(guān)節(jié)被動活動時踝關(guān)節(jié)面及踝周韌帶的應(yīng)力變化情況，間接證明“骨錯縫、筋出槽”的病理狀態(tài)。

首先，在踝關(guān)節(jié)有限元模型跖屈、背伸、內(nèi)翻、外翻四種工況中加載踝關(guān)節(jié)扭傷后1 d及1周的在體動力學(xué)數(shù)據(jù)，有限元計算的結(jié)果顯示：在相同的載荷下，四種工況中踝關(guān)節(jié)接觸面(脛距、距腓關(guān)節(jié)面)應(yīng)力峰值在踝關(guān)節(jié)扭傷后隨著時間的變化有增高的趨勢，這一結(jié)果預(yù)示著隨著踝關(guān)節(jié)扭傷的恢復(fù)，其關(guān)節(jié)面承受負(fù)重的能力逐漸增加，同時也暗示了踝關(guān)節(jié)接觸面存在潛在的病理環(huán)境。而關(guān)節(jié)軟骨是關(guān)節(jié)負(fù)重的主要承擔(dān)者，從生物力學(xué)角度分析關(guān)節(jié)軟骨的主要功能是通過擴(kuò)散載荷以降低關(guān)節(jié)面的磨損，軟骨面分布欠均勻使得踝關(guān)節(jié)存在低負(fù)重區(qū)及高負(fù)重區(qū)[14]。因此，筆者認(rèn)為關(guān)節(jié)軟骨的損傷及接觸面的應(yīng)力分布不均勻可以作為“骨錯縫”的反映指標(biāo)。本研究雖沒有直接觀察到踝關(guān)節(jié)扭傷后關(guān)節(jié)軟骨的損傷，但是筆者發(fā)現(xiàn)扭傷后1 d及1周踝關(guān)節(jié)活動時接觸面的應(yīng)力值存在動態(tài)變化，這一結(jié)果可以作為“骨錯縫”病理狀態(tài)存在的證明。傳統(tǒng)意義上的“骨錯縫”多指的是骨骼之間非生理性的、不正常的吻合狀態(tài)[7]，但是程度較輕的“骨錯縫”憑借常規(guī)的影像學(xué)手段不易看出[15]，本研究為輕度“骨錯縫”病理狀態(tài)的研究提供了新思路、新手段。

其次，在踝關(guān)節(jié)有限元模型跖屈、背伸、內(nèi)翻、外翻四種工況中加載動力學(xué)數(shù)據(jù)后，有限元計算結(jié)果也顯示在相同的載荷下，LAS后不同時間點跖屈工況中踝關(guān)節(jié)周圍最大受力韌帶存在變化，其余三種工況中踝關(guān)節(jié)周圍最大受力韌帶雖然未改變，但隨著病程的推移相應(yīng)韌帶的應(yīng)力值逐漸增加。踝關(guān)節(jié)周圍韌帶復(fù)合體具有約束、維系及維持踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的作用[16]，LAS發(fā)生后其周圍的肌腱、韌帶等部分撕裂腫脹，彈性性能及維系能力減弱或脫離正常的解剖位置，即“筋出槽”，具體可表現(xiàn)為筋弛、筋縱、筋攣或筋驟等病理狀態(tài)。因此，本研究根據(jù)踝扭傷后關(guān)節(jié)活動時韌帶應(yīng)力值大小來體現(xiàn)踝周韌帶彈性性能、維系能力及客觀反映“筋出槽”病理狀態(tài)具有合理性。由于正常踝關(guān)節(jié)在不同運動狀態(tài)下各韌帶的應(yīng)力值大小缺乏可靠的標(biāo)準(zhǔn)，筆者對比了LAS后不同時間點關(guān)節(jié)活動時最大受力韌帶及其應(yīng)力值。最大受力韌帶及韌帶應(yīng)力值的動態(tài)變化預(yù)示了“筋出槽”的存在，而隨著病程推移韌帶應(yīng)力值的增加也提示其彈性性能及維系能力的增強(qiáng)。

此外，有限元模型的驗證結(jié)果提示在體試驗與模型計算的踝關(guān)節(jié)運動角度具有一致性，可以認(rèn)為本研究所建立的踝關(guān)節(jié)有限元模型準(zhǔn)確、有效。與既往研究不同，本研究直接采用踝關(guān)節(jié)扭傷患者的CT影像學(xué)資料作為有限元模型構(gòu)建的載體，從而保證模型與真實踝關(guān)節(jié)具有更加可靠的擬合度。而且既往研究大多將尸體標(biāo)本或文獻(xiàn)報道的數(shù)據(jù)作為踝關(guān)節(jié)有限元模型有效性驗證的參考依據(jù)[17-18]，有一定的誤差。本研究利用同一受試者的在體動力學(xué)試驗數(shù)據(jù)作為有限元模型有效性驗證的基礎(chǔ)，具有更好的真實性。

總之，通過有限元分析技術(shù)能夠充分反映整體內(nèi)外部應(yīng)力、應(yīng)變、位移等力學(xué)參數(shù)的變化情況[19]。本研究基于有限元模型嘗試探索LAS后“骨錯縫、筋出槽”的病理狀態(tài)，雖具有模型準(zhǔn)確、有效等優(yōu)勢，但仍存在不足之處。為了計算方便，在建模過程中忽略了肌肉、肌腱等軟組織，可能影響試驗結(jié)果。此外，本研究通過對扭傷后的踝關(guān)節(jié)活動時關(guān)節(jié)面、韌帶應(yīng)力的分布變化間接證明了“骨錯縫、筋出槽”狀態(tài)，如何選取能夠直接反映“骨錯縫、筋出槽”病理狀態(tài)的參數(shù)及如何通過模型直接構(gòu)建模擬踝關(guān)節(jié)扭傷的動態(tài)過程，是今后應(yīng)該關(guān)注的研究方向。