踝外侧副韧带损伤对踝关节稳定性及软骨接触应变影响的有限元分析

背景：在踝关节扭伤和踝关节韧带损伤中近85%涉及外侧副韧带，损伤的机制为足跖屈时踝关节内翻。急性踝关节外侧扭伤的患者中有20%-40%会出现持续疼痛和慢性踝关节外侧不稳，导致距骨平移和旋转过大，加速软骨磨损，导致关节退化。目的：通过有限元建模探究不同类型的踝外侧副韧带损伤模型对踝关节稳定性以及距骨穹窿软骨接触应变的影响。方法：将1名27岁志愿者足踝CT扫描数据DICOM文件导入有限元软件中，进行三维重建及曲面拟合，再进行网格划分，建立含有骨骼、关节软骨和韧带的完整踝关节有限元模型，对比正常、距腓前韧带损伤、跟腓韧带损伤和距腓前韧带+跟腓韧带损伤4种不同工况下的踝关节稳定性和距骨软骨接触应变的改变。结果与结论：(1)在前抽屉试验中，距腓前韧带损伤和距腓前韧带+跟腓韧带损伤距骨前移距离明显大于正常和跟腓韧带损伤(P <0.05)，而距腓前韧带损伤和距腓前韧带+跟腓韧带损伤之间、正常和跟腓韧带损伤之间差异无显著性意义(P> 0.05);(2)在距骨倾斜试验中，跟腓韧带损伤和距腓前韧带+跟腓韧带损伤距骨倾斜角度明显大于正常和距腓前韧带损伤，而跟腓韧带损伤和距腓前韧带+跟腓韧带损伤之间、正常和距腓前韧带损伤之间无明显差异；(3)在单足站立试验中，与正常模型相比，上述3种损伤模型改变了距骨穹窿软骨接触应变分布，峰值由距骨穹窿前外侧转移至前内侧，导致了距骨穹窿软骨前内侧压力增高，并且峰值大小比较：距腓前韧带+跟腓韧带损伤>距腓前韧带损伤>跟腓韧带损伤>正常，距腓前韧带+跟腓韧带损伤的峰值明显大于距腓前韧带损伤和跟腓韧带损伤；(4)研究结果验证了踝外侧副韧带损伤时踝关节稳定性的丢失和前内侧软骨接触应变峰值增加，揭示了慢性踝关节外侧不稳和踝关节骨关节炎之间的联系，确认了修复或者重建距腓前韧带和跟腓韧带的必要性，为慢性踝关节外侧不稳的手术治疗提供了理论依据。

踝关节扭伤是最常见的运动相关损伤，也是医院急诊科日常接诊的常见病之一[1]。据研究统计，踝关节外侧扭伤占所有踝关节扭伤的85%，大约全球每天1 000人中至少有1例发生[2]。从损伤机制和生物力学上看，当足跖屈内翻时外侧副韧带需抵抗过度内翻和外旋应力，最常见损伤类型的是孤立距腓前韧带(anterior talofibular ligament,ATFL)损伤，第二则是ATFL联合跟腓韧带(calcaneofibular ligament,CFL)损伤[3]。ATFL连接腓骨远端与距骨，限制距骨前移位和踝关节跖屈；CFL跨越踝关节和距下关节，限制踝关节的内翻和跖屈[4,5]。当其发生损伤后，势必会对踝关节的稳定性造成影响，其中20%-40%的患者会出现持续疼痛和慢性踝关节外侧不稳[6]。

踝关节扭伤时距骨外侧穹窿与腓骨表面发生直接撞击，以及距骨内侧穹窿挤压胫骨下关节面，导致距骨表面的软骨损害[7]。慢性踝关节外侧不稳会导致距骨平移和旋转过大，这在软骨上产生了相应的剪切力加速软骨磨损，受损软骨出现软骨软化，导致关节退化[8]。既往有研究者报道了在踝关节外侧副韧带断裂的手术患者中存在5%-9%的距骨外侧穹窿软骨病变[9]。DAHMEN等[10]研究发现71%的距骨骨软骨损伤患者有踝关节创伤史。VAN DIEPEN等[11]报道了78%的距骨骨软骨损伤患者有创伤史，其中73%的损伤位于距骨穹窿的内侧区。

踝关节不稳甚至被认为是踝关节骨性关节炎的前兆，其外侧副韧带损伤后胫距关节稳定性丢失和软骨接触应力改变是发生踝关节骨性关节炎的关键[12]。有一项研究使用三维MRI模型和双平面透视技术对7例单侧踝关节外侧不稳患者的体内软骨接触应变进行了评估，发现距骨峰值较健侧增大并向内侧偏移[13]，但是不同的踝外侧韧带损伤类型是否会对踝关节稳定性以及软骨接触应变产生不同的生物力学效应，尚缺乏研究。

因此，该研究通过构建踝关节的三维有限元模型，对比未受伤、单纯ATFL损伤、单纯CFL损伤以及ATFL联合CFL损伤4种工况下胫距关节稳定性和距骨穹窿软骨峰值应变及峰值位置的变化，为医学实验提供了基础性数据和后期生物力学分析做准备，同时也为慢性踝关节外侧不稳的治疗和优化方案提供科学依据。

1 对象和方法Subjects and methods

1.1 设计

踝关节有限元模型建立与力学分析实验。

1.2 时间及地点

于2021年3月至2022年4月在江苏大学附属医院完成。

1.3 对象

选择1名健康男性志愿者，年龄27岁，身高170 cm,体质量60 kg，既往无踝关节创伤手术史和畸形、类风湿性关节炎、痛风等病史，签署了知情同意书。研究已通过江苏大学附属医院生物医学研究伦理委员会批准(SWYX-LL20210401-17)。

1.4 材料

采用德国西门子公司生产的64排螺旋CT扫描机对志愿者右踝关节进行扫描，共获得轴位断层图像251层，扫描层厚0.6 mm，扫描电压120 k V，电流实时变化，扫描矩阵512×512，扫描数据以DICOM格式直接存储。

试验设备：计算机硬件：Intel(R) Core(TM) i5-8250U CPU@1.60 GHz四核，8 GB内存，NVIDIA Ge Force GTX 1050显卡，4 GB显存，Windows10 64位操作系统；医学图像处理软件：Mimics 17.0(Materialise公司，比利时)；Geomagic Studio 2013逆向工程软件(Geomagic公司，美国)；Ansys Workbench 19.0有限元分析软件(ANSYS公司，美国)。

1.5 方法

1.5.1 有限元模型建立

将DICOM数据导入Mimics 17.0软件中，依据不同组织的灰度值进行自动化阈值分割区分，初步分离出骨骼组织，利用mask建立各个部分结构模型，利用手工编辑图层工具擦除多余的部分或者补上缺失的部分，对模型进行smoothing处理，填补孔隙和光滑表面，初步建立包含所需的5块骨骼(胫骨、腓骨、距骨、跟骨和舟骨)的三维模型，导出STL格式模型数据文件。见图1。

将STL格式文件导入Geomagic软件中，生成多边形模型，进行重新划分网格、删除钉状物、松弛、减少噪声、快速光顺等处理，同时构建各个关节间的软骨。最后用拟合曲面命令生成实体模型，再将处理好的模型导出为通用STEP格式模型数据文件。

1.5.2 模型有限元分析

将模型导入Ansys workbench 17.0中，通过建立Static Structural分析类型模块，骨性结构和软骨选用了各向同性线弹性材料，进行材料属性赋值，踝关节周围韧带采用Spring单元模拟，具体材料属性和各个韧带刚度值见表1和表2。为保留模型的细小特征和细节、提高划分效率，骨性部分和关节软骨采用二阶四面体单元(92号单元)进行网格划分。骨骼与软骨之间设置为bonded，软骨与软骨之间设置为fric■onal，摩擦系数为0.1。见图2。

建立4种踝关节有限元模型：(1)建立完整的踝外侧韧带模型即为正常未损伤模型；(2)去除模拟ATFL的Spring单元建立ATFL损伤模型；(3)去除模拟CFL的Spring单元建立CFL损伤模型；(4)去除模拟ATFL和CFL的Spring单元建立ATFL+CFL损伤模型。

4种有限元模型的边界条件和载荷分别如下：(1)前抽屉试验：固定胫腓骨上截面，跟骨头部添加100 N前向牵引力；(2)内翻应力试验：固定胫腓骨上截面，在跟骨纵轴外侧施加1.7 N·m内旋扭矩；(3)单足静止站立试验：根据以往文献[17]，胫骨和腓骨所承受的载荷比为5∶1，在有限元模型中固定跟骨底部和舟骨前方，在胫骨和腓骨上截面分别施加500 N和100 N垂直向下的载荷。

1.6 主要观察指标

(1)在前抽屉试验中选取距骨头部、穹窿顶部、穹窿两侧以及距骨尾部共5个节点，计算因载荷添加而产生的前后方向位移，即距骨前移距离；(2)在内翻应力试验中测量载荷添加前后距骨上关节面切线的夹角，即距骨倾斜角度；(3)在单足站立试验中观察距骨穹窿接触应变及峰值位置。

1.7 统计学分析

采用SPSS 22.0软件进行统计处理。计量数据用表示，4个模型间比较采用单因素方差分析，2模型间比较采用两独立样本t检验。P<0.05表示差异有显著性意义。该文章的统计学方法已经袁即山专家审核。

2 结果Results

2.1 有限元模型的有效性验证结果

研究所建立的正常完整的踝关节模型单元总数135 839个、节点总数245 956个。以正常模型模拟踝关节中立位前抽屉试验和内翻应力试验来测试踝关节的稳定性，结果显示该模型在前抽屉试验中发生2.70 mm的前移和在内翻应力试验中距骨矢状轴出现1.02°的内翻；模拟单足站立试验，结果显示该模型软骨峰值最大应变为3.612 3 MPa，峰值位置在偏前外侧。见表3和图3。

2.2 前抽屉载荷下不同损伤模型中距骨前移结果

4个模型中，ATFL损伤模型和ATFL+CFL损伤模型的距骨前移距离显著大于正常模型和CFL损伤模型，差异有显著性意义(P<0.05)，但正常模型和CFL损伤模型的距骨前移距离之间，以及ATFL损伤模型和ATFL+CFL损伤模型的距骨前移距离之间，差异无显著性意义(P>0.05)，见表4。4个模型的位移云图见图4。

2.3 内翻应力载荷下不同损伤模型中胫骨倾斜角度结果

4个模型中，CFL损伤模型和ATFL+CFL损伤模型的距骨倾斜角度均明显大于正常模型和ATFL损伤模型，但是正常模型和ATFL损伤模型距骨倾斜角度之间相差不大，见表5。4个模型的距骨内翻位移云图见图5。

2.4 不同损伤模型距骨软骨接触应变峰值及位置的结果

与正常模型相比，3种损伤模型改变了距骨软骨的接触应变分布，峰值由距骨穹窿的前外侧转移至前内侧，导致了距骨穹窿前内侧压力增高，并且峰值大小比较：ATFL+CFL损伤>ATFL损伤>CFL损伤>正常，ATFL+CFL损伤模型的峰值明显大于ATFL损伤模型和CFL损伤模型，见表6。4种模型的距骨穹窿软骨应力云图见图6。

3 讨论Discussion

3.1 模型的特点及有效性验证

此次实验利用人体踝关节薄层CT，建立踝关节有限元模型并评估踝外侧韧带损伤会对踝关节稳定性以及软骨接触应变产生不同的生物力学效应。足踝关节是人体下肢运动系统中重要组成，也是在人体负重和运动时传递下肢载荷的枢纽关节，其解剖结构繁多、生物力学复杂。为此完全还原踝关节的所有细节与特征不切实际，本着突出重点、简化模型的思路，骨性结构中选取了胫骨、腓骨、距骨、跟骨和舟骨5块骨构成。踝关节为多铰链关节，其跖屈背伸的活动离不开关节间的软骨，为了更加真实的模拟，因此在该模型中相应的建立了胫距关节、距下关节以及距舟关节之间的关节软骨。踝关节稳定依靠于关节间的吻合和支持韧带的共同作用，外侧副韧带(ATFL、CFL、距腓后韧带)、深浅三角韧带(胫舟韧带、胫跟韧带、胫距前韧带和胫距后韧带)和联合韧带(下胫腓前韧带和下胫腓后韧带)维系踝部的胫骨和腓骨远端在内翻、内旋、外翻、外旋时的稳定，因此上述踝周韧带的构建在有限元模型中必不可少，并且在4种工况中保证除了ATFL和CFL以外的结构一致性，排除了其他韧带的影响。严格来讲，骨本质上属于非线性黏弹性材料，然而根据以往文献以及在特定的仿真问题中，骨性结构和软骨定义为各向同性线弹性材料，只需确定相应的弹性模量和泊松比，这样可以在不影响计算精度的前提下提高计算仿真效率。踝周韧带采用了Ansys软件中的Spring单元模拟，依据奈特人体解剖图谱在韧带相应的起止点建立连接。此次研究将所建立的模型与志愿者原始的CT相比较，形态相似，其符合正常人体解剖特征。为验证此实验模型的有效性，将正常模型模拟踝关节中立位前抽屉试验和内翻应力试验踝关节的稳定性，结果显示该模型在前抽屉试验中发生2.70 mm的前移和在内翻应力试验中距骨矢状轴出现1.02°的内翻，这符合对正常踝关节在真实前抽屉试验和内翻应力试验中稳定性的要求；模拟单足站立试验，结果显示该模型软骨峰值最大应变为3.612 3 MPa，峰值位置在偏前外侧，这与ANDERSON等[17]的力学试验和有限元分析结果相一致。上述试验结果证实了该模型具有真实性和有效性。

3.2 模型建立及其结果的意义

随着数字骨科学的提出和发展，针对临床骨科研究对象利用有限元数值计算与计算机仿真技术相结合建立的生物力学实验模型是目前进行骨科生物力学研究的重要手段之一。传统的骨科生物力学研究是利用人体标本通过材料力学试验机器或者载荷加载设备模拟人体活动，借助相关影像设备和传感器观测力学指标的变化进行分析。然而从可获得性和经济学角度考虑，人体标本无法大量获得，并且缺乏可重复操作性，无法观测其内部生物力学变化。有限元仿真分析的应用弥补了上述标本实验的缺陷与不足。因足踝关节的解剖结构复杂、生物力学多变，日常生活和运动中存在的足踝损伤的生物力学问题有许多不可预见性，为了探索这些病理现象背后复杂的损伤机制，有限元仿真分析逐渐应用于足踝部生物力学的研究[18]。踝关节扭伤是运动医学中最常见的损伤之一，也被认为是距骨骨软骨损伤的最常见原因。距骨关节面前宽后窄，跖屈较背伸时踝关节容易发生松动，并且外侧副韧带较内侧三角韧带薄弱，足内翻肌群比外翻肌群多且拉力大，加上外踝低于内踝，因此踝关节在内翻跖屈位容易发生扭伤导致外侧副韧带损伤[19]。为此，作者探究了3种外侧副韧带损伤类型对踝关节稳定性的影响，以及对距骨穹窿内外侧的软骨接触应变产生的改变，根据前抽屉试验结果，ATFL损伤和ATFL+CFL损伤的距骨前移距离都较正常和CFL损伤明显增大，但ATFL损伤和ATFL+CFL损伤之间的距骨前移距离差异不大；而在内翻应力试验中CFL损伤和ATFL+CFL损伤的距骨倾斜角度都较正常和ATFL损伤明显增大，但CFL损伤和ATFL+CFL损伤之间的距骨倾斜角度差异不大。上述的实验结果验证了ATFL主要限制距骨的前移，而CFL主要防止距骨的内翻，这和之前的人体研究结果一致，也说明了3种损伤模型的真实性。在单足站立试验中，外侧副韧带损伤的情况下，观察到接触应变峰值向距骨穹窿内侧前方的转移，以及接触应变峰值的增加。而ATFL+CFL损伤中接触应变峰值明显高于ATFL损伤和CFL损伤，这些结果有助于解释在慢性踝关节外侧不稳患者关节前内侧部分观察到的退化。既往尸体研究发现ATFL切断以后，距骨内侧的接触压力增加[20]。CAPUTO等[21]研究发现在没有ATFL的情况下，由于内踝弯曲的关节面，增加的内旋和前移可能使接触点向前内侧移动。这些发现与此次研究的数据是一致的，因为此研究观察到慢性踝关节外侧不稳中接触应变峰值增加并向前内侧移动。BLOM等[22]发现单次高负荷轴向撞击后，对山羊胫距关节模型使用对比增强micro-CT观察到全关节生物力学的变化，无任何可见的软骨损伤。急性的损伤或者单一的撞击对于软骨而言仍有愈合的可能，然而踝外侧副韧带损伤导致的踝关节不稳会引发反复多次的距骨和胫骨之间的撞击，以及生物力学传导的持续改变，这或许是发生踝关节骨性关节炎的重要影响因素，恢复踝关节的生物力学稳定对于保护踝关节是必要的，也是避免踝关节骨性关节炎的关键。与此同时距骨骨软骨损伤也会反过来影响踝关节的稳定性。LI等[23]通过有限元方法发现距骨骨软骨损伤深达3 mm时，踝关节稳定性发生最明显的变化，因此在修复重建踝外侧副韧带的同时需要修复骨软骨损伤。

综上所述，在这项研究中观察到踝外侧副韧带损伤时踝关节稳定性的丢失和前内侧软骨接触应变峰值增加，这些改变可能会加剧初始损伤期间发生的软骨损伤，导致该患者群体的软骨退化和踝关节骨性关节炎的发展。因此，在踝外侧副韧带损伤时应考虑修补或重建ATFL和CFL，并同时处理相应的距骨骨软骨损伤，以避免慢性踝关节外侧不稳带来的中期和长期不良后果。此次研究的软骨接触应变数据可能对踝关节外侧不稳的治疗有临床意义。了解外侧副韧带损伤后改变的接触应变模式表明，如果应变模式可以通过解剖重建恢复，手术干预可能有助于防止距骨骨软骨损伤的加重甚至进展为骨性关节炎，也进一步推进了对于何种手术在预防骨性关节炎方面最有效的探索。

3.3 研究的不足与展望

此次试验利用人体踝关节薄层CT，建立踝关节有限元模型并评估踝外侧韧带损伤会对踝关节稳定性以及软骨接触应变的影响。但该研究仍有许多局限性：首先试验只对踝关节进行了静力学分析，没有评估动态运动，未来的研究将评估踝关节动态运动中内部的生物力学变化情况；此外，距骨软骨厚度并不是均匀等厚的，其厚度变化很大，该研究确实量化了受伤踝关节和正常踝关节之间平均峰值应变的显著差异，但是模型中建立的软骨是均匀等厚的，仍然需要对模型进行优化，以便更加真实地模拟人体真实情况；最后，试验仅验证了ATFL和CFL的作用，除了ATFL和CFL以外软组织结构损伤对软骨接触应变的作用是一个有待于进一步研究的问题。

参考文献：略

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